PLANIFICACIN DE UNA RED LTE CON LA

HERRAMIENTA ATOLL Y ANLISIS DEL IMPACTO DE

LAS ESTRATEGIAS DE PACKET SCHEDULING

Proyecto de fin de carrera

presentado ante la

Escuela Tcnica Superior de Ingeniera de Telecomunicacin de

Barcelona de la Universidad Politcnica de Catalunya

para la obtencin del grado de

INGENIERIO SUPERIOR DE TELECOMUNICACIN

Realizado por: Cristina Eugenia Guinand Salas

Tutor: Anna Umbert Juliana

Febrero de 2012

i

Dedicatoria

Le dedico con mucho cario este trabajo a mi pas, Venezuela, que me ha dado lo mejor y a

quin espero retribuirle con mis conocimientos para hacer de l un mejor pas.

ii

Agradecimientos

En primer lugar quiero agradecer a mi tutora y profesora Anna Umbert por su

disposicin, dedicacin y orientacin a lo largo de este proyecto.

Quiero agradecer a Sergio por estar siempre dispuesto a ayudarme.

A mi familia y otros seres queridos que a pesar de la lejana me han apoyado da a da y

han contribuido muy positivamente al logro de esta etapa de mi vida.

Quiero agradecer tambin a todos los que han compartido conmigo las alegras y

dificultades de este trabajo y se han atrevido a escuchar y aportar ideas muy valiosas.

Por ltimo quiero agradecer a Dios por estar siempre presente en mi vida y darme la

fuerza y motivacin necesarias para seguir adelante en todo momento.

iii

Resumen

Al surgir el sistema LTE de cuarta generacin de telefona mvil y adems hacerse

disponible en el mercado herramientas que permiten modelar estas redes, surgi la necesidad

de extender los conocimientos tericos al mbito prctico para observar el comportamiento de

estas redes bajo diferentes condiciones y establecer comparaciones con los resultados

esperados. En este sentido, el presente Proyecto de Fin de Carrera tiene como objetivo la

planificacin de una red LTE en la herramienta ATOLL para crear situaciones que permitan

analizar el rendimiento de la red al emplear distintas estrategias de Packet Scheduling.

La metodologa utilizada en el proyecto consisti en una primera fase de investigacin

terica, no solo de las especificaciones del sistema LTE sino tambin de los algoritmos

empleados en el programa para llevar a cabo los distintos clculos necesarios referentes a las

funciones de gestin de los recursos radios y obtencin de los throughputs por usuario, por

celdas y totales de la red. Posteriormente se emprendi la fase de planificacin de la red LTE

escogiendo la ciudad de Barcelona como zona para el despliegue, se procedi a la optimizacin

de la red y finalmente se realizaron distintas simulaciones y predicciones para evaluar las

estrategias Round Robin, Proportional Fair, Proportional Demand y Maximum C/I.

Como resultado general del proyecto se logr alcanzar un alto dominio de la

herramienta ATOLL en la planificacin de redes LTE, as como obtener el criterio para evaluar y

establecer parmetros del programa segn valores realistas que permitan obtener resultados

acorde a los documentos tericos.

Palabras claves: LTE, Packet Scheduling, throughput, recursos radio, planificacin radio, ATOLL.

iv

Abstract

With the rise of LTE fourth generation mobile communication system as well as the

availability of radio planning tools on the market to model these networks, a need arose to

merge a theoretical knowledge of LTE systems with the practical field in order to observe the

behavior of these networks under different conditions and to establish comparisons with the

expected results. In this respect, this Final Career Project aims to plan an LTE network in the

ATOLL software to create situations to analyze the network performance by using different

Packet Scheduling strategies.

The methodology used in the project consisted of several phases. In the research phase,

investigation was made into both the LTE system specifications and the algorithms used in

ATOLL to perform calculations concerning radio resource management and obtainment of the

throughputs per user, per cell, and for the total network. In the subsequent planning phase,

Barcelona was chosen as the area for deployment. In the third phase of the project, actions

were taken to optimize the network. In the last phase simulations and predictions were made

to evaluate the Packet Scheduling Strategies: Round Robin, Proportional Fair, Proportional

Demand, and Maximum C/I.

As a result of the project, a high level of proficiency in ATOLL use was achieved

regarding the planning of LTE networks as well as an understanding of the criterion for

evaluating and setting program parameters in order to obtain realistic values according to

theoretical documents.

Keywords: LTE, Packet Scheduling, throughput, radio resource, radio planning, ATOLL.

v

Resum

En sorgir el sistema LTE de quarta generaci de telefonia mbil i a ms fer-se disponible

al mercat ein

c

diferents condicions i establir comparacions amb els resultats esperats. En aquest sentit, el

present Projecte de Fi de Carrera

ATOLL per crear situacions que permetin analitzar el rendiment de la xarxa en emprar diferents

estratgies de Packet Scheduling.

La metodologia utilitzada en el projecte va consistir en una

terica, no noms de les especificacions del sistema LTE sin tamb dels algoritmes emprats en

el programa per dur a terme els diferents clculs necessaris referents a les funcions de gesti

dels recursos rdios i obtenci dels throughputs per usuari, per celles i totals de la xarxa.

Posteriorment es va emprendre la fase de planificaci de la xarxa LTE escollint la ciutat de

zaci de la xarxa i

finalment es van realitzar diferents simulacions i prediccions per avaluar les estratgies Round

Robin, Proportional Fair, Proportional Demand i Maximum C/I.

Com a resultat general del projecte es va aconseguir assolir un alt domini de

ATOLL en la planificaci de xarxes LTE, i obtenir el criteri per avaluar y establir parmetres del

programa segons valors realistes que p ord amb els documents

terics.

Paraules claus: LTE, Packet Scheduling, throughput, recursos rdio, planificaci rdio, ATOLL.

vi

ndice general

DEDICATORIA...................................................................................................................................................... I

AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................................................... II

RESUMEN ......................................................................................................................................................... III

ABSTRACT ......................................................................................................................................................... IV

RESUM ............................................................................................................................................................... V

NDICE GENERAL ............................................................................................................................................... VI

NDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................................... IX

NDICE DE TABLAS ............................................................................................................................................. XI

LISTA DE ACRNIMOS ..................................................................................................................................... XIII

INTRODUCCIN .............................................................................................................................................. XVI

1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................................................. 18

1.1 PROPUESTA .................................................................................................................................................... 18

1.2 JUSTIFICACIN ................................................................................................................................................ 18

1.3 OBJETIVOS ..................................................................................................................................................... 19

1.3.1 Objetivo General .................................................................................................................................... 19

1.3.2 Objetivos especficos .............................................................................................................................. 19

1.4 LIMITACIONES Y ALCANCES ................................................................................................................................ 20

1.4.1 Limitaciones ........................................................................................................................................... 20

1.4.2 Alcances ................................................................................................................................................. 20

2 MARCO REFERENCIAL ............................................................................................................................... 21

2.1 EVOLUCIN DE LAS COMUNICACIONES MVILES .................................................................................................... 21

2.1.1 Sistemas mviles pre-celulares .............................................................................................................. 21

2.1.2 Sistemas mviles celulares ..................................................................................................................... 23 2.1.2.1 Sistemas mviles de primera generacin (1G) .............................................................................................. 24 2.1.2.2 Sistemas mviles de segunda generacin (2G) ............................................................................................. 25 2.1.2.3 Sistemas mviles 2.5G .................................................................................................................................. 27 2.1.2.4 Sistemas mviles de tercera generacin (3G) ............................................................................................... 29 2.1.2.5 Sistemas mviles de cuarta generacin (4G) ................................................................................................ 31

2.2 SISTEMA LTE.................................................................................................................................................. 33

2.2.1 Acceso mltiple multiportadora ............................................................................................................ 33

2.2.2 Arquitectura del sistema ........................................................................................................................ 34 2.2.2.1 Red de acceso E-UTRAN ................................................................................................................................ 35 2.2.2.2 Red troncal EPC ............................................................................................................................................. 36

2.3 PACKET SCHEDULING ....................................................................................................................................... 36

2.3.1 Downlink y Uplink Packet Scheduling .................................................................................................... 37

2.3.2 Dominio temporal y frecuencial del Packet Scheduling ......................................................................... 40

2.3.3 Scheduling semi-persistente .................................................................................................................. 40

vii

2.3.4 Estrategias de Packet Scheduling .......................................................................................................... 41 2.3.4.1 Round Robin (RR) .......................................................................................................................................... 41 2.3.4.2 Proportional Fair (PF) .................................................................................................................................... 41 2.3.4.3 Proportional Demand (PD) ............................................................................................................................ 42 2.3.4.4 Maximun C/I (Max C/I) .................................................................................................................................. 42

3 METODOLOGA ......................................................................................................................................... 43

3.1 INVESTIGACIN TERICA ................................................................................................................................... 43

3.2 APRENDIZAJE DE LA HERRAMIENTA ATOLL ........................................................................................................... 43

3.3 PLANIFICACIN Y OPTIMIZACIN DE LA RED LTE EN ATOLL ..................................................................................... 44

3.4 PROCESADO DE LOS DATOS Y ANLISIS ................................................................................................................. 44

4 DESARROLLO ............................................................................................................................................ 45

4.1 APRENDIZAJE DE LA HERRAMIENTA ATOLL ........................................................................................................... 45

4.1.1 Diseo de una red LTE en ATOLL ............................................................................................................ 45

4.1.2 Predicciones de Cobertura ..................................................................................................................... 47

4.1.3 Simulaciones Monte Carlo ..................................................................................................................... 49

4.1.4 Detalle de los clculos referentes al scheduling y RRM ......................................................................... 52

4.1.5 MIMO (Multiple Input Multiple Output) Systems .................................................................................. 63

4.2 PLANIFICACIN DE LA RED LTE EN ATOLL ........................................................................................................... 67

4.2.1 Despliegue de la red ............................................................................................................................... 67

4.2.2 Configuracin del modelo de propagacin ............................................................................................ 69

4.2.3 Configuracin de servicios, terminales, movilidades y perfiles de usuario ............................................ 70

4.2.4 Estudios de cobertura por nivel de seal ............................................................................................... 72

4.3 OPTIMIZACIN DE LA RED LTE ........................................................................................................................... 73

4.3.1 Mapas de trfico .................................................................................................................................... 73

4.3.2 Asignacin de vecinos ............................................................................................................................ 75

4.3.3 Planificacin de frecuencias ................................................................................................................... 75

4.3.4 Planificacin del Physical Cell ID ............................................................................................................ 76

4.3.5 Estudios de cobertura por calidad de seal ........................................................................................... 76

5 SIMULACIONES, RESULTADOS Y ANLISIS ................................................................................................. 77

5.1 COMPARACIN DE LAS ESTRATEGIAS DE PACKET SCHEDULING SIN SIMULACIONES NI OPTIMIZACIN DE LA RED ................... 77

5.2 COMPARACIN DE LA CAPACIDAD ANTES Y DESPUS DE OPTIMIZAR ........................................................................... 82

5.2.1 Comparacin usando un canal de 5 MHz vs. tres canales de 5 MHz ..................................................... 83

5.2.2 Comparacin usando tres canales de 5 MHz vs. un canal de 15 MHz ................................................... 86

5.3 COMPARACIN DE LAS ESTRATEGIAS DE PACKET SCHEDULING CON SIMULACIONES ....................................................... 93

5.3.1 Primer grupo de predicciones con simulaciones .................................................................................... 93

5.3.2 Segundo grupo de predicciones con simulaciones ................................................................................. 99

5.3.3 Tercer grupo de predicciones con simulaciones ................................................................................... 105

5.4 MODIFICACIN DE LA CONFIGURACIN DE LA RED LTE ......................................................................................... 109

5.4.1 Primer grupo de simulaciones .............................................................................................................. 110

5.4.2 Segundo grupo de simulaciones .......................................................................................................... 112

5.5 AJUSTE DE LAS GANANCIAS DE DIVERSIDAD MULTIUSUARIO (MUG) PARA LA ESTRATEGIA PF ....................................... 113

5.6 ESTUDIO DE LOS PARMETROS DE LOS SCHEDULERS EN ATOLL ............................................................................... 117

5.6.1 Estudio del Target Throughput for Voice/Data Services ...................................................................... 118

5.6.2 Estudio del Bearer Selection Criterion .................................................................................................. 120

viii

5.6.3 Estudio del Uplink Bandwidth Allocation Target.................................................................................. 122

5.7 IMPACTO DE EMPLEAR DIVERSIDAD EN TRANSMISIN Y RECEPCIN PARA CADA ESTRATEGIA DE PACKET SCHEDULING ........ 124

5.8 IMPACTO DE EMPLEAR DIVERSIDAD SU-MIMO PARA CADA ESTRATEGIA DE PACKET SCHEDULING ................................. 128

5.9 IMPACTO DE EMPLEAR DIVERSIDAD AMS PARA CADA ESTRATEGIA DE PACKET SCHEDULING ......................................... 131

5.10 IMPACTO DE EMPLEAR DIVERSIDAD MU-MIMO PARA CADA ESTRATEGIA DE PACKET SCHEDULING ............................... 135

6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................................... 137

7 BIBLIOGRAFA ......................................................................................................................................... 140

ix

ndice de figuras

Figura 2.1: Generaciones de sistemas de comunicaciones mviles. ........................................................... 23

Figura 2.2: Arquitectura de la red GSM. ..................................................................................................... 26

Figura 2.3: Arquitectura de la red GSM/GPRS. ........................................................................................... 28

Figura 2.4: Arquitectura de la red GSM/GPRS + UMTS de la Release 99. ................................................... 30

Figura 2.5: Caractersticas principales de las Release de UMTS. ................................................................ 31

Figura 2.6: Estndares de comunicaciones mviles. ................................................................................... 32

Figura 2.7: Dominio frecuencial de las tecnologas de acceso mltiple de LTE. ......................................... 34

Figura 2.8: Arquitectura de red LTE. ........................................................................................................... 35

Figura 2.9: Scheduling de paquetes en OFDMA (downlink). ....................................................................... 38

Figura 2.10: Physical Resource Blocks de LTE. ............................................................................................ 39

Figura 2.11: Esquema funcional para scheduling en LTE. ........................................................................... 39

Figura 2.12: Efecto de la diversidad multiusuario en el Packet Scheduling. ............................................... 40

Figura 4.1: Diagrama de flujo del diseo de una red LTE en ATOLL. .......................................................... 47

Figura 4.2: Algoritmo de las simulaciones LTE en ATOLL. ........................................................................... 52

Figura 4.3: Computation Zone de la red LTE. .............................................................................................. 69

Figura 4.4: Resultado de la prediccin Coverage by Signal Level. .............................................................. 73

Figura 4.5: Bearer selection thresholds para todas las movilidades de la red LTE. .................................... 74

Figura 5.1: Comparacin de estrategias de Packet Scheduling para resultados de Coverage by

Throughput DL. ........................................................................................................................................... 79

Figura 5.2: Comparacin de estrategias de Packet Scheduling para resultados de Coverage by

Throughput UL. ........................................................................................................................................... 80

Figura 5.3: Comparacin de la estrategia RR entre los cuatro grupos de predicciones en el DL. ............... 81

Figura 5.4: Comparacin de la estrategia RR entre los cuatro grupos de predicciones en el UL. ............... 82

Figura 5.5: Comparacin de la capacidad de la red sin optimizacin y con optimizacin en el DL. ........... 84

Figura 5.6: Comparacin de la capacidad de la red sin optimizacin y con optimizacin en el UL. ........... 85

Figura 5.7: Coverage by Throughput DL con 3 canales de 5 MHz y 1 canal de 15 MHz respectivamente. 86

Figura 5.8: Coverage by Throughput UL con 3 canales de 5 MHz y 1 canal de 15 MHz respectivamente 87

Figura 5.9: PDSCH Total Noise (I+N) con 3 canales de 5 MHz y 1 canal de 15 MHz respectivamente. ...... 89

Figura 5.10: PUDSCH & PUCCH Total Noise (I+N) con 3 canales de 5 MHz y 1 canal de 15 MHz

respectivamente. ......................................................................................................................................... 89

Figura 5.11: Comparacin de la capacidad de la red en el DL entre 3 canales de 5 MHz y 1 canal de 15

MHz. ............................................................................................................................................................ 91

Figura 5.12: Comparacin de la capacidad de la red en el UL entre 3 canales de 5 MHz y 1 canal de 15

MHz. ............................................................................................................................................................ 92

Figura 5.13: Comparacin de estrategias de Packet Scheduling para resultados de Coverage by

Throughput DL. ........................................................................................................................................... 94

Figura 5.14: Comparacin de estrategias de Packet Scheduling para resultados de Coverage by

Throughput UL. ........................................................................................................................................... 95

x

Figura 5.15: Coverage by Throughput DL para RR (izquierda) y PF (derecha). ........................................... 96

Figura 5.16: Coverage by Throughput UL para RR (izquierda) y PF (derecha). ........................................... 96

Figura 5.17: Comparacin de estrategias de Packet Scheduling para resultados de Coverage by

Throughput DL (aumentando la densidad de usuarios). ........................................................................... 100

Figura 5.18: Comparacin de estrategias de Packet Scheduling para resultados de Coverage by

Throughput UL (aumentando la densidad de usuarios). .......................................................................... 100

Figura 5.19: Coverage by Throughput DL para RR (izquierda) y PF (derecha) (aumentando la densidad de

usuarios). ................................................................................................................................................... 101

Figura 5.20: Coverage by Throughput UL para RR y PF respectivamente (aumentando la densidad de

usuarios). ................................................................................................................................................... 102

Figura 5.21: Prediccin Coverage by Throughput DL para RR junto al resultado de la simulacin. ......... 105

Figura 5.22: Prediccin Coverage by Throughput DL: Simulation Effective RLC Aggregate Throughput. 107

Figura 5.23: Prediccin Coverage by Throughput UL: Simulation Effective RLC Aggregate Throughput. 108

Figura 5.24: Configuracin inicial de la red LTE junto al mapa de trfico. ............................................... 109

Figura 5.25: Nueva configuracin de la red LTE junto al mapa de trfico. ............................................... 110

Figura 5.26: Valores por defecto de ATOLL de MUG en funcin del nmero de usuarios. ....................... 114

Figura 5.27: Influencia del tipo de estrategia en la eficiencia espectral por usuario. .............................. 115

Figura 5.28: Nuevos valores de MUG en funcin del nmero de usuarios. .............................................. 116

xi

ndice de tablas

Tabla 4.1: Predicciones de cobertura disponibles en ATOLL. ...................................................................... 49

Tabla 4.2: Demandas de throughput para Target =Peak RLC Throughput. ................................................ 55

Tabla 4.3: Demandas de throughput para Target =Effective RLC Throughput. .......................................... 56

Tabla 4.4: Demandas de throughput para Target =Application Throughput. ............................................ 56

Tabla 4.5: Parmetros de la Plantilla LTE. .................................................................................................. 68

Tabla 4.6: Parmetros del modelo de propagacin Cost-Hata. .................................................................. 70

Tabla 4.7: Parmetros de los servicios de la red LTE. ................................................................................. 71

Tabla 4.8: Caractersticas de los terminales de la red LTE. ......................................................................... 71

Tabla 4.9: Tipos de movilidad de usuarios de la red LTE. ............................................................................ 72

Tabla 4.10: Caractersticas de los perfiles de usuarios de la red LTE. ......................................................... 72

Tabla 4.11: Parmetros de los entornos de la red LTE. ............................................................................... 74

Tabla 4.12: Caractersticas de los Radio Bearers de la red LTE. .................................................................. 75

Tabla 5.1: Parmetros de las celdas para los grupos de predicciones del apartado 5.1. ........................... 78

Tabla 5.2: Demandas de las simulaciones del apartado 5.3.1. ................................................................... 97

Tabla 5.3: Estadsticas de las simulaciones del apartado 5.3.1. ................................................................. 97

Tabla 5.4: Demandas de las simulaciones del apartado 5.3.2. ................................................................. 102

Tabla 5.5: Estadsticas de las simulaciones del apartado 5.3.2. ............................................................... 103

Tabla 5.6: Demandas de las simulaciones del apartado 5.4.1. ................................................................. 111

Tabla 5.7: Estadsticas de las simulaciones del apartado 5.4.1. ............................................................... 112

Tabla 5.8: Demandas de las simulaciones del apartado 5.4.2. ................................................................. 112

Tabla 5.9: Estadsticas de las simulaciones del apartado 5.4.2. ............................................................... 113

Tabla 5.10: Estadsticas de las simulaciones de la Tabla 5.7 con nuevos valores de MUG para PF. ........ 116

Tabla 5.11: Estadsticas de las simulaciones de la Tabla 5.9 con nuevos valores de MUG para PF. ........ 117

Tabla 5.12: Demandas para todas las simulaciones del apartado 5.6. .................................................... 118

Tabla 5.13: Estadsticas de las simulaciones para el estudio del target throughput for voice/data services.

.................................................................................................................................................................. 119

Tabla 5.14: Estadsticas de las simulaciones para el estudio del target bearer selection criterion. ......... 121

Tabla 5.15: Estadsticas de las simulaciones para el estudio del uplink bandwidth allocation target. .... 123

Tabla 5.16: Caractersticas de los grupos de simulaciones para estudio de diversidad en transmisin y

recepcin. .................................................................................................................................................. 124

Tabla 5.17: Resultados de las simulaciones con diversidad en transmisin y recepcin. ......................... 127

Tabla 5.18: Caractersticas de los grupos de simulaciones para estudio de diversidad SU-MIMO. ......... 128

Tabla 5.19: Resultados de las simulaciones con diversidad SU-MIMO. .................................................... 130

Tabla 5.20: Caractersticas de los grupos de simulaciones para estudio de diversidad AMS. .................. 131

Tabla 5.21: Resultados de las simulaciones con diversidad AMS. ............................................................ 132

Tabla 5.22: Comparacin de los resultados por mviles al emplear AMS con distintas cantidades de

antenas transmisoras y receptoras. .......................................................................................................... 134

Tabla 5.23: Caractersticas de los grupos de simulaciones para estudio de diversidad MU-MIMO. ........ 135

xii

Tabla 5.24: Resultados de las simulaciones con diversidad MU-MIMO. .................................................. 136

Tabla 5.25: Comparacin de los Traffic Loads UL sin diversidad y con MU-MIMO. ................................. 136

xiii

Lista de acrnimos

1G Primera Generacin

2G Segunda Generacin

2.5G Generacin 2.5

3G Tercera Generacin

3GPP Third Generation Paterntship Project

3GPP2 Third Generation Paterntship Project 2

4G Cuarta Generacin

AFP Automatic Frequency Planning

AMPS Advanced Mobile Phone Service

AMS Adaptative MIMO Switch

AS Access Stratum

AT&T American Telephone and Telegraph

BER Bit Error Rate

BLER Block Error Rate

BSC Base Station Controller

BSR Buffer Status Report

BTS Base Transceiver Station

CDF Cumulative Distribution Function

CDMA Code Division Multiple Access

CEPT Conference of European Postal and Telecommunications

CS Coding Scheme

D-AMPS Digital AMPS

DL Downlink

E-UTRAN Evolved- UMTS Terrestrial Radio Access Network

EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution

eNB Evolved Node B

EPC Evolved Packet Core

EPRE Energy per Resource Element

EPS Evolved Packet System

ETSI European Telecommunication Standards Institute

EV-DO Evolution-Data Only

EV-DV Evolution for integrated Data and Voice

FCC Federal Communications Commission

FDD Frequency Division Duplex

FDMA Frequency Division Multiple Access

xiv

FFT Fast Fourier Transform

GGSN Gateway GPRS Support Node

GPRS General Packet Radio Services

GSM Global System for Mobile Communications

HARQ Hybrid Automatic Repeat Request

HSCSD High-Speed Circuit-Switched Data

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HSPA High Speed Packet Access

HSS Home Subscriber Server

HSUPA High Speed Uplink Packet Access

ICIC Inter-Cell Interference Coordination

IFFT Inverse FFT

IMS IP Multimedia Subsystem

IMT International Mobile Telecommunications

IMTS Improved Mobile Telephone Service

IP Internet Protocol

ISI Inter-Symbol Interference

ITU International Telecommunication Union

ITU-R ITU Radiocommunication Sector

JDC Japan Digital Cellular

LAN Local Area Network

LTE Long Term Evolution

MAC Media Access Control

MCS Modulation and Coding Scheme

MIMO Multiple Input Multiple Output

MME Mobility Management Entity

MRC Maximum Ratio Combining

MTA Mobiltelefonisystem A

MTS Mobile Telephone Service

MU-MIMO Multiple-User MIMO

MUG Multi-User Gain

NAS Non Access Stratum

NMT Nordic Mobile Telephony

NTT Nippon Telegraph and Telephone

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

P-GW Packet Data Network Gateway

PAPR Peak-to-Average Power Ratio

PCRF Policy Control and Charging Rules Function

xv

PCU Packet Control Unit

PD Proportional Demand

PDC Personal Digital Cellular

PDCCH Physical Downlink Control Channel

PDSCH Physical Downlink Shared Channel

PF Proportional Fair

PRB Physical Resource Block

PUCCH Physical Uplink Control Channel

PUSCH Physical Uplink Shared Channel

QoS Quality of Service

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

RLC Radio Link Control

RNC Radio Network Controller

RR Round Robin

RRM Radio Resource Management

RSRP Received Reference Signal Energy per Resource Element

S-GW Serving Gateway

SC-FDMA Single Carrier- Frequency Division Multiple Access

SGSN Serving GPRS Support Node

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio

SRB Scheduler Resource Block

SRS Sounding Reference Signals

SU-MIMO Single-User MIMO

TACS Total Access Communications System

TD-CDMA Time Division-CDMA

TDD Time Division Duplex

TDMA Time Division Multiple Access

TIA Telecommunication Industry Association

TTI Transmission Time Interval

UE User Equipment

UL Uplink

UMB Ultra Mobile Broadband

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

VoIP Voice over Internet Protocol

W-CDMA Wideband CDMA

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

xvi

Introduccin

La evolucin de los sistemas de telefona mvil ha sido un proceso que ha visto en pocos

aos la introduccin de mltiples avances tecnolgicos que han permitido que sean cada vez

ms las personas que hacen uso del telfono celular como dispositivo indispensable en sus

vidas cotidianas. As pues, imaginar hoy en da un mundo sin las telecomunicaciones sera

pensar en otro planeta completamente diferente al que vivimos actualmente. Nuevas tcnicas

de codificacin, multiplexacin, cifrado, acceso, etc., han permitido que la telefona mvil haya

pasado de ser un servicio de voz, como lo era en un principio, a uno que ofrece una amplia

gama de aplicaciones multimedia que permiten las comunicaciones en tiempo real, a altas

velocidades de transmisin e incluso con altas posibilidades de movimiento.

Long Term Evolution (LTE) es el nombre que la 3GPP ha dado a la lnea evolutiva que

abarca los sistemas de comunicaciones mviles GSM, GPRS, EDGE, UMTS y HSPA, y que con la

idea de culminar en LTE-Advanced, se caracteriza por ser un sistema de cuarta generacin. Con

ello se plantea en un comienzo, entre varios objetivos, alcanzar velocidades pico en la interfaz

radio por encima de los 100 Mbps en el enlace descendente y de los 50 Mbps en el ascendente.

Adems, debe operar completamente en modo paquete ofreciendo todos los servicios sobre el

protocolo IP, reducir los tiempos de latencia y permitir canalizaciones flexibles de hasta 20

MHz.

Por la gran cantidad de variables inherentemente presentes en una red de

comunicaciones mviles, como lo son las interferencias, movilidades de los usuarios, servicios

demandados, condiciones de propagacin, entre otras, aunado al hecho de que LTE es un

sistema que opera completamente en modo paquete, es indispensable disponer de un

mecanismo que permita compartir de forma organizada los recursos radio entre los usuarios.

Como parte de estas funciones, los llamados Packet Schedulers se encargan de asignar los

recursos que dispone cada celda de la red a los usuarios que solicitan en un determinado

momento transmitir o recibir informacin y garantizar que se cumplan los requisitos mnimos

de calidad de servicio para asegurar el buen funcionamiento de los servicios y con ello la

satisfaccin de los usuarios.

El presente Trabajo de Fin de Carrera propone la planificacin y posterior optimizacin

de una red LTE utilizando la herramienta de planificacin radio ATOLL. Mltiples son las

inquietudes que surgen como base para emprender este proyecto, planificar una red de cuarta

generacin que a los momentos solo es operativa en pocos pases, permite vislumbrar los

mltiples beneficios de los que se habla, por el momento, solo en los libros y las

xvii

especificaciones. En este sentido, aprovechando la posibilidad de disponer de un software que

permite modelar estas redes, se estudiarn diversos parmetros haciendo mayor hincapi en

las funciones referentes a la gestin de recursos radio, especficamente a las estrategias de

Packet Scheduling disponibles en el programa.

El informe se estructura como se describe a continuacin. En el captulo 1 se expone el

contexto en el cual surge el proyecto as como los objetivos planteados, las limitaciones y

alcances del mismo. En el captulo 2 se explican los conceptos tericos necesarios para la

comprensin del proyecto introduciendo al lector con una breve descripcin de las

generaciones de comunicaciones mviles para despus entrar en detalle en la tecnologa LTE y

las distintas estrategias de Packet Scheduling que intervienen en dicho sistema. En el captulo 3

se describe la metodologa empleada para la realizacin de cada fase del proyecto, desde la

investigacin terica hasta la obtencin de los resultados. En el captulo 4 se explica en detalle

los algoritmos y ecuaciones empleadas en ATOLL que son de inters en este trabajo, as como el

proceso que se llev a cabo para la planificacin y optimizacin de la red LTE. El captulo 5

contiene la descripcin, resultados y anlisis de todas las simulaciones realizadas en la red LTE

sobre la herramienta ATOLL. Por ltimo, en el captulo 6 se exponen las conclusiones y las lneas

futuras de investigacin a partir del trabajo desarrollado.

18

1 Planteamiento del Problema

El siguiente captulo describe la propuesta del siguiente trabajo de fin de carrera, la

justificacin del mismo, los objetivos generales y especficos, y las limitaciones y alcances

encontrados en el proceso de realizacin del mismo.

1.1 Propuesta

En este trabajo de investigacin se propone llevar a cabo la planificacin de una red LTE

con la herramienta ATOLL para posteriormente estudiar diversos parmetros relacionados a

estas redes y compararlos con los esperados segn la teora.

Especficamente se propone realizar un anlisis detallado de las distintas estrategias de

Packet Scheduling que intervienen en el proceso de gestin de los recursos radio para observar

el impacto de cada una de ellas en la obtencin de los throughputs por usuario, por celdas y

totales de la red, as como en la cantidad de usuarios que pueden satisfacer sus demandas de

trfico en cada caso. Por ltimo, en base a los resultados, establecer conclusiones sobre los

algoritmos empleados por ATOLL en el modelado de las redes LTE.

1.2 Justificacin

La iniciativa de este proyecto surge dentro del Grupo de Investigacin en

Comunicaciones Mviles (GRCM) perteneciente al Departamento de Teora de la Seal y

Comunicaciones de la Universidad Politcnica de Catalua con el fin de indagar en el nuevo

mdulo LTE desarrollado por la empresa FORSK disponible en el software ATOLL.

19

Previamente el grupo de investigacin ha desarrollado proyectos basados en

tecnologas de comunicaciones mviles 2G y 3G con la misma herramienta y se ha podido

comprobar que los resultados obtenidos modelan de forma realista las redes en cuestin.

Ahora, con la aparicin de las tecnologas 4G de comunicaciones mviles y la disponibilidad del

nuevo mdulo en ATOLL, surge la necesidad de planificar una red LTE para evaluar los

resultados prcticos de diversos aspectos y establecer comparaciones con la teora y las

especificaciones del 3GPP establecidos para esta tecnologa, con el fin de mantenerse siempre a

la vanguardia de las nuevas tecnologas y evaluar en este caso la herramienta ATOLL en el

modelado de las redes LTE.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo General

Planificar y optimizar una red LTE en la herramienta ATOLL para observar el impacto de

las distintas estrategias de Packet Scheduling en el rendimiento de la red.

1.3.2 Objetivos especficos

- Estudiar las caractersticas del sistema de telefona mvil LTE y conocer las distintas

estrategias de Packet Scheduling que intervienen en el proceso de gestin de recursos

radio.

- Estudiar los aspectos necesarios que intervienen en el proceso de planificacin y

optimizacin de una red LTE en la herramienta ATOLL.

- Aprender a utilizar la herramienta ATOLL y dominar cada uno de los parmetros que

intervienen en el modelado de la red.

- Planificar y optimizar una red LTE en la ciudad de Barcelona para posteriormente

evaluar el funcionamiento de cada una de las estrategias de Packet Scheduling en el

rendimiento de la red.

- Comparar los throughputs obtenidos en los enlaces ascendente y descendente con cada

una de las estrategias de Packet Scheduling bajo distintas condiciones de la red.

- Comparar el rendimiento de la red al usar distintas tcnicas de diversidad disponibles en

ATOLL y observar si afectan a la red de igual medida segn las estrategias de Packet

Scheduling empleadas.

20

1.4 Limitaciones y alcances

1.4.1 Limitaciones

- Para desarrollar el proyecto fue necesario la versin 3.1.0 de ATOLL con el mdulo AFP

(Automatic Frequency Planning) instalado que permitieron realizar las asignaciones

frecuenciales y de Physical Cell IDs de manera automtica, precisa y rpida gracias a los

algoritmos empleados por el software.

- Los estudios realizados se limitaron a las opciones que ATOLL dispone para modelar las

redes LTE, en algunos casos los algoritmos empleados por ATOLL no corresponden a los

empleados en la realidad porque se ven limitados por aspectos que no pueden

implementarse en el programa. Por ejemplo, las simulaciones ocurren en un tiempo

instantneo y no tienen memoria del pasado.

1.4.2 Alcances

El trabajo se centra en el estudio de las estrategias de Packet Scheduling y no contempla

el efecto de otros parmetros de las redes LTE que tambin pueden ser modelados en ATOLL

como es el caso de las estrategias de coordinacin de interferencia intercelular (ICIC) o de

control de potencia fraccional (Fractional Power Control).

21

2 Marco referencial

El siguiente captulo contiene una descripcin global de la evolucin de las

comunicaciones mviles desde los sistemas pre-celulares hasta la cuarta generacin de

telefona mvil. Posteriormente se describe la arquitectura del sistema LTE as como sus

caractersticas ms relevantes. Por ltimo se exponen las distintas estrategias de Packet

Scheduling utilizadas en LTE.

2.1 Evolucin de las comunicaciones mviles

La telefona mvil es hoy en da la tecnologa ms utilizada en el planeta por encima del

Internet, ordenadores personales, telefona fija y otras tecnologas; estimndose que alrededor

del 87% de la poblacin mundial es usuario de telefona mvil [1]. El rpido avance tecnolgico

ha permitido crear dispositivos mviles cada vez ms sofisticados y capaces de proporcionar

una amplia gama de aplicaciones, con lo cual la aceptacin y penetracin de la telefona mvil a

nivel mundial es ms que evidente, convirtindose el telfono celular en un dispositivo

indispensable en la vida cotidiana del mundo actual.

2.1.1 Sistemas mviles pre-celulares

La historia de las comunicaciones mviles con fines comerciales comienza en los aos 40

una vez finalizada la Segunda Guerra Mundial despus de que otras tecnologas de

comunicacin inalmbrica, tales como el radar y las radios FM, comnmente llamadas walkie-

talkie, habran sido un xito.

22

El 28 de julio de 1945 el comisario J.K. Jett de la FCC (Federal Communications

Commission) de Estados Unidos public en el Saturday Evening Post Phone

me by Air haca referencia, por primera vez en la historia, de un sistema radio celular

para establecer comunicaciones bidireccionales va radio en la banda de 460 MHz. Si bien el

artculo no explicaba el mtodo en el que se podra lograr la comunicacin entre el mvil y la

red telefnica fija, s haca referencia al reuso frecuencial en reas pequeas, mencionando la

posibilidad de que millones de usuarios en todo el pas pudieran utilizar los mismos canales

simultneamente y sin interferirse. A pesar de que la FCC en su momento no concedi el

espectro para llevar a cabo el servicio, se continu el estudio de los sistemas celulares llegando

a ser implementados posteriormente, con el mecanismo de reuso frecuencial como elemento

primordial [2].

El 17 de junio de 1946 en St. Louis, Missouri, USA, se instal el primer telfono mvil en

un vehculo, usando el primer sistema de telefona mvil denominado MTS (Mobile Telephone

Service) y operado por AT&T. MTS utilizaba seis canales en la banda de 150 MHz que

posteriormente fueron reducidos a solo tres por problemas de interferencias entre canales, lo

que significaba que solo podan establecerse tres llamadas simultneas en cada una de las

ciudades donde estaba implementado el sistema, generando rpidamente largas listas de

espera [3].

Entre los aos 1950 y 1960 se fueron sumando nuevos sistemas de telefona mvil

tanto en Estados Unidos, creando competencia a AT&T, como en Europa. Algunos de los

sistemas europeos fueron el MTA (Mobiltelefonisystem A) operado en Suecia, el sistema

alemn A-Netz y el sistema OLT operado en Noruega. A mediados de los aos 60, los primeros

sistemas fueron siendo reemplazados por nuevas versiones mejoradas, como el caso de IMTS

(Improved Mobile Telephone Service) o de MTB, de manera que se optimizaban ciertos aspectos

para hacer ms amigable el uso del telfono mvil, permitiendo por ejemplo el reemplazo del

botn de llamada, que en un principio deba mantenerse presionado para hablar, la sustitucin

de las operaciones de conmutacin manuales por el marcado automtico y la posibilidad de

establecer comunicaciones de mvil a mvil, entre otras. Pero a pesar de las importantes

mejoras y de la disposicin de nuevos canales radio, la capacidad de estos sistemas de telefona

mvil segua siendo un factor muy limitante [2].

En general se puede decir que los primeros sistemas de telefona mvil se

caracterizaban por tener pocas estaciones base que cubran reas extensas transmitiendo a

elevada potencia, presentaban una capacidad limitada de usuarios, costos elevados y equipos

terminales muy pesados, voluminosos y de gran consumo de potencia que generalmente se

utilizaban en vehculos el que mejor describa a

estos sistemas, ya que los usuarios deban estar en sus vehculos para poder ser localizados, sin

23

embargo fue un comienzo importante para llegar a las comunicaciones mviles tal y como se

conocen hoy en da.

2.1.2 Sistemas mviles celulares

Para entender las comunicaciones mviles celulares del mundo actual es importante

estudiar la evolucin que stas han tenido desde la llamada primera generacin (1G), donde

solo unos pocos usuarios tenan el privilegio de formar parte, hasta llegar a la cuarta generacin

(4G) de la que se habla hoy en da, pasando por la segunda y tercera generacin (2G y 3G)

donde ms de de la poblacin mundial se encuentra involucrada.

Figura 2.1: Generaciones de sistemas de comunicaciones mviles.

Fuente: extrado de [4].

Es importante resaltar que las comunicaciones mviles celulares no fueron las primeras

comunicaciones mviles en aparecer ya que, como se ha visto anteriormente, a partir de 1946

surgieron varios sistemas de comunicaciones mviles tanto en Estados Unidos como en Europa,

pero cabe destacar que la diferencia entre esos sistemas y los que se explicarn a continuacin,

es que los primeros no eran sistemas celulares con lo cual la capacidad y la movilidad eran

aspectos muy limitantes.

El concepto celular nace en 1947 en los laboratorios Bell gracias a D.H. Ring con la ayuda

de W.R. Young. El sistema celular que disearon define la divisin de un territorio extenso en

pequeas reas con geometra hexagonal denominadas celdas, en cada una de las cuales se

encuentra un transmisor de baja potencia. Tambin tomaron en cuenta el concepto de reuso

frecuencial entre distintas celdas alejadas suficientemente entre s y el mecanismo de handover

automtico que permitiera la continuidad de la comunicacin al trasladarse de celda en celda.

Para ese entonces no exista la tecnologa que permitiera implementar el sistema celular y el

espectro necesario an no estaba disponible, por lo que pasaron treinta aos antes de poderse

implementar las ideas propuestas [3].

24

2.1.2.1 Sistemas mviles de primera generacin (1G)

Los sistemas mviles de primera generacin fueron los primeros en poner en prctica el

concepto celular, se caracterizaban por ser analgicos y ofrecan nicamente servicios de voz.

Estos sistemas no ponan en prctica el mecanismo de control de potencia, lo que significa que

todos los terminales transmitan a la misma potencia sin importar su ubicacin o condiciones

del entorno y por ello el consumo de batera y las interferencias ocasionadas eran elevados.

Limitados por la tecnologa presente en el momento, los equipos seguan siendo voluminosos y

pesados, por lo que en su mayora seguan siendo implementados en los vehculos [5].

El primer sistema celular comercial de primera generacin fue introducido por la NTT

(Nippon Telegraph and Telephone) en 1979 en Japn. Posteriormente, en 1981 nace el primer

sistema de primera generacin multinacional, el NMT (Nordic Mobile Telephony), que fue

introducido en Dinamarca, Noruega, Suecia y Finlandia utilizando la banda de 450 MHz. Por

otro lado en Estados Unidos, despus de haber presentado retrasos regulatorios, finalmente

fue introducido en 1983 el sistema AMPS (Advanced Mobile Phone Service) tras haber realizado

pruebas exitosas en la ciudad de Chicago desde el ao 1978. En 1985 fue implementado el

sistema TACS (Total Access Communications System) en el Reino Unido con grandes similitudes

al sistema AMPS norteamericano. Posteriormente nacieron los sistemas C-Netz en Alemania

occidental, Radiocom 2000 en Francia y RTMI/RTMS en Italia [2].

Los sistemas de primera generacin rpidamente tuvieron xito en sus pases de origen

y fueron siendo adoptados por otros pases. En este sentido, el sistema NMT fue introducido en

varios pases del oriente de Europa pero bajo una nueva versin, NMT-900, que utilizaba la

banda de 900 MHz en vez de la de 450 MHz que ya era insuficiente. Asimismo, el sistema TACS

fue adoptado por algunos pases del medio oriente y del sur de Europa y el sistema

norteamericano AMPS fue adoptado en ciertos pases de Amrica del Sur y del lejano oriente

incluyendo Australia y Nueva Zelanda. El sistema NMT fue el primero en introducir el concepto

de roaming internacional para utilizar el servicio en los distintos pases donde operaba.

Varios aspectos eran comunes para los sistemas de primera generacin. Todos

utilizaban la tcnica de duplexado de frecuencia (FDD) definiendo bandas distintas para el

enlace ascendente y el descendente, que generalmente se situaban entorno a los 900 MHz.

Empleaban la modulacin analgica FM para la voz, dividan el espectro disponible en canales

que repartan a las estaciones base, de manera que para evitar interferencias se asignaban

canales distintos a las estaciones bases vecinas, y por cada llamada se asignaba un canal

dedicado para cada enlace por todo el tiempo de duracin de la misma. Sin embargo, a pesar

de que los sistemas de primera generacin se basaban en los mismos principios de

25

funcionamiento, ninguno de ellos era compatible entre s, por lo que un telfono mvil de

aquella poca no poda ser utilizado en otros pases que no operaran su mismo sistema.

2.1.2.2 Sistemas mviles de segunda generacin (2G)

En Europa, debido a las predicciones de saturacin de la capacidad de los sistemas de

primera generacin y al problema de la incompatibilidad entre todos los sistemas existentes, se

empezaron las investigaciones para desarrollar un nico sistema global que permitiera la

movilidad entre pases aprovechando los grandes avances tecnolgicos que tuvieron lugar en

los aos 80, tales como los avances en las tecnologas de semiconductores y circuitos

integrados, para dar lugar a una nueva generacin de telefona mvil.

En este sentido, la CEPT (Conference of European Postal and Telecommunications) cre

en 1982 el grupo GSM, cuyas siglas en un comienzo significaban Groupe Speciale Mobile y

posteriormente fueron rebautizadas a Global System for Mobile Communications, con el fin de

crear un sistema paneuropeo completamente nuevo y con tecnologa digital que pudiera

ofrecer un servicio de buena calidad y eficiencia espectral y que al mismo tiempo cumpliera con

los requisitos de capacidad y compatibilidad entre pases. En 1989 la recin formada ETSI

(European Telecommunication Standards Institute) prosigui con los avances en el proyecto de

GSM logrando el lanzamiento comercial del sistema en 1992.

La caracterstica ms relevante de los sistemas de segunda generacin con respecto a

los de primera es que pasaron de ser analgicos a digitales, lo que implica una serie de ventajas

como lo es una mayor calidad frente a interferencias y mejor utilizacin del espectro. Adems,

gracias a los avances en las tecnologas digitales se logr la miniaturizacin de los equipos

terminales, as como la reduccin del costo y del consumo de potencia de los mismos,

permitiendo que las comunicaciones mviles pasaran de ser utilizadas por un grupo selectivo

de personas con vehculos a extenderse a toda la poblacin interesada en comunicarse en

cualquier momento y desde cualquier lugar. Por otro lado, las tcnicas de procesado digital de

la informacin como la modulacin digital, codificacin de canal, codificacin de fuente,

sistemas entrelazados, cifrado de las comunicaciones, entre otras, permitieron mejoras en

cuanto a calidad, velocidad de transmisin, capacidad del sistema y la posibilidad de agregacin

de nuevos servicios como el buzn de voz, identificador de llamadas y mensajes de texto [5].

El sistema GSM utiliza la tcnica de duplexado FDD (Frequency Division Duplex) en la

banda de 900 MHz, operando inicialmente a frecuencias de 890-915 MHz en el enlace

ascendente y 935-960 MHz en el enlace descendente. Como tcnica de acceso emplea una

combinacin de frecuencia y tiempo, es decir, utiliza FDMA (Frequency Division Multiple Access)

26

para dividir el espectro total de 25 MHz en 124 portadoras de 200 kHz y a su vez cada canal de

200 kHz lo divide en 8 ranuras de tiempo empleando TDMA (Time Division Multiple Access). A

pesar de que el sistema GSM fue creado para operar en la banda de 900 MHz, posteriormente

surgieron variaciones del sistema, de las cuales las ms importantes son DCS-1800 y PCS-1900,

tambin conocidas como GSM-1800 y GSM-1900 respectivamente, que fueron adoptadas por

algunos pases dentro y fuera de Europa [6].

Figura 2.2: Arquitectura de la red GSM.

Fuente: extrado de [7].

El xito del sistema GSM rpidamente se extendi por pases de todo el mundo, y con la

aparicin de los telfonos celulares tribanda, que operan en las frecuencias 900, 1800 y 1900

MHz, se haca cada vez ms fcil el empleo del roaming internacional permitiendo establecer

comunicaciones en cualquiera de los cinco continentes. Cabe destacar que a pesar de que GSM

es sin duda el sistema de segunda generacin con mayor extensin en el mundo, existen

tambin otros sistemas tales como IS-54, que posteriormente evolucion a IS-136, e IS-95

desarrollados en Estados Unidos o el sistema PDC (Personal Digital Cellular), originalmente

conocido como JDC (Japan Digital Cellular), desarrollado en Japn [7].

En Estados Unidos las motivaciones hacia la segunda generacin de telefona mvil eran

distintas que en Europa. Al solo existir el sistema AMPS de primera generacin, los usuarios

eran libres de utilizar sus telfonos celulares desde cualquier ciudad del pas sin enfrontar los

problemas de incompatibilidad existentes en Europa. Por este motivo, la FCC orden que los

nuevos sistemas de segunda generacin debieran trabajar en un modo dual permitiendo la

compatibilidad con el sistema de primera generacin para mantener los telfonos actuales en

uso aumentando la capacidad y reduciendo los costos. Al no poder acordar una nica

tecnologa, surgieron dos sistemas de segunda generacin, el IS-54 desarrollado por TIA

(Telecommunication Industry Association), basado en FDMA/TDMA, y el IS-95 desarrollado por

Qualcomm, basado en FDMA/CDMA [8].

27

El sistema IS-54, tambin llamado D-AMPS (Digital AMPS), empez a operar en Estados

Unidos en 1990 en conjunto con el sistema actual AMPS triplicando la capacidad de ste y

utilizando la banda de 850 MHz. El sistema IS-54 usaba canales de control analgicos y canales

de voz digitales. Posteriormente este sistema evolucion a uno completamente digital

denominado IS-136 que fue introducido en 1994 y que adems de la banda de 850 MHz poda

operar tambin en la banda de 1900 MHz. Por otro lado, el sistema IS-95, tambin conocido

como CDMAOne, fue introducido en 1993 en Estados Unidos y es utilizado tambin en varios

pases asiticos, es el nico sistema de segunda generacin basado en CDMA (Code Division

Multiple Access), tecnologa de acceso que proviene de usos militares y que posteriormente es

utilizada por los sistemas de tercera generacin tales como UMTS [9].

2.1.2.3 Sistemas mviles 2.5G

Los sistemas de segunda generacin permitieron mejoras notables respecto a los de

primera generacin gracias a la digitalizacin, pero desde el punto de vista funcional seguan

siendo utilizados principalmente para trfico de voz. Las versiones originales de estos sistemas

estn orientadas a modo circuito, lo que permite soportar transmisiones de voz de manera muy

eficiente pero solo algunos servicios de transmisin de datos a baja velocidad (9.6 14.4 kbps).

Para alcanzar mayores velocidades en la transmisin de datos surgieron una serie de

tecnologas conocidas como generacin 2.5 por suponer la transicin entre los sistemas de

segunda y de tercera generacin [10].

Algunas de las tecnologas 2.5G que surgieron como evolucin del sistema GSM fueron

HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data), GPRS (General Packet Radio Services) y EDGE

(Enhanced Data Rates for Global Evolution). El sistema IS-136 se convierte de igual manera en

2.5G con la introduccin de GPRS y EDGE, y el sistema IS-95 es llamado 2.5G cuando

implementa IS-95B o CDMA2000 1xRTT [9].

El sistema HSCSD fue propuesto por la ETSI a comienzos de 1997 con la idea de emplear

ms de un time slot por usuario de forma paralela para la transmisin de datos, de esta manera

la velocidad total de transmisin sera la de un slot en GSM multiplicada por el nmero de slots

utilizados, que poda llegar a ser de hasta cuatro. Este sistema funcionaba muy bien para

aplicaciones en tiempo real pero segua empleando conmutacin por circuito, lo que

representaba una disminucin drstica de los recursos disponibles para los usuarios de voz

pues los canales deban ser reservados para un usuario por el tiempo total de la conexin sin

importar si se estuviera transmitiendo informacin o no.

28

Posteriormente la ETSI propone el sistema GPRS como una extensin del sistema GSM

para la transmisin de la informacin empleando la tcnica de conmutacin de paquetes. Esta

tcnica permite una mayor eficiencia espectral ya que los recursos no son asignados de manera

exclusiva para una nica comunicacin sino compartidos entre varios usuarios, y adems se

toma en cuenta la asimetra de los servicios de paquetes de datos pues la asignacin de los

recursos en los enlaces ascendente y descendente se realiza de manera separada. Asimismo

surge la posibilidad de realizar una tarificacin del servicio ms atractiva al usuario, basada en

la cantidad de paquetes transmitidos y no en la duracin de la conexin [7].

Por otro lado, el coste de implementacin del sistema GPRS es bajo ya que al ser una

extensin de GSM se utiliza todo el hardware existente aadiendo solo dos nuevos nodos SGSN

(Serving GPRS Support Node) y GGSN (Gateway GPRS Support Node) para el trfico de paquetes

e incorporando una unidad PCU (Packet Control Unit) en las BSC (Base Station Controller), con la

capacidad de que los canales sean asignados dinmicamente a GSM o GPRS dependiendo de los

niveles de trfico dando siempre prioridad a los servicios de voz. GPRS utiliza distintos

esquemas de codificacin dependiendo de la calidad del radio enlace, el tipo de terminal y el

trfico de datos de la celda (CS1: 9.05 kbps, CS2: 13.4 kbps, CS3: 15.6 kbps y CS4: 21.4 kbps) y

permite utilizar varios time slots por conexin, con lo cual se lograra una velocidad mxima

terica de 171.2 kbps utilizando 8 time slots y el esquema CS4 [11].

Figura 2.3: Arquitectura de la red GSM/GPRS.

Fuente: extrado de [7].

El sistema 2.5G que surge como mejora del sistema GSM/GPRS es EDGE. As como la

tecnologa GPRS complement a GSM con la adicin de una codificacin adaptativa, EDGE

complementa a GPRS con la introduccin de la modulacin adaptativa. En este sentido, adems

de la modulacin GMSK empleada en GSM y GPRS, EDGE introduce la modulacin 8PSK que

29

permite triplicar la tasa de transmisin de datos de GPRS a cambio de una menor rea de

cobertura. La mxima velocidad de transmisin en EDGE es de 384 kbps utilizando 8 time slots y

el ms eficiente de los esquemas de modulacin/codificacin (MCS9) [9].

Los cambios principales de este sistema se encuentran a nivel de capa fsica y MAC/RLC,

con lo cual la arquitectura de la red GPRS no necesita ser modificada excepto en las BTS donde

debe agregarse una nueva unidad transceptora. Adicionalmente se deben actualizar los

software en las BSC para permitir la conmutacin de GSM/GPRS a EDGE cuando sea necesario,

y por ltimo se requiere de nuevos terminales mviles con un software que permita codificar y

decodificar los nuevos esquemas de modulacin utilizados en EDGE [12].

En cuanto al sistema IS-95, que ofreca velocidades de transmisin de datos de hasta

14.4 kbps, la tecnologa 2.5G que lo complementa es el IS-95B empleando conmutacin de

paquetes que permite velocidades de 64 kbps utilizando mltiples canales de cdigos

ortogonales para un mismo usuario. Incluso las primeras versiones del sistema CDMA2000

propuesto por la 3GPP2 (Third Generation Paterntship Project 2) son consideradas 2.5G, siendo

stas CDMA2000 1xRTT release 0, que permite velocidades pico de 144 kbps, y CDMA2000

1xRTT release A, que ofrece velocidades de 384 kbps. Cabe destacar que la evolucin desde el

estndar IS-95 a los sistemas CDMA2000 de tercera generacin es mucho ms simple que la

equivalente de GSM/GPRS/EDGE a UMTS pues permite la reutilizacin de la mayor parte de la

infraestructura de la red y prcticamente las mejoras son basadas en actualizaciones de

software [9].

2.1.2.4 Sistemas mviles de tercera generacin (3G)

Los sistemas de segunda generacin marcaron un xito en la historia de las

comunicaciones mviles pero las crecientes demandas de trfico de datos y las expectativas de

nuevos servicios multimedia se hacan insuficientes para los sistemas 2G y 2.5G, con lo cual la

ITU (International Telecommunication Union) empez el desarrollo de un sistema de tercera

generacin universal con el nombre de IMT-2000 (International Mobile Telecommunications),

que posteriormente pas a ser ms bien una familia de sistemas 3G en vista de no poder

englobar los intereses de todos los pases en un nico sistema. En este sentido, la familia IMT-

2000 abarca el sistema europeo UMTS y el norteamericano CDMA2000 entre otros de menor

importancia [7].

Los sistemas 3G se plantearon tasas objetivo de 144 kbps para entornos vehiculares de

gran velocidad, 384 kbps para espacios abiertos y velocidades de hasta 2 Mbps para entornos

interiores de baja movilidad. Con estas velocidades los usuarios pueden utilizar sus terminales

30

mviles en una variedad de servicios desde llamadas telefnicas, acceso a redes LAN

corporativas, acceso a Internet, envo de correo electrnico, transferencia de archivos e

imgenes de calidad e incluso servicios de video conferencias y transmisin de audio y video en

tiempo real [5].

La primera publicacin del sistema UMTS estuvo disponible en 1999 conocida como

Release 99. En ella se especifican dos modos de operacin en cuanto al acceso radio: el modo

FDD empleando la tcnica de acceso W-CDMA (Wideband CDMA), donde el canal fsico lo

define un cdigo y una frecuencia, y el modo TDD (Time Division Duplex) empleando la tcnica

de acceso TD-CDMA (Time Division-CDMA), donde el canal fsico lo define un cdigo, una

frecuencia y un time slot. El uso de la tecnologa CDMA implica un cambio en la arquitectura de

red de acceso radio GSM/GPRS/EDGE permitiendo la posibilidad de emplear un reuso

frecuencial de factor 1, siempre que se tengan controladas las interferencias intercelulares,

para lograr de esta manera una gran eficiencia espectral.

Figura 2.4: Arquitectura de la red GSM/GPRS + UMTS de la Release 99.

Fuente: extrado de [7].

Las mejoras ms importantes de las caractersticas del acceso radio UMTS se describen

en la Release 5 con la adicin de HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) y en la Release 6

con HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) que juntas se conocen como HSPA (High Speed

Packet Access). HSPA mejora los servicios de paquetes de datos introduciendo mayores

velocidades y menores retardos, manteniendo al mismo tiempo una buena cobertura y una

gran capacidad en el sistema. Para lograr esto, HSPA introduce nuevos esquemas de

modulacin de mayor nivel, control de potencia rpido, fast scheduling y mecanismos de

31

retransmisin hbrida HARQ con redundancia incremental. De esta manera se logran

velocidades de hasta 14.4 Mbps en HSDPA y 5.7 Mbps en HSUPA [13].

Figura 2.5: Caractersticas principales de las Release de UMTS.

Fuente: extrado de [4].

El sistema de tercera generacin CDMA2000 fue desarrollado por la 3GPP2 como

evolucin del sistema IS-95 siendo compatible con el mismo. En CDMA2000 se incorporaron

bsicamente las mismas tecnologas que en WCDMA/HSPA para lograr mejores tasas en la

transmisin de datos y mejorar el rendimiento de la red. La evolucin de CDMA2000 ocurri en

distintas fases, primero surgi CDMA2000 1xRTT y luego dos ramas paralelas se iniciaron EV-DO

(Evolution-Data Only) y EV-DV (Evolution for integrated Data and Voice) otorgando velocidades

de transmisin superiores a 2 Mbps [13].

2.1.2.5 Sistemas mviles de cuarta generacin (4G)

El continuo crecimiento en la demanda de servicios de paquetes de datos y la

posibilidad de elaborar terminales cada vez ms avanzados aptos para ofrecer nuevas

aplicaciones con mayores capacidades para imgenes, audio, video, e-mail y otras aplicaciones

multimedia llev a la necesidad de crear una nueva generacin de comunicaciones mviles [4].

En este sentido, la ITU-R estableci los requisitos para las redes de cuarta generacin bajo el

nombre de IMT-Advanced. Algunos de los requisitos consisten en una red basada

completamente en conmutacin por paquete con una arquitectura plana basada en el

protocolo IP (Internet Protocol), velocidades de transferencia de datos mayores a 100 Mbps

para altas movilidades y de 1 Gbps para entornos relativamente fijos, interoperabilidad con

estndares existentes, canalizaciones flexibles, menores tiempos de latencia, entre otros [14].

32

Tal y como se observa en la Figura 6, existen tres organizaciones que se han encargado

de desarrollar estndares de comunicaciones mviles con el fin de cumplir los requisitos del

IMT-Advanced. La 3GPP (Third Generation Paterntship Project) empez a finales de 2004 la

primera especificacin del sistema LTE (Long Term Evolution) que fue concluida a finales de

2008 y ha evolucionado posteriormente a LTE-Advanced. Por otro lado, la IEEE ha creado la

familia 802.16 conocida como WiMAX donde la versin 802.16m, tambin conocida como

WirelessMAN-Advanced, ha sido aprobada por la ITU-R como una tecnologa IMT-Advanced.

Por ltimo, la 3GPP2 comenz el desarrollo del sistema UMB (Ultra Mobile Broadband) como

evolucin del sistema CDMA2000 con las intenciones de convertirse en un sistema de 4G pero

el proyecto fue dejado inconcluso para pasar a apoyar a LTE [14].

Figura 2.6: Estndares de comunicaciones mviles.

Fuente: extrado de [14].

Cabe mencionar una aclaracin expuesta en el documento [15] acerca de las tecnologas

consideradas IMT-Advanced:

Tras una detallada evaluacin acerca de estrictos criterios tcnicos y operativos, la ITU

- - deben recibir la

designacin oficial de IMT-Advanced. Siendo las tecnologas ms avanzadas actualmente

en comunicaciones de banda ancha mvil, IMT-

aunque se reconoce que este trmino, mientras no estuvo definido, tambin puede ser

aplicado a los precursores de estas tecnologas, LTE y WiMAX, y a otras tecnologas que

33

evolucionaron de sistemas 3G proporcionando un importante nivel de mejora en el

rendimiento y en las capacidades con respecto a los sistemas iniciales de 3G

desplegados. Las especificaciones detalladas de las tecnologas IMT-Advanced sern

proporcionadas en una nueva Recomendacin ITU-R que se espera a comienzos de

2012.

Hasta ahora se han expuesto las caractersticas ms resaltantes de cada una de las

generaciones de comunicaciones mviles, a continuacin se abarcar con mayor detalle el

sistema LTE, sistema sobre el cual se basa el presente trabajo de fin de carrera.

2.2 Sistema LTE

El sistema LTE fue diseado por la 3GPP con la idea de incrementar en gran medida las

capacidades que ofrecan los sistemas de comunicaciones mviles anteriores. En este sentido,

LTE es el primer sistema en ofrecer todos los servicios, incluida la voz, sobre el protocolo IP

dejando atrs la conmutacin de circuitos para pasar a un nuevo sistema basado

completamente en conmutacin de paquetes. Adems, las velocidades pico de la interfaz radio

que introduce LTE superan ampliamente a aquellas conseguidas en los sistemas anteriores,

soportando velocidades de al menos 100 Mbps en el downlink y 50 Mbps en el uplink, que

permite a los usuarios la posibilidad de movilizarse a grandes velocidades y al mismo tiempo

disfrutar de los servicios multimedia [16].

2.2.1 Acceso mltiple multiportadora

El sistema LTE se caracteriza por ofrecer una canalizacin flexible que permite alcanzar

altas velocidades de transmisin y facilitar la migracin gradual hacia LTE de bandas espectrales

ocupadas por 2G y 3G. En este sentido, las posibles canalizaciones son: 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz,

10 MHz y 20 MHz, siendo esta ltima la considerada para alcanzar velocidades de transmisin

en el orden de 100 Mbps en el donwlink. Adems de la canalizacin flexible, LTE permite

trabajar en bandas pareadas con FDD y no pareadas con TDD [16].

En vista de que el ancho de banda de 20 MHz introducira elevadas distorsiones debido

a la interferencia intersimblica (ISI) ocasionada por la propagacin multicamino, se adopt la

tcnica de acceso mltiple OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) en el

donwlink que permite dividir el espectro en mltiples portadoras de banda estrecha

ortogonales entre s con una separacin fija de 15 KHz. Para obtener los distintos anchos de

34

banda mencionados se vara el nmero de subportadoras, manteniendo la separacin entre

ellas constante. Incluso utilizando OFDMA queda presente cierta interferencia, por lo tanto se

emplea un prefijo cclico que permite eliminar la ISI ofreciendo de esta manera una gran

eficiencia espectral [4].

Gracias al scheduler empleado en OFDMA se pueden asignar las portadoras

eficientemente a los usuarios dependiendo de las condiciones del canal y los requisitos de los

servicios de cada uno de ellos, concediendo ms o menos portadoras a cada usuario segn el

caso y ofreciendo diversidad frecuencial al asignar portadoras no contiguas a un mismo usuario.

Por otro lado, la implementacin de esta tcnica se hace sencilla en el dominio digital gracias a

la implementacin de los procesos de FFT (Fast Fourier Transform) y IFFT (Inverse FFT) [16].

En el uplink se adopt una variante de OFDMA llamada SC-FDMA (Single Carrier-

Frequency Division Multiple Access) que presenta una significante reduccin de la relacin entre

la potencia instantnea transmitida y la potencia media, denominado PAPR (Peak-to-Average

Power Ratio), evitando complejidades en el amplificador de frecuencia de los terminales

mviles y aumentando la batera de los mismos.

Figura 2.7: Dominio frecuencial de las tecnologas de acceso mltiple de LTE.

Fuente: extrado de [14].

2.2.2 Arquitectura del sistema

La arquitectura del sistema LTE se dise en base a tres requisitos fundamentales:

conmutacin de paquetes nicamente, baja latencia y costos reducidos. Para lograr los

objetivos, se plante una arquitectura plana sin ningn nivel de jerarquizacin con la menor

cantidad de nodos e interfaces posibles. La arquitectura de LTE comprende una nueva red de

acceso denominada E-UTRAN (Evolved- UMTS Terrestrial Radio Access Network) y una nueva

35

red troncal denominada EPC (Evolved Packet Core), la combinacin de la red de acceso y la red

troncal recibe el nombre de EPS (Evolved Packet System), tambin llamada bajo el trmino LTE

[16].

Figura 2.8: Arquitectura de red LTE.

Fuente: extrado de [16].

2.2.2.1 Red de acceso E-UTRAN

La red de acceso de LTE est formada por un nico elemento de red llamado eNB

(evolved NodeB) que constituye la estacin base de E-UTRAN. Los eNBs realizan todas las

funciones de la red de acceso que en las redes 3GPP anteriores eran llevadas a cabo por las

estaciones base junto a los controladores de red (BTS y BSC en GSM, NodeB y RNC en UMTS),

de all que sea denominada una arquitectura plana. En este sentido, las funciones que realizan

los eNBs incluyen la gestin de recursos radio (control de los Radio Bearers, control de admisin

radio, control de la movilidad, scheduling de paquetes y asignacin dinmica de los recursos

tanto en uplink como en downlink), compresin de cabeceras, seguridad en la interfaz radio y

conectividad con la red troncal EPC [14].

Para llevar a cabo todas las funciones mencionadas, los eNBs estn interconectados a

los equipos de usuario (UE) mediante la interfaz Uu donde aplican los protocolos AS (Access

Stratum). Asimismo, la interfaz que conecta a los eNBs entre s es denominada X2, y la interfaz

36

que conecta un eNB a la red troncal EPC es denominada S1, que a su vez se divide en S1-MME

para el plano de control y S1-U para el plano de usuario [16].

2.2.2.2 Red troncal EPC

La red troncal de LTE es la responsable de proporcionar un servicio de conectividad IP

para permitir el acceso a las distintas redes externas y plataformas de servicios como IMS (IP

Multimedia Subsystem) y a la vez controlar el establecimiento de los Bearers. Los elementos

principales del EPC son: el MME (Mobility Management Entity), el S-GW (Serving Gateway) y el

P-GW (Packet Data Network Gateway), pero adems de estas entidades se encuentran tambin

el HSS (Home Subscriber Server) y el PCRF (Policy Control and Charging Rules Function) [14].

El MME se encarga de las funciones y sealizacin del plano de control entre el UE y la

red troncal donde se soportan los protocolos NAS (Non Access Stratum). Las funciones

principales del MME son el establecimiento, mantenimiento y liberacin de los Bearers as

como el establecimiento de la conexin y la seguridad entre la red y el UE. Por otro lado, las

funciones asociadas al plano de usuario se concentran en el S-GW y el P-GW, quienes adems

se encargan de servir de anclaje para la gestin de movilidad entre LTE y redes 3GPP y no 3GPP

respectivamente. El HLR es la base de datos principal que contiene la informacin de los

subscriptores tales como los perfiles de QoS (Quality of Service), las restricciones de roaming,

informacin permanente y dinmica del usuario, etc. Por su lado, el PCRF se encarga de

controlar los servicios portadores que ofrece la red LTE y de los mecanismos de tarificacin

[16].

Una vez obtenida una idea general del sistema LTE se describirn a continuacin las

distintas estrategias de Packet Scheduling desarrolladas en el sistema LTE.

2.3 Packet Scheduling

Con la introduccin de la transmisin en modo paquete surgi la necesidad de crear

nuevos mecanismos que permitieran conseguir un uso eficiente de los recursos radio

disponibles entre los diferentes usuarios. Estos mecanismos se conocen como gestin de

recursos radio o RRM (Radio Resource Management) y constituyen una parte esencial en el

funcionamiento del sistema LTE as como de sus antecesores UMTS y HSPA. El objetivo de RRM

es optimizar la asignacin de los recursos radio logrando que la mayor cantidad de usuarios

37

tenga acceso a la red y al mismo tiempo garantizar los niveles de calidad de servicio necesarios

asociados a cada uno de los servicios establecidos en el segmento radio [4].

Una de las principales funciones de RRM es el Packet Scheduling o scheduler de

paquetes, encargado de asignar los recursos a los usuarios dentro del rea de cobertura de la

celda decidiendo qu usuarios transmiten en cada momento y bajo qu esquemas de

modulacin y codificacin. En otras palabras, el scheduler permite asignar los recursos

dinmicamente a los usuarios para que stos puedan realizar sus transmisiones de forma

ordenada [16].

Por otro lado, el uso de un scheduler apropiado en conjunto con la tcnica ICIC (Inter-

Cell Interference Coordination) permite que el sistema LTE trabaje con un factor de reuso

frecuencial igual a 1, es decir que todos los recursos radio estn disponibles en todas las celdas.

Para esto, el scheduler debe ser capaz de evitar las interferencias de clulas adyacentes a

usuarios que se ubican en el borde de la celda, asignndoles recursos que no estn siendo

utilizados por las celdas vecinas. Esta coordinacin entre schedulers se logra gracias a la interfaz

X2 entre eNBs [16].

2.3.1 Downlink y Uplink Packet Scheduling

En el caso de LTE, las funciones del Packet Scheduling son llevadas a cabo por los eNBs

para la asignacin de los recursos radio tanto en el donwlink como en el uplink. En ambos casos,

el scheduler toma las decisiones acerca de la asignacin de los recursos tomando en cuenta el

estado de los buffers (para asignar recursos solo a los usuarios que tienen informacin por

enviar o recibir), las prioridades y requisitos de QoS de los servicios asociados a los usuarios (en

tanto que aquellos que requieran enviar ms informacin necesitan un mayor nmero de

portadoras) y la informacin del estado del canal que observa cada usuario en las diferentes

subportadoras (tomando en cuenta la SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) para no

asignarle a un usuario aquellas portadoras donde presenta elevada atenuacin o interferencia)

[16].

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Figura 2.9: Scheduling de paquetes en OFDMA (downlink).

Fuente: extrado de [16].

En LTE, a diferencia de los sistemas de comunicaciones antecesores, no existen canales

de trfico dedicados sino compartidos. En otras palabras, los recursos son asignados a los

usuarios nicamente cuando tienen datos para enviar o recibir. De esta manera el scheduler

asigna el canal PDSCH (Physical Downlink Shared Channel), que transporta los datos de usuario

en el enlace descendente, cuando los usuarios tienen informacin para recibir, o el canal

PUSCH (Physical Uplink Shared Channel), que transporta los datos de usuario en el enlace

ascendente, cuando los usuarios tienen informacin para enviar. En ambos casos la asignacin

se le comunica al usuario mediante el canal de control PDCCH (Physical Downlink Control

Channel) para que puedan modular/demodular los canales de trfico respectivos en el dominio

tiempo-frecuencia que le fueron asignados. Cabe destacar que en el caso del enlace ascendente

el mvil debe enviar su peticin previamente al eNB para que el scheduler pueda asignarle los

recursos, esto se lleva a cabo mediante el canal de control PUCCH (Physical Uplink Control

Channel) a travs de los Scheduling Request [16].

El Packet Scheduling est implementado en la capa RLC/MAC pues opera a corto plazo,

es decir que permite reaccionar a las rpidas variaciones del canal radio y asignar recursos cada

TTI (Transmission Time Interval), que corresponde a la duracin de una subtrama siendo igual a

1 ms. El mnimo recurso radio asignable a un usuario corresponde a un SRB (Scheduler Resource

Block) que consiste en dos PRB (Physical Resource Block) consecutivos. Asimismo, cada PRB

consiste en un bloque de 180 kHz conformado por 12 subportadoras adyacentes espaciadas a

15 kHz entre s, con una duracin igual a 0,5 ms, que es la duracin de un time slot. En un PRB

se pueden transmitir 6 7 smbolos OFDMA (dependiendo de la longitud del prefijo cclico

empleado) con modulacin QPSK, 16QAM o 64QAM [16].

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Figura 2.10: Physical Resource Blocks de LTE.

Fuente: extrado de [17].

Los procedimientos de Packet Scheduling en el uplink para SC-FDMA son similares a los

empleados en el downlink para OFDMA, sin embargo, debido a que estas funciones residen en

el eNB, la asignacin de los recursos en el enlace ascendente es ms compleja que en el enlace

descendente ya que requiere de mayor sealizacin del sistema. Por ejemplo, el UE debe

transmitir al eNB unas seales denominadas SRS (Sounding Reference Signals) para estimar la

calidad del canal en cualquier PRB, adems debe reportar el estado de su buffer enviando los

BSR (Buffer Status Report) y debe informar su disponibilidad de potencia por medio de los

mensajes power headroom para que el scheduler pueda establecer el esquema de modulacin y

codificacin. Adems, a diferencia del downlink, en el uplink las subportadoras asignadas a un

usuario deben ser contiguas por basarse en SC-FDMA [