UMTS

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), es el estándar para 3G, evolución de los sistemas GSM, definido por la 3GPP en el Release 99.

En la actualidad es el sistema que tiene más licencias de espectro en todo el mundo, con un total de 177 redes comerciales en operación.

La ventaja de UMTS que es un estándar maduro que por lo tanto está ampliamente testeado y desarrollado comercialmente.

Actualmente el desarrollo de redes con esta tecnología está creciendo aceleradamente, con la aparición de HSPA para servicios de paquetes de altas velocidades, UMTS/HSPA se convertirá en poco tiempo en la tecnología de red móvil de banda ancha más utilizada en el mundo entero.

1.4.2.1

Conceptos básicos de WCDMA

UMTS utiliza como técnica de acceso al medio WCDMA, que como su nombre lo indica utiliza la tecnología de acceso CDMA de banda ancha (es decir el acceso se hace por la multiplexación de códigos en un mismo ancho de banda de 5MHz).

Los principales beneficios de esta técnica incluyen la alta eficiencia espectral para voz y datos, servicios de voz y datos simultáneos, alta densidad de usuarios con bajos costos de infraestructura, soporte para aplicaciones de banda ancha y una clara migración a VoIP en el futuro.

En UMTS Release 99, la velocidad teórica máxima alcanzada en el downlink es de 2 Mbps. A pesar de esto, por las capacidades de los terminales y el espectro disponible las redes comerciales utilizan la velocidad máxima de 768Kbps o 384Kbps en downlink y 384Kbps en el uplink (para velocidades mayores se utiliza HSPA).

WCDMA tiene menor latencia que EDGE, llegando a los 100 a 200 ms. medidos en redes instaladas actualmente. A pesar que Release 99 ofrece atractivos servicios de datos, estos se vuelven más atractivos y eficientes con HSPA.

Las principales características de WCDMA se describen a continuación: Spreading

El ancho de banda utilizado para WCDMA son 5 MHz en los cuales se transmiten 3,84 Mchips/sec. La información de cada usuario (bits de datos de cada usuario) se esparsen en todo este ancho de banda, multiplicando la información por una secuencia de código (cuasi randómica) denominada código de spreading. Cuanto más larga sea esa secuencia de spreading menor velocidad de datos útil tendrá el usuario.

Las diferentes velocidades se determinan con el factor de spreading (esparcimiento en el ancho de banda) que tenga asignada la conexión.

Con mayor spreading, por ejemplo para la voz, el stream de datos tiene mayor redundacia por lo que el operador puede usar más canales para ese tipo de conexiones. En cambio los canales de datos de alta velocidad utilizan factores de spreading (SF) menores para conseguir más velocidad pero la cantidad de canales disponibles de estos es menor.

Por ejemplo los canales de voz utilizan SF de 128 o 256 mientras que los canales de datos de 384Kbps utilizan un SF de 8.

Las velocidades alcanzadas actualmente en WCDMA Release 99 dependen del RAB asignado por la red. Los valores posibles pueden ser, 768, 384,128, 64, 32 y 16 Kbps. Las diferentes velocidades corresponden a diferentes SFs. De todas formas, como en todos los sistemas inalámbricos, la velocidad depende de las condiciones de radio. Los RABs asignados a un usuario se ajustan continuamente dependiendo de los recursos de radio disponibles, de las condiciones del entorno de radio y de los parámetros de QoS que tenga definido el servicio para ese usuario.

Control de potencia

El control de potencia en los sistemas CDMA es crítico. El control de potencia debe asegurar que solamente se utiliza la potencia necesaria y sólo la necesaria para cada conexión tanto en el uplink como en el downlink.

De los dos sentidos el más crítico es el uplink, ya que lo deseable es que todos los móviles lleguen a ser detectados por la estación base con la misma potencia para que todos contribuyan de la misma forma a la interferencia total del sistema. No puede pasar que un usuario, tal vez el más cercano, al transmitir con mayor potencia no deje recepcionar a ningún otro usuario del sistema, siendo él el único detectado. Esto se maneja con el control de potencia.

En cuanto al sentido downlink, la mejora del control de potencia es en la capacidad del sistema. Tanto los recursos de control como de tráfico de usuarios se distribuyen la potencia total de la celda, cada recurso utiliza un porcentaje de la potencia total. Por esta razón, controlando que la potencia usada por cada recurso sea la justa y no por demás, estamos resguardando capacidad en la celda.

Softer y Soft handovers

El proceso de soft handover se refiere al proceso que permite que una conexión sea servida simultáneamente por muchas celdas, es decir añadiendo o sacando celdas según sea conveniente. El caso de softer es cuando las celdas que atienden a la conexión simultáneamente pertenecen a la misma estación base (denominada NodoB). Esto es posible en sistemas WCDMA porque todas las celdas utilizan la misma frecuencia y sólo se identifican unas de otras por el código. El usuario entonces puede detectar diferentes celdas solamente procesando la señal. En la figura 17 se observa el mencionado mecanismo.

Figura 17. Mecanismo de Sof handover

Este mecanismo mejora el control de potencia en el uplink, ya que los móviles que están en el borde las celdas transiten a menor potencia porque tienen dos o más links.

En el RNC (Radio Network Controler) se produce la combinación de las señales recibidas por los diferentes links aumentando la sensibilidad en la recepción. En cuanto al downlink aumenta la capacidad y la confiabilidad del enlace (también por la ganancia de diversidad introducida).

1.4.2.2

Arquitectura de red

La arquitectura de la red de acceso UMTS (UTRAN), como se observa en la figura 18, consta de estaciones base (denominadas Nodos B) que se conectan a los RNCs (Radio Network Controllers). Estos últimos son los que dan conectividad al Core (que como ya adelantamos es el mismo que utilizan los sistemas existentes, GSM/GPRS/EDGE).

Figura 18. Arquitectura de UTRAN (UMTS Radio Access Network)

Comparada con la arquitectura de un sistema GSM los únicos elementos nuevos que se introducen son los Nodos B y los RNC que vienen a reemplazar las BTS (Base Station Transceiver) y los BSC (Base Station Controller) de GSM respectivamente, cumpliendo prácticamente las mismas funciones.

Lo que se agrega en el RNC son las interfaces Iu-Cs (para el core de circuitos) e Iu-PS (para el core de paquetes) completamente integradas en el RNC.

Las interfaces son similares también, salvo por la interfaz Iur, que es la que permite el soft handover entre celdas de distintos RNCs.

En general la arquitectura no cambia frente a los releases nuevos (R4, R5, R6, R7) solamente cambian detalles como por ejemplo la transmisión por ATM en R99 pasa a ser IP en Release 5.

1.4.2.3

Servicios en R99

Hay una gran gama de servicios son facilitados por esta tecnología. Como vimos en la sección anterior UMTS trabaja con servicios en el dominio de conmutación de circuitos y también con servicios por conmutación de paquetes.

En la red de conmutación de circuitos los servicios ofrecidos son los de voz y videollamada principalmente, a tasas de 12,2 Kbps utilizado para voz AMR y de 64Kbps utilizado para videollamada. Si bien este servicio es propio de esta nueva tecnología, no ha tenido el éxito que se esperaba, ya que en las redes actualmente implementadas su uso muy escaso.

En cuanto a la red de conmutación de paquetes hay una amplia gama de servicios que se ofrecen, como por ejemplo el streamming de video y audio, PoC, servicio de mensajería, servicio de navegación a Internet, etc.

También han aparecido servicios basados en localización con la ayuda de los GPS instalados en los terminales.

Para poder manejar toda esta gama de servicios de manera eficiente, cumpliendo con los requerimientos impuestos por cada uno, UMTS emplea una arquitectura de QoS para el tráfico de datos que se divide en cuatro clases fundamentales:

1. Conversacional: tiempo real, interactivo con control de ancho de banda y retardo mínimo, como para servicios VoIP o video conferencia.

2. Streaming: transferencia continua de datos, con ancho de banda controlado y algo de retardo, como para servicios de video y audio.

3. Interactivo: tráfico interactivo, sin control de ancho de banda, con algún retardo, para servicios como Web browsing.

4. Background: tráfico de baja prioridad de datos, no es de tiempo real, como por ejemplo transferencia de archivos.

Esta arquitectura de QoS involucra negociación y priorización de tráfico en el acceso de radio, en el core y en las interfaces con las redes externas como es Internet.

Las aplicaciones negocian los parámetros de QoS en toda la red, esta capacidad es esencial para la expansión de las aplicaciones soportadas, particularmente para incluir aplicaciones multimedia incluyendo video telefonía paquetizada y Voz sobre IP.

1.4.2.4

Espectro de radio

Un aspecto importante en el desarrollo de las redes inalámbricas es la cantidad de bandas de espectro disponible para la implementación de la tecnología.

Hoy por hoy es cada vez más complicada la elección de este punto, considerando la cantidad de operadores y tecnologías existentes en las redes celulares. En las siguientes figuras extraídas de [22], se muestran las principales bandas para el desarrollo de tecnologías 3GPP.

Figura 19a. Bandas FDD disponibles para el desarrollo de tecnologías del 3GPP.

1.4.2.5

Evolución

Además de incentivar las nuevas tecnologías de acceso inalámbrico, el 3GPP busca reconocer las fortalezas y debilidades de cada tecnología explotando las capacidades únicas de cada uno. Por esto trabaja en optimizar al máximo estándares ya maduros y desplegados por el mundo entero, por ejemplo definiendo estándares como “Evolved EDGE”. Además de esto especificaciones como HSDPA, HSUPA, HSPA+ sacan el máximo provecho a la tecnología UMTS mencionada anteriormente, como veremos a continuación sin más que agregando a la infraestructura de red, funcionalidades de software.

Finalmente, aprovechando las técnicas OFDM, 3GPP define la tecnología LTE que aumenta significativamente la performance del sistema celular.

Si bien implica un cambio en el acceso, esta tecnología es compatible con todos los estándares anteriores, posibilitando redes GSM/GPRS/UMTS/HSPA/LTE. En el siguiente esquema se muestran la evolución de las diferentes tecnologías inalámbricas.

Figura 20. Evolución de las diferentes tecnologías inalámbricas, fuente [22]