4g: cuarta generación móvil

En la cuarta generación de tecnologías móviles nos basamos totalmente en IP. No se trata de una tecnología o estándar definido, sino una colección de tecnologías y protocolos que permitan el máximo rendimiento y por lo tanto se considera un sistema de sistemas y una red de redes. Esta convergencia de tecnologías surge de la necesidad de agrupar los diferentes estándares en uso con el fin de delimitar el ámbito de funcionamiento de cada uno de ellos y para integrar todas las posibilidades de comunicación en un único dispositivo de forma transparente al usuario.
NTT DoCoMo en Japón fue el primero en experimentar con este tipo de tecnologías. Alcanzó 100 Mbps a 200 km/h y fue pionero en lanzar comercialmente los primeros servicios 4G. Se espera una implantación total sobre el año 2020 o antes.
Dentro de los estándares encontramos dos: LTE y IEEE 802.16, que recoge el estándar de facto WiMAX.
Las velocidades y sus principales especificaciones, donde serán desarrolladas en los apartados de a continuación son las siguientes:

LTE (3GPP R8) LTE-Advanced (3GPP R10) WiMAX 802.16e (R1.0) WiMAX 802.16 (R2.0)
Capa física DL: OFDMA
UL: SC-FDMA
DL: OFDMA
UL: SC-FDMA
DL: OFDMA
UL: OFDMA
DL: OFDMA
UL: OFDMA
Modo dúplex FDD Y TDD FDD Y TDD TDD FDD Y TDD
Movilidad de usuario 350 km/h 350 km/h 60-120 km/h 350 km/h
Ancho de Banda del canal 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz 3.5, 5, 7, 8.75, 10 MHz 5, 10, 20, 40 MHz
bitrate máximo DL: 302 Mbps (MIMO 4x4)
UL: 75 Mbps (MIMO 2x4) con 20 MHz FDD
DL: 1 Gbps
UL: 300 Mbps
DL: 46 Mbps (MIMO 2x2)
UL: 4 Mbps (MIMO 1x2) con 10 MHz TDD
DL > 350 Mbps (MIMO 4x4)
UL > 200 Mbps (2x4 con 20 MHz FDD)
Eficiencia espectral DL: 1.91 bps/Hz
UL: 0.72 bps/Hz
DL: 30 bps/Hz
UL: 15 bps/Hz
DL: 1.91 bps/Hz
UL: 0.84 bps/Hz
DL > 2.6 bps/Hz
UL > 1.3 bps/Hz
Latencia Capa de enlace < 5 ms 
Traspaso < 50 ms
Capa de enlace < 5 ms
Traspaso < 50 ms
Capa de enlace: 20 ms
Traspaso: 35-50 ms
Capa de enlace < 10 ms
Traspaso < 30 ms
Capacidad VoIP 80 usuarios por sector/MHz (FDD) > 80 usuarios por sector/MHz (FDD) 20 usuarios por sector/MHz (TDD) > 30 usuarios por sector/MHz (TDD)

lte

Long Term Evolutiones un estándar de la norma 3GPP como fruto de la evolución del UMTS debido a sus limitaciones. Se especifica una nueva interfaz de aire para evitar los desvanecimientos multipath, empleando OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). En lugar de una única transmisión, los datos se dividen en muchos flujos más lentos y son transmitidos simultáneamente. Para aumentar la velocidad de transmisión aumentamos el canal incrementando el número de portadoras de banda estrecha. LTE se puede adaptar fácilmente a un ancho de banda menor de 5 MHz. Qué ancho de banda se emplee dependerá de la banda de frecuencias disponible y de la cantidad de espectro posible.
Además del ancho de banda flexible, LTE soporta transmisiones MIMO, que permite a la estación base transmitir varios flujos de datos sobre la misma portadora.
Para separar el canal ascendente del descendente se usa principalmente FDD, aunque también se encuentra disponible en TDD aunque no es tan popular.
El otro gran cambio es la aproximación todo IP. LTE se basa en un núcleo de red IP a excepción del SMS, que se transporta mediante los canales de señalización. Además todas las interfaces de red entre los nodos están basadas en IP, lo cual es una gran simplificación comparada con las anteriores tecnologías y más barata.
Para lograr ser universal, los dispositivos LTE deben de ser compatibles con anteriores generaciones, lo que significa compatibilidad con GSM, GPRS, EDGE y UMTS. Por parte de la red debe de haber interfaces y protocolos para poder moverse libremente entre GSM, UMTS y LTE. AL comienzo la red LTE se desplegó de forma independiente a los anteriores sistemas, pero ahora que la tecnología ha madurado se está desplegando los nodos GSM y UMTS pueden ser utilizados para el despliegue de la nueva red.

arquitectura de red

La arquitectura de red LTE es similar a GSM y UMTS. En principio, la red se encuentra separada entre la red radio y la parte del núcleo de red. No obstante, el número de nodos lógicos ha sido reducido. La siguiente figura muestra un resumen de la red LTE y sus componentes.


El dispositivo móvil se conoce como Equipo de Usuario (UE) y hay 5 clases diferentes de UE. A diferencia de HSPA donde los dispositivos soportan un amplio rango de modulaciones y codificaciones, los UE soportan 64-QAM en el enlace descendente y transmisión MIMO (a excepción de los dispositivos clase 1). En el enlace ascendente para los UE de clase 1 a 4 se emplea 16-QAM mientras que los dispositivos de clase 5 emplean 64-QAM.
Al emplear MIMO, varios flujos de datos son transmitidos en la misma frecuencia portadora desde múltiples antenas de la estación base hacia múltiples antenas en el dispositivo móvil. Si la señal alcanza al receptor por distintos caminos, por ejemplo debido a la reflexión, el receptor puede distinguir entre las diferentes transmisiones y recrear el flujo original. El número de antenas de transmisión y recepción fija el número de flujos de datos que pueden ser enviados en paralelo. La mayoría de redes usan 2x2 MIMO, es decir, 2 antenas de transmisión y 2 antenas de recepción. En categoría 5 se emplea 4x4 MIMO en el caso de que sea soportada por la red.

Categoría 1 2 3 4 5
Máximo datarate descendente (20 MHz) 10 50 100 150 300
Máximo datarate ascendente 5 25 50 50 75
Nº de antenas receptoras 2 2 2 2 4
Nº de flujos MIMO descendentes 1 2 2 2 4
Soporta 64-QAM en sentido ascendente NO NO NO NO SI

En la práctica, la mayoría de dispositivos de categoría 3 y 4 han alcanzado picos de datos entre 100 y 150 Mbit/s bajo condiciones ideales y empleando una portadora de 20 MHz.
Las redes LTE se están desplegando en diferentes frecuencias dependiendo de la zona. La siguiente tabla muestra una selección de las bandas de frecuencia que se han definido y que se usarán en los próximos años. En Europa se usará el espectro sobrante de la televisión debido a la implementación de la televisión digital entre 591 MHz y 862 MHz.

Banda Enlace descendente (MHz) Enlace ascendente (MHz) Separación entre UL/DL (MHz) Modo de multiplexación Ancho de banda máximo (MHz)
Europa
7 2620-2690 2500-2570 50 FDD 20
3 1805-1880 1710-1785 20 FDD 20
1 2110-2170 1920-1980 130 FDD 20
20 791-821 832-862 10 FDD 20
Japón
1 2110-2170 1920-1980 130 FDD 20
Estados Unidos
13 746-756 777-787 21 FDD 10
17 734-746 704-716 20 FDD 10
China
38 2570-2620 2570-2620 - TDD 20
39 1880-1920 1880-1920 - TDD 20
10 2300-2400 2300-2400 - TDD 20

La mayoría de dispositivos LTE también soportan GSM y UMTS, por lo que también pueden emplear las otras bandas de frecuencia. Por ejemplo, un móvil vendido en Europa suporta las bandas de 900 MHz y 1800 MHz para GSM, 2100 MHz para UMTS y las bandas de 850 MHz y 1900 MHz para la itinerancia o roaming internacional GSM y UMTS, respectivamente.
EL nodo-B o eNode-B es el dispositivo más complejo en la red LTE. Consiste en tres grandes elementos:
  • Las antenas
  • Los módulos de radio
  • Los módulos digitales, que procesan las señales radio y actúan como interfaz hacia el núcleo de la red.
  • Además, las estaciones base en LTE son unidades autónomas. Es decir, integran la mayoría de las funcionalidades que anteriormente formaban parte del controlador radio de la red. Por lo tanto el eNodo-B (la primera “e” proviene de “evolución”) es responsable de:
  • La interfaz aérea
  • Organización de usuarios y programación de los recursos radio
  • Asegurar un QoS y requisitos mínimos dependiendo del perfil del usuario.
  • Balancear la cargar entre los diferentes usuarios que emiten simultáneamente.
  • Lograr la movilidad.
  • Reducir las interferencias con las células vecinas.
  • En cuanto al resto de elementos en la arquitectura de red tenemos:
  • La interfaz S1, dividida en dos partes lógicas, el plano de usuario UP y plano de control CP. UP se encarga de los datos de usuario y CP se encarga de la interacción con el núcleo de la red y de la señalización.
  • Mobility Management Entity (MME), que es el nodo responsable de toda la señalización entre las estaciones base y el núcleo de la red y entre los usuarios y núcleo.
  • Serving Gateway (S-GW): Es el encargado del túnel de los datos de usuarios entre el eNodo-B y el PDN-GW.
  • El Packed Data Network Gateway (PDN-GW): Es la puerta de enlace entre Internet y el operador de red.
  • Home Subscriber Server (HSS): Se refiere al Home Location Register (HLR) y al Mobile Application Part (MAP) en los sistemas GSM y UMTS. Cada cliente se encuentra registrado en esta base de datos.
  • Interfaz aire FDD y red radio

    El mayor cambio en comparación con la antigua generación es que la interfaz aérea ha sido rediseñada completamente. La nueva versión hace posible mayores anchos de bandas tanto en el enlace ascendente como en el descendente.

    OFDMA en Enlace Descendente

    Para el enlace descendente LTE emplea Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA). La información a transmitir es dividida entre varios flujos más lentos y se envían mediante portadoras simultáneas. La ventaja del envío simultáneo en paralelo puede ser mayor que la desventaja del efecto multipath.
    La siguiente tabla muestra el número de subportadoras utilizadas dependiendo del ancho de banda. A mayor ancho de banda, mayor número de subportadoras es necesaria.

    Ancho de banda (MHz) Número de subportadoras Tamaño de la FFT
    1.25 76 128
    2.5 150 256
    5 300 512
    10 600 1024
    15 900 1536
    20 1200 2048

    Para ahorrar ancho de banda, las subportadoras están espaciadas de tal forma que el lóbulo lateral del espectro de cada una de ellas es exactamente cero en la frecuencia central de la subportadora adyacente (ortogonales). La figura 47 nos muestra cómo funciona conceptualmente.

    Arriba a la izquierda los datos se ponen en flujos paralelos, cada uno de los cuales se mapea en su correspondiente subportadora. A continuación empleamos la transformada inversa de Fourier para trasladar la señal al dominio del tiempo antes de ser modulada y enviada a través del aire al receptor. La recepción es mostrada en la parte baja de la figura 47. Después de la demodulación de la señal se le aplica la transformada de Fourier FFT para convertirla al dominio de la frecuencia de nuevo para poder separar cada una de las subportadoras. Finalmente todos los flujos son unidos de nuevo en uno solo y es entregado a la capa superior de la pila de protocolos.
    Los parámetros físicos para las subportadoras son:
  • Espaciado entre subportadoras: 15 KHz
  • Duración de símbolo (OFDM): 66.667 µs
  • Prefijo estándar cíclico: 4.7 µs. Este prefijo es transmitido antes de cada símbolo para prevenir interferencia intersimbólica debido a las diferentes longitudes de cada camino.
  • SC-FDMA EN ENLACE ASCENDENTE

    Para el enlace ascendente OFDMA no es apropiado debido a su alto pico de consumo medio o Peak to Average Power Ratio (PAPR) cuando los diferentes flujos son combinados. Empleamos Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA). Es similar a OFDMA pero tiene pasos adicionales en el procesamiento. En vez de dividir los datos en varios flujos y mapearlos en subportadoras, la señal en el dominio del tiempo es convertida a una en el dominio de la frecuencia mediante una función Transformada de Fourier. Esto distribuye la información de cada bit en todas las subportadoras, reduciendo así el consumo entre las diferentes subportadoras. El número de subportadoras depende de las condiciones de la señal, la potencia de transmisión del dispositivo y el número de usuarios simultáneos en el enlace ascendente.

    En la figura se puede observar la diferencia de pasos con el enlace descendente, que empleaba OFDMA. En lugar de dividir primero el flujo y ponerlo en diferentes flujos la señal se convierte al dominio de la frecuencia mediante una transformada de Fourier. De esta forma la información se distribuye a cada una de las subportadoras.

    Símbolos, Slots, Bloques Radio y Tramas

    La transmisión de datos se organiza de la siguiente manera: la unidad de transmisión más pequeña en cada subportadora es una transmisión con una duración de 66.667 µs correspondiente a un símbolo. El número de bits por símbolo dependerá de la codificación escogida y esta a su vez de las condiciones del entorno. Si las condiciones de radio son ideales se empleará 64-QAM y se enviarán 6 bits por símbolo. En peores condiciones de entorno emplearemos 16-QAM (4 bits por símbolo) o QPSK (2 bits por símbolo).
    A continuación se le añade una cabecera para asignar cada símbolo individual a cada usuario o propósito. Siete símbolos consecutivos en 12 subportadoras son agrupados en un Resource Block (RB). Un RB ocupa exactamente un slot con una duración de 0.5 ms.

    Una subtrama representa el esquema de tiempo de LTE y está formada por 2 slots con una duración de 1 ms. Esto quiere decir que en cada milisegundo el eNodo-B decide a cuántos usuarios están permitidos y cuantos recursos se les asigna a cada uno de ellos.
    La red tiene dos opciones para transmitir una subtrama. La primera opción es mediante Localized Virtual Resource Blocks (LVRBs), transmitidos en grupos como muestra la anterior figura. En este caso el eNodo-B necesita un canal de realimentación de banda estrecha para organizar los bloques en subportadoras y evitar que sufran desvanecimiento en banda estrecha. La segunda opción es transmitir los datos mediante Distributed Virtual Resource Blocks (DVRBs), donde los símbolos que forma un bloque se encuentran dispersos por todo el ancho de banda. En este caso el móvil no tiene ningún canal de realimentación.
    Y finalmente 10 subtramas se combinan en una trama de radio LTE, la cual tiene una duración de 10 ms.

    modelo de canales

    Enlace descendente

    Todo el tráfico de señalización y los datos de usuario están organizados en canales.
    En la capa lógica los datos de cada usuario se transmiten mediante el Dedicated Traffic Channel (DTCH). Cada usuario tiene un DTCH. No obstante, en la interfaz aérea todos los canales son mapeados en un único canal compartido que ocupa todos los bloques. Algunos símbolos en cada bloque de recursos se asignan a otros propósitos y no puede ser usado para datos.
    El mapeo de los DTCH hacia el canal único compartido se realiza en dos pasos. Primero, los DTCH se mapean en el Downlink Shared Channel (DL-SCH). En el segundo paso este flujo de datos se mapea al canal físico o Physical Downlink Shared Channel (PDSCH).

    Además de los canales de datos se le añaden los canales lógicos antes de ser mapeados al canal físico. Todos los flujos de canales superiores se mapean en el canal físico compartido, incluyendo el canal de control de paginación o Paging Control Channel (PCCH). El único canal que no se mapea en el compartido junto a los otros es el que se encarga de la sincronización con la celda. Este canal es el Physical Broadcast Channel (PBCH). Es transmitido cada 40 ms y contiene las señales de sincronización primaria y secundaria.

    enlace ascendente

    En el canal ascendente se emplea un modelo de canal similar al de la dirección descendente. Tenemos de nuevo canales lógicos, de transporte y físicos para separar los flujos de datos lógicos y multiplexarlos en un único canal. El canal más importante es el Physical Uplink Shared Channel (PUSCH), cuya tarea es transportar datos de usuario, señalización e información sobre la calidad de la señal.
    Los datos del canal PUSCH están divididos en tres canales lógicos: el canal de los datos de usuario Dedicated Traffic Channel (DTCH), el de señalización Dedicated Control Channel DCCH y el de señalización en el establecimiento que es el Common Control Channel CCCH.

    transmisión MIMO

    Aparte de los esquemas de modulación mejorados, a partir del 3GPP Release 8 se especifica y requiere el uso de las técnicas multiantena, mejor conocidas como MIMO (Multiple Input Multiple Output) en la dirección descendente. A pesar de que se especificó en HSPA no fue ampliamente utilizada debido a la escasa compatibilidad con los dispositivos del momento.
    El concepto principal en MIMO es el de enviar varios flujos de datos independientes sobre la misma interfaz aérea simultáneamente. En su primera versión se han especificado el uso de 2 o 4 flujos simultáneos. Solamente se emplea en el canal compartido y únicamente para transmitir en aquellos usuarios que posean una muy buena calidad de señal.
    La transmisión de flujos simultánea sobre el mismo canal es posible solo si los distintos flujos se mantienen independientes entre durante el recorrido a través del canal. Esto se logra cumpliendo dos requisitos básicos:
  • En el lado del transmisor, si queremos transmitir dos flujos distintos, necesitaremos dos antenas. En la práctica se puede hacer empleando una sola antena y distinta polarización para cada uno de los flujos (horizontal y vertical).
    El receptor también requiere dos o cuatro antenas. En el caso de un móvil esto se convierte en un reto debido al limitado espacio de que se dispone, y más aun teniendo en cuenta que tiene que soportar distintas bandas de frecuencia para tener compatibilidad con GSM, UMTS y CDMA.
  • El segundo requisito para la transmisión MIMO es que la señal tiene que permanecer independiente durante el recorriendo entre transmisor y receptor. Esto se puede conseguir por ejemplo si las transmisiones simultáneas alcanzan el dispositivo móvil mediante distintos caminos. De todas formas y como es normal, las transmisiones simultáneas interfieren entre sí lo que reduce la máxima velocidad.
    Si la interferencia es muy fuerte se tendrá que bajar el esquema de modulación y se empleará 16-QAM en vez de 64-QAM, y entonces puede que nos interese más emplear un único canal con 64-QAM que dos que se interfieran con 16-QAM cada uno. Por lo tanto solo en condiciones muy ideales y distancias muy cortas entre transmisión y receptor se podrá utilizar un esquema 64-QAM y MIMO que nos garantiza el máximo ancho de banda. Tampoco es un gran problema ya que como se ha especificado en los apartados anteriores, se puede decidir usar MIMO o no cada milisegundo, por lo que el sistema se adapta rápidamente a las condiciones del entorno.
  • En las especificaciones de LTE empleamos el término de rangos para describir el uso de MIMO. El rango 1 se especifica para una única transmisión y el rango 2 para una transmisión MIMO de dos flujos para un bloque de datos.
    En la estación base o eNodo-B podemos encontrar dos modos de funcionamiento para MIMO:
  • Modo de operación en bucle cerrado, donde una matriz de precodificación es aplicada en el flujo de datos antes de ser enviada para cambiar la modulación de las dos señales con el fin de aumentar el rendimiento en el receptor.
  • Modo de operación en bucle o lazo abierto, para usuarios en movimiento, donde adaptar su transmisión a una matriz de precodificación no es lo suficientemente rápida. En este caso únicamente el móvil decide las características de la transmisión.
  • Por último también cabe destacar que MIMO también nos aporta fiabilidad. Puede que la transmisión MIMO no aporte más velocidad pero al enviar varios flujos ayuda al receptor en la decodificación.
    En total tenemos 12 modos de uso de MIMO, de forma que el eNodo-B tiene un amplio rango de opciones para adaptarse a unas condiciones de señal cambiantes.

    Modo de transmisión Esquema de transmisión del PDSCH
    Modo 1 Una antena
    Modo 2 Diversidad en la transmisión
    Modo 3 Diversidad en la transmisión o gran retraso en el CDD
    Modo 4 Diversidad en la transmisión o MIMO en bucle cerrado
    Modo 5 DIversidad en la transmisión o multiusuario MIMO
    Modo 6 Diversidad en la transmisión o MIMO en bucle cerrado
    Modo 7 Una antena

    interfaz td-lte

    Aunque mayoritariamente se ha desplegado LTE empleando FDD, es decir, transmisión y recepción simultánea mediante dos canales separados, también tenemos una variante TDD.
    En la variante TDD, empleada en China por ejemplo, se emplea un único canal para ambos enlaces y la mayoría de parámetros son idénticas a la FDD. La mayoría de diferencias son:
  • Solo se emplea un único canal, con una guarda entre transmisión y recepción. Su duración está determina por el tiempo que necesita para cambiar el modo de operación del transmisor. El tiempo de guarda tiene que ser lo suficientemente grande como para encajar correctamente todas las transmisiones disponibles. Normalmente con la duración de un símbolo OFDM es suficiente.
  • También es necesario una asignación de recursos flexible para no desperdiciar el rendimiento del canal.
  • planificación de la red

    La planificación de la red es esencial para asegurar un alto rendimiento así como para reducir en todo lo posible las interferencias de otras células y dispositivos móviles.
    LTE emplea una única frecuencia para todas las células. Para ampliar la capacidad es posible la operación de varias portadoras en la misma frecuencia, aunque por lo general se aprovecha el ancho de banda de 20 MHz especificado para LTE porque usar más sería problemático ya que tenemos otras redes utilizando el espectro disponible y también para el correcto filtrado de la señal.
    Con respecto a las interferencias con otras células vecinas los móviles pueden recibir señales de varias células. Si la intensidad con que emiten varias células es parecida la interferencia en el móvil podría ser importante. En este caso se limitaría la velocidad de datos de descarga del dispositivo móvil y también afecta a la capacidad total de la célula. Para solucionar esto se emplea un Inter-Cell Interference Coordination (ICIC). La interfaz aire duplica en este caso se emplea para intercambiar información y configurar la transmisión para reducir el problema.

    lte-advanced

    Se trata de una serie de funcionalidades y características que mejoran la red LTE y se encuentra incluidas en 3GPP Release 10. El principal objetivo de estas mejoras es reducir aún más el coste e incrementar las capacidades máximas por usuario. Las principales mejores relacionadas con la capa física son las siguientes:
  • Se incrementa el ancho de banda agregando una nueva portadora al actual ancho de banda de 20 MHz. Esta agregada se emplea para combinar la capacidad de varias portadoras individuales. Las portadoras pueden estar adyacentes o no, en una única banda y también en diferentes bandas. Una configuración puede ser combinar las bandas LTE 7 (2600 MHz) y 3 (1800 MHz) para conseguir un ancho de banda total de 20 MHz.
  • Mejoras en la transmisión MIMO. Se añade el modo de transmisión 8x8 (tasas de hasta 1Gbps) y en el enlace ascendente se añade hasta MIMO 4x4, obteniendo un rendimiento de hasta 300Mbit/s
  • Para aumentar el rendimiento y ampliar la cobertura podemos emplear femtocélulas, que son pequeñas y baratas. También podemos emplear nodos de retransmisión. Estos nodos funcionan como células estándares pero a diferencia de las celdas normales que emplean el cobre, fibra óptica o microondas para la conexión con el núcleo de la red emplean la propia interfaz LTE para transportar esos datos hacia otras células y así ampliar la cobertura disponible.
  • ieee 802.16 y wimax

    Se trata de un estándar inalámbrico de banda ancha publicado por el Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE. Aunque la familia de estándar 802.16 se nomina oficialmente como WirelessMAN en el ámbito de IEEE, ha sido comercializado bajo el nombre de WiMAX que son las siglas de Worldwide Interoperability for Microwave Access. El WiMAX Forum promueve y certifica la interoperabilidad de los productos basados en los estándares IEEE 802.16.
    802.16 es una parte de la serie de estándares locales y metropolitanos de la serie 802 de IEEE. Más concretamente 802.16 es un estándar de red de área metropolitana con un enfoque diferente, especialmente en la capa física y en la capa de enlace de datos en comparación con sus estándares antecesores. Los cambios más importantes son:
  • Puede operar en varios modos: punto a punto para funcionar en modo bridge y punto a multipunto para ofrecer acceso a telefonía e internet.
  • En el modo punto a multipunto el acceso a la red por los clientes, referidos como Subscriber Stations(SSs) se efectúa mediante una autoridad central.
  • Los SSs no reciben tramas individuales. En el sentido descendente los datos son embebidos en tramas mucho más largas y durante la transmisión de la trama la red puede ajustar dinámicamente la modulación y la codificación por partes de la trama para transmitir con mayores tasas para aquellos clientes que tengan peores condiciones de recepción. En el enlace ascendente se utiliza el mismo concepto.
  • El estándar 802.16 define los parámetros para asegurar QoS (Quality of Service), que es una característica necesaria en entornos metropolitanos de alta carga y gran cantidad de clientes por celda.
  • El estándar 802.16 usa el modelo de protocolos. Primero tenemos la capa física, en la cual nos centraremos en este tutorial. Después tenemos la capa MAC, dividida en 3 subcapas, la capa de privacidad, la común y la capa de convergencia. Finalmente 802.16 especifica interfaces para 3 diferentes capas de tecnología superiores: ATM, UP y Ethernet.

    Capa Física

    Existen dos formas para comunicarse con los clientes en una red 802.16 punto a multipunto. Para bandas sin licencia se emplea TDD y para las bandas con licencia los operadores pueden elegir entre TDD y FDD.
    En TDD tanto enlace ascendente como descendente emplean la misma frecuencia. La ventaja de este método es el reparto flexible de carga para ambos enlaces. La principal desventaja es que los dispositivos no pueden enviar y recibir simultáneamente y el dispositivo tiene que cambiar constantemente entre modo de transmisión y recepción y durante este tiempo se desperdicia el ancho de banda.
    En FDD enlace ascendente y descendente tienen frecuencias distintas separadas por una banda de guardia, pudiendo enviar y recibir simultáneamente.

    modulación y codificación ofdm adaptativa

    La subcapa de convergencia de transmisión, que forma parte de la capa física en 802.16, emplea OFDM tanto en el modo FDD como en el TDD. Los datos son modulados en 256 portadoras independientemente del ancho de banda total en el canal. Todos los bits transmitidos durante una transmisión a través de las portadoras son referidos como un símbolo. En lugar de un bit rate, el symbol rate,o tasa de símbolos se usa como unidad de medida en la capa física.
    Para operación punto-multipunto el estándar define perfiles con anchos de banda de 1.75, 3, 3.5, 5.5, 7 y 10 MHz. Como el número de portadoras es la misma para todos los anchos de banda disponibles el número de símbolos varía. Para un canal de 1.75 MHz, por ejemplo, el tiempo de transmisión de un símbolo es de 128 µs mientras que para 10 MHz se reduce a 22.408 µs.
    De las 256 subportadoras, se usan 193 para transmitir datos de usuario, 55 para bandas de guarda en los extremos de la banda de frecuencia usada y 8 más para información piloto, que se utiliza para la aproximación del canal y el cálculo del filtro necesario para evitar las distorsiones de la señal.
    Para cada transmisión en cada subportadora se codifican varios bits. En condiciones ideales se emplea 64-QAM y conforme van empeorando las condiciones de señal se emplean 16-QAM, QPSK y BPRSK. La siguiente tabla muestra los diferentes esquemas de modulación y la SNR necesaria para emplear cada uno de ellos. Este esquema de modulación también se emplea en los estándares WLAN 802.11g y 802.11ª, solo que estos se emplean 52 subportadoras y un ancho de banda fijo de 22 MHz.

    Esquema de modulación SNR necesaria Descripción
    64-QAM 22 dB 6 bits por salto, solo en linea de visión LOS y distancias muy cortas
    16-QAM 16 dB 4 bits por salto
    QPSK 9 dB 2 bits por salto
    BPSK 6 dB 1 bit por salto, muy robusta

    Otro parámetro importante es la tasa de codificación de los datos de usuario, entendida como la proporción entre el número de bits de información de usuario y los empleados para detección y corrección de errores. La tasa de codificación más baja es de 3/4, es decir, 3 bits para datos de usuario y uno para errores, aunque solo se emplea para condiciones de señal ideales. Otras tasas para condiciones menos favorables son 2/3 o 1/2, por lo que el ancho de banda se reduciría a la mitad.
    Al igual que ocurre en LTE las estaciones base realizan una modulación y codificación adaptativa por usuario en la red. Esto asegura un mejor uso de la interfaz aérea permitiendo mejores esquemas de modulación para aquellos en mejores condiciones de señal y otros esquemas más robustos para aquellos usuarios en peores condiciones y a mayor distancia de la estación.
    En la mayoría de casos las estaciones tienen mayor potencia de transmisión que los SSs. Para compensar el desequilibrio entre base y móvil el estándar 802.16 soporta subcanalización de clientes. En lugar de usar 193 portadoras la estación base puede asignar Nx12 portadoras al SS en la dirección ascendente. De esta forma se concentra la potencia en unas pocas portadoras, incrementando la SNR hasta en 12 dB.
    Otra característica es la de los Automatic Retransmission Request (ARQ), que son opcionales en WiMAX. Los perfiles para conexiones punto a multipunto definen los ARQs solamente como una implementación. Esto quiere decir que el sistema tiene que asegurarse de tener una modulación y codificación adecuadas para minimizar las retransmisiones a la altura del protocolo TCP, lo cual podría llegar a tener un gran impacto en el rendimiento de la conexión. Como realmente el estándar solo se especificó para el uso estacionario alcanzar las transmisiones libres de errores es más fácil de lograr.

    capacidad disponible

    La capacidad teórica disponible usando una frecuencia portadora de 20 MHz y modulación 64-QAM con una tasa de codificación 3/4 (condiciones ideales) es:
    1. Tasa de símbolo: 90.909 símbolos/s
    2. Tasa total de bits: tasa de símbolo x número de portadoras x bits por portadora = 90.909 x 193 x 6 = 105.27 Mbit/s
    3. Tasa de bits después de la codificación: tasa total x tasa de codificación=105.27 Mbit/s x 3/4 = 78 Mbits/s
    Aunque este valor calculado no es probable de ser aplicado en la realidad. El mayor ancho de banda que podemos utilizar es de 10 MHz y la modulación y tasas tampoco son realistas. Para unos parámetros más reales, un ancho de banda de 7 MHz, modulación 16-QAM y tasa de codificación 2/3 tenemos un velocidad disponible de 16 Mbit/s, y esto sin tener en cuenta los tiempos de guarda.

    tamaño de las celdas

    El tamaño de las celdas es un factor importante si queremos economizar gastos en una red 802.16. En teoría deberíamos de hacer las celdas con el mayor alcance posible y tener una gran capacidad para dar cabida al máximo número de usuarios, pero estas dos características son excluyentes. Cuanto más alcance cubrimos con una celda atenderemos a usuarios más lejos, lo que implica peor señal, peor modulación y descenso de la capacidad total de la celda debido a esto y al tiempo de servicio de los usuarios lejanos. Por tanto, en entornos urbanos usaremos celdas pequeñas ya que la densidad de clientes es mayor y les ofreceremos mejor calidad y en entornos rurales el alcance será mayor para que el número de usuarios sea mayor y así la instalación de la antena resulte económicamente rentable.
    A partir de los estudios desarrollados por el WiMAX fórum se ha llegado a la conclusión de que una estación base puede dar cobertura en interiores con una antena en un radio de entre 300 metros a 2 kilómetros, sin olvidar que dependerá de la potencia de la antena, la sensibilidad en recepción y la frecuencia usada. El estudio también concluye que una antena direccional y externa podrá extender este alcance hasta 9 km asumiendo que no existe línea de visión entre antenas. Con línea de visión directa este alcance se podría aumentar entre 10 y 50 km.

    estructura de trama en la capa física

    La estructura de trama dependerá del modo de multiplexación empleado en la red

    estructura de trama en el modo fdd

    Como hemos mencionado anteriormente, en FDD los canales ascendente y descendente tienen frecuencias distintas, por lo que podemos enviar y transmitir simultáneamente. En el caso de que se conectaran dispositivos half dúplex, ya que los full dúplex serían más caros, estos tendrían que parar de transmitir para poder recibir y viceversa, reduciendo así su capacidad a la mitad. A pesar de este inconveniente como la mayoría del tráfico generado es asimétrico (video en páginas web en las cuales descargamos más que subimos datos, por ejemplo) esto no implica una gran desventaja.
    En la mayor parte del tiempo una celda servirá a más de un cliente. Esto será beneficioso incluso para dispositivos half-duplexya que la estación base podrá solicitar que algunos dispositivos reciban datos mientras que a otros les estará permitido transmitir, de forma que aumentará la capacidad del sistema simplemente organizando las transmisiones de cada dispositivo sabiendo si tienen capacidad full-duplexo half-duplex. En la siguiente figura se puede observar como los datos son transmitidos en la dirección descendente. Los datos se fragmentan en tramas que son transmitidos a través del aire. Las tramas tienen una duración de entre 2.5 y 20 ms y la selección de esta duración suele ser estática. Si se cambia la duración el SS tendrá que resincronizar. Una trama contiene datos de varios usuarios y se organiza de la siguiente forma:
  • Una cabecera o preamble, para la sincronización de trama.
  • Cabecera de control de trama o FCH, para informar al SS de la modulación y codificación para la primera ráfaga de la trama. El FCH se modula en BPSK y con una tasa 1/2.
  • El resto de la trama contiene la información de la capa MAC superior.
  • Como cada SS necesita de una modulación y codificación distinta una trama podrá tener varias ráfagas, cada una con un esquema diferente pero en orden ascendente. Los datos de los SS con mala condición de señal se enviarán los primeros mientras que los de SS con buena calidad de señal, con mejor modulación, se enviarán los últimos. El FCH contiene la información sobre la primera ráfaga, de tal forma que todos los dispositivos puedan recibirlo.
    Dentro de cada ráfaga tenemos los datos de usuario, etiquetados como MAC PDU en la figura. Al comienzo de cada ráfaga se encuentra el ID de conexión para identificar el SS y la parte de datos que le corresponde. Sucede de forma similar para el enlace ascendente.

    En el canal ascendente de nuevo se emplea una estructura de trama donde varios SSs pueden enviar sus datos. En este caso también se envían las instrucciones sobre modulación y codificación en el DL-MAP previo en el enlace descendente.
    Tenemos dos formas de transmitir: La estación base puede asignar direcciones individuales y solicitar información del SS hacia la red sobre si el SS necesita ancho de banda o también puede asignar una parte de la trama en dirección ascendente para que el SS envíe información sobre la cantidad de recursos que necesita.

    Estructura de trama en TDD

    Estructura de trama en TDD En el modo TDD usamos la misma frecuencia para los canales ascendente y descendente en lugar de usar dos frecuencias distintas. Para poder enviar y transmitir multiplexamos los canales en el tiempo. La trama TDD está dividida en una subtrama descendente y una subtrama ascendente y la composición de las subtramas es idéntica a como se hace en FDD. Para que un SS pueda cambiar de transmitir a recibir se inserta entre la subtrama descendente y ascendente un Transmit-receive Transition Gap (TTG), que es un vacío o duración de guarda entre la última trama del enlace descendente y la primera trama del ascendente. Mientras que para cambiar del modo de recepción al de transmisión para la siguiente trama se inserta un Receive-transmit Transition Gap (RTG), que al igual que el TTG, es un “silencio” entre la última trama ascendente y la primera trama descendente. Entre las subtramas estos “vacíos” permiten a la BS conmutar entre el modo de transmisión y recepción y han de tener una duración de al menos 5µs.
    La longitud de las subtramas no es fija y puede ser modificada por la red, tal y como se muestra en la siguiente figura. En la mayoría de casos la subtrama descendente suele ocupar mayor lugar en la trama que la subtrama ascendente, a excepción de que estemos usando algún tipo de aplicación que requiera conexión simétrica para la subida y la bajada, como podría ser la videoconferencia.

    funcionalidades avanzadas

    El estándar 802.16 define una serie de funcionalidades que puede extender el alcance y rendimiento de la red. Muchas de estas funcionalidades no fueron implementadas desde el principio pero es de esperar que con la maduración de esta tecnología sea posible, dando lugar al crecimiento de estas redes y sus clientes.

    topología de red

    Como ya se ha dicho anteriormente, el área de cobertura de una estación base está limitada a un radio de entre 2 y 5 km. Este alcance solo puede ser incrementado mediante antenas externas, lo cual no es siempre posible. Una aproximación a este problema es la red en malla. En lugar de que los SSs se comuniquen directamente con la estación base, los más lejanos se comunicarán con los SS vecinos, los cuales retransmitirán los datos a la estación base o al siguiente SS si aún siguen estando demasiado lejos. Este proceso permite incrementar la cobertura en zonas donde el despliegue de más infraestructuras no es rentable. Este tipo de red se auto organiza con los usuarios que se encuentren conectados en el momento.
    Al retransmitir los datos de un cliente a otro hasta que alcanza la estación base reduce el rendimiento del sistema. En cálculo del rendimiento el estándar asume que el 5 % de la actividad de los SSs es para sus propios propósitos, por lo que el 95% restante puede pasarse retransmitiendo información o permanecer en silencio mientras otros dispositivos están transmitiendo.

    Para evitar las interferencias con otras transmisiones solo un dispositivo puede enviar un paquete a la vez, por lo que en este caso la planificación de transmisión no es centralizada si no que se pueden emplear los siguientes métodos:
  • Organización distribuida: La planificación tiene lugar entre el SS y hasta una distancia de 2 saltos para reducir la posibilidad de interferencias.
  • Organización centralizada: La estación base tiene información de todos los dispositivos, por lo que se calcula el ancho de banda y el retardo disponible para cada SS y distribuye la organización mediante multidifusión.
  • Organización combinada: Una combinación de los dos métodos anteriores
  • sistema de antenas adaptativas

    Para minimizar los costes del despliegue de la red, la capacidad de transmisión de la estación base debería ser tan alta como se puede para servir a la mayor cantidad de usuarios posible. En la práctica, la capacidad está limita por factores como el ancho de banda disponible, los esquemas de modulación y codificación, interferencias… Además, la capacidad debería ser mejor si los clientes no se mueven y apuntan en dirección a las antenas. Mientras que en el resto de sistemas aquí explicados se supone que los usuarios están en movimiento, en este se ha supuesto que el sistema es estático. Para este tipo de usuarios es relativamente fácil incrementar la capacidad y el alcance de la estación base hacia los dispositivos. Este concepto se denomina beamforming o Sistema de Antenas Adaptativa (AAS). Este sistema puede limitar la señal a un haz estrecho, incrementando el rango y reduciendo las interferencias y también aumentando la capacidad total de la célula. AAS también ha sido propuesto para su uso en LTE.
    Esta adaptación del haz se consigue enviando la señal a través de varias antenas acopladas eléctricamente entre ellas (arrays). La conformación del haz se consigue modificando la fase y la amplitud relativa del array.

    Para usar AAS el estándar se ha diseñado para que sea compatible tanto con dispositivos que soporten esto como los que no. Cuando un SS se conecta, informa a la estación base si soporta AAS. Si la estación base soporta AAS, cada subtrama (la ascendente y descendente) tiene una zona AAS al final, de tal forma que los dispositivos que no soportan AAS ignorarán esta parte.

    mobile wimax: 802.16e

    Esta es la versión del estándar 802.16 mejorado con funcionalidades para la movilidad. Se introducen una serie de mejoras en todas las capas de protocolos. En la capa física se utiliza un nuevo esquema de acceso múltiple. <

    acceso múltiple ofdm

    Para la versión 802.16e se empleará modulación OFDMA en lugar de la modulación OFDM de 256 subportadoras explicada anteriormente. En la red OFDMA los clientes transmiten y reciben sus datos en serie usando todos los canales disponibles, permitiendo que varios usuarios puedan hacerlo simultáneamente. Este funcionamiento se muestra en la siguiente figura. Dependiendo del ancho de banda total se emplearán 128, 512, 1024 o 2048, lo que influirá en el máximo bitrate disponible.
    Este tipo de acceso no es compatible con el OFDM de 256 subportadoras, lo cual es un problema para los primeros operadores de red que ya desplegaron el anterior estándar. Las opciones de actualización pueden pasar por:
  • Actualización en la estación base. SI el operador de red soporta ambos modos se puede usar dos portadoras distintas, una para dispositivos estáticos y otra para dispositivos en movimiento.
  • Si el dispositivo móvil es susceptible a una actualización estación base y cliente podrían ser actualizados para que soporten OFDMA.
  • SI los clientes estacionarios no pueden ser actualizados y tampoco son capaces de soportar múltiples frecuencias entonces será necesaria la adquisición de un nuevo terminal.
  • De forma similar a HSDPA, 802.16e introduce HARQ para la detección y retransmisión rápida de errores en la interfaz aérea. Se introduce en la capa física debido a que la movilidad provoca fuertes fluctuaciones en la calidad de la señal y se aumenta la tasa de error. Por tanto interesa que los errores se corrijan lo antes posible para evitar mayores retrasos en toda la comunicación. En el apartado de la tecnología HSDPA se explica el funcionamiento de HARQ.

    mimo

    Con motivo de aumentar la velocidad de transmisión el estándar también especifica las técnicas MIMO para cliente y red. Están indicadas para entornos urbanos, donde la señal acaba llegando al receptor por varios y distintos caminos debido a los obstáculos entre transmisor y receptor. MIMO usa múltiples antenas para enviar los datos por diferentes caminos pero en la misma frecuencia y si enviamos por cada camino diferentes datos lograremos aumentar la capacidad.
    Como ya hemos visto en el apartado de LTE, MIMO requiere de una antena para cada transmisión. Una transmisión típica en MIMO emplea dos o cuatro caminos distintos, por lo que necesita dos o cuatro antenas. El número de antenas puede reducirse si empleamos distintas polarizaciones en la misma antena.

    acceso al canal

    ofdm

    Son las siglas de Multiplexación por División en Frecuencia Ortogonal, una variante de la multiplexación FDM. Consiste en dividir el ancho de banda disponible en subbandas estrechas y usar un gran número de subportadoras paralelas de banda estrecha en lugar de una sola portadora de banda ancha.


    La ventaja principal de esta técnica radica en la robustez frente a desvanecimientos selectivos en frecuencia y en interferencias de banda estrecha. Si el número de subportadoras es lo suficientemente grande cada una de ellas se ocupa del desvanecimiento como si fuera plano en vez de selectivo, lo que es más sencillo, y solamente afectaría a unas cuantas subportadoras únicamente. Además, OFDM emplea mayor longitud de símbolo en comparación con la banda ancha, por lo que la interferencia intersimbólica es pequeña.
    Como inconveniente cabe destacar que la eficiencia espectral es baja, debido a las bandas de guardia que debemos emplear. La solución a este problema está en el uso de subportadoras ortogonales, en las cuales en el pico de cada espectro el resto de subportadoras hacen el cruce por cero. Esto permite que los espectros puedan solaparse y que a pesar de esta superposición se puedan recuperar los espectros originales.


    Como se observa en la figura las bandas de guarda no son necesarias. El uso de subportadoras ortogonales también reduce la complejidad de transmisor y receptor, ya que no hay necesidad de usar filtros separados para cada subportadora.
    Las subportadoras ortogonales forman un conjunto de sinusoides ortogonales, las cuales son comunes en la Transformada de Fourier. Esta transformada viene dada por la siguiente fórmula:

    La Transformada de Fourier correlaciona la señal de entrada con cada conjunto de sinusoides ortogonales. Si la señal de entrada tiene energía en una frecuencia k, esta será reflejada en la correlación de la señal de entrada y en el espectro. Es decir, la Transformada de Fourier convierte la representación de la señal en el dominio del tiempo a la representación en el dominio de la frecuencia.

    En la siguiente figura se representa un sistema OFDM. La entrada es una señal QAM modulada, aunque podría emplearse otras modulaciones. Con el convertidor serie-paralelo transportamos los símbolos de entrada a las diferentes subportadoras elementales. Hay que tener en cuenta que la tasa de símbolo de las subportadoras es N veces menor que la tasa de muestreo de la señal de entrada. Por lo tanto debemos elegir un conjunto de entradas ortogonales en concordancia con nuestra tasa de símbolos, esto es: wk=2πkR S, donde R Ses nuestra tasa de símbolos en la entrada.

    ofdma

    El Acceso mediante División en Frecuencia Ortogonal es el esquema de multiplexación que emplea OFDM. Es un caso especial de FDM que conservar las ventajas de OFDM frente a la transmisión de una sola portadora, mejorando la eficiencia espectral y la flexibilidad en la asignación de recursos.
    Esta flexibilidad se puede realizar tanto mediante la asignación específica de subportadoras a cada uno de los usuarios como de la asignación de la potencia y carga de bits. Además podemos aprovechar la diversidad multiusuario para asignar las frecuencias óptimas a cada uno frente al desvanecimiento y condiciones del entorno.
    La siguiente figura representa la flexibilidad de que se está hablando. Podemos observar el esquema de reutilización fraccional definido en el estándar WiMAX móvil. Los usuarios cerca de la estación base podrían usar todo el espectro de frecuencia, ya que tendrán menos interferencias, mientras que los que se encuentran más alejados se les asignará conjuntos no solapados de portadoras.

    mimo

    La técnica de Multiple-Input Multiple-Output nace de la necesidad de un nuevo modelo de canal. El clásico canal con ruido aditivo blanco gaussiano, que se centra en el ruido térmico, es ineficiente y no resulta útil, ya que no tiene en cuenta los errores básicos que influyen en la calidad de la recepción. Para empezar aquí estamos hablando de canales radio, inalámbricos, donde el efecto de las interferencias es mucho más importante que el efecto del ruido térmico sobre el receptor. En este tipo de canales la causa principal de la degradación de la calidad es la propagación multipath, donde debido a las reflexiones sobre objetos y obstáculos la señal transmitida alcanza el receptor por trayectos múltiples, lo que provoca la dispersión y el desvanecimiento de la señal. Para un par de señales paso bajo con modulación QPSK tenemos:
    Para un par de señales paso bajo con modulación QPSK tenemos:

    Donde fc es la frecuencia de la portadora y x(t) la envolvente paso baja. Después de la transmisión de la señal a través de un canal con desvanecimiento debido a múltiples propagaciones tenemos que la señal recibida es:

    Donde hi(t) es el coeficiente de desvanecimiento y τi(t) es el retraso del canal i-ésimo, ignorando el ruido térmico. La señal resultante por lo tanto tendrá la forma:

    Y si asumimos que la portadora sin modular se transmite a la frecuencia fc, es decir que x(t)=1 para cualquier t, entonces nos queda finalmente:

    Por lo tanto, la señal paso baja consiste en la suma de vectores complejos variables con amplitud h i(t) y fase θ i(t). La siguiente figura representa gráficamente lo que sucede en este modelo de canal más realista. La señal transmitida se divide en el camino debido a la propagación multipath. Debido a las reflexiones la amplitud de las señales reflejadas se reduce y como se aumenta la distancia de propagación la señal sufre un retardo en fase en comparación con la señal esperada. Como resultado de la superposición de las señales tenemos una señal con amplitud atenuada y desplazada en fase.

    El principal enfoque para combatir el efecto del desvanecimiento multipath es el de la diversidad. Consiste en proporcionar dos o más canales para la misma señal de información, ya que cada canal tendrá un desvanecimiento independiente por lo que se aumenta la probabilidad. Los principales métodos de diversificación son mediante el espacio (varios transmisores o receptores), frecuencia (uso de varias frecuencias para la misma información) y tiempo. Los tres métodos más comunes para lograr esta diversificación, de la forma que sea, son:
  • MRC: Combinación de Relación Máxima. Todas las señales recibidas se ordenan por su SNR son sumadas. La ponderación previa a la suma minimiza el ruido resultante del desvanecimiento o fading.
  • EGC: Equal Gain Combining o Combinación de Igual Ganancia. Es un método similar al anterior pero las señales recibidas no son ponderadas. Da un peor resultado en comparación con MRC, pero da mayor ganancia en diversidad. Este método también requiere la suma coherente de las distintas señales.
  • SC: Combinación Selectiva. Mediante este método las señales no se combinan, sino que los diferentes canales se turnan según el que tenga mayor SNR. No requiere coherencia (que las señales estén en fase) pero es un método peor que MRC, ya que no tiene en cuenta la información del resto de canales.
  • Ahora, si generalizamos el enfoque de diversidad espacial no únicamente a la recepción sino también a la transmisión esto requerirá combinar diferentes respuestas de la misma señal en el receptor mediante la transmisión organizada mediante varias antenas.
    Suponiendo que tenemos N antenas de transmisión y M antenas de recepción. En un instante de tiempo t las distintas señales xt,n para n=1, …, N son transmitidas simultáneamente desde las N antenas de transmisión. Cada señal se verá afectada por desvanecimiento del canal y la respuesta de cada señal será recibida por cada una de las M antenas de recepción. Entonces la señal recibida por la antena m en el instante t será:

    Y el esquema del canal sería el siguiente:

    Y la capacidad total es:

    Donde h jrepresenta cada uno de los canales y ϒ la SNR en el receptor. De esta forma, para un incremento del número de canales de transmisión y recepción la capacidad total aumenta en relación con un solo canal.
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