Hoy en día, la demanda de capacidad y servicios a altas tasas de transmisión en los sistemas celulares exige un mejor desempeño, así también, las limitaciones en el espectro radio-eléctrico obligan a los sistemas de comunicaciones modernos a lograr una eficiencia espectral alta. En este artículo se analizará la capa física (PHY) del estandar LTE-A (Long Term Evolution - Advanced) que el grupo de trabajo 3GPP (3rd Generation Partnership Project) propone para alcanzar los requisitos de cuarta generación (4G) propuesto por la ITU-R (International Telecommunication Union), el cuál define tasas de transmisión de hasta 1 Gbps en su enlace de bajada y 500 Mbps en su enlace de subida 1.

I. Introducción.

Una de las claves para alcanzar altas tasas de transmisión es la implementación de arreglos de antenas, los cuales permiten la multicanalización espacial, conocido normalmente como MIMO (Multiple Input Multiple Output), además, pueden ser apoyadas por técnicas de relay que consiste en la transmisión y recepción de señales hacia y desde los usuarios ubicados dentro de una célula para reducir la distancia entre el transmisor y receptor y por lo tanto permitir altas tasas de transmisión 2.

Otra técnica que se ha implementado en redes de nueva generación es OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), el cuál se basa en la transmisión de datos a través de subportadoras ortogonales, donde cada símbolo se transmite en una subportadora disminuyendo los efectos de multitrayectoria en el canal.

LTE-A en su enlace de bajada propone una modificación al método de acceso al medio (MAC), este se conoce como OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) y permite asignar un número de subportadoras distintos a los usuarios móviles, esto de acuerdo a su tasa de transmisión. Además, en el enlace de subida se propone SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiple Access), que permite a varios usuarios usar una parte de las subportadoras disponibles con un PAPR bajo (Peak to Average Power Ratio) 3.

Así también, se ha implementado una nueva técnica en la capa física conocida como Carrier Aggregation, el cuál permite la transmisión de datos a altas velocidades dentro de un grupo de anchos de banda angostos, los cuales, en conjunto alcanzan una mayor capacidad 4.

II. Tecnologías en capa PHY y MAC.

II.1. Métodos de acceso al medio (OFDMA y SC-FDMA).

Aunque OFDMA es una técnica utilizada en un principio en redes inalámbricas fijas alrededor de 2004 en el estandar IEEE802.16d, no fue hasta 2005 que 3GPP la adoptó como una técnica para la capa física como una evolución de WCDMA (Wideband CDMA) basado en UMTS (3G). Esta modificación se incluye en el estandar como 3GPP LTE Release 8, la cual fue terminada en 2008.

OFDMA permite la asignación de recursos como tiempo y frecuencia a ciertos usuarios en específico, esto se logra dividiendo de manera lógica estas unidades de recursos básicos, los cuales consisten en sub-bandas de frecuencia de uno o más símbolos OFDM en el dominio del tiempo, además una sub-banda se conforma de varias subportadoras. Las unidades de recursos básicos son proyectadas a los paquetes físicos de OFDMA a través de uno de los dos esquemas de permutacion, el primero consiste en distribuir los datos a transmitir en subportadoras no contiguas usando la diversidad en frecuencia, lo que permite la reducción de la probabilidad de error por el desvanecimiento selectivo en frecuencia o por interferencia del canal. El segundo esquema, envía los datos en subportadoras contiguas, logrando diversidad de multiusuario y calendarización selectiva en frecuencia.

La implementación de OFDMA en la capa física de LTE-A implica algunas complicaciones, tales como el PAPR, el cuál es particularmente alto en sistemas OFDM/OFDMA, esto se debe a que la forma de onda del símbolo OFDMA en el dominio del tiempo es la superposición de ondas senoidales donde la frecuencia es n veces la subportadora mas baja, donde n son los puntos de la IFFT. Un PAPR alto necesita de amplificadores de frecuencia con una salida lineal sobre un rango de frecuencias grande. Este es un factor del bajo rendimiento de la batería y el incremento del costo de los dispositivos móviles basados en OFDMA.

Para disminuir el PAPR, 3GPP LTE-Advanced propone usar en el enlace de subida una tecnología conocida como SC-FDMA o DFTS-OFDM (Direct Fourier Transform Spread – OFDM), esta técnica consiste en precodificar el símbolo de datos con una transformada discreta de Fourier, como se muestra en la Figura 1, y las muestras obtenidas de la etapa de precodificación son transmitidas en paralelo en un grupo de subportadoras. La forma de onda resultante en el dominio del tiempo tiene las características de una forma de onda de una señal de portadora única, esto es, tiene un PAPR bajo aunque la forma de onda no es de una señal de portadora única 5.

El transmisor SC-FDMA maneja bloques de tamaño N, los cuales contienen las muestras (valores complejos) de los símbolos modulados digitalmente, la etapa de DFT de N-puntos genera una representación de los símbolos de entrada en el dominio del tiempo. Las muestras son proyectadas en algunas de las M subportadoras disponibles de la etapa de IFFT de M-puntos, donde M>N, transformando la amplitud de las subportadoras en una señal compleja en el dominio del tiempo. El valor de N depende de la cantidad de usuarios o del factor de expansión Q y la cantidad de subportadoras disponibles (N=M/Q).

Las muestras obtenidas de la etapa de DFT son proyectadas a la subportadora correspondiente a través de dos métodos: proyección distribuida de subportadoras y proyección localizada. En el modo distribuido (también conocido como DFDMA, Distributed Frequency Division Multiple Access), la salida del DFT es distribuida sobre las subportadoras de todo el ancho de banda disponible, esto es, en todas las subportadoras ortogonales necesarias, y las restantes se acompletan con ceros. En el modo localizado (LDFMA) la salida del DFT es asignada a subportadoras contiguas, rellenando con ceros las subportadoras mayores y/o menores en frecuencia.

En DFDMA, si la condición de M=Q*N se cumple, quiere decir que las subportadores ocupadas son equidistantes entre si. Esta condición es conocida como modo de entrelazado (IFDMA), su implementación es un caso especial de SC-FDMA, ya que el transmisor SC-FDMA modula la señal exclusivamente en el dominio del tiempo sin las etapas de DFT e IFFT.

Dependiendo del método de proyección, los símbolos modulados de SC-FDMA pueden ser diferentes en el dominio del tiempo. Para IFDMA, los símbolos modulados en el tiempo son una repetición de los símbolos de entrada originales, sólo con un factor de escalamiento de 1/Q y alguna rotación de fase. DFDMA y LFDMA tienen la misma estructura de símbolo en el tiempo y tiene copias exactas de los símbolos en el dominio del tiempo con un factor de escalamiento de 1/Q en las N posiciones de las muestras, y los valores intermedios son la suma de todos los símbolos en el tiempo con una peso complejo diferente. Por esta razón hay mas fluctuaciones y picos en la amplitud de DFDMA y LFDMA 6.

II.2. Carrier Aggregation.

La técnica de Carrier Aggregation (CA) o portadoras adicionales permite juntar varios componentes de portadora (CC) de LTE, cada una con un ancho de banda de 20 MHz, hasta lograr un ancho de banda en conjunto de 100 MHz (hasta 5 CC), por lo que podría observarse como un CC con un ancho de banda de 100 MHz. El objetivo de agrupar las portadoras es garantizar la compatibilidad con dispositivos LTE, los cuales utilizan un ancho de banda de 20 MHz (LTE Rel. 8).

Existen tres configuraciones de CA: CA contiguo, CA no cont¡guo en la misma banda y CA no contiguo en diferentes bandas. El modo de CA contiguo asigna a un usuario de LTE-A un grupo de CC como un solo CC, aunque un usuario de LTE solo puede ver a cada CC individualmente. En el caso de no tener disponibles varios CC contiguos, la configuración de CA no contiguo permite al usuario de LTE-A tener el ancho de banda que requiere para su transmisión. En caso de existir la presencia de dos usuarios LTE, es posible que los CC disponibles no sean contiguos, pero la suma de todos los CC sin asignar en la banda puede permitir la asignación del ancho de banda requerido por el usuario de LTE-A.

Además, en caso de que no sean suficientes los CC existentes para acompletar el ancho de banda solicitado por el usuario de LTE-A, los CC disponibles en otras bandas de frecuencia pueden ser utlizados, esta técnica es conocida como CA no contigua en bandas diferentes. En este esquema, un usuario de LTE-A puede presentar varias condiciones de canal distintas debido al uso de múltiples bandas con frecuencias diferentes, así como retardos de propagación distintos entre las bandas por estar conectado a diferentes estaciones base al mismo tiempo 7.

II.3 Virtualización.

El transmisor de LTE-A incluye la capacidad de incrementar la ganancia por diversidad a través de un esquema de transmisión de 8 antenas con sólo 4 antenas físicas en el dispositivo, en este caso, se agregan 4 antenas virtuales. En el caso de un arreglo de 6x6 y sólo se tienen 4 antenas físicas, es posible agregar 2 antenas virtuales. La virtualización es posible con precoding y un pequeño retardo al proyectar cada flujo de diversidad en el grupo de antenas físicas para asi lograr una antena virtual.

El transmisor de LTE-A para el enlace de subida es capaz de transmitir 2 TB al mismo tiempo, esto sólo es posible con un esquema MIMO de 4x4 antenas a través de virtualización, ya que el dispositivo del usuario cuenta con 2 antenas físicas para la transmisión de datos.

III. Estructura del transmisor.

La estructura del transmisor para el enlace de bajada entre la estación base y los usuarios está definida por 8, donde la técnica de OFDMA es el método de acceso al medio (MAC). Debido a las limitantes de los dispositivos móviles (tanto en potencia como en tamaño), el transmisor para el enlace de subida tiene a SC-FDMA como técnica de acceso al medio. Existen tres tipos de canales lógicos de transporte para el transporte de datos, el canal de broadcast o difusión (PBCH) utilizado para la transmisión la información básica de la configuración del sistema; el canal multicast o multidifusión (PMCH) utilizado para la transmisión de servicios, tales como TV; y el canal compartido de enlace de bajada (PDSCH), que es el canal principal de datos, utilizado para transmitir los bloques de datos conocidos como bloques de transporte (TB), estos bloques son proveídos por la capa MAC (Medium Access Control). En este estandar, es posible transmitir hasta dos TB al mismo tiempo por un usuario de LTE-A tanto en el enlace de subida como de bajada.

En el caso de carrier aggregation, la transmisión sobre múltiples subportadoras corresponde a múltiples y diversos canales de transporte e incluso a procesos independientes de la capa física, parecido a tener varios transmisores en el mismo dispositivo para enviar datos en diferentes bandas de frecuencia.

De acuerdo a 9, los procesos de la capa PHY son:

  1. Inserción de CRC de 24 bits.
  2. Codificación de canal: Turbo códigos basados en entrelazado interno QPP (Permutación Polinomial Cuadrática) con terminación de trellis.
  3. Proceso ARQ híbrido de capa PHY.
  4. Entrelazado de canal.
  5. Aleatorización.
  6. Modulación digital.
  7. Precodificación DFT.
  8. Proyección a capas y precodificación.
  9. Proyeccion a antenas.

III.1 Segmentación en bloques de código e inserción de CRC.

Al recibir un bloque de transporte (TB), este es segmentado en varios bloques de código de acuerdo al esquema de transmisión a utilizar. Existen tres esquemas de inserción de CRC, en el esquema 1, se calcula el CRC y se inserta en cada segmento independientemente. En el segundo esquema, el cálculo del CRC de los primeros segmentos de bloques de código es diferente al del último. Para los los primeros segmentos, el CRC se calcula y se inserta en cada bloque de manera independiente. Los bits de CRC insertados en el último bloque se calculan basándose en todos los bits de información del bloque de transporte. En el tercer esquema, se calcula un CRC a nivel de TB, esto es, considerando todos los bits de información del TB. Tanto el bloque de transporte como el CRC del TB es segmentado en varios bloques de código.

Los dos polinomios generadores cíclicos para L = 24 son conocidos como gCRC24A (D) y gCRC24B (D):

gCRC24A (D) = D24 + D23 + D18 + D17 + D14 + D11 + D10 + D7 + D6 + D5 + D4 + D3 + D + 1. (1) gCRC24B (D) = D24 + D23 + D6 + D5 + D + 1. (2)

El polinomio gCRC24A es utilizado para el cálculo de CRC para el bloque de transporte de UL-SCH, DL- SCH, PCH y MCH.

En LTE-A se especifican un tamaño mínimo y máximo para el bloque de código, esto es para asegurar la compatibilidad con el turbo entrelazado, el tamaño mínimo es de 40 bits y el máximo de 6144 bits, si la longitud del bloque de entrada es mayor que el tamaño máximo de entrada, este bloque es segmentado.

III.2 Turbo codificación.

El turbo código utilizado es un codificador convolucional concatenado en paralelo (PCCC) con dos codificadores de 8 estados y tasa 1/2, además de un entrelazado polinomial de permutación cuadrática “libre de contención”. La función de transferencia para cada codificador está dado por:

G(D) = [1, g1 (D)/g0 (D)], (3)

donde

g0 (D) = 1 + D2 + D3 , g1 (D) = 1 + D + D3 . (4)

El turbo código de tasa 1/3 genera un flujo de bits sistemáticos, un flujo de bits de paridad del primer codificador convolucional y un flujo de bits de paridad del segundo codificador convolucional.

La función del entrelazado en el segundo codificador convolucional es repartir los bits de información de tal manera que al presentarse un error, los dos códigos se vean afectados de una manera distinta permitiendo que los datos puedan ser recuperados todavía. La relación entre el índice de salida i y el índice de entrada Π(i) satisface la siguiente forma cuadrática:

Π(i) = f1 · i + f2 · i2 mod K. (5)

Donde K es el número de bits de entrada del entrelazado QPP. Los valores comunes de f1 y f2 son el máximo comun divisor de f1 y K y debe ser entre 1 y cualquier factor primo de K divido entre f2.

III.3 Proceso ARQ híbrido de capa física.

Los bits de entrada del bloque de entrelazado son los bits del flujo sistemático, primera paridad y segunda paridad. El entrelazado se logra escribiendo a lo largo de los renglones en una matriz rectangular de 32 columnas, se permutan las columnas de la matriz y por último la lectura de la matriz es por renglones. La permutación entre columnas para la matriz se basa en un patrón de bit en reversa, esto es, para la columna 0001, el bit en reversa es 1000.

Un entrelazado adicional se realiza sólo entre los bits de paridad 1 y paridad 2, los bits sistemáticos no son entrelazados, esto es para garantizar un cantidad igual de bits de paridad 1 y paridad 2 en la transmisión.

III.4 Entrelazado de canal.

Este sub-bloque consiste en un entrelazado sencillo donde los bits se guardan en una matriz rectangular renglón por renglón y se leen columna por columna.

III.5 Aleatorización.

Los bits de código entregados por la etapa anterior es multiplicado (operación or-exclusiva) por una secuencia aleatoria a nivel de bit el cuál consiste en el indentificador único de la célula. El uso de diferentes secuencias de aleatorización de las células vecinas permite que la señal interferente después del des-aleatorizarla sea variada, asegurando la completa utilización de la ganancia por procesamiento obtenida del código de canal.

III.6 Modulación digital.

El conjunto de esquemas de modulación incluye QPSK, 16-QAM y 64-QAM, los cuales tienen dos, cuatro y seis bits por símbolo digital respectivamente.

III.7 Precodificación DFT.

Los símbolos modulados son agrupados en bloques de M símbolos para el bloque de DFT de tamaño M, donde M corresponde a el número de subportadoras asignadas para la transmisión.

El tamaño de la DFT debe ser una constante múltiplo de 12, desde 12 hasta 204, donde la DFT puede ser implementada como una combinación de procesos de FFT de complejidad baja radix-2, radix-3 y radix-5. Los tamaños de la DFT que no son permitidos son 60, 84, 120, 132, 156, 168, 180 y 204.

III.8 Proyección de capas y precodificación.

Los símbolos complejos son proyectadas en uno, dos o cuatro capas de manera secuencuial, esto es, en el caso de dos capas los símbolos impares son proyectadas a la primera capa y los símbolos pares son proyectadas en la segunda capa. En el modo sencillo, los símbolos son proyectados a una capa; en el modo de diversidad, los símbolos son proyectados en dos y cuatro capas, dependiendo de la cantidad de antenas a utilizar; en modo de multicanalización espacial, los símbolos son proyectados en dos, tres o cuatro capas, en este caso el número de capas siempre es igual o menos al número de antenas utilzadas.

Existen tres tipos de precodificación: multicanalización espacial, diversidad en la transmisión y transmisión de una antena. Dentro de multicanalización espacial hay dos esquemas: precodificación con retardo largo de diversidad de retardo cíclico (CDD), también conocido como multicanalización espacial de lazo abierto y precodificación sin CDD también conocido como multicanalización espacial de lazo cerrado.

Para la transmisión sobre un puerto de antena no se realiza procesamiento alguno sobre los símbolos, para la diversidad en la transmisión se utiliza un esquema espacio-frecuencia de Alamouti para dos y cuatro antenas, para la multicanalización espacial se utiliza un libro de códigos configurado por el eNodeB y el dispositivo del usuario cuando es requerido.

III.9 Proyección hacia las antenas.

El esquema del transmisor se basa en un transmisor OFDM convencional. Una ranura se conforma por 7 símbolos OFDM con una duración de 0.5 ms, una subtrama se conforma por dos ranuras, esto corresponde a un TTI (Transmission Time Interval) con una duración de 1 ms. Una trama de radio dura 10 ms, por lo que ésta se conforma por 10 subtramas o 10 TTI con una duración de 10 ms. El espacio entre las subportadoras OFDM es de 15 KHz, donde 12 subportadoras forman un bloque de recursos (RB). El RB puede contener desde 6 hasta 100 bloques. Existen dos tipos de prefijos cíclicos para los 7 símbolos OFDM, el prefijo normal de longitud 160 x Ts (para el primer símbolo) y otro de 144 x Ts (para el resto de los símbolos OFDM); y el prefijo extendido de 512 x Ts (para todos los símbolos OFDM), donde Ts = 1/(2048/15 KHz) el cuál es el espacio entre las subportadoras. El ancho de banda del sistema es entre 1.08 MHz (6 RB) y 19.8 MHz (110 RB).

IV. Modos de transmisión.

LTE y LTE-A han incluido el concepto de capas, esto consiste en asignar los bloques de transporte a la antena correspondiente para su transmisión; esta demás mencionar que la cantidad de símbolos modulados es el mismo e igual a la suma de los símbolos a transmitir por cada antena. Existen varios modos de transmisión en LTE-A que indican la manera en cómo uno o dos bloques transportes, después de la modulación digital, son proyectados y procesados hacia las diferentes antenas del dispositivo.

Los modos de transmisión son:

  1. Modo de transmisión 1: Transmisión de una antena.
  2. Modo de transmisión 2: Diversidad en la transmisión.
  3. Modo de transmisión 3: Precodificación de lazo abierto basado en libro de códigos para el caso de más de una capa, diversidad en la transmisión en caso de transmisión de grado uno.
  4. Modo de transmisión 4: Precodificación de lazo cerrado basado en libro de códigos.
  5. Modo de transmisión 5: Versión MIMO multiusuario del modo de transmisión 4.
  6. Modo de transmisión 6: Caso especial de precodificación de lazo cerrado basado en libro de códigos limitado a transmisión de una capa.
  7. Modo de transmisión 7: Precodificación Release-8 no basado en libro de códigos para una capa de transmisión.
  8. Modo de transmisión 8: Precodificación Release-9 no basado en libro de códigos hasta dos capas de transmisión.
  9. Modo de transmisión 9: Precodificación Release-10 no basado en libro de códigos hasta 8 capas.

Estos modos de transmisión sólo son para el envío de DL-SCH.

En el modo de diversidad en la transmisión, tanto el transmisor como el receptor usan todas las antenas para disminuir los efectos de desvanecimiento por multitrayectoria. Este esquema se basa en códigos de bloque espacio-frecuencia de Alamouti y maneja dos y cuantro antenas.

Cuando se utiliza el modo de diversidad en la tansmisión, sólo se puede transmitir un TB por usuario, esto es porque los símbolos son enviados bajo el esquema de Alamouti siendo las subportadoras adyacentes.

En el modo de multicanalización espacial, tanto en lazo abierto como cerrado, LTE-A permite que cada antena tenga un flujo de datos independiente. Cabe mencionar que este modo no esta estandarizado por 3GPP LTE Advanced Rel 10, permitiendo la libre implementación de cualquier algoritmo para multicanalización espacial.

El procedimiento básico para la precodificación basada en libro de códigos consiste en proyectar los símbolos modulados correspondientes a uno o dos bloques de transporte a múltiples capas. La cantidad de capas varia desde una hasta al cantidad de antenas presentes en el dispositivo. La multicanalización espacial de lazo abierto abierta está orientado a usuarios de movilidad alta, donde el transmisor no tiene conocimiento del canal. El esquema de precodificación utilizado en este modo se basa en CDD (Cyclic Delay Diversity), donde una serie definida de matrices precodificadas son aplicadas sobre cada RE (Resource Element); como resultado, se obtiene diversidad en el dominio de la frecuencia debido al retardo aplicado en cada RE, incluso si el canal del RE no lo necesita, como es en el caso de desvanecimiento plano 10.

El caudal eficaz máximo posible por LTE-A se obtiene en el modo de multicanalización espacial de lazo cerrado, pero esta técnica requiere de la información del estado del canal en el transmisor (CSIT) y el usuario debe tener una movilidad de baja a media así como el canal un SNR de medio a alto.

Cuando el canal es perfectamente conocido por el transmisor, el esquema de multicanalización óptimo es la precodificación por descomposición de valores singulares (SVD) 11, el cual descompone espacialmente el canal MIMO en varios canales virtuales ortogonales entre sí.

VI. Conclusiones.

Este artículo es una revisión de las diferentes etapas que conforman la capa PHY del estandar LTE-A, donde la implementación de SC-FDMA en los dispositivos móviles permite un gran ahorro en la carga de la batería; así también, este estandar permite el uso de un símbolo OFDM por varios usuarios de manera simultánea, a través de OFDMA y SC-FDMA para el enlace de bajada y subida respectivamente. La técnica de Carrier Aggregation (CA) ofrece a los dispositivos móviles un mayor ancho de banda (hasta 100 MHz) agrupando varios componentes de portadora (CC). Y la implementación de las antenas virtuales (por precodificación y un pequeño retardo CCD) permiten incrementar los modos de transmisión hasta en arreglos de antenas de 8x8, lo cuál permite la libre implementación de varias técnicas de diversidad en los dominios espacial, frecuencia y tiempo.

@viktor_ivan

VII. Referencias.

  1. Stefan Parkvall, Erik Dahlman, “LTE-Advanced – Evolving LTE towards IMT-Advanced” in Vehicular Technology Conference, 2008. VTC 2008-Fall. IEEE 68th. 

  2. Jolly Parikh, Anuradha Basu, “LTE Advanced: The 4G Mobile Broadband Technology” in International Journal of Computer Applications, Volume 13-No. 5, January 2011. 

  3. Shirish Nagaraj, Sanjeev Garg, Frank Liang, “Lab Performance Analysis of a 4G LTE Prototype” in Wireless Communications and Networking Conference, 2009. WCNC 2009. IEEE. 

  4. Guangxiang Yuan, Xiang Zhang, “Carrier Aggregation for LTE-Advanced Mobile Communication Systems”, Communications Magazine, February 2010. 

  5. Andreas Maeder, Nader Zein, “OFDMA in the Field: Current and Future Challenges” ACM SIGCOMM Computer Communication Review , Volume 40, Number 5, October 2010. 

  6. Hyung G. Myung, “Introduction to Single Carrier FDMA”, 15th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2007), Poznan, Poland, September 3-7, 2007. 

  7. Ian F. Akyildiz, David M. Gutierrez-Estevez, “The evolution to 4G cellular systems: LTE-Advanced”, Physical Communication 3, pages 217-244, 2010. 

  8. 3GPP TS 36.211 V8.0.0 (2007-09). 

  9. 3GPP TS 36.300 version 9.4.0 Release 9 , ETSI, 2010. 

  10. CDD precoding for 4Tx antennas. Technical Report R1-072019, 3GPP, 2007. 

  11. A. Goldsmith. Wireless Communications. Cambridge University Press, 2005.