3GPP LTE: Hacia la 4G móvil. Jose F. Monserrat
1.2. Roadmap del 3GPP
Como consecuencia del elevado ritmo de crecimiento en el sector de la telefonía móvil, los sistemas móviles han ido alcanzando de manera continua sus límites en términos de capacidad. Por otro lado, el conjunto de tipos de servicio ofrecido por los sistemas ha ido evolucionando conforme a las necesidades del mercado y las mejoras ofrecidas por los sistemas cableados análogos.
Atendiendo a estas necesidades, diversos organismos de estandarización, coordinados por la Unión Internacional de las Telecomunicaciones (UIT), están trabajando desde finales de la década de los 80 en la especificación de un conjunto de sistemas que permitan satisfacer dichas necesidades. El resultado definitivo de este trabajo constituyó la tercera generación de sistemas de comunicaciones móviles y conformará la venidera cuarta generación móvil.
Inicialmente la intención de la UIT era definir un sistema global que reuniera un conjunto ambicioso de características técnicas. Sin embargo, debido a la imposibilidad de llegar a un consenso en la definición de la tecnología que sustentase tal sistema, el objetivo inicial tuvo que ser sustituido por la meta de lograr una familia de sistemas distintos con características comunes conocido con el nombre de International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000). Por motivos de marketing, a las tecnologías incluidas en esta familia se las denominó tecnologías de tercera generación.
La versión europea de los sistemas de telefonía móvil de tercera generación se denominó UMTS. La especificación del sistema UMTS es responsabilidad de un foro conocido como 3GPP. El foro 3GPP está constituido por organismos normativos de diferentes países, que conforman lo que se conoce como socios constituyentes. Uno de estos socios es la European Telecommunications Standards Institute (ETSI), una organización establecida con el fin de elaborar normas europeas de telecomunicaciones, que, en este caso, se encarga de traducir los documentos elaborados por el 3GPP a normas europeas.
Con el objetivo de no quedarse sin capacidad para cubrir las necesidades del mercado, el 3GPP evolucionó el sistema UMTS desde su primera versión, la Release 99, incluyendo importantes mejoras que llevaron a nuevas variantes del estándar, como HSDPA, High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), HSPA y HSPA+, todas caracterizadas por el incremento sustancial de la capacidad de transmisión y la mejor adecuación a la conmutación de paquetes, como se aprecia en la figura 1.3. Además, el 3GPP inició en 2004 los estudios relacionados con la evolución de la red 3G hacia la Cuarta Generación Móvil (4G). El enlace entre ambas generaciones dentro del camino tecnológico definido por el 3GPP lo marca así la tecnología Long Term Evolution, que puede considerarse como una tecnología precursora de las redes 4G o el sistema más potente dentro de las tecnologías de 3G. De manera informal, la comunidad científica clasifica a LTE como una tecnología 3.9G, dado que supera en mucho las prestaciones iniciales que definieron las tecnologías de tercera generación móvil.
Para la tecnología LTE el 3GPP marcó unos exigentes requisitos de transmisión. En concreto, se fijaron 100 Mbps en el enlace descendente y 50 Mbps en el enlace ascendente, en un ancho de banda de 20 MHz. Las especificaciones de la interfaz radio de LTE fueron aprobadas en septiembre y en diciembre de 2007. El trabajo de la capa física se cerró en marzo de 2008 y se puede considerar que LTE es una tecnología plenamente operativa desde diciembre de 2009.
Figura 1.3. Evolución de las tecnologías 3GPP.
Sin embargo, la presión del mercado llevó a la comunidad internacional a aumentar aún más los requisitos de las futuras tecnologías de cuarta generación. Los sistemas de comunicaciones móviles 4G deben estar completamente basados en IP siendo capaces de soportar velocidades de 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo, manteniendo una alta calidad de servicio extremo a extremo para permitir ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier momento, en cualquier lugar y con el mínimo coste posible. Éstos y otros requisitos fueron marcados por el sector de radiocomunicaciones de la UIT (UIT-R) para poder ser considerados como sistemas de 4G o de la nueva familia IMT-Advanced (IMT-A). En abril de 2008, se formó en el 3GPP un primer grupo de estudio de LTE-Advanced (LTE-A) para marcar los requerimientos de la evolución de las especificaciones ya existentes. En octubre de 2009, se envió por parte del 3GPP la tecnología LTE-A como candidata a formar parte de la familia IMT-A. El estudio preliminar de esta tecnología, realizado por el propio 3GPP y por otros grupos de evaluación externos, demostró que la tecnología cumplía con todos los requisitos marcados por la UIT, con lo que se aceptó definitivamente en octubre de 2010.
Como se verá más adelante, formar parte de las familias International Mobile Telecommunication (IMT) supone, más allá del prestigio tecnológico y la aceptación a nivel mundial, la posibilidad de ocupar ciertas bandas del espectro reservadas a aquellas tecnologías más potentes. De ahí la importancia que LTE tiene para el futuro de las tecnologías móviles.
1.3. Requisitos del sistema LTE
LTE se ha especificado en base a una serie de requisitos ambiciosos en cuanto a la velocidad de datos, la capacidad, la eficiencia espectral y la latencia. Con el fin de cumplir con estos requisitos, LTE se basa en un nuevo esquema de acceso múltiple en la interfaz aire: Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) en enlace descendente o Downlink (DL) y Single Carrier-Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) en enlace ascendente o Uplink (UL). Además, la incorporación de esquemas Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) es una parte esencial de las mejoras que LTE aporta a los estándares del 3GPP. En cuanto a la arquitectura, LTE incorpora algunos cambios importantes a los conceptos de protocolos existentes en UMTS, con el fin de simplificar la arquitectura general de la red de acceso radio y el núcleo de red. LTE incluye tanto un modo de operación duplexado por división en frecuencia o Frequency Division Duplexing (FDD) como un modo duplexado por división en tiempo o Time Division Duplexing (TDD).
Como se ha visto antes, el estándar LTE se empezó a especificar en el 3GPP en 2004. Al inicio del proceso de normalización de LTE se identificaron los requisitos principales para el diseño de un sistema de estas características, y éstos han sido recogidos en la especificación [1]. Estos requisitos pueden resumirse como sigue:
1 Velocidad de datos: Objetivo de 100 Mbps en tasas de transmisión de pico en enlace descendente y de 50 Mbps en enlace ascendente, en 20 MHz de ancho de banda, asumiendo terminales con 2 antenas en recepción y 1 en transmisión. Estas tasas de transmisión son casi 7 veces las tasas de transmisión de HSDPA Release 6 en el sentido descendente y casi 8 veces a HSUPA en el sentido ascendente.
2 Eficiencia espectral: En las mismas condiciones del punto anterior, 20 MHz de ancho de banda, la eficiencia espectral requerida es de 5 bits/s/Hz y 2,5 bits/s/Hz en UL, cifras que están entre 3 y 4 veces por encima de las de Release 6 en DL (HSDPA) y de 2 a 3 veces mejor que en Release 6 en el UL (HSUPA).
3 Rendimiento: El rendimiento (throughput) medio por usuario y MHz en enlace descendente debe ser entre 3 y 4 veces superior al de Release 6 y de 2 a 3 veces mejor que en Release 6 en el enlace ascendente.
4 Latencia: La latencia en el plano de usuario se refiere al tiempo de tránsito unidireccional de un paquete desde que está disponible en la capa IP en el terminal y la disponibilidad de este paquete en la capa IP de un nodo en la red de acceso radio, o viceversa, será inferior a 5 ms. También se reducirá el tiempo de latencia en plano de control para permitir tiempos de transición de menos de 100 ms en un terminal desde el estado camped al estado active.
5 Ancho de banda: Deben soportarse anchos de banda escalables de 5, 10, 15 y 20 MHz. También se soportarán anchos de banda menores que 5 MHz para mayor flexibilidad, en particular, 1,4 MHz y 3 MHz.
6 Asignación de espectro: Posibilidad de uso de banda pareada (modo