Jose F. Monserrat - 3GPP LTE - Hacia la 4G móvil

Las funciones principales de la RAN son:

Figura 1.4. Arquitectura del sistema LTE.

Codificación, entrelazado, modulación, etc.

Función ARQ, compresión de cabecera, etc.

Funciones de seguridad (cifrado, protección de integridad, etc).

Gestión de recursos radio, cambio de celda o handover , etc.

Por su parte, el núcleo de red de LTE está basado, al igual que el de UMTS, en el núcleo de red del sistema de GSM/GPRS. El CN es una evolución del núcleo de red de GSM/GPRS y de ahí su nombre Evolved Packet Core (EPC). Siguiendo con la filosofía de minimizar el número de nodos, el núcleo de red también posee un único nodo que engloba dos entidades funcionales, la entidad de control de la movilidad o Mobility Management Entity (MME) y el Serving Gateway (S-GW), más un nodo de enrutamiento a redes externas conocido como Packet Data Network Gateway (PDN-GW). De manera resumida, la entidad MME es responsable del plano de control, mientras que el S-GW se encarga del plano de usuario o del encaminamiento de los datos. Las funciones del CN son:

Gestión del coste mensual de cada usuario.

Gestión de suscriptores.

Gestión de movilidad.

Gestión de portadora y de la calidad de servicio.

Control de datos de usuario e interconexión a redes externas.

La arquitectura del sistema LTE se analiza con más detalle en los capítulos 3 y 4 dedicados al EPC y a la E-UTRAN, respectivamente.

Como su propio nombre indica, la tecnología LTE ha sido desarrollada como una evolución del sistema UMTS/HSPA. La filosofía del sistema es similar a la de redes celulares previas, y su diseño se halla perfectamente integrado en el ecosistema del 3GPP. A pesar de todo ello, LTE es un nuevo sistema en sí mismo y tanto su red de acceso como su núcleo de red son novedosos. Sin ánimo de entrar en detalles, que serán explicados en los capítulos sucesivos, a continuación se recogen algunas de las diferencias más significativas de LTE frente a UMTS/HSPA:

LTE es concebida como una red todo-IP en la que desaparece el dominio conmutación de circuitos o Circuit Switched (CS). De este modo, servicios como la voz, basados tradicionalmente en CS, deberán ofrecerse haciendo uso del dominio conmutación de paquetes o Packet Switched (PS). Una solución natural es utilizar el subsistema IP multimedia o IP Multimedia Subsystem (IMS), que además del servicio de voz permite otras comunicaciones multimedia. Pero existen otras posibilidades: así, por ejemplo, en [ 2] se describe el mecanismo CS fallback que básicamente es un handover vertical hacia GSM o UMTS. Tras una señalización inicial en LTE, el equipo de usuario o User Equipment (UE) sería traspasado al dominio CS de estas redes. Por otro lado, la iniciativa Voice over LTE Generic Access (VoLGA) propone la introducción del dominio CS en LTE. Como en el nuevo sistema no existen equipos controladores de la red de acceso similares a la Radio Network Controller (RNC) de UMTS, la solución VoLGA requiere la introducción de un nuevo elemento en LTE, es decir, un controlador de red de acceso encargado de encaminar el tráfico hacia el dominio correspondiente.

El sistema LTE presenta una arquitectura menos jerarquizada, no sólo por la desaparición de la RNC, sino porque además toda la gestión de los recursos radio es trasladada a los eNodeB. Ello implica una mayor rapidez en la ejecución de los procedimientos, con una latencia final menor. La necesidad de coordinación entre eNodeB redunda en la aparición de una interfaz común (X2), inexistente en UMTS/HSPA. Finalmente, la ausencia de jerarquía implica un menor impacto de los fallos en nodos.

La técnica de acceso radio en LTE es OFDMA/SC-FDMA, frente a la estrategia Code Division Multiple Access (CDMA) de UMTS/HSPA. Además, únicamente se utilizan canales compartidos y por tanto se reduce la señalización por reconfiguraciones. Por la propia naturaleza del método de acceso, la asignación de recursos o scheduling se realiza en frecuencia y tiempo, mientras que en HSPA es en código y tiempo. La reducción del Transmission Time Interval (TTI) de 2 a 1 ms permite una adaptación más fina a las condiciones del canal con la consecuente mejora de eficiencia en el scheduling.

LTE es escalable de manera natural en términos de ancho de banda, mientras que UMTS/HSPA utiliza una canalización fija de 5 MHz y, en consecuencia, opciones para ampliar el ancho de banda como dual-cell HSPA requieren la modulación de dos portadoras.

El uso de tecnologías multiportadora en LTE también se traduce en receptores más sencillos que la opción Rake de UMTS. La ecualización es en frecuencia y la incorporación de un intervalo de guarda en los símbolos combate la interferencia entre símbolos o Inter Symbol Interference (ISI) generada por la propagación multicamino. El mismo intervalo de guarda permite una operación natural en modo red de frecuencia única o Single Frequency Network (SFrN) en redes de difusión E-MBMS.

En relación con la gestión de la movilidad, los terminales en modo idle están localizados en grupos de áreas de seguimiento o tracking , que representan un concepto más genérico que las áreas de localización/enrutado de los sistemas previos; además, no existe un procedimiento equivalente a la actualización de celda para un terminal idle. Los terminales activos se siguen localizando a nivel de celda servidora, pero el handover deja de ser de tipo soft. Tal y como ocurre en el enlace descendente de HSPA, es un traspaso hard. Además, se definen dos procedimientos diferentes en función de si se quiere garantizar la ausencia de pérdidas o un tiempo de traspaso mínimo. LTE también contempla la preparación de múltiples celdas destino en paralelo para reducir el tiempo de recuperación en caso de caída del enlace durante el handover.

En UMTS, debido a la naturaleza CDMA del sistema y la ortogonalidad no perfecta de los códigos en recepción, el control de potencia es uno de los procedimientos de gestión de recursos radio o Radio Resource Management (RRM) más importantes. También es uno de los procesos con mayor carga computacional, con un envío de 1.500 comandos/s. En LTE, la ortogonalidad intrínseca de los usuarios intra-celda relaja este requisito y la transmisión se adapta al canal mediante variaciones de tasa y no de potencia. Eventualmente sí se pueden utilizar variaciones de potencia, pero para conseguir una reducción de la interferencia inter-celda. Por otro lado, reaparecen las correcciones por timing advance , que en UMTS se habían abandonado por innecesarias.

Finalmente, otra diferencia importante de LTE frente a UMTS es la destacada simplificación del protocolo Radio Resource Control (RRC). Por ejemplo, su máquina de estados se reduce de cinco a dos estados y con un tiempo de transición inferior a 100 ms. También, los múltiples tipos de canales de transporte en UMTS implican una gestión del nivel control de acceso al medio o Medium Access Control (MAC) complejo, con hasta cuatro entidades MAC distintas (MAC-d, -c/sh, -hs y -e) frente a una única posibilidad en LTE.

Cabe indicar que los puntos anteriores únicamente recogen las grandes diferencias de LTE frente a UMTS/HSPA; sin embargo, estos cambios se traducen en múltiples novedades, desgranadas y descritas en detalle en los próximos capítulos.