Long Term Evolution (Advanced) - LTE(-A)
Nivel físico LTE/LTE-A

La capa física en LTE / LTE-A es diferente a la utilizada en UMTS. Se utilizan las técnicas de acceso OFDMA y SC-FDMA en el enlace descendente y ascendente, respectivamente. También se define para LTE un mayor espectro de bandas de frecuencia. En este momento se definen de 4G 25 bandas de frecuencia (17 bandas apareadas para FDD y 8 no apareados para TDD). Por ejemplo se consideran, las bandas de 2 o 2,6 GHz alrededor de 3,5 GHz y bandas inferiores a 1 GHz (700 - 900 MHz).

El método de acceso múltiple ODFMA se basa en OFDM. OFDM es una transmisión de múltiples portadoras combinando TDMA y FDMA (ver Figura 23). El ancho de banda total se divide en subportadoras espaciadas relativamente densas. Para permitir esta separación densa de subportadoras, se debe garantizar el espectro de las subportadoras ortogonales. Esto significa, que la banda de frecuencias superior de una subportadora se superpone con la banda inferior de otras subportadoras. El TDMA se caracteriza porque múltiples usuarios comparten cada subportadora a partir de las técnicas de división de tiempo. Como resultado, todos los recursos radio disponibles se dividen en tiempo y frecuencia y pueden ser compartidos por varios usuarios. Un intervalo de tiempo en una subportadora representa un símbolo OFDM. Cada símbolo contiene datos modulados y la modulación puede ser diferente para cada símbolo. Para evitar interferencia entre símbolos (ISI, InterSymbol Interference) se introduce un prefijo cíclico (CP, cyclic prefix). El CP está compuesto por las últimas muestras del símbolo y su propósito es evitar la superposición de símbolos individuales.

OFDMA y asignación de recursos en LTE/LTE-A

Una debilidad de OFDMA consiste en que hay diferencias significativas en la potencia asignada a cada subportadora ya que los datos de usuario se modulan de forma independientemente sobre subportadoras individuales. Esto significa que a una subportadora se le puede asignar un nivel alto de potencia mientras que para otra subportadora puede ser muy bajo. Por consiguiente, los datos en cada subportadora se modulan sin tener en cuenta la información modulada en otras subportadoras. Esto conduce a valores altos en la relación entre la potencia máxima y la potencia media (PAPR, Peak to Average Power Ratio), lo que influye negativamente en el consumo de energía. En el enlace ascendente se utiliza SC-FDMA en lugar de OFDMA para reducir la PARP. En SC-FDMA, todos los datos transmitidos en el mismo intervalo de tiempo son modulados como una combinación lineal de estos símbolos de datos. Por lo tanto, un símbolo en una subportadoras contiene componentes relacionados con la información mapeadas en otras subportadoras. De esta manera, se reduce el PAPR y, en consecuencia, se minimiza la interferencia y el consumo de batería del UE.

Como UMTS, LTE soporta FDD y TDD para la transmisión de datos. Se definen dos tipos de tramas de capa física (denominados como Tipo 1 y Tipo 2), tal como se muestra en la Figura 24. El tipo 1 es aplicable a la transmisión FDD, bien en dúplex completo o en semidúplex mientras que el Tipo 2 se destina para TDD. En ambos casos, la transmisión se organiza en tramas con una duración de 10 ms. Cada trama se divide en diez subtramas. En ambos tipos de tramas, cada subtrama consta de dos ranuras temporales de igual duración, de 0,5 ms. Las subportadoras en sistemas LTE (-A) son equiespaciadas con distancia de 15 kHz. Al igual que en HSDPA, LTE / LTE-A utiliza modulación adaptativa y codificación. La modulación y la tasa de codificación se seleccionan de acuerdo con el nivel de calidad de la señal. En LTE / LTE-A se utilizan tres modulaciones posibles: QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Estructuras de trama LTE-A TDD y FDD

En la trama FDD, se consideran las diferentes frecuencias para cada dirección. Por lo tanto, se pueden utilizar diez subtramas para la transmisión simultánea en el enlace descendente (DL) y en el enlace ascendente (UL). Este enfoque conduce a la distribución equitativa de recursos radio en ambos sentidos si se utiliza el mismo el ancho de banda.

En la trama TDD, las dos direcciones de transmisión ocupan la misma frecuencia. LTE-A define varias configuraciones diferentes para la asignación de la subtrama a cualquiera DL o UL de forma que es posible que haya diversas proporciones entre los recursos asignados a DL y UL pudiendo variar desde 2:3 hasta 9:1. Generalmente, cada subtrama puede ser dedicada a la transmisión DL (en la Tabla se denota como subtrama D), a la transmisión UL (denotado como subtrama U), o a la combinación de ambas. En este último caso, la subestructura se llama como un subtrama especial (S). Las subtramas primera y sexta se asignan siempre a la dirección DL sin tener en cuenta la configuración seleccionada. Por otra parte, la segunda subtrama siempre está dedicada a la subtrama S y la tercera está asignada a transmisión de UL. A partir de la duración del período de conmutación entre DL y UL, la séptima subtrama se puede asociar tanto a D (período de conmutación de 10 ms) o subtrama S (periodo de conmutación de 5ms). El contenido de las otras subtramas depende de configuración DL-UL, tal como se define en la tabla.

Asignación de subtramas de acuerdo a la configuración DL-UL para TDD
Configuración DL-UL | Periodo de conmutación DL-UL [ms] | Subtrama #
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9
0 | 5 | D | S | U | U | U | D | S | U | U | U
1 | 5 | D | S | U | U | D | D | S | U | U | D
2 | 5 | D | S | U | D | D | D | S | U | D | D
3 | 10 | D | S | U | U | U | D | D | D | D | D
4 | 10 | D | S | U | U | D | D | D | D | D | D
5 | 10 | D | S | U | D | D | D | D | D | D | D
6 | 5 | D | S | U | U | U | D | S | U | U | D

La subtrama S consta de tres partes: la parte de transmisión DL, conocida como ranura temporal del piloto del enlace descendente (Downlink Pilot Time Slot, DwPTS), el intervalo de guardia (Guard Period, GP) y la parte de transmisión UL denominada ranura temporal del piloto del enlace ascendente (Uplink Pilot Time Slot, UpPTS). La parte DwPTS generalmente está ocupada por los datos DL como en la subtrama convencional D, pero con longitud reducida. Su longitud varía entre tres y doce símbolos según configuración de la subtrama S. Los UpPTS pueden consumir uno o dos símbolos SC-FDMA y se utiliza únicamente para la transmisión de canales de control (es decir, nunca para transmisión de datos de usuario). El GP está ubicado justo detrás de los DwPTS y se utiliza para la conmutación de antenas de modo de transmisión a modo de recepción, y viceversa. No se pueden transmitir datos de usuario durante el GP.