REDES CELULARES
En este momento el desarrollo tecnológico ya posibilita un sistema
totalmente nuevo: UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).
Actualmente el sistema sigue siendo desarrollado, tanto en
términos de tecnología y de mercadeo.
Los avances que en
materia de sistemas de tercera generación adelanta la Unión Internacional de
Telecomunicaciones (ITU), a finales de los años ochenta, se denominaron en un
principio como Futuros Sistemas Públicos de Telecomunicaciones Móviles
Terrestres (FPLMTS – Future Public Land Mobile Telecommunication System)
Actualmente se le ha cambiado de nombre y se habla del Sistema de
Telecomunicaciones Móviles Internacionales (IMT-2000, International Mobil
Telecommunication-2000) creado con el objetivo de valorar y especificar l
os requisitos de las normas celulares del futuro para la prestación de servicios de datos y multimedia a alta velocidad
os requisitos de las normas celulares del futuro para la prestación de servicios de datos y multimedia a alta velocidad
IMT International Mobil Telecomunications
IMT-2000 es una
norma de la ITU para los sistemas de la 3a. generación que proporcionará acceso
inalámbrico a la infraestructura de telecomunicaciones global por medio de los
sistemas satelitales y terrestres, para dar servicio a usuarios fijos y móviles
en redes públicas y privadas en siglo XXI.
Objetivos de
IMT2000
Los objetivos primarios de ITU para
IMT-2000 son:
·
La eficacia
operacional, particularmente para los datos y servicios de multimedia,
·
Flexibilidad
y transparencia en la provisión de servicio global,
·
La tecnología conveniente para reducir la falta de telecomunicaciones,
es decir ofrecer un costo accesible para millones de personas en el mundo que
todavía no tienen teléfono.
·
La
incorporación de toda una variedad de sistemas.
·
Alto grado
de uniformidad de diseño a escala mundial.
·
Alto nivel
de calidad, comparable con la de una red fija.
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·
Utilización
de una terminal de bolsillo a escala mundial.
·
La conexión
móvil-móvil y móvil-fijo.
·
La
prestación de servicios por más de una red en cualquier zona de cobertura.
REQUERIMIENTOS DE UN SISTEMA DE TERCERA
GENERACIÓN
·
Alta velocidad en transmisión de datos, hasta 144 Kb/s, velocidad de
datos móviles (vehicular); hasta 384 Kb/s, velocidad de datos portátil
(peatonal) y hasta 2 Mb/s, velocidad de datos fijos (terminal estático).
·
Transmisión
de datos simétrica y asimétrica.
·
Servicios de conmutación de paquetes y en modo circuito, tales como
tráfico Internet (IP) y video en tiempo real.
·
Calidad de
voz comparable con la calidad ofrecida por sistemas alámbricos.
·
Mayor capacidad y mejor eficiencia del espectro con respecto a los
sistemas actuales.
·
Capacidad
de proveer servicios simultáneos a usuarios finales y terminales.
·
Incorporación de sistemas de segunda generación y posibilidad de
coexistencia e interconexión con servicios móviles por satélite.
·
Itinerancia
internacional entre diferentes operadores (Roaming Internacional).
Los sistemas de tercera generación deberán
proveer soporte para aplicaciones como:
·
Voz en
banda estrecha a servicios multimedia en tiempo real y banda ancha.
·
Apoyo para datos a alta velocidad para navegar por la world wide web,
entregar información como noticias, tráfico y finanzas por técnicas de empuje y
acceso remoto inalámbrico a Internet e intranets.
·
Servicios
unificados de mensajes como correo electrónico multimedia.
·
Aplicaciones de comercio electrónico móvil, que incluye operaciones
bancarias y compras móviles.
·
Aplicaciones audio/video en tiempo real como videoteléfono,
videoconferencia interactiva, audio y música, aplicaciones multimedia
especializadas como telemedicina y supervisión remota de seguridad.
En Europa,
el Instituto Europeo de Telecomunicaciones (ETSI) ha propuesto la norma
paneuropea de tercera generación UMTS (Universal Mobile telecommucation
System).
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UMTS es
miembro de la familia global IMT-2000 del sistema de comunicaciones móviles de
"tercera generación" de UIT.
En Estados Unidos
el Instituto Americano de Estándares (ANSI) sigue trabajando en la evolución de
sistemas AMPS/IS-136 y CDMA/IS-95. Por otra parte, en Japón la Asociación de
Industrias de la Radio y Radiodifusión (ARIB) también está trabajando en CDMA
para la elaboración de normas de tercera generación.
Los organismos
regionales de normalización ETSI (Europa), TIPI (EUA), ARIB (Japón) y TTA
(Corea) trabajaron en propuestas separadas de la norma W-CDMA, estos entes
regionales sumaron esfuerzos en el Proyecto de Asociación 3G (3GPP), y hoy en
día existe una norma conjunta W-CDMA.
La ITU recibió tres
familias de propuestas PDD (WCDMA, cdma 2000 y UWC 136) y tres propuestas TDD
(UTRA /TDD, TDD-SCDMA y DECT). Posteriormente se han coordinado esfuerzos para
armonizar los candidatos IMT- 2000 y finalmente disponer de las normas
comprimidas de 3era Generación.
Asignación del espectro para IMT-2000
La asignación de
espectro para IMT-2000 se realizó en la Conferencia Administrativa Mundial de
Radiocomunicaciones 1992, WARC 92, asignando 230 MHz en las bandas 1885-2025
MHz y 2110-2200 MHz
IMT-2000 comprende
también una componente satelital que facilitará los aspectos de roaming
internacional, así como la obtención de comunicaciones en lugares donde no haya
disponibilidad de sistemas terrestres, complementando las celdas Macro, micro y
pico.
Debido al
crecimiento de Internet, las Intranets, el correo y el comercio electrónico y
los servicios de transmisión de imágenes y sonido; han elevado la demanda de
servicios de banda ancha, teniéndose que incrementar los requerimientos de
espectro para IMT-2000.
La Conferencia
Mundial de Radiocomunicaciones WRC-2000 celebrada en Estambul en el año 2000,
proporciona tres bandas extras quedando compuesto el espectro para IMT-2000 de
la siguiente forma:
Interfases de aire IMT-2000
Uno de los
elementos mas importantes para la definición de las características operativas
del IMT-2000, es la selección de la Tecnología de Transmisión e Radio (RTT),
también
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denominada
interfase de aire, parte del sistema que transporta una llamada entre la
estación base o móvil y la terminación del usuario.
En 1998 la UIT
denominó RTT (Radio Transmission Technology) a las tecnologías que harían de
interfaz de aire entre las estaciones base y los terminales móviles. Las
distintas interfaces propuestas ante la Unión Internacional de
telecomunicaciones están basadas en CDMA que se acompañan de tres modalidades
de operación, cada una de las cuales podría perfectamente funcionar sobre la
red base de GSM (GSM-MAP) y sobre la red base CdmaOne (IS-41).
Las
especificaciones técnicas de las RTT terrestres fueron aprobadas en la WRC-2000
y se definieron como sigue:
·
IMT-2000 CDMA Direct Spread (UTRA W-CDMA)
·
IMT-2000
CDMA Multi-Carrier (CDMA-2000)
·
IMT-2000
CDMA TDD (UTRA TD-CDMA)
·
IMT-2000 TDMA Single-Carrier (UWC-136)
·
IMT-2000
FDMA/TDMA (DECT).
EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS CELULARES A 3G
Los
distintos entes involucrados en los sistemas 3G han propuesto, básicamente, dos
sistemas de tercera generación: CDMA2000 Y UMTS.
En los
siguientes diagramas se muestra la evolución de los sistemas celulares hacia la
tercera generación.
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CAMINO EVOLUTIVO DE LAS REDES CDMA
El camino evolutivo
de CDMA a IMT-2000 empieza con la propuesta de Qualcomm de un nuevo sistema
basado en técnicas de espectro ensanchado. Esta propuesta, que luego fue
estandarizada como IS-95, es el primer sistema CDMA móvil en desarrollo
comercial. El acceso de multiplexación por división de códigos de banda
estrecha (CDMA) IS-95 estipula un espaciamiento de portadora de 1.25MHz para
servicios de telefonía. La Telecomunications Industry Association
"TIA" empezó a definir esta especificación en 1991.
En el
siguiente esquema se muestra el camino evolutivo que tiene que seguir las redes
CDMA para llegar a 3G.
CdmaOne
Es un nombre
comercial de marca registrada, reservado para uso exclusivo de las empresas que
son miembros de CDG (Cdma Development Group). El mismo describe un sistema
inalámbrico completo que incorpora la interfaz aérea IS-95 CDMA y la norma de
la red ANSI-41 para la interconexión por conmutación, además de muchas otras
normas que integran el sistema inalámbrico completo.
CdmaOne / IS-95-A
La tecnología
CdmaOne / IS-95-A ofrece soporte a señales de voz conmutados por circuitos y
datos (conmutados por circuitos o paquetes), con velocidades de hasta 14,4kbps.
Debido al enfoque inicial de proveedores y operadoras en señales de voz.
Históricamente la CdmaOne/IS-95-A ha sido utilizada sólo para voz conmutada por
circuitos y, más recientemente, para un pequeño volumen de datos conmutados por
circuitos.
CdmaOne/IS-95-B
La tecnología
CdmaOne/IS-95-B ofrece soporte a señales de voz conmutados por circuitos y
datos, conmutados por paquetes. Las empresas KDDI, en Japón, y SKT, en Corea,
están implementando esa tecnología desde 1999. En teoría, ella provee tasas de
datos de hasta 115kbps, y alcanza, generalmente, valores prácticos de 64kbps.
La CdmaOne/IS-95-B ahora está siendo sustituida por la CDMA2000 1X, de mayor
capacidad y velocidad, y difícilmente será implementada en otras regiones.
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Cdma2000
Identifica la norma
TIA para tecnología de tercera generación, que es un resultado evolutivo de
CdmaOne, el cual ofrece a los operadores que han desplegado un sistema CdmaOne
de segunda generación, una migración transparente que respalda económicamente
la actualización a las características y servicios 3G, dentro de las
asignaciones del espectro actual, tanto para los operadores celulares como los
de PCS. La interfaz de red definida para cdma2000 apoya la red de segunda
generación de todos los operadores actuales, independientemente de la
tecnología: CdmaOne, IS-136 TDMA o GSM). La TIA ha presentado esta norma ante
la ITU como parte del proceso IMT-2000 3G.
A fin de facilitar
la migración de CdmaOne a las capacidades de cdma2000, ofreciendo
características avanzadas en el mercado de una manera flexible y oportuna, su
implementación se ha dividido en dos fases evolutivas.
Cdma2000 Fase I:
Las capacidades de la primera fase se han
definido en una norma conocida como
1XRTT. La
publicación de la 1XRTT se hizo en el primer trimestre de 1999. Esta norma
introduce datos en paquetes a 144 Kbps en un entorno móvil y a mayor velocidad
en un entorno fijo. Las características disponibles con 1XRTT representan un
incremento doble, tanto en la capacidad para voz como en el tiempo de operación
en espera, así como una capacidad de datos de más de 300 Kbps y servicios avanzados
de datos en paquetes.
Adicionalmente
extiende considerablemente la duración de la pila y contiene una tecnología
mejorada en el modo inactivo. Se ofrecerán todas estas capacidades en un canal
existente de 1.25 MHz de CdmaOne.
Cdma2000 Fase II:
La evolución de
CdmaOne, hasta llegar a las capacidades completas de cdma2000, continuará en la
segunda fase e incorporará las capacidades de 1XRTT, usara tres portadoras de
1,25 MHz en un sistema multiportadora para prestar servicios de banda ancha de
3G.
Cdma 3XRTT
proporcionará velocidad de circuitos y datos en paquete de hasta 2 Mbps,
incorporará capacidades avanzadas de multimedia e incluirá una estructura para
los
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servicios
de voz y codificadores de voz 3G, entre los que figuran los datos de paquetes
de "voice over" y de circuitos.
Cdma2000 1XEV
Basado en el
estándar 1X, el sistema 1XEV mejora la velocidad de procesamiento de datos,
obteniendo velocidades máximas de 2 Mbits/seg., sin tener que utilizar más de
1,25 MHz del espectro. Los requisitos para los operadores recién establecidos
con respecto a 1XEV establecen dos fases. En la primera Cdma2000 1XEV-DO usa un
transportista separado de 1.25 MHz para datos y ofrece velocidades de datos en
punta de 2.4 Mbps. La fase 2, Cdma2000 1X EV-DV se centra en las funciones de
datos y de voz en tiempo real, así como en la mejora del funcionamiento para
mayor eficiencia en voz y en datos.
En el
siguiente gráfico podemos apreciar las diferentes fases de las redes cdma según
su velocidad de datos y aplicaciones:
CAMINO EVOLUTIVO DE LAS REDES GSM
El camino
evolutivo de las redes GSM se va a realizar de la forma que indica el siguiente
gráfico:
High Speed
Circuit-Switched Data (HSCSD)
Estandarizado por
ETSI SMG2. Se trata de un servicio derivado de GSM que dedica múltiples ranuras
de tiempo a un sólo usuario de forma de incrementar la tasa de datos sin
cambiar la interfaz de radio alcanza velocidades de 14.4 Kbps por canal y se
obtienen modificando el código convolucional original de GSM.
Se pude
usar dos configuraciones: simétrica o asimétrica (distinto número de ranuras en
cada dirección).
Las
aplicaciones típicas corresponden a elevados volúmenes de información: fax,
acceso a bases de datos, imágenes, etc.
General Packet
Radio System (GPRS)
Estandarizado por ETSI dentro de GSM
phase2+ (2.5G).
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GPRS es un
servicio paquetizado diseñado para: transmisión frecuente de pequeños volúmenes
de datos (por ejemplo, navegación de Internet).
Transmisión
infrecuente de volúmenes moderados de datos (por ejemplo, acceso a archivos).
No está diseñado para voz paquetizada.
Ofrece servicios de transmisión
punto-a-punto (PTP) y punto-a-multipunto (PTM).
Enhanced Data
Rates for
GSM Evolution
(EDGE)
EDGE es un
estándar 3G aprobado por la ITU, y está respaldado por el Instituto Europeo de
Estándares de Telecomunicaciones (ETSI)
EDGE se
puede desplegar en múltiples bandas del espectro y complementa a UMTS (WCDMA)
Además se
puede desplegar en las bandas de frecuencia 800, 900, 1800 y 1900 MHz actuales
y puede servir como la vía a la tecnología UMTS (WCDMA).
Es una solución 3G
diseñada específicamente para integrarse al espectro existente, permitiendo así
a que los operarios ofrezcan nuevos servicios de 3G con licencias de frecuencia
existente al desarrollar la infraestructura inalámbrica actual.
Los operarios de
TDMA pueden escoger desplegar una combinación de GSM, GPRS, EDGE y UMTS (WCDMA)
en varias bandas dependiendo de la segmentación específica de sus clientes y
las estrategias del espectro.
EDGE ofrece
servicios de Internet Móvil con una velocidad en la transmisión de datos a tres
veces superior a la de GPRS.
El equipo de EDGE también opera
automáticamente en modo de GSM.
EDGE será
importante para los operarios con redes de GSM o GPRS que se desarrollarán en
UMTS; mejorar la infraestructura de GSM con EDGE es una manera eficiente de lograr
una cobertura de 3G complementaria en la red consistente al volver a emplear lo
invertido en la tecnología de 2G.
La estrategia de EDGE consiste en:
·
Incrementar las tasas de bit de GSM
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·
Introducir
un nuevo esquema de modulación y codificación de canal
·
Re-usar
tanto de la capa física de GSM como sea posible.
·
Existen dos
modalidades: EDGE GPRS (EGPRS) y EDGE Circuit Switched Data (ECSD).
·
Usa
codificación de canal adaptativa y Modulación (GMSK y 8-PSK)
·
Soporta
tasas de bits hasta 384 Kbps usando hasta 8 ranuras GSM
·
Emplea
redundancia incremental a fin de mejorar la eficiencia en el uso del canal
·
apropiado
para aplicaciones con requerimientos de retardo relajados.
UMTS / WCDMA
Entre todas las
tecnologías consideradas para la interfaz de aire de UMTS, ETSI eligió en enero
de 1998 la nueva tecnología WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), en
operación FDD (Frequency Division Duplex) espectro pareado, aunque también se ha
tenido en cuenta la TD/CDMA en operación TDD (Time Division Duplex) espectro
no-pareado para uso en recintos cerrados, lo que constituye la solución llamada
UTRA. WCDMA es una técnica de acceso múltiple por división de código que emplea
canales de radio con una ancho de banda de 5 MHz.
ARQUITECTURA DEL SISTEMA
Una de las ideas
generales del IMT-2000 es brindar servicios en cualquier parte del mundo a
través del empleo de diversas tecnologías integradas en un solo sistema,
ajustándose a diferentes entornos geográficos y densidades de tráfico. Por lo
tanto, se ha establecido una estructura de capas de células, clasificándose en
cuatro categorías, las cuales pueden funcionar simultáneamente dentro de una
misma área geográfica.
·
Megacélulas: tienen radios desde 100 hasta 500 Km. Ofrecen amplia
cobertura para zonas con baja capacidad de tráfico a través del uso de
satélites no geoestacionarios. Soportan velocidades de estaciones móviles
elevadas.
·
Macrocélulas: tienen radios desde 1 hasta 35 Km. Se emplean para
ofrecer coberturas en lugares rurales, carreteras y poblaciones cercanas.
·
Microcélulas: tienen radios desde 50 m hasta 1 Km. Ofrecen servicio a
usuarios fijos o que se muevan lentamente con elevada densidad de tráfico.
·
Picocélulas: tienen radios menores a 50 m. Ofrecen coberturas
localizadas en interiores.
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QUÉ ES LA 4G
La Union
Internacional de Telecomunicaciones (www.itu.ch) es una de las organizaciones
que ha puesto las directivas o lineamientos de los atributos que deben tener
algunos servicios o tecnologías como la telefonía celular. La ITU como
autoridad reconocida internacionalmente puso orden cuando varias compañías
empezaron a ofrecer servicios de 3G sin cumplir con los requerimientos mínimos
establecidos por esta organización. A las compañías celulares que ofrecerían
servicios que no cumplieron con lo definido por la ITU para 3G, se les conoció
como servicios de 2.5G.
Con la llegada de
la 4G, la ITU-R (la división de radiocomunicaciones de la ITU) redactó un
documento conocido como 4G/IMT, donde establece los requerimientos mínimos para
los servicios de cuarta generación, y así poner orden desde el principio. En
este documento la ITU ha establecido que la 4G "deberá ser una red
completamente nueva, una red de redes y un sistema de sistemas integrados
totalmente basados en el protocolo IP, resultado después de la convergencia de
las redes cableadas e inalámbricas". Las redes 4G serán enteramente por
conmutación de paquetes IP.
De acuerdo con la
ITU, las redes de 4G serán capaces de proveer velocidades de datos de bajada de
100 Mbps y 1 Gbps, en ambientes exteriores (móviles) e interiores (fijos),
respectivamente. Para que se den una idea, la ITU estableció una velocidad
máxima de 2 Mbps en ambiente de interiores para las redes de 3G, las
velocidades esperadas para la 4G superan por mucho esa cifra. Las redes 4G
tendrán calidad de servicio (QoS) y alta seguridad extremo a extremo. Ofrecerán
cualquier tipo de servicio en cualquier momento, en cualquier lugar, con
interoperatibilidad transparente, siempre activo, con costo accesible, en un
sólo recibo y totalmente personalizado.
Los puntos
claves del documento 4G/IMT de la ITU-R para la cuarta generación son los
siguientes:
·
Alto grado de coincidencia de la funcionabilidad en todo el mundo,
manteniendo al mismo tiempo la flexibilidad necesaria para soportar una amplia
gama de servicios y aplicaciones a un costo eficiente.
·
Compatibilidad
de servicios con las redes móviles y con las redes fijas.
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·
Capacidad
de interconexión con otros sistemas de radio.
·
Alta
calidad en los servicios móviles.
·
Aplicaciones,
servicios y equipos amigables al usuario
·
capacidad
de conexión mundial (roaming)
·
Altas
velocidades de datos para soportar servicios y aplicaciones avanzadas.
Por último las tecnologías de radio de 4G
deberán incluir:
· OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple
Access), un esquema de modulación multiportadora altamente eficiente
· MIMO (Multiple Input Multiple Output), un
sistema de múltiples antenas que minimiza los errores de datos y la velocidad.
EVOLUCION DE LA REDES CELULARES
El diseño de los
sistemas inalámbricos es uno de los campos más excitantes en la Ingeniería
Eléctrica hoy en día. Las aplicaciones inalámbricas que incluyen telefonía
celular, las redes de área local inalámbrica (WLAN´s), los sistemas satelitales
de posicionamiento global (GPS), sistemas de distribución multipunto local
(LMDS), los sistemas de identificación por radio frecuencia (RFID), etc.,
constituyen un gran mercado y experimentan un crecimiento y una evolución
continua. Un ejemplo de ello y objetivo de este presente artículo es la de
presentar la evolución que ha experimentado la telefonía móvil y el estado en
que se encuentra actualmente. Los sistemas 2.5G tales como GPRS (General Packet
Radio Services) ofreció varias ventajas y posibilidades en el desarrollo de
aplicaciones en la telefonía celular, pero es evidente que nuevas necesidades
han aparecido y el usuario desea teléfonos celulares con más capacidad de
procesamiento y redes con mayores capacidades. Por ejemplo la QoS (Calidad de
Servicio) no era prioritario en sistemas 2.5 G, y las tasas de bits no eran muy
altas. Por lo que la siguiente etapa en la evolución móvil son los sistemas
inalámbricos de tercera generación, conocido como 3G.
3G es una abreviatura
para la Tercera Generación de telefonía móvil. Los servicios asociados con la
tercera generación proporcionan la posibilidad para transferir tanto voz y
datos (una llamada telefónica) y datos no-voz (como la descarga de programas,
intercambio de correo-e, y mensajería instantánea). Como sistema emergente, es
muy importante establecer las estrategias adecuadas para lograr una migración
apropiada, es decir, los sistemas 3G deben de incluir al mismo tiempo las
funcionalidades de 2.5G y 2G.
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Tecnologías contendientes por la 4G
En la actualidad
hay dos tecnologías contendientes para la cuarta generación de telefonía móvil.
Por un lado se encuentra WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave
Access), y por el otro LTE (Long-Term Evolution).
WiMAX es un sistema
de comunicación digital inalámbrico definido en el estándar del IEEE 802.16
para redes de área metropolitana (MAN, Metropolitan Area Network). Provee comunicaciones
de banda ancha con cobertura de hasta 50 kms para estaciones fijas o de 5 a 15
kms para estaciones móviles. El estándar 802.16m, conocido como WiMAX móvil, es
el que se empleará por las compañías celulares para servicios de 4G. LTE,
mientras tanto, es una tecnología definida por la organización 3GPP (3rd
Generation Partnership Project, www.3gpp.org) en donde participan más de 60
operadores, fabricantes e institutos de investigación que están participando en
conjunto para definir los estándares de LTE.
Ambas tecnologías
técnicamente son muy similares, en la forma de transmitir las señales y en las
velocidades de transmisión. Tanto LTE, como WiMAX, utilizan MIMO, es decir, la
información es enviada en dos o más antenas por celda para mejorar la recepción.
Ambos sistemas también utilizan OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing), una
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