Avance de tiempo

El avance de temporización ( TA ) es una corrección de tiempo aplicada a las transmisiones de los usuarios en redes celulares GSM , LTE y 5G NR . Se utiliza para compensar las diferencias en los tiempos de llegada de la señal a la estación base , causadas por las diferentes distancias de propagación de los usuarios dentro de la misma celda . De esta manera, las señales de enlace ascendente de los diferentes usuarios se reciben alineadas con la temporización esperada de la red, evitando la interferencia entre usuarios . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Esta corrección tiene una granularidad limitada , cuyo valor depende de la tecnología celular específica. Debido a que los retardos de propagación no se pueden estimar perfectamente, los sistemas de comunicación incluyen un intervalo de guarda para tolerar pequeños errores de sincronización residuales. En GSM, esto se logra mediante un período de guarda entre ranuras de tiempo , ^{[ 4 ] [ 5 ]} mientras que en LTE y 5G NR la misma función la proporciona el prefijo cíclico . ^{[ 6 ]}

El valor de corrección inicial es estimado por la estación base a partir del tiempo transcurrido entre una transmisión de enlace descendente y la recepción de enlace ascendente correspondiente , lo que refleja el tiempo de ida y vuelta de la señal . En consecuencia, el valor máximo de avance de temporización está directamente relacionado con el doble del radio máximo de la celda. ^{[ 7 ]}

Una vez que el equipo del usuario se conecta a la red celular , la estación base realiza mediciones sucesivas de avance de tiempo. Estas comparan continuamente el instante de recepción de enlace ascendente esperado con el tiempo de llegada real medido y ordenan ajustes de tiempo a cada usuario en consecuencia. ^{[ 8 ]}

In GSM, timing advance is used in combination with the time-division multiple access radio interface, where multiple users share the same frequency channel by transmitting in different time slots.^[9][10] To ensure correct synchronization, mobile devices must transmit slightly earlier than their nominal transmission time so that their signals arrive within the assigned slot at the base station. The timing advance value is determined by the base station after measuring the propagation delay between downlink and uplink transmissions during an active connection. It is then periodically updated and communicated to the mobile device, allowing synchronization to be maintained as the user moves within the cell. In standard GSM operation, these updates are typically transmitted about twice per second.^[11][12]

The timing advance value can range from 0 to 63, with each increment corresponding to one bit period, approximately 3.69${\displaystyle \,\mu s}$. Since radio waves propagate at approximately the speed of light, each increment corresponds to a change of about 550${\displaystyle \,m}$ in the distance between the mobile device and the base station. This limits the maximum supported cell radius under standard GSM operation to approximately 35${\displaystyle \,km}$.^[13]

When a new connection is established or during a handover between cells, the timing advance procedure must be initialized before normal traffic transmission can begin. If no prior timing information is available, the mobile device initially transmits special access bursts without timing correction, allowing the base station to estimate the propagation delay and determine the required timing advance value.^[14][15]

In some scenarios, such as rural or maritime deployments, the standard GSM range of approximately 35 kilometers may not be sufficient. In these cases, an extended timing advance feature is available in GSM 400, where the base station increases the uplink reception window, allowing communication over larger distances (roughly 120 km) at the cost of reduced spectral efficiency.^[16][17]

In LTE, timing advance is used in the uplink SC-FDMA system to ensure that transmissions from different user equipments arrive time-aligned at the eNodeB. The timing advance granularity is ${\displaystyle 0,52\,\mu s}$, meaning that users whose distances from the eNodeB differ by less than ${\displaystyle 78\,m}$ are assigned the same timing advance value. The maximum timing advance in LTE (converted in seconds) corresponds to ${\displaystyle 0,67\,\mathrm {ms}}$, lo que equivale a un rango celular máximo de aproximadamente${\displaystyle 100\,km}$. ^{[ 18 ]}

En el modo de implementación TDD , se requiere un elemento adicional.${\displaystyle 20\,\mu s}$Se añade un desfase a la corrección del avance de temporización para permitir que el eNodeB tenga tiempo de cambiar de recepción a transmisión. Como resultado, las transmisiones de enlace ascendente llegan ligeramente antes de la temporización nominal de la trama de red , lo que garantiza que el eNodeB pueda comenzar la siguiente transmisión de enlace descendente en el momento programado correcto. ^{[ 19 ]}

Se inicia un temporizador de validez cuando el UE recibe un valor de avance de temporización. Si el temporizador expira, la información actual de avance de temporización se considera no fiable y el UE debe restablecer la sincronización de enlace ascendente mediante el procedimiento de acceso aleatorio (RACH). ^{[ 20 ]}

El valor inicial del avance de temporización se determina durante el procedimiento de acceso aleatorio. Durante la conexión, el avance de temporización se ajusta continuamente en función de las mediciones realizadas por la estación base (eNodeB) sobre las señales de enlace ascendente transmitidas por el equipo de usuario (UE). Al comparar la temporización de recepción esperada con la real, la estación base estima el error de temporización y envía un valor de corrección al equipo de usuario. ^{[ 21 ]}

El valor de avance de temporización también puede ser aprovechado por el método de localización Enhanced Cell ID para estimar la distancia entre el UE y la estación base de servicio. Sin embargo, el valor medido incluye el retardo total de ida y vuelta entre el UE y la red, incluidos los retardos introducidos por el hardware después del procesamiento de banda base en ambos lados. Por esta razón, la red LTE compensa estos retardos adicionales para mejorar la precisión de la estimación de la distancia. ^{[ 22 ]}

A partir de la versión 11 de 3GPP , LTE admite la agregación de portadoras entre celdas no colocalizadas, permitiendo asignar diferentes valores de avance de temporización a diferentes celdas de servicio. Los grupos de celdas que comparten el mismo valor de avance de temporización para un UE determinado se denominan Grupos de Avance de Temporización (TAG). ^{[ 23 ]}

5G NR hereda la mayoría de los mecanismos de avance de temporización introducidos en LTE . Sin embargo, NR introduce el concepto de numerología , que permite el uso de diferentes espaciamientos de subportadoras y, en consecuencia, duraciones de símbolos OFDM más cortas . A medida que las duraciones de los símbolos OFDM se acortan, el mismo error de temporización tiene un mayor impacto relativo en la alineación de la señal, lo que aumenta la interferencia entre las transmisiones de enlace ascendente de diferentes usuarios. Por consiguiente, las numerologías más altas requieren una granularidad de avance de temporización más fina. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Por esta razón, en 5G NR, la granularidad del avance de tiempo viene dada por${\displaystyle {\frac {0.52\,\mu s}{2^{\mu }}}}$, dónde${\displaystyle \mu }$denota el índice numerológico asociado con el espaciado de subportadoras. Para${\displaystyle \mu =0}$, correspondiente a un espaciado de subportadoras de${\displaystyle 15\,kHz}$, la granularidad del avance de tiempo es idéntica a LTE. Para${\displaystyle \mu =5}$, correspondiente a un espaciado de subportadoras de${\displaystyle 480\,kHz}$, el paso de avance de sincronización se reduce a aproximadamente${\displaystyle 16\,ns}$, lo que corresponde a una resolución de distancia de aproximadamente${\displaystyle 2.44\,m}$. Para${\displaystyle \mu =0}$, el avance de tiempo máximo admitido por NR corresponde aproximadamente a${\displaystyle 2\,ms}$lo que se traduce en un rango celular máximo de aproximadamente${\displaystyle 300\,km}$Este alcance extendido permite que NR admita escenarios de despliegue que requieren una cobertura celular significativamente mayor en comparación con las generaciones anteriores de redes celulares. ^{[ 26 ]}

• Agregación de portadoras
• Prefijo cíclico
• multiplexación por división de frecuencia ortogonal
• Canal de acceso aleatorio
• Retraso en el viaje de ida y vuelta
• FDMA de portadora única

• Ahmadi, Sassan (2013). LTE-Advanced: Un enfoque práctico de sistemas para comprender las tecnologías de acceso radioeléctrico de las versiones 10 y 11 de LTE de 3GPP . Academic Press. ISBN 9780124051621.
• Ahmadi, Sassan (2019). 5G NR: Arquitectura, tecnología, implementación y operación de los nuevos estándares de radio 3GPP . Academic Press. ISBN 978-0128134023.
• Johnson, Chris (2012). Evolución a largo plazo en Bullets (2.ª  ed.). Johnson. ISBN 978-1478166177.
• Johnson, Chris W. (2019). 5G: Nueva radio en balas . Chris Johnson. ISBN 978-1077484351.
• Mouly, Michel; Pautet, Marie-Bernadette (1992). El sistema GSM para comunicaciones móviles . Telecom Publishing. ISBN 9782950719003.
• Vanelli-Coralli, Alessandro; Chuberre, Nicolás; Masini, Gino; Guidotti, Alejandro; El Jaafari, Mohamed (2024). Redes no terrestres 5G: tecnologías, estándares y diseño de sistemas . John Wiley e hijos. ISBN 978-1119891154.

• 3GPP – Portal de especificaciones .
• 3GPP – Descripción general de las redes no terrestres .
• "Avance de sincronización LTE" . ShareTechnote .
• "Avance en la sincronización de 5G NR" . ShareTechnote .
• "Avances de sincronización múltiple para la agregación de portadoras de enlace ascendente" . Cómo funciona LTE .