En la transmisión radio de LTE se utiliza el método de multiplexación Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) únicamente para el downlink.
LTE utiliza:
Downlink: OFMD (300 Mbps).
Uplink: Single Carrier FDMA, que es una OFDM más sencilla (7 Mbps).
OFDM utiliza pulsos cuadrados que al ser transformados al dominio frecuencial son sincs. Eligiendo la duración del pulso a \(T_s = k\frac{1}{f_k}\), siendo\(f_k\) el espacio frecuencial entre pulsos sinc, obtenemos que los pulsos son ortogonales frecuencialmente. De esta manera, aunque las colas de las sinc se superpongan la integral del espectro en el ancho de banda de un canal es nula.
\[x\left( t \right) = \sum_{k=0}^{K-1} {d_k e^{j2\pi f_k t} \Pi_{T_s} ( t )}\]
El término \(e^{j2\pi f_k t}\) representa el desplazamiento en frecuencia de los pulsos, el cual es el mismo que aparece en la transformada inversa de Fourier.
Por tanto, por definición de la multiplexación OFDM, para conformar la señal temporal hay que hacer la transformada inversa de Fourier. En el receptor, para poder extraer la información que está modulada en la amplitud del pulso rectangular, será necesario realizar de nuevo la transformada de Fourier.
Cada sinc representa una portadora, de manera que se envía un símbolo en un período de tiempo \(T_s\).
La arquitectura de 4G es la Evolved Packet System (EPS). La EPS es una evolución de la arquitectura de GPRS con una arquitectura simplificada y una red todo IP (all IP network, AIPN). El sistema EPS está implementado por una parte radio, la LTE y la core network, la System Architecture Evolved (SAE).
Evolved Packet Core (EPC)
La core network (EPC), está compuesta por:
Mobility Management Entity: nodo principal de control que tiene asignadas multitud de funciones como el tracking del UE o paging entre otras.
Serving gateway (SGW): está en la frontera entre el Radio Access Network (RAN) y la core network y se encarga de gestionar la movilidad.
Packet Data Network (PDN) gateway (PGW): da servicio y conectividad con redes de paquete externas.
Policy and Charging Rules Function (PCRF): se encarga de tarifar.
En la parte radio, la E-UTRAN, el sistema está formado por:
User Equipment (UE): el terminal de usuario.
Evolved Node B (eNodeB): estación que se encarga de proporcionar la interfaz radio.
La interfaz entre la eNodeB y la core network se realiza mediante el protocolo S1-U para los datos de usuario y S1-MME para información de control (handovers, paging, mensajes Non-Access Stratum).
También hay conexión directa entre diferentes eNodeB mediante la interfaz X2.
En la red troncal, el PGW está conectado con el SGW mediante la interfaz S5 si es del mismo operador o S8 si es de un operador diferente. En este interfaz se implementa el protocolo GTP-U (GPRS Tunnelling Protocol-User) para transportar datos del PGW al SGW. También existe el túnel GTP-C el cual transporta información de control.
En EPC existe una entidad llamada Home Subscriber Service (HSS), que reune funcionalidades de los sistemas predecesores como el Home Location Register (HLR) y el Authentication Center (AuC). El HSS está conectado con el MME para el mantenimiento de la información de gestión de la información o la autorización de acceso a la red LTE entre otras. La interfaz S6a que se utiliza para conectar el MME con el HSS, utiliza el protocolo Diameter orientado a conexión (como TCP) y que es una evolución del protocolo RADIUS.
Comparitiva E-UTRAN y UTRAN
EPS tiene una red cuya transmisión es orientada a conexión, por lo que necesita de una conexión virtual entre dos puntos. Esta conexión virtual se llama EPS Bearer el cual provee de un servicio con una cierta calidad (QoS).
Para la gestión de localización en UMTS intervienen la core network y la parte radio.
En la core network, el Service GPRS Support Node (SGSN) y el GGSN (Gateway GPRS Support Node) guardan información sobre los User Equipment (los terminales de usuario).
Por otra parte, en el acceso radio ahora existen 3 tipos de zonas:
UTRAN Registration Area (URA).
Routing Area (RA), que contiene una o varias URAs.
Location Area (LA), que continen una o varias RAs.
Visto desde la core network, existen 3 estados:
PMM detached: el terminal de usuario no se puede alcanzar y por tanto, no se actualiza su ubicación.
PMM idle: no hay transmisión entre el móvil y la core network, por lo que la interfaz radio no tiene información sobre el móvil. El móvil es rastreado a nivel de Routing Area y no de URA.
PMM connected state: el móvil (user equipment, UE) es rastreado por el SGSN a nivel de Radio Network Controller (RNC). Por tanto es el RNC quien realiza el seguimiento de la celda donde se encuentra el UE.
Visto desde el acceso radio (nivel UTRAN), existen también 3 estados:
RRC Idle mode: la UTRAN no tiene información de localización del UE y el SGSN realiza el siguiente del UE a nivel de Routing Area.
RRC cell-connected mode: hay seguimiento a nivel de celda.
RRC URA-connected mode: el UE es rastreado por la UTRAN a nivel de URA.
Para la gestión de la localización en GPRS interviene la red fija y la interfaz radio.
En la red fija está el SGSN Location Register (SLR) (SGSN = Serving GPRS Support Node) y el Visitor Location Register (VLR) y en una jerarquía superior, el GPRS Register (GR) que actúa como una extensión del HLR de GSM.
A nivel de celda, existen las Location Areas (LA) de GSM y a también las Routing Areas (RA) propias de GPRS. Una LA contiene varias RA.
El VLR y el MSC controlan las Location Areas (LA), que son entidades de área propias de GSM. Por otro lado, el SLR y el SGSN guardan información acerca de las Routing Areas (RA).
Por tanto, solo cuando hay un cambio de RA el SLR/SGSN es informado y solo cuando hay un cambio de LA el VLR/MSC es informado.
En GSM la localización se realizar a nivel de la red fija y de la interfaz radio.
A nivel de la red fija existe el Home Location Register (HLR) y el Visitor Location Register. Por una parte, el HLR guarda información sobre los usuarios que pueden acceder a la red. Por la otra parte, el VLR tiene información acerca de los usuarios que han entrado en la zona de cobertura de una Mobile Switching Center (MSC) y se han conectado.
A nivel del acceso radio, se crea la entidad de Location Area (LA). Una LA está formada por varias celdas, de manera que la red fija enruta una llamada a una LA y son las estaciones base quienes localizan mediante paging a un usuario.
En telefonía móvil existe el problema de la gestión de la movilidad. Cuando un usuario cambia de ubicación se debe garantizar la continuidad del servicio (handover management) así como registrar el cambio de ubicación (location management). Para ello necesitamos de tráfico de señalización que tiene que soportar la interfaz radio y la core network.
Un terminal puede estar en dos estados:
Idle: el terminal de usuario no está realizando ninguna llamada ni recibiendo datos.
Active: el terminal sí está recibiendo datos y por lo tanto al cambiar de área se debe garantizar la continuidad del servicio.
Gestión de la localización en modo idle
Para la gestión de la localización intervienen tanto la parte radio como la core network.
La interfaz radio de una estación se encarga de:
Recibir actualizaciones localización del móvil (location update, LU) que envía a la core network para ser registradas. Es el terminal móvil quien realiza este envío.
Buscar terminales móviles en su zona de servicio por petición de la core network (paging).
Por otra parte la core network se encarga de:
Actualizar las bases de datos (database update) de localización en base a lo recibido en la location update (LU).
Interrogar a la base de datos de localización para encontrar la ubicación de un usuario.
A la hora de guardar cuál es la posición de un usuario y a qué estación base está conectado, es necesario realizar un Location Update (LU) y una actualización de las bases de datos de localización de la core network.
Location update (LU)
A la hora de entregar una llamada a un usuario, se debe realizar una interrogación a las bases de datos de localización para saber en qué zona está el destino y luego las estaciones base de la zona realizarán una búsqueda en sus zonas de cobertura (paging).
Gestión de la localización en modo activo
Cuando se está transmitiendo datos a un usuario y esté va a cambiar de celda, es necesario llevar a cabo una serie acciones para asegurar que no se va a cortar el servicio. Por ejemplo, cuando vamos en coche hablando por móvil, asegurar que la llamada no se corta. Este proceso consistente en cambiar de un canal radio a otro se conoce como handover. Es proceso se produce a nivel de celda y la core network interviene poco.
Hay varias clasificaciones de handovers:
En función de cómo se lleva a cabo la conexión:
Hard handover o break-before-make. Primero se corta la conexión con una estación y a continuación se establece conexión con la nueva.
Soft handover o make-before-break. Durante un corto periodo de tiempo coexisten dos conexiones simultaneas, con la estación que va a desconectarse y la nueva.
En función de quien intervenga:
NCHO (Network Controlled Handover), en 1G.
MAHO (Mobile Assisted Handover), en 2G y 3G.
MCHO (Mobile Controlled Handover), en DECT.
En función de la implicación de la red fija:
Intracelular. El móvil cambia a otro canal radio dentro de la misma celda.
Intercelular. El móvil cambio a otro canal radio que pertence a otra celda.
Para evitar congestión de celdas se suele utilizar el handover directo. Las zonas de cobertura entre dos celdas contiguas se superponen. El handover directo consiste en apurar al máximo estas zonas en las que hay cobertura de dos estaciones base de manera que si la celda a la que se está más próximo está muy saturada se evitará conectarse y se permanecerá en la más lejana pero menos saturada. Sin embargo, esto solo es válido en la zona de superposición de cobertura de dos celdas. Cuando se pasa a una zona donde solo hay cobertura de una celda, se tendrá que conectar a esa estación base.
Existen varias estrategias para actualizar la localización de un terminal de usuario. Una es realizar una actualización cada x segundos, otra es actualizar al pasar por x estaciones base diferentes o finalmente al haber recorrido x distancia.
La máxima potencia que puede transferir una antena cuya impedancia es \(R_a\) a una carga es
\[P_{radiada~max} = \frac{\left| V_a \right|^2}{4 R_a}\]
Sin embargo, en general si no hay adaptación, la potencia entregada por una antena de impedancia \(R_a + j X_a\) a la una carga con una impedancia \(R_L + j X_L\) es
\[P_{radiada} = \frac{\left|V_a\right|^2 R_L}{\left(R_L + R_a \right)^2 + \left( X_L + X_a \right)^2}\]
Por tanto, se puede definir un coeficiente de adaptación como la relación entre la potencia recibida y la potencia que se recibiría en caso de tener condiciones de máxima transferencia de potencia.
\[C_a = \frac{P_{radiada}}{P_{radiada~max}} = \frac{\frac{\left|V_a\right|^2 R_L}{\left(R_L + R_a \right)^2 + \left( X_L + X_a \right)^2}}{\frac{\left| V_a \right|^2}{4 R_a}}= \\ = \frac{4 R_a R_L}{\left( R_a + R_L \right)^2 + \left(X_a + X_L \right)^2}\]
Área y longitud efectivas
El área efectiva se define como la relación entre la potencia recibida y la densidad de potencia que capta la antena. La antena debe estar adaptada a la carga y la polarización de la onda.
\[A_{ef} = \frac{W_r}{P_i}~~m^2\]
La longitud efectiva se define como la relación entre la tensión inducidad en circuito abierto y el campo eléctrico incidente.
\[l_{ef} = \frac{V_a}{E_i}\]
Dependiendo del primer byte de una dirección IP es posible identificar de qué clase se trata:
Clase A: diseñada para dar cabida a redes extremadamente grandes. El primer bit de un dirección de Clase A es siempre un 0. Puede soportar 16 777 214 (\(2^{24} -2\) ) direcciones de host únicas, siendo el rango desde la 1.0.0.0 a la 126.0.0.0. Utiliza el primer byte para definir la red y los tres restantes para el host. Teóricamente la 127.0.0.0 también es una dirección clase A pero está reservada para la dirección de loopback.
Clase B: para redes de tamaño moderado a grande. Los dos primeros bits de un dirección de Clase B son 10, por tanto van desde las direcciones 128.0.0.0 a la 191.0.0.0. Al utilizar los dos primeros bytes como campo de red, da cabida para 65 534 hots (\(2^{16}-2\) ) y pueden definirse 16 382 redes diferentes (\(2^{14} -2\) ).
Clase C: para muchas redes y pequeñas. Los tres primeros bits de una dirección de clase C son 110, por tanto parten de la dirección 192 (128+64). El rango de redes va de 192.0.1.0 a 223.255.254.0.
En siguientes entradas vamos a hablar de la polarización de las ondas electromagnéticas radiadas por antenas. Es por ello que es útil tener presentes las propiedades del producto vectorial.
Nota: la notación \(\mathbf{a}\) significa vector.
Algunas de las propiedades más importantes son:
\(\mathbf{a} \times \mathbf{b} = 0 \) si \(\mathbf{a} = 0\) ó \(\mathbf{b} = 0\) ó \(\mathbf{a} \| \mathbf{b}\)
El producto vectorial es nulo si uno de los dos vectores es 0 o si por el contrario, ambos vectores son perpendiculares.
Para calcular el módulo del producto vectorial, se puede multiplicar el módulo de ambos vectores por el seno del menor ángulo entre ambos vectores.
\(\hat{\mathbf n}\) es el vector unitario perpendicular a \(\mathbf{a}\) y \(\mathbf{b}\).
\[\hat{\mathbf n} = \frac{ \mathbf a \times \mathbf b }{|\mathbf a \times \mathbf b|}\]
Para calcular el valor del producto vectorial:
\[\mathbf w = \mathbf u \times \mathbf v = \begin{vmatrix} \mathbf i & \mathbf j & \mathbf k \\ u_x & u_y & u_z \\ v_x & v_y & v_z \\ \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} u_y & u_z \\ v_y & v_z \\ \end{vmatrix} \cdot \mathbf i – \begin{vmatrix} u_x & u_z \\ v_x & v_z \\ \end{vmatrix} \cdot \mathbf j + \begin{vmatrix} u_x & u_y \\ v_x & v_y \\ \end{vmatrix} \cdot \mathbf k\]
Si estamos tratando con coordenadas polares, como suele suceder en radiación, los vectores directores de \(\theta\), \(\phi\) y \(r\) son los que aparecen en la imagen. Una manera sencilla de recordar su dirección es la siguiente: dado un punto cualquiera del espacio, los vectores directores de \(\theta\), \(\phi\) y \(r\) apuntan en las direcciones en las que \(\theta\), \(\phi\) y \(r\)aumentan. Por lo tanto:
Donde podríamos equiparar \(\hat{r}\) con \(\hat{x}\), \(\hat{\theta}\) con \(\hat{y}\) y \(\hat{\phi}\) con \(\hat{z}\)
de manera que:
\(\hat{x}\) \(\hat{r}\)
\(\hat{y}\) \(\hat{\theta}\)
\(\hat{z}\) \(\hat{\phi}\)
el producto de izquierda a derecha, siempre da como resultado el siguiente valor de la derecha con signo dando la vuelta por los extremos de la tabla y en sentido contrario, el signo negativo.
Por tanto, por definición de la multiplexación OFDM, para conformar la señal temporal hay que hacer la transformada inversa de Fourier. En el receptor, para poder extraer la información que está modulada en la amplitud del pulso rectangular, será necesario realizar de nuevo la transformada de Fourier.
