Introducción a la tecnología 4G-LTE

Traducción. Artículo original en la revista Electronic Design
http://electronicdesign.com/4g/introduction-lte-advanced-real-4g

La nueva tecnología publicitada es la red 4G, la verdadera banda ancha móvil, la tecnología que permite transferir datos casi tan rápido como las infraestructuras cableadas... los nuevos modelos de smartphones incorporan ya el LTE 4G, pero ¿que es?, ¿de que se trata?

LTE significa Long Term Evolution, es una tecnología para transmitir datos de forma inalámbica. Actualmente, convive con CDMA y GSM, las tecnologías actuales, pero se espera que desplace a estándares anteriores como 2G y 3G, debido a la posibilidad de trabajar con tasas de datos muy superiores, ofreciendo verdadera velocidad. Hasta hace unos años el LTE era inviable, hoy en dia la fabricación de circuitos integrados permite que se puedan instalar radiobases con soporte para LTE sin costes extratosféricos para los operadores.

LTE tardará un par de años en establecerse y se seguirá trabajando con otras tecnologías como las mencionadas, pero su ventaja es que es una tecnología que recién implementada ofrece prestaciones muy superiores y aún podría optimizarse.

Las bandas de operación. 4G-LTE opera en distintas bandas, tanto en algunas frecuencias ya usadas para comunicación celular, como otras nuevas recién asignadas. Cada operador utiliza bandas distintas de acuerdo a la licitación que posean y del país donde operen. La mayoría de los teléfonos que ejecutan LTE usan 2 bandas y difiere para cada compañía operadora. La mayoría de las bandas están habilitadas para Duplexado por división de frecuencia (FDD), el cual usa dos bandas separadas, una para enlace de subida de datos, y la otra para enlace de descarga. Esta tecnología utiliza canales amplios para lograr tasas de datos muy altas y dar soporte a muchos usuarios. El estandar está configurado para permitir anchos de banda de 1.4, 3, 5, 10, 15 y 20 MHz. El operador elige el ancho de banda dependiendo de la licitación que tiene disponible y el servicio que pretende ofrecer, principalmente datos a alta velocidad de transferencia. Las anchuras de 5 y 10 MHz son las más comunes.

La Modulación. LTE utiliza el esquema de modulación multiplexado ortogonal por división de frecuencia, el OFDM. Este provee un uso eficiente del espectro radioeléctrico que permita las tasas de datos altas y el uso compartido de canales comunes. OFDM divide un determinado canal en muchas sub-portadoras, cada sub portadora está separada de otra gracias a que existen "bandas guardián", es decir, anchos de banda que no se utilizan para evitar que las sub-portadoras se interfieran. Cada sub-portadora posee un número entero de ciclos sinusoidales cuya sumatoria después de la demodulación sumará cero.

Cuando se transmiten los datos, por ejemplo, en un canal de 5 MHz, se pueden utilizar cerca de 333 sub portadoras y se puede utilizar distintas técnicas en cada una para demodulación, como QPSK, o 64QAM, dependiendo de las necesidades de velocidad. Por cada sub portadora la información a transmitir es enviada en símbolos secuenciales, cada símbolo representa un gruo de bits. Entre más sofisticada sea la modulación, mayores tasas de datos se pueden alcanzar. Un canal de 20 MHz podría usar hasta 1024 sub portadoras.

En otras palabras, el logro de LTE 4G es que su técnica de transmisión de datos consiste en separar la información y enviarla de manera "paralela", la información a transmitir se separa y se utiliza para modular diferentes portadoras dentro de un mismo canal asignado. Los datos se separan en Resource Blocks, RB's, el cual es el tamaño mínimo de paquete a enviar. Este RB se envia a través de 12 sub portadoras ocupando un ancho de 180 KHz.

Se utilizó OFDM en LTE porque es poco sensible a los efectos de las multirutas. Cuando se envían distintas señales al mismo receptor al mismo tiempo, éstas pueden interferirse, rebotar, disminuirse o distorsionarse. Como la fase, la amplitud, o la combinación amplitud-fase representan bits, que la señal se distorsione origina errores de bits. Estos pueden ser detectados por software o utilizando un ecualizador, pero hacer uso de ellos le genera un costo extra al proceso y vuelve complicado implementarlo. Transmitir usando múltiples sub portadoras en un canal amplio reduce estos problemas. LTE añade también un prefijo cíclico, CP, para cada secuencia de bits transmitida. Un bit se genera en el proceso DSP y se copia al principio del paquete. Este bit permite al receptor reconocer cuando el tiempo de dispersión es más corto que el prefijo cíclico, es decir, compara diferencias entre el ciclo de la señal en teoría y el ciclo real, sin hacer uso de ecualizador.

MIMO. Otra de las características sello de 4G-LTE es el uso de múltiples antenas, Multiple In, Multiple Out, o MIMO. Se utilizan dos o más antenas para aprovechar mejor los canales. El arreglo más utilizado es 2x2, 2 para transmitir, y 2 para recibir, en ese orden. El standar de LTE permite arreglos de 4x4 antenas. Como se explicó, el objetivo es enviar las series de datos a través de distintas rutas sobre un mismo canal. El uso de antenas aisladas y específicas permite que se cumpla mejor este objetivo.
El problema de MIMO es la dificultad de implementarlo en terminales como los teléfonos móviles, los cuales ya implementan antenas para otros estándares como WiFi, sumado al poco espacio en un móvil. La optimización de antenas ha permitido configuraciones de 2x2 en móviles, mientras que las radiobases si pueden implementar fácilmente arreglos de antenas múltiples. Para una radiobase, un arreglo 4x2 resulta suficiente considerando que requieren más capacidad para transmitir que para recibir. 

Las prestaciones de 4G-LTE. En cuanto a transferencia de datos, LTE permite alcanzar velocidades hasta de 300 Mbits/s. Para que se de este desempeño, se necesitan condiciones óptimas como baja interferencia, dia despejado, energía suficente en receptor y transmisor, etc. Sin embargo, no deja de llamar la atención que LTE en promedio, puede alcanzar velocidades de 5 a 15 Mbits/s lo cual supera a algunas conexiones cableadas. Sobre Voz en 4G-LTE, aún no funciona. LTE es una red basada en paquetes de datos IP. Actualmente, los teléfonos celulares utilizan una especie de "switching", cambian de protocolo cuando requieren transmitir voz o datos, según sea el caso, y el uso de 4G se puede desactivar sin perder el uso de voz. Sin embargo se espera que se implemente pronto.

Sobre el futuro de 4G, la predicción es que este protocolo domine por lo menos la siguiente década. La nueva investigación sobre un posible 5G, sería simplemente optimizar en la modulación y el uso de frecuencias más altas para lograr con un estándar parecido, una velocidad superior.