TRABAJO DE DIPLOMA. Propuesta teórica para la implementación de la banda ancha móvil con tecnología LTE/SAE. Autor: Luis Manuel García Pino.

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Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

“Propuesta teórica para la implementación de la banda ancha

móvil con tecnología LTE/SAE”.

Autor: Luis Manuel García Pino. Tutor: Msc. David Beltrán Casanova.

Santa Clara 2011

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Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

“Propuesta teórica para la implementación de la banda ancha

móvil con tecnología LTE/SAE”.

Autor: Luis Manuel García Pino. Email: luismg@uclv.edu.cu Tutor: Msc. David Beltrán Casanova.

Profesor Asistente, Dpto. Electrónica y Telecomunicaciones, Facultad de Ingeniería Eléctrica, UCLV.

Email: dbeltranc@uclv.edu.cu

Santa Clara 2011

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“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicado sin autorización de la Universidad.

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Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

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Firma del Autor

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Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo

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Firma del Responsable de Información Científico-Técnica

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EXERGO

“…la banda ancha es el próximo hito, la próxima tecnología capaz de transformar la sociedad, generar puestos de trabajo, impulsar el crecimiento y la productividad, y sustentar la competitividad económica a largo plazo.”

Dr. Hamadoun I. Touré

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AGRADECIMIENTOS

A todos mis compañeros y amigos entrañables,

A mis profesores, que me formaron como profesional, y en especial a mi tutor.

A Abdel Chao Roselló y a Félix Javier Paliza, por su valiosa colaboración en esta investigación.

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TAREA TÉCNICA

1. Realizar una revisión bibliográfica y estudiar los principales sistemas de comunicaciones móviles que conforman la Primera, Segunda y Tercera Generación.

2. Estudiar los principios teóricos del estándar de comunicaciones móviles LTE/SAE.

3. Proponer el equipamiento necesario para implementar una red de banda ancha móvil con tecnología LTE/SAE en Cuba.

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Firma del Autor

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RESUMEN

Este trabajo de diploma está motivado por la necesidad de evolucionar hacia nuevas tecnologías móviles que sean capaces de asimilar el aumento del tráfico inalámbrico y la migración de los servicios de telecomunicaciones hacia las redes celulares. En particular, el acceso a Internet de banda ancha ha devenido motor impulsor del desarrollo social y económico de las naciones, principalmente aquellas en vías de desarrollo. Por tanto, se hace necesario modernizar las redes celulares existentes de segunda y tercera generación.

En consecuencia, el objetivo principal de este trabajo es proponer una solución de red con tecnología LTE/SAE que soporte la banda ancha móvil. Los objetivos específicos comprenden el estudio de los principales estándares de comunicaciones móviles, la descripción del proceso evolutivo experimentado por las distintas generaciones, el análisis y procesamiento de especificaciones y reportes técnicos publicados sobre el estándar LTE/SAE, así como la caracterización de sus aspectos teóricos más relevantes.

Como resultado, se abordan variantes para modernizar las redes actuales y las características del equipamiento asociado. Se valoran las posibles opciones atendiendo a los proveedores contratados y la configuración de la infraestructura celular en Cuba para, finalmente, concretar la propuesta de implementación.

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ÍNDICE

EXERGO ... i AGRADECIMIENTOS ... iii TAREA TÉCNICA ... iv RESUMEN ... v INTRODUCCIÓN ... 1

CAPÍTULO 1. DESARROLLO DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES ... 4

1.1 Sistemas de Primera Generación. ... 4

1.1.1 Sistemas PMR. ... 4

1.1.2 Sistemas PMT. ... 5

1.1.3 Estándar IMTS. ... 7

1.1.4 Estándar AMPS. ... 8

1.1.5 Estándar TACS. ... 10

1.2 Sistemas de Segunda Generación. ... 12

1.2.1 Estándar GSM. ... 13

1.2.2 Servicio GPRS. ... 14

1.2.3 Estándar IS-54. ... 14

1.2.4 Estándar IS-136. ... 16

1.2.5 Estándar IS-95. ... 17

1.3 Sistemas de Tercera Generación. ... 19

1.3.1 Estándar UWC-136. ... 19

1.3.2 Estándar CDMA2000. ... 21

1.3.3 Estándar W-CDMA. ... 22

1.4 Hacia la Cuarta Generación de Telefonía Móvil. ... 23

1.4.1 Antecedentes. ... 23

1.4.2 Fase de estudio. ... 24

CAPÍTULO 2. PRINCIPIOS TEÓRICOS DEL ESTÁNDAR LTE/SAE. ... 26

2.1 Objetivos y requerimientos para la evolución de 3G. ... 26

Requerimientos de capacidad. ... 26

2.1.1 2.1.1.1 Razón pico de datos... 26

2.1.1.2 Latencia del plano de control. ... 26

2.1.1.3 Capacidad del plano de control. ... 27

2.1.1.4 Latencia del plano de usuario. ... 27

Requerimientos de rendimiento. ... 27

2.1.2 2.1.2.1 Tasa efectiva de datos del usuario. ... 28

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2.1.2.3 Movilidad. ... 29

2.1.2.4 Cobertura. ... 30

2.1.2.5 Servicios multimedia de Broadcast y Multicast más avanzados. ... 30

2.1.2.6 Flexibilidad del espectro. ... 31

2.1.2.7 Sincronización de la red. ... 31

2.1.2.8 Implementación de espectro. ... 31

2.1.2.9 Escenarios de implementación. ... 32

2.1.2.10 Coexistencia e interoperabilidad con Tecnologías de Acceso Radio del 3GPP. ... 32

2.1.2.11 Arquitectura y migración. ... 33

2.1.2.12 Requisitos para la administración de recursos radioeléctricos. ... 33

2.1.2.13 Complejidad. ... 33

2.2 Fase de especificación y resultados. ... 34

Principios generales de la arquitectura E-UTRAN. ... 34

2.2.1 Arquitectura. ... 35

2.2.2 Funciones del nodo eNB. ... 36

2.2.3 Interfaz radioeléctrica. ... 37

2.2.4 Configuración de la banda de frecuencias. ... 38

2.2.5 Esquemas de transmisión. ... 38

2.2.6 Requerimientos asociados a la radiofrecuencia... 41

2.2.7 Capa física. ... 43

2.2.8 Movilidad y administración de recursos radio. ... 45

2.2.9 Soporte para auto-configuración y optimización. ... 46

2.2.10 Evolución de la arquitectura de sistema. ... 46

2.2.11 CAPÍTULO 3. PROPUESTA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED LTE/SAE. ... 50

3.1 Solución de Huawei. ... 51

BTS de distribución DBS3900. ... 52

3.1.1 Macro BTS para interiores BTS3900. ... 54

3.1.2 Macro BTS para exteriores BTS3900A. ... 54

3.1.3 Controlador de estaciones base BSC6000 R8. ... 55

3.1.4 Funciones de Gestión, Transmisión y Control. ... 56

3.1.5 Visión evolutiva de las redes existentes según Huawei. ... 56

3.1.6 3.2 Solución de Ericsson. ... 60

3.2.1 Conceptos y principios de funcionamiento. ... 60

3.2.2 Tipos de DBB´s... 61

3.2.3 Tipos de RBB´s. ... 62

3.2.4 Configuraciones radio para LTE. ... 62

3.2.5 Configuraciones radio soportadas. ... 62

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3.3 Propuesta de implementación. ... 64

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 65

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 67

GLOSARIO ... 70

ANEXOS ... 73

Anexo A. Términos y definiciones. ... 73

Anexo B. Parámetros técnicos de sistemas móviles de primera generación. ... 74

Anexo C. Arquitectura de servicio y bandas de frecuencias de LTE/SAE. ... 76

Anexo D. Equipamiento propuesto por Huawei. ... 77

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INTRODUCCIÓN

Las tecnologías de la información y las comunicaciones, han devenido elementos esenciales en el desarrollo social y económico de los países. En particular, el acceso de banda ancha a Internet, ha sido catalogado por la Organización de Naciones Unidas como un elemento esencial para el logro de los Objetivos del Milenio y la reducción de la brecha digital entre naciones.

El término banda ancha no se limita simplemente a la velocidad de una conexión de datos, ya que esta se incrementa constantemente conforme avanza la tecnología. Banda ancha también significa conexiones que están siempre disponibles, en cualquier lugar del planeta y sin necesidad de marcar un número telefónico cada vez que se desea estar en línea. Este concepto implica redes de gran capacidad que entregan enormes cantidades de información en forma de voz, datos y video simultáneamente.

Por otra parte, las predicciones indican que para el año 2015 habrá 5 mil millones de personas conectadas a Internet, demandando un acceso ubicuo y de gran capacidad (González y Marco, 2009).

El vertiginoso desarrollo experimentado por la microelectrónica y las ciencias de la computación, ha propiciado la migración de los servicios de telecomunicaciones hacia las redes móviles. En tal sentido, la evolución de los servicios inalámbricos está profundamente marcada por el incremento exponencial de usuarios de Internet y la proliferación de las redes celulares de datos. En línea con estas tendencias, ha surgido una nueva gama de prestaciones tales como el video-streaming, televisión de alta definición, oficina móvil, navegación web, juegos en red, juegos remotos interactivos, videoconferencia, redes sociales, mundos virtuales, etc. Estos servicios, hasta la fecha soportados casi exclusivamente por las redes fijas, traen consigo un incremento exponencial del tráfico de datos y demandan requisitos de capacidad superiores a los que proporcionan las redes móviles actuales (ibídem).

En tales circunstancias, los operadores de red se plantean la necesidad de encontrar nuevas soluciones que permitan responder a semejante aumento del tráfico, manteniendo los costos operacionales dentro de un margen aceptable.

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La candidata óptima para asumir este reto es la tecnología LTE/SAE (Long Term

Evolution/Service Architecture Evolution), la cual es considerada como la evolución natural

de las redes móviles de Tercera Generación (3G)1. Esta solución de red está estandarizada por el 3GPP2, lo que garantiza total integración e interoperabilidad con tecnologías antecesoras como GSM (Global System for Mobile Communication) y UMTS (Universal

Mobile Telecommunications System), al tiempo que facilita su introducción de forma

gradual y protege la inversión de los operadores de red (ibídem).

Nuestro país no debe estar ajeno a esta realidad. El estado actual de la tecnología celular es incipiente y dista mucho de la última generación. A pesar del gran esfuerzo que ha realizado el Estado y demás instituciones vinculadas al ramo, y los recursos financieros asignados al desarrollo de la infraestructura celular en Cuba, apenas se comienza a migrar hacia 3G. El operador nacional tiene la necesidad de mejorar la calidad del servicio ofrecido e introducir otros más avanzados, a fin de extender su mercado a más usuarios, disminuir los precios y los costos por concepto de operación.

Por estas razones, el objetivo principal de esta investigación es: proponer una solución teórica de banda ancha con tecnología LTE/SAE.

Sin embargo, aunque se han realizado investigaciones anteriores sobre tecnología móvil, hasta la fecha no se tiene conocimiento de estudios en torno al tema propuesto, al menos en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. El presente constituye una aproximación a las características definitorias del estándar inalámbrico LTE/SAE, a partir de la evolución y trascendencia de la banda ancha móvil a nivel internacional.

A tales efectos, este trabajo se estructura de la siguiente forma: luego de una introducción general, donde se expone la importancia, actualidad y necesidad de abordar el tema; se realiza un breve recorrido histórico por la evolución de los estándares de tecnología móvil a nivel global.

En un segundo momento, se procede a la caracterización teórico-técnica de la tecnología LTE/SAE, siendo el aspecto medular de este trabajo.

1

3G o 3-G es la abreviación de Tercera Generación de transmisión de voz y datos a través de telefonía móvil.

2

3GPP (3rd Generation Partnership Project) es un acuerdo de colaboración en materia de tecnología móvil, que fue establecido en diciembre de 1998. El objetivo del 3GPP es hacer global las aplicaciones de la 3G.

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Luego, se procede al análisis y procesamiento de la información recopilada, para, finalmente, ofrecer la propuesta teórica referida en los objetivos. Estos resultados anteceden a las conclusiones y recomendaciones, las cuales están sucedidas por el glosario de términos y los anexos.

Indagar en torno al tema de la tecnología de banda ancha móvil de última generación LTE/SAE, resulta sumamente útil, ante todo por la trascendencia, importancia y necesidad de mejorar la calidad y variedad del servicio inalámbrico en Cuba.

Además, esta investigación pudiera resultar provechosa, pues podría constituir material de consulta para futuros estudios, e incluso, desde un punto de vista más ambicioso, contribuir al perfeccionamiento de la infraestructura celular del país. Desde una perspectiva teórica, este trabajo dedicará gran parte a profundizar y sistematizar las particularidades de la tecnología inalámbrica LTE/SAE.

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CAPÍTULO 1. DESARROLLO DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES

Los sistemas de radiocomunicaciones han sufrido enormes transformaciones a lo largo de la historia. En especial, aquellos orientados a la telefonía han evolucionado sobremanera en la última media centuria, y hoy no sólo brindan el servicio primario de voz para el que inicialmente fueron diseñados, sino que ofrecen infinidad de posibilidades y prestaciones que son inherentes a las necesidades de la vida civilizada contemporánea.

Para estudiar el desarrollo de los sistemas móviles, estos se agrupan en clases o generaciones atendiendo fundamentalmente a algunos criterios como la velocidad de transmisión de datos, la tecnología que emplean y los servicios que son capaces de ofrecer. En aras de brindar una visión coherente del proceso evolutivo experimentado por la telefonía inalámbrica, en esta sección se abordan de forma no exhaustiva y en orden cronológico las diferentes generaciones, sus características esenciales, los principios teóricos en que se basan y las diversas tecnologías aplicadas en su concepción.

1.1 Sistemas de Primera Generación. 1.1.1 Sistemas PMR.

Los orígenes de las comunicaciones móviles están asociados a los sistemas PMR (Private

Mobile Radio) por la simplicidad de su concepto. De hecho, fue un sistema PMR el primer

sistema móvil que entró en funcionamiento. La sencillez conceptual de estos sistemas, así como lo asequible del precio asociado, hace que estos sistemas aún se utilicen en la actualidad (Escalona, 2004).

Los sistemas de radiotelefonía móvil privada, denominados de forma abreviada sistemas PMR, son redes de comunicaciones móviles no conectadas a la Red Telefónica Pública, las cuales se utilizan en tareas de despacho para la gestión y control de la actividad de flotas de vehículos. Sus aplicaciones son muy variadas, como por ejemplo servicios públicos de distribución de agua, gas, electricidad, policía, bomberos, ambulancias, protección civil, vigilancia, servicios de mantenimiento, control de tráfico viario, etc. (Rábanos, 1997) En el año 1928, comenzó a operar el primer sistema PMR en la ciudad norteamericana de Detroit, cuyo objetivo era crear un sistema de aviso (unidireccional, por tanto) a vehículos

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policiales. La modulación utilizada, como no podía ser de otra manera, fue AM (modulación de amplitud). En los años siguientes aparecieron más servicios del entorno asistencial (policías, bomberos, ambulancias, etc.)

En los años treinta surgió el primer sistema de comunicaciones bidireccionales aplicado a una red de servicios asistenciales (bomberos) y una década más tarde, con el desarrollo de la modulación FM (modulación en frecuencia) y su introducción en las radiocomunicaciones, se logró una mayor inmunidad al ruido que en sistemas anteriores basados en modulación AM y, por tanto, mayor calidad en las comunicaciones.

La evolución tecnológica continuó en la segunda mitad del siglo XX con la aparición de nuevos mecanismos que mejoraron las prestaciones de los sistemas móviles: los tonos de apertura de repetidor, como modo de asegurar el uso exclusivo y protegido de los repetidores; la llamada selectiva, como modo de dirigir las llamadas al interlocutor deseado de un modo único; mejoras en las modulaciones, reduciendo el ancho de banda necesario para la comunicación, etc. (Escalona, 2004). Todo ello hizo evolucionar estos sistemas hacia la introducción de la señalización digital en los sistemas de concentración de enlaces, con el objetivo de lograr un uso flexible y automático de los escasos recursos asignados a los sistemas.

En el período de 1950 a 1960 se popularizaron los sistemas en banda de 450 MHz con mecanismo PTT (push to talk, o presionar para hablar) y ya en los años sesenta aparecen los primeros sistemas automáticos, en que la asignación de llamadas deja de ser manual (ibídem).

1.1.2 Sistemas PMT.

Históricamente, fueron los sistemas PMR los que evolucionaron hacia los PMT (Public

Mobile Telephony), aunque los sistemas PMR que generaron los PMT siguieron también un

camino paralelo aplicado fundamentalmente al nicho de las redes privadas. De modo que los sistemas PMT son la aplicación de los sistemas PMR a las redes públicas (ibídem). El desarrollo que experimentaron los sistemas de PMR a lo largo de la década de los sesenta, suscitó un gran interés por la aplicación de las técnicas de comunicaciones móviles a la telefonía básica. Y, en efecto, a finales de esa década aparecen las primeras realizaciones, muy rudimentarias, de sistemas de telefonía móvil pública (PMT) que,

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básicamente, usan las técnicas y procedimientos de PMR. De este modo, los primeros sistemas de PMT, cuya zona de cobertura era exclusivamente urbana, estaban constituidos por una estación base multicanal, con potencia y altura de antena suficientes para asegurar la cobertura en el enlace descendente y una serie de receptores satélites multicanales para conseguir la comunicación en el enlace ascendente, debido a las menores PRA (potencia radiada aparente) y altura de antena de los móviles. Con la tecnología FDMA (Frequency

Division Multiple Access) de la época, cada canal del sistema requería un radiocanal de dos

frecuencias y, por lo tanto, un equipo transceptor en la estación base y otro equipo receptor en cada satélite. Existieron sistemas con conmutación manual, mediante intervención de operador, aunque pronto se automatizaron. Como las posibilidades de señalización eran limitadas, también lo eran las prestaciones de estos sistemas (Rábanos, 1997).

Uno de los primeros sistemas en aparecer en el panorama de las redes móviles públicas fue el sistema IMTS (Improved Mobile Telephone System), que reunía en los Estados Unidos todas las características de la telefonía fija de la época. Era el IMTS un sistema analógico, con estaciones base que proporcionaban coberturas de unos 50 Km de radio, con la restricción de unos pocos canales ofrecidos a los usuarios que se saturaban con rapidez. No obstante, esta no era una dificultad excesiva en la época, ya que pocos usuarios podían permitirse el uso de estos sistemas (Escalona, 2004).

En 1979, surgió en Japón y de la mano de la NTT (Nippon Telegraph and Telephone

Corporation) el MSCL1, considerado el primer sistema celular del mundo.

La década de los ochenta fue importante en Europa, fundamentalmente en los países nórdicos, que han sido desde el inicio pioneros en el desarrollo de sistemas móviles, motivados, sobre todo, por las especiales características de su orografía que dificultaban enormemente la telefonía fija tradicional. Muestra de este desarrollo es el sistema NMT-450 (Nordic Mobile Telephony) en la banda de NMT-450 MHz. A pesar de que en 1975 las especificaciones del sistema NMT estaban ya listas, no fue hasta 1978 cuando se realizó la primera demostración del sistema en Estocolmo. Este sistema experimentó evoluciones posteriores, como la que lo desplazó a la banda de 900 MHz, con el NMT-900, y en conjunto se extendió mucho más allá de los países nórdicos. En paralelo, en el Reino Unido surgió el estándar TACS (Total Access Communications System), derivado del AMPS

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(Advanced Mobile Phone System) de los Estados Unidos, funcionando en la banda de 900 MHz. En Francia apareció el sistema Radiocom 2000, compartiendo escenario con el NMT-450. En Alemania, se implantó la red C (C-Netz) desde 1986, sistema que también funcionó en Portugal. En Italia, en 1983 se desarrolló el sistema RTMS. La situación en España fue tal, que se implantó el sistema NMT-450 (comenzó a funcionar en 1982), y posteriormente, en 1990, la saturación del sistema hizo migrar las licencias del operador Telefónica hacia la banda de 900 MHz con la implantación del ETACS (ibídem).

El 1983 se desplegó en Chicago, Estados Unidos, el primer sistema celular basado en la reutilización de las frecuencias. La aplicación del viejo concepto teórico celular se plasmó en una red de amplia aceptación pública, vigente con evoluciones hasta nuestros días. Sobre la base de la disposición de repetidores con baja potencia de salida y poca elevación (para limitar los radios de cobertura celular), la reutilización de frecuencias comenzó a solventar los problemas de escasez de canales que limitaban los sistemas anteriores (en cambio, la inversión en equipamiento se hace superior). Este sistema es el conocido AMPS que operaba en la banda de 800 MHz (ibídem).

1.1.3 Estándar IMTS. Consideraciones generales

Los antecedentes de este sistema datan de 1946 en que AT&T desarrolló un embrión de sistema al que la FCC proporcionó licencia de operación en San Luis, Missouri. Posteriormente, se definen los comienzos de este sistema IMTS en 1964, de la mano de la

Bell System y sus experiencias de campo en Harrisburg, Pensilvania (Estados Unidos) de

1962 a 1964. El sistema tenía un funcionamiento dúplex como en cualquier teléfono fijo de la época y permitía marcación directa por parte del usuario. Sus canales ocupaban 30 KHz (la evolución tecnológica permitió que en 1950 se pasara de canales de 120 KHz a canales de 60 KHz, y en 1965 de 60 KHz a 30 KHz).

El servicio IMTS no tuvo una aparición simultánea en todo el país, y del mismo modo no tuvo una desaparición repentina. De esta forma, los sistemas IMTS continuaron instalándose, incluso después de la llegada de los sistemas celulares. Como dato justificativo de esta situación, en 1991 un sistema IMTS se instalaba más rápido y con menor coste que un sistema celular (ibídem).

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Aspectos técnicos

Los teléfonos que se utilizaban en el sistema eran transportados a bordo de vehículo y tenían potencias de salida de hasta 40 W. El sistema no implementaba reutilización de frecuencias (no era, por tanto, un sistema celular), y utilizaba células muy grandes donde tampoco se definía el concepto de traspaso, por no ser realmente necesario.

El número de canales empleado era variable según las zonas, por lo que no se puede hablar de un sistema preparado para una capacidad concreta de usuarios: en Chicago se disponía de 23 canales y se asumía que este número era suficiente para cubrir las necesidades de 1150 clientes. El número de usuarios por canal es mayor que el típico en los sistemas celulares, puesto que los sistemas se diseñaban con una probabilidad de bloqueo muy elevada (en algunos casos hasta del 50 %) (Escalona, 2004).

El sistema IMTS presentaba serias limitaciones que paulatinamente causaron su desaparición:

• Se requería un único transmisor para todas las llamadas. La potencia de este transmisor tenía que ser, por fuerza, muy elevada (típicamente PIRE de 500 W) y los transmisores se debían ubicar en sitios elevados.

• Este sistema garantizaba coberturas de 37 o 46 Km, y aunque la señal más allá de esta distancia fuera débil para permitir una comunicación, era suficiente para interferir a 110 o 180 Km.

• El sistema era FDMA y el ancho de banda reservado de un transmisor determinaba con una relación uno a uno exactamente el número de usuarios del sistema. Esta cifra no era suficiente para el mantenimiento comercial del sistema.

El sistema IMTS era claramente insuficiente para las necesidades de la época. Como ejemplo, considérese la situación en Nueva York en 1976, donde el sistema disponía de 12 canales que podían dar servicio a 573 usuarios de pago. La lista de espera era ya entonces de 3700 clientes, en un mercado potencial de 10 millones de habitantes (Escalona, 2004).

1.1.4 Estándar AMPS. Consideraciones generales

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El sistema AMPS fue desarrollado por los laboratorios Bell a mediados de los años setenta, tratando de llevar a la práctica el concepto celular propuesto por D. H. Ring, de los propios laboratorios Bell, más de dos décadas antes.

Tras un despliegue preliminar en Chicago en 1978, los primeros sistemas comerciales fueron desplegados en los Estados Unidos en 1982 y 1983.

Se puede afirmar que el AMPS es de lejos el sistema analógico con más éxito: de hecho, hasta el año 1999 fue el sistema dominante en Norteamérica. Tal fue su éxito que basados en él existen en el mundo cantidad de variantes que se han implantado en otros países: TACS en Europa y JTACS en Japón son claras muestras.

Sin embargo, no todo son ventajas en este sistema. La especificación AMPS es fundamentalmente de definición de la interfaz aire, y esto crea problemas de interoperabilidad entre sistemas en situaciones de roaming. La aparición del IS-41, vino a cubrir esta carencia (ibídem).

Aspectos técnicos

El despliegue de este sistema se realizó siguiendo las pautas más clásicas y teóricas para los despliegues celulares: en primera instancia se ubicaron células con estaciones base situadas en el centro de las células (hexágonos), con coberturas omnidireccionales; posteriormente se ubicaron las estaciones base en los vértices no contiguos de las celdas (tres estaciones base por celda) con coberturas directivas de 120°, que proporcionaban una mejora entre 4 y 5 dB en la relación señal a interferencia del sistema.

La relación típicamente utilizada para el diseño celular en el sistema es de D/R = 4,6 en antenas directivas, y D/R=6 en antenas omnidireccionales, (para S/I=17 dB). Estas cifras arrojan un valor de clúster de N=7 para antenas directivas, y N=12 para antenas omnidireccionales (ibídem).

Los datos típicos para un transceptor AMPS de una estación base se muestran en la tabla 2.1 del Anexo B.

El sistema AMPS utilizaba inicialmente un ancho total de 40 MHz en la banda de 800 MHz, donde 20 MHz se utilizaban en cada sentido de la comunicación: de 825 a 845 MHz en canal ascendente y de 870 a 890 MHz en sentido descendente (separación dúplex de 45

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MHz).

En AMPS se habla de dos bandas respondiendo a la formulación f (MHz) = 870 + 0,03n para la transmisión desde la estación base. (Véase Anexo B, tabla 2.2)

Con posterioridad aparecieron extensiones de esta banda fundamental. La formulación asociada a la banda completa, incorporadas las extensiones A', B' y A", se muestra en la tabla 2.3 del Anexo B.

La elección de la banda de 800 MHz es un compromiso entre la penetración en los edificios y la localización espacial, resolviendo problemas de interferencias detectados en sistemas anteriores que trataban de implementar el concepto celular. La modulación de frecuencia empleada ocupaba canales de 30 KHz, y la desviación de frecuencia era de 12 KHz: un total de 666 canales dúplex, sin considerar las bandas extendidas o expandidas.

Los canales de control usaban modulación FSK con desviación de ± 8 KHz. La codificación utilizada en estos canales de señalización es la Manchester a 10 Kbps (ibídem).

Es importante reseñar que el sistema básico sufrió modificaciones ulteriores que fueron mutuamente compatibles.

En la tabla 2.4 del Anexo B se incluyen los aspectos más representativos del AMPS con respecto a otros sistemas comparables.

1.1.5 Estándar TACS. Consideraciones generales

TACS es un sistema celular analógico perteneciente a lo que se denomina primera generación (1G), similar al sistema AMPS norteamericano. El mismo fue desarrollado en el Reino Unido por el CRAG (Cellular Radio Advisory Group) para la banda de 900 MHz en los años ochenta, con un total de 600 canales dúplex en su versión básica y 1320 canales dúplex en su versión extendida. Este sistema comenzó a ofrecerse comercialmente en el Reino Unido por dos operadores desde enero de 1985.

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El estándar TACS es tan similar al sistema AMPS que, de hecho, es una particularización del sistema americano para el entorno europeo (Escalona, 2004).

Aspectos técnicos

El sistema se desarrolló casi exclusivamente para transmisión de voz, como ocurre prácticamente en todos los sistemas de primera generación, cuya única pretensión fue dotar de movilidad al sistema telefónico tradicional.

Los rasgos más relevantes del estándar son, entre otros, el hecho de ser un sistema analógico para la transmisión de la comunicación en sí misma. Los canales son de 25 KHz, con asignación de 12,5 KHz a cada lado de una frecuencia central, definida, esta última, por el número de canal N. Las señales vocales se consideran únicamente entre los 300 Hz y los 2,5 KHz, y la modulación para estas señales de tráfico es FM analógica, con gran desviación de frecuencia = 9,5 KHz. Por tanto, según la regla de Carlson, el ancho de banda ocupado es 24 KHz, lo que da una eficiencia espectral de 0.33 bps/Hz. También se emplea la compresión/expansión silábica para mejorar la calidad de voz.

En lo que a la señalización se refiere, ésta es transmitida en la interfaz de radio por vía digital, usándose modulación FSK con velocidad de 8 Kbps y desviación de frecuencia de ±6,5 KHz, en tanto la banda base utiliza codificación Manchester para facilitar la sincronización de bits (ibídem).

La estructura celular es clásica, específicamente se emplean coberturas omnidireccionales, con reutilización en grupos de 12 y coberturas directivas, reutilizables en grupos de 7 con coberturas sectorizadas.

Los radios de las células abarcan desde 1 Km hasta 30 Km (algunas referencias fijan límites máximos de 20 Km). Las interferencias entre estaciones móviles o fijas, se controlan con los siguientes mecanismos:

• A nivel de radio, por medio del uso de tonos de supervisión acompañando a la señal telefónica, y con posibilidad de control de la potencia emitida.

• Emisión direccional, que no difundirá las interferencias en todas las direcciones por igual.

Con relación a los aspectos de seguridad contemplados en el sistema: • Posibilidad de cifrado de la interfaz radio.

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• Identificación de terminales en el acceso al sistema.

La señalización en línea es CCS7, lo cual permite proporcionar un número elevado de servicios tales como: telefonía básica similar a la de la red PSTN, transmisión de datos a baja velocidad (1200 bps, 2400 bps), por medio de la adición de un módem adecuado. En adición, se soportan servicios suplementarios que intentan emular a los de la red telefónica básica: buzón de voz, llamada en espera, desvíos de llamadas, multi-conferencias, mensajes de voz (locuciones) e información de tarificación, como consecuencia de ser un sistema público (ibídem).

Diferencias técnicas entre TACS y AMPS

La gran diferencia entre los dos sistemas estriba en la reserva de la banda de frecuencias utilizada. El AMPS funciona en banda de 800 MHz y el TACS tuvo que ser adaptado a la banda de 900 MHz.

Lógicamente, el espaciado de canal también es diferente. De un lado, el canal AMPS ocupa 30 KHz y el TACS ocupa 25 KHz. Esta situación conduce a que dentro de la modulación FM que conforma el canal de tráfico, en el sistema AMPS la desviación pico es de 12 KHz y en el sistema TACS, ésta es de 9,5 KHz para adaptarse al canal de ancho de banda menor (ibídem).

1.2 Sistemas de Segunda Generación.

A partir de la consolidación del sistema AMPS, es un hecho de gran relevancia a nivel mundial la separación de tendencias en el desarrollo de sistemas de comunicaciones móviles de 2G y siguientes: de un lado los sistemas TDMA y de otro los CDMA.

Los sistemas preliminares de primera generación (IMTS, AMPS y derivados) se caracterizan por una relativa simplicidad conceptual asociada a los primeros sistemas móviles, destinados a dar servicio a un número relativamente bajo de usuarios con la tecnología existente en la época en que surgieron (FDMA, modulaciones simples, etc.). Sin embargo, con la llegada de la 2G, pronto se definieron dos tendencias. De un lado, la quizá más continuista de los sistemas TDMA, que básicamente incorporaron técnicas digitales sobre los canales FDMA ya definidos, y de otro, los sistemas CDMA, más revolucionarios en lo que a técnicas de acceso al medio se refiere y con vocación de crear,

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prácticamente desde cero, un sistema que se aprovechara de los más modernos avances en materia de modulaciones y compartición del medio (ibídem).

1.2.1 Estándar GSM. Consideraciones generales

Los sistemas desarrollados hasta este momento eran analógicos y, a pesar de ser celulares, no desarrollaban el concepto celular a cabalidad. Pese a que se le ha asignado el calificativo de «estándar» a estos sistemas, la compatibilidad entre ellos era nula. Esta fue una de las razones fundamentales que lanzaron a la CEPT (Conférence Européenne des

administrations des Postes et des Télécommunications) a crear un grupo de estudio que

denominó GSM (Groupe Spécial Mobile) con los objetivos siguientes:

• Desarrollar un sistema PMT compatible entre los países de la CEPT (Europa básicamente) para permitir itinerancia internacional entre usuarios.

• Conseguir un incremento sustancial del tráfico susceptible de ser cursado por el sistema frente a los ya existentes.

• Hacer uso de las nuevas e incipientes tecnologías.

• Desarrollar un sistema compatible con la RDSI (Red Digital de Servicios Integrados), y que incorporase tantas de sus características como fuera posible (Escalona, 2004).

El sistema desarrollado fue el tan conocido GSM, primer estándar de comunicaciones móviles que realmente merece tal denominación si se atiende a su éxito comercial y difusión internacional. GSM marcó un punto de inflexión en el desarrollo de los sistemas de radiocomunicación y, sobre todo, en la difusión de las nuevas tecnologías de comunicaciones móviles al gran público.

Las necesidades progresivas de aumento de tráfico en superficies densamente pobladas motivaron el desarrollo y adaptación de los estándares dentro del concepto más general de las redes PCN-PCS (Personal Communication Networks-Personal Communication

Services). Este es el caso del DCS-1800 (Digital Cellular System, adaptación del GSM

en la banda de 1800 MHz), desarrollado con el fin de aumentar la capacidad de tráfico del sistema GSM y dar cobertura a núcleos densos e interiores (Escalona, 2004).

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Aspectos técnicos

El sistema GSM básico opera sobre los 900 MHz, donde la banda de 890-915 MHz se emplea para el enlace ascendente (UL) y la banda de 935-960 MHz para el enlace descendente (DL), con separación dúplex de 45 MHz. Los canales están espaciados 200 KHz y la modulación es GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), lo que permite una eficiencia espectral aproximada de 1 bps/Hz (Furuskna, 1999).

En cuanto al acceso múltiple, se utiliza TDMA con 8 intervalos de tiempo por trama. Estos intervalos temporales se denominan “ranuras de tiempo” y tienen una duración de 0.577 ms. A cada móvil se le asigna una ranura de tiempo en una frecuencia del DL y otra en el UL, de modo que la información transferida durante este período se envía en forma de ráfaga. En resumen, ya que cada canal físico se compone de una frecuencia y una ranura de tiempo, en GSM hay 8 canales físicos por cada frecuencia portadora (Ericsson, 1999). En paralelo con el desarrollo del GSM, se desarrolla en Estados Unidos el sistema ADC (American Digital Cellular, que no es sino el AMPS digital), con su estándar asociado IS-54 así como el PDC (Pacific Digital Cellular) en Japón. A pesar de que todos ellos se pueden considerar integrantes de lo que se conoce como Segunda Generación de telefonía móvil, ninguno de estos dos últimos ha alcanzado la penetración y el éxito comercial del GSM (Escalona, 2004).

1.2.2 Servicio GPRS.

El sistema GPRS se diseñó con el objetivo de mejorar la calidad de los servicios de GSM, ya que introdujo la conmutación de paquetes como técnica para la transmisión de datos. GPRS es considerado una extensión de la red GSM que ofrece un servicio adicional a los usuarios que deseen tener acceso a Internet o a redes LAN utilizando un móvil como dispositivo para conectarse. Al constituir una extensión de la red GSM, los componentes primarios de ésta no se modifican, sino que se incorporan a la infraestructura dos nuevos nodos: el SGSN y el GGSN, cuya función es realizar la conmutación de paquetes.

1.2.3 Estándar IS-54. Consideraciones generales

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del mismo, aparece el estándar Digital AMPS (D-AMPS), más conocido en su vertiente radio o interfaz aire como TIA 54 Radio, el cual evolucionó en poco tiempo hacia el IS-136.

Como característica propia del estándar, se encuentra el hecho de triplicar la capacidad del sistema AMPS, con posibilidad de aumentarla hasta 6 a 15 veces con bloques de transmisión en las bandas 800 MHz y 1900 MHz (Escalona, 2004).

Aspectos técnicos

Un detalle relevante es la herencia recibida por el D-AMPS desde el estándar GSM, que ya se estaba desarrollando en Europa en esta época. Los operadores deseaban proporcionar a sus usuarios las mismas prestaciones que éstos encontraban en los servicios de telefonía fijos, y este aspecto junto con los aspectos lógicos de congestión del espectro, originaron la aparición de estos estándares. El D-AMPS, por tanto, toma elementos claves del desarrollo GSM y los incorpora como evolución del AMPS: de hecho, la esencia TDMA del GSM es la herencia fundamental del sistema D-AMPS (ibídem).

Conviene también destacar que sobre la versión básica del IS-54 se incorporan características como el canal de control digital, soporte para las bandas PCS, así como de servicios de valor añadido, de modo que se configura el IS-136 como versión mejorada del IS-54. En síntesis, el conjunto IS-54 e IS-136 superan al AMPS en:

• Transmisión digital de voz.

• Acceso múltiple por división en tiempo y frecuencia. • Misma canalización que el AMPS.

• Capacidad aumentada (entre tres y seis veces). • Posibilidad de autentificación.

• Control de potencia mejorado, como el modo «sleep».

• Sistema de handover mejorado MAHO (Mobile Assisted HandOver). • Estaciones duales AMPS y TDMA.

• Servicios de identificación de llamante y mensajes cortos (SMS). • Soporte para la banda PCS.

• Soporte a la transmisión de datos. • Canal de control digital.

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La tabla 2.5 del Anexo B recoge las diferencias básicas del estándar en su versión analógica y digital.

1.2.4 Estándar IS-136. Consideraciones generales

El estándar IS-136 (TIA/EIA-136), además de definir una forma de transmisión de información binaria, concreta todos los aspectos precisos de un protocolo de transmisión completo y se construye sobre IS-54, por lo que gran parte de las definiciones son válidas en este sistema. La principal diferencia entre IS-54 e IS-136, además del nuevo vocoder definido en IS-641, es la inclusión del canal DCCH (Digital Control Channel), que es el canal más complejo del sistema (ibídem).

Se definen para el IS-136 las siguientes revisiones:

• Revisión 0, con el simple añadido del DCCH, modo «sleep», SMS y posibilidad de servicio no público.

• Revisión A (ANSI/TIA/EIA-136), añade banda dual de 800 MHz y 1900 MHz, nuevo vocoder, presentación del número llamante.

• 136+ (ANSI/TIA/EIA-136-A), añade teleservicios adicionales, roaming inteligente y datos en forma de paquetes.

En lo que a arquitectura del sistema se refiere, IS-136 hereda de GSM los registros HLR, VLR, EIR y AUC (ibídem).

Aspectos técnicos

La ocupación espectral viene marcada por el ajuste del sistema a la canalización establecida por el sistema AMPS de 30 kHz, donde todos los canales, de tráfico o control, analógicos o digitales, se ajustan a este tamaño.

En lo que a la estructura de los canales físicos se refiere, tanto los canales ascendentes como descendentes se dividen en tramas de 40 ms, cada una con seis intervalos temporales de 6,67 ms, con correspondencia entre ellos en los canales ascendente y descendente. No obstante, esta correspondencia tiene un offset temporal, de modo que el camino de ida (o descendente) comienza 1,9 ms después del camino de retorno (o ascendente).

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comerciales utilicen dos intervalos temporales (time slots o TS) para un único canal (1 y 4, 2 y 5, o 3 y 6), a pesar de que el estándar contemple la posibilidad de velocidad media con un canal ocupando un intervalo temporal (ibídem).

Al mismo tiempo, y atendiendo a la naturaleza digital de la señal utilizada para transmitir la información, la capacidad binaria de cada TS es de 324 bits de información, con lo que la velocidad binaria de cada portadora es de 48,6 Kbps.

La modulación que permite hacerlo es la π/4-DQPSK, donde:

• El adjetivo de diferencial se refiere a que se observa la transición de fases y no la fase absoluta.

• Cada símbolo o estado de fase representa 2 bits: 45° para el dibit 00, -45° para el 10, 135° para el 01, y -135° para el 11.

• La modulación no mantiene constante la amplitud, a diferencia de la modulación de GSM y la FSK de los canales de control de AMPS, que son de amplitud constante. Esto supone un mayor consumo de potencia en los equipos a cambio de una eficiencia espectral superior en el caso del IS-136 (nótese la necesidad de encajar en un ancho de banda muy limitado, a diferencia de GSM que dispone de un ancho de banda muy superior) (ibídem).

1.2.5 Estándar IS-95. Consideraciones generales

La familia de estándares IS-95 es conocida bajo la denominación cdmaOne que, a su vez, constituye una marca registrada para uso exclusivo de empresas miembros del CDG (CDMA Development Group). Como puede inferirse, estos sistemas emplean el mecanismo CDMA para acceder al medio radioeléctrico, por lo que existen enormes diferencias de concepto entre los sistemas CDMA y el resto. Esta familia se concreta en dos versiones, la versión A, que incorpora características propias de la 2G y la versión B, con características avanzadas de lo que se ha denominado como segunda generación y media o 2,5G (ibídem). El CDMA fue el segundo estándar digital adoptado en los Estados Unidos y tiene su origen en los estudios realizados por Qualcomm, demostrando una capacidad seis veces mayor a la del sistema AMPS. Este esquema de acceso otorga a cada canal la totalidad del volumen espectral disponible: toda la anchura de banda, durante todo el tiempo y en toda la zona de

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cobertura, de forma que permite la transmisión simultánea de varias comunicaciones que emplean los mismos recursos a la vez. La separación entre ellas se realiza asignándoles distintos códigos digitales (Rábanos, 1997). Dado que el CDMA tiene la capacidad de transmitir simultáneamente y con la misma frecuencia desde dos celdas adyacentes, los traspasos se pueden realizar sin interrupción de la llamada en curso. Nótese que las celdas adyacentes de un sistema CDMA reutilizan la misma frecuencia, por lo que tanto la celda destino como la de origen manejan la llamada simultáneamente hasta que el proceso se completa (se utilizan receptores RAKE para este procesamiento simultáneo). En ningún caso se liberará un enlace hasta que el otro esté totalmente operativo. Esta particularidad de los sistemas CDMA mejora la tasa de llamadas perdidas, pero al mismo tiempo reduce la capacidad del sistema completo sobre la base de la ocupación doble de cada conexión (Escalona, 2004).

Aspectos técnicos

El ancho de banda del canal que utiliza este sistema CDMA propuesto por Qualcomm es de 1,25 MHz. Es válido aclarar cómo este ancho de banda fue escogido para ser mayor que los 200 KHz o 300 KHz que típicamente se asocian con el desvanecimiento selectivo en torno a la frecuencia de 800 MHz (ibídem).

Las señales se extienden en un ancho de banda de 1,2288 MHz. Las bandas de guarda son de 270 KHz entre canales adyacentes CDMA, o AMPS si estuvieran en posiciones frecuenciales cercanas. La ocupación espectral de los sistemas CDMA se relaciona necesariamente con la del sistema AMPS para asegurar la coexistencia entre sistemas. Los canales AMPS se espacian 30 KHz. Por tanto, para conseguir compatibilidad de este sistema con las estaciones base CDMA, se les permite a estas últimas operar en cualquier canal AMPS excepto en las bandas de guarda en los bordes de las asignaciones (nótese que para los 1,25 MHz necesarios en CDMA hay que ocupar 42 canales AMPS).

Refiriéndonos al sistema IS-95A, la separación dúplex es de 45 MHz, mientras que en el servicio PCS (ANSI J-STD-008) esta es de 80 MHz. El control de potencia es un aspecto crítico para el correcto funcionamiento de estos sistemas (Escalona, 2004).

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1.3 Sistemas de Tercera Generación.

La diversidad de conceptos en los sistemas de comunicaciones móviles trasciende la 2G y se manifiesta en la tercera generación. Tanto es así, que la denominación IMT-2000 (recomendación UIT-R M.1457, transmisiones mínimas de 144 Kbps en entornos exteriores y 2 Mbps en entornos interiores) recoge cinco estándares tanto del entorno TDMA como del entorno CDMA según se muestra en la figura 1.6.

Figura 1.6. Interfaces radio terrestres IMT-2000 (Escalona, 2004). 1.3.1 Estándar UWC-136.

Consideraciones generales

La recomendación de la UIT-R M.1457 incluye una serie de versiones de sistemas de 3G que se ven amparadas en el concepto IMT-2000. Entre ellas se encuentra lo que se denomina UWC-136, propuesta diseñada para proveer una tecnología de transmisión radio basada en el estándar IS-136, que mantuviese la filosofía de la comunidad TDMA (fundamentalmente en Norteamérica) de evolución desde la primera hasta la tercera generación. Los objetivos propuestos para los sistemas IMT-2000 son cubiertos por medio de una mejora en la modulación de los canales de 30 KHz (136+), así como definiendo portadoras de banda más ancha conocidas como 136 HS, para cubrir aquellos servicios a los que no es posible acceder con las portadoras de 30 KHz. Con ello, el sistema ya desplegado (136), el mejoramiento de las portadoras de 30 KHz (136+) y el de las portadoras de alta velocidad (136 HS) para los servicios de alta velocidad de 384 Kbps (exterior) y 2 Mbps (interior), se constituye el UWC-136 (Escalona, 2004).

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Aspectos técnicos

Las portadoras 136 HS de la interfaz aire son la innovación que condiciona la propuesta UWC-136 como medio para proporcionar servicios de tercera generación en redes TDMA 136. Algunas de las características que se logran son la operación multibanda entre 500 MHz y 2,5 GHz; operación en espectro orientado a funcionamiento FDD, coexistencia de las portadoras 136 HS (fundamentalmente a nivel de ocupación espectral) con sistemas de 2G, sin degradar sus características y eficiencia espectral teórica de al menos 0,45 Mbps/MHz/célula (Escalona, 2004).

En concreto, en las respuestas proporcionadas por el UWC-136 como autoevaluación del estándar, la portadora 136 HS de exterior presentaba una eficiencia de entre 0,741 y 0,810 para el servicio de datos de 384 Kbps, y de entre 0,8976 y 1,2798 para el servicio de 64 Kbps. Para el servicios de datos, según la autoevaluación, máximos de 459 Kbps en 136 HS de exterior y 4,1496 Kbps en 136 HS de interior. En cuanto a compatibilidad, el sistema es compatible con 136 y 136+, a nivel de continuidad del servicio y características.

La portadora de exterior 136 HS, utilizada en el multiacceso FDMA/TDMA, utiliza un ancho de banda de radiofrecuencia de 200 KHz que permite el despliegue de los servicios de datos en exteriores de alta velocidad. Se especifican dos modulaciones obligatorias: GMSK y 8-PSK (8ary Phase Shift Keying) a una velocidad de símbolos de canal común de 270,833 Ksps. La codificación del canal y la modulación pueden variar a fin de lograr una adaptación óptima del caudal en función de la robustez del canal (en concreto, para la modulación GMSK hay cuatro codificaciones de canal posibles -desde 11,2 Kbps hasta 22,8 Kbps en cada intervalo temporal- y para la 8-PSK seis codificaciones -desde 22,8 Kbps hasta 69,2 Kbps en cada intervalo temporal-). La trama básica en estas portadoras contiene ocho intervalos temporales, con una duración de 4,615 ms. Es necesario acotar que la velocidad de datos es variable, no sólo por la adaptación sino también por la posibilidad de agregación de intervalos. Los canales están separados en frecuencia 200 KHz entre sus puntos centrales (Escalona, 2004).

El sistema de interior, basado en portadoras de 1,6 MHz 136 HS (portadora de interior), utilizada en el multiacceso FDMA/TDMA, emplea modulación O-QAM (Offset

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referidos por la GSM 05.05, sus características radio sí que siguen en general sus requisitos. Se especifican dos modulaciones obligatorias: B-O-QAM (Binary Offset QAM, también conocida como Offset QPSK), y Q-O-QAM (Quaternary Offset QAM, también conocida como Offset 16 QAM) a una velocidad de símbolo de canal común de 2,6 Msps. La trama básica en estas portadoras varía en su formato: en tanto que puede tener 16 intervalos temporales o 64, de modo que en ellos se definen las diferentes estructuras de intervalos temporales, cortos (1/64 de la duración de la trama, que son 4,615 ms) o largos (1/16 de la duración de la trama). La modulación del canal puede variarse para dar una adaptación óptima del caudal en función de la robustez del canal. Existen cuatro tipos de codificación de canal diferentes, dando velocidades de entre 10,5 Kbps hasta 255,4 Kbps. Nótese que la velocidad de datos es variable, no sólo por la adaptación, sino también por la posibilidad de agregación de intervalos. Los canales están separados en frecuencia 1600 KHz entre sus puntos centrales. Además, la portadora de interior 136 HS tiene un modo de funcionamiento opcional TDD (Escalona, 2004).

1.3.2 Estándar CDMA2000. Consideraciones generales

El estándar CDMA2000 se benefició de la extensiva experiencia adquirida durante años de operación de los sistemas cdmaOne. El estándar fue desarrollado y testado en varias bandas de frecuencias además de la destinada a los estándares IMT-2000 (Escalona, 2004).

Aspectos técnicos

El sistema CDMA2000 1X presenta mayor capacidad de voz, soportando 35 canales de tráfico por sector y por canal RF (26 Erlangs/sector/RF), usando el vocoder EVRC. Este aumento se atribuye en el canal descendente a un control de potencia más veloz, velocidades de código más bajas (1/4) y diversidad en transmisión. En el enlace ascendente, este aumento se atribuye a su característica coherente (Escalona, 2004).

La flexibilidad en la ubicación de la banda de frecuencias permite que el sistema pueda desplegarse en cualquier banda celular, incluyendo 450 MHz, 800 MHz, 1700 MHz y 1900 MHz. Las frecuencias de 900 MHz y 1800 MHz también son posibles mientras la alta eficiencia espectral permite elevadas capacidades de tráfico en cualquier canal de 1,25 MHz (Escalona, 2004).

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En cuanto a las velocidades de datos, las redes comerciales CDMA2000 1X de fase 1 soportan un pico 153,6 Kbps. CDMA2000 1xEV-DO permite picos de 2,4 Mbps y CDMA2000 1xEV-DV es capaz de entregar 3,09 Mbps.

Referido a la capa física, el DL soporta velocidades de chip de n x 1,2288 Mcps (n = 1, 3, 6, 9, 12). En el caso de n = 1, la expansión es similar en forma a TIA/EIA-95-B, donde a diferencia de ésta se emplea modulación QPSK y control de potencia de bucle cerrado rápido. Para valores de n superiores a l, existen dos opciones: acercamiento multiportadora, donde los símbolos de modulación se demultiplexan en n portadoras de 1,25 MHz separadas; o expansión directa, donde los símbolos se transmiten en una portadora única con una velocidad de n x 1,2288 Mcps (Escalona, 2004).

1.3.3 Estándar W-CDMA. Consideraciones generales

El sistema W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) emplea un acceso al medio por división de código, en su versión de secuencia directa. El espectro de señal así generada desde la información original se ensancha hasta los 5 MHz, de modo que la señal resultante se dice que es de banda ancha. La denominación del acceso al medio es por tanto DS-W-CDMA, CDMA de banda ancha con secuencia directa (Mesquida, 2000).

Aspectos técnicos

El acceso radio puede realizarse en las modalidades FDD y TDD.La modulación empleada en los dos modos anteriores es la QPSK, con la excepción de un caso particular en que esta se forma mediante dos BPSK en los ejes I y Q.

La velocidad asociada a la modulación y al acceso W-CDMA es de 38,4 Mcps. Las tramas temporales, tanto en FDD como en TDD son de 10 ms, con 15 intervalos en cada una. Cada trama, por tanto, contiene 38400 chips, y cada intervalo 2560 chips.

Los canales utilizan una codificación de canal contra errores con entrelazado. A esta codificación le sigue el proceso de expansión o ensanchamiento del espectro en dos etapas: primero una canalización, en la cual se utilizan los códigos de ensanchamiento, caracterizados por un factor de ensanchamiento SF (Spreading Factor), y que son los que conducen al ensanchamiento espectral de la señal. Estos códigos son ortogonales entre sí, y

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juegan un papel fundamental en el acceso radio. Por último, se efectúa una aleatorización, en la que se utilizan los códigos de aleatorización, de tasa o velocidad de chip, y en la que ya no se produce ningún ensanchamiento del ancho de banda en el proceso. Estos códigos no son ortogonales entre sí, pero también desempeñan un papel básico en el funcionamiento de las redes UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) (Mesquida, 2000).

1.4 Hacia la Cuarta Generación de Telefonía Móvil. 1.4.1 Antecedentes.

La 3G de tecnología de acceso radio W-CDMA alcanzó en 2005 los 44 millones de suscriptores según el World Cellular Information Service y continúa creciendo a un ritmo acelerado. No obstante, a fin de mantener la competitividad del sistema a largo plazo, fue necesario continuar desarrollando el estándar existente. Las primeras modificaciones ya se habían efectuado por parte del 3GPP mediante la introducción de HSDPA (High Speed

Downlink Packet Access) y EUL (Enhanced Uplink) a W-CDMA. Estas actualizaciones se

conocen como HSPA (High Speed Packet Access) y en su momento cubrieron la demanda de usuarios y operadores a mediano plazo (Ericsson, 2006).

Los primeros pasos en la evolución del sistema móvil 3G se dieron en el Taller para la Evolución de la Red de Acceso Radio, convocado por el 3GPP y que sesionó del 2 al 3 de noviembre de 2004 en Toronto, Canadá.

El evento estuvo abierto a todas las entidades interesadas, incluso aquellas que no ostentaban la membrecía del proyecto. Diversos operadores, fabricantes e institutos de investigación presentaron más de 40 contribuciones con enfoques y propuestas para el perfeccionamiento de UTRAN (3GPP, 2010b).

En el encuentro se precisó que la evolución de UTRAN debía resultar en mejoras sustanciales que justificaran el esfuerzo de estandarización y evitaran opciones innecesarias.

Como resultado del trabajo realizado en el Taller, fue definido un conjunto de requisitos fundamentales sobre los cuales se establecería la evolución del sistema móvil de 3G:

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• Mejoramiento de la prestación de servicios (más servicios a más bajo costo, con una mejor experiencia para el usuario)

• Flexibilidad en el uso de nuevas bandas de frecuencia. • Arquitecturas más planas con interfaces abiertas.

• Consumo de potencia razonable en los terminales (3GPP, 2010b).

1.4.2 Fase de estudio.

Una vez concluido el Taller, se inició, en diciembre del mismo año, un estudio de factibilidad sobre el tema de la evolución a largo plazo de UTRA (Universal Terrestrial

Radio Access) y UTRAN. La meta fundamental era desarrollar una infraestructura de red

para el desarrollo de la tecnología de acceso radioeléctrico del 3GPP, que permitiera elevadas tasas de datos, baja latencia y soluciones de acceso optimizadas para paquetes de datos. Este estudio se enfocó en proveer servicios inherentes al dominio de conmutación de paquetes, incluyendo tópicos referidos a:

• La capa física de la interfaz radioeléctrica (enlace ascendente y descendente).

Ej. Soporte flexible de anchos de banda de transmisión hasta 20 MHz y la introducción de nuevos esquemas de transmisión con avanzadas configuraciones multi-antena.

• Las capas 2 y 3 de la interfaz radioeléctrica. Ej. Señalización optimizada.

• La arquitectura UTRAN (Definición de la arquitectura óptima para UTRAN y la división funcional entre los nodos de la red de acceso radio).

• Temas relacionados con radiofrecuencia (3GPP, 2010b).

Con la participación de todos los grupos de trabajo RAN3 y la colaboración del SA2 en el tema de la arquitectura de red, la primera parte del estudio concluyó con el consenso sobre los requisitos para la UTRAN evolucionada (3GPP, 2010b).

3

Los RAN (Radio Access Network) son los grupos de trabajo del 3GPP encargados del estudio de la red de acceso radio y los SA (Service Architecture) trabajan en el desarrollo de la arquitectura de servicio.

(36)
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CAPÍTULO 2. PRINCIPIOS TEÓRICOS DEL ESTÁNDAR LTE/SAE. 2.1 Objetivos y requerimientos para la evolución de 3G.

Requerimientos de capacidad. 2.1.1

2.1.1.1 Razón pico de datos.

La tasa máxima de datos en el DL debe alcanzar los 100 Mbps, empleando 20 MHz de ancho de banda (5bps/Hz), mientras que para el UL, este valor será de 50 Mbps empleando el mismo ancho de banda de 20 MHz (2,5 bps/Hz). Nótese que la razón pico de datos puede depender del número de antenas transmisoras y receptoras en el terminal de usuario, por lo que los requisitos se especifican para una configuración de referencia del UE, que comprende dos antenas receptoras en el DL y una antena transmisora en el UL. Este parámetro debe tener una relación lineal con la cantidad de espectro asignado. En caso de transmisiones compartidas entre el UL y el DL, E-UTRA no necesita soportar los valores referidos simultáneamente (3GPP, 2009).

2.1.1.2 Latencia del plano de control.

El tiempo de transición debe ser inferior a 100 ms, entre un estado acampado (Release 6

Idle Mode) y un estado activo (Release 6 CELL_DCH).

El tiempo de transición debe ser inferior a 50 ms entre un estado inactivo (Release 6

CELL_PCH) y un estado activo (Release 6 CELL_DCH). En la figura 2.1 se muestra un

esquema de la transición entre estados (ibídem).

Figura 2.1Transición entre estados para el plano de control (ibídem).

Camped-state (idle) Active (Cell_DCH) Dormant (Cell_PCH)

Less than 100msec Less than 50msec

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2.1.1.3 Capacidad del plano de control.

El sistema debe soportar, al menos, 200 usuarios por celda en el estado activo con asignaciones de espectro hasta 5 MHz, y al menos 400 usuarios para asignaciones mayores. En estado latente o inactivo, se soportará un número mucho mayor de usuarios (3GPP, 2009).

2.1.1.4 Latencia del plano de usuario.

Definición de retardo del plano de usuario: Es el tiempo que demora en un sentido, un

paquete disponible en la capa IP del UE/nodo RAN, en estar disponible en la capa IP del nodo RAN/UE. El nodo RAN se entiende como el nodo que provee la interface RAN hacia la red del núcleo (ibídem).

Este valor debe ser inferior a 5 ms en condiciones de baja carga (un solo usuario con un único flujo de datos) para paquetes IP pequeños (ej. 0 bytes de payload + cabecera IP). El modo de ancho de banda en E-UTRAN puede afectar la latencia experimentada (ibídem).

Requerimientos de rendimiento. 2.1.2

Se asume que los diferentes objetivos de rendimiento definidos en los apartados 2.1.2.1 y 2.1.2.2 deben cumplirse con una única configuración del sistema E-UTRA y UTRA (ej. la misma configuración tanto para el throughput promedio y en el borde de la celda, como para la eficiencia espectral).

Es necesario aclarar que los requisitos para la eficiencia espectral y el throughput en LTE se definen tomando como referencia HSDPA en el DL y HSUPA en el UL.

Los requisitos de rendimiento para un UE capaz de implementar HSDPA se especifican en

Rel. 5 y están basados en un receptor de tipo RAKE (3GPP, 2010a). En TS 25.306 se

definen varias combinaciones de referencia y sus correspondientes categorías para la capacidad del UE, según las cuales un terminal puede recibir entre 1,2 Mbps y 10 Mbps (3GPP, 2011).

No obstante, a fin de mejorar los beneficios de HSDPA, se definieron en Rel. 6 un conjunto de requisitos más rigurosos, lo cual permitió aumentar la cobertura, la capacidad de la celda y la razón pico de datos mediante la reducción de la potencia recibida requerida por los terminales HSDPA. Estos nuevos requisitos son opcionales para los terminales HSDPA y,

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aunque están basados en estructuras receptoras de referencia, la especificación no promulga ninguna estructura determinada (los fabricantes son libres de elegir cualquier implementación para satisfacer los requisitos). Los nuevos requisitos se especifican como “tipos” en TS 25.101. El hecho de que un UE cumpla con uno de los tipos no está vinculado a la red; el aumento del rendimiento está indirectamente asociado a un mejor Indicador de Calidad del Canal reportado por el UE, el cual permite a la red incrementar la razón de datos o reducir la potencia asignada al DL (3GPP, 2010a).

En este sentido, se definen dos nuevos tipos de rendimiento para terminales HSDPA: • Tipo 1: basado en un receptor UE con diversidad de recepción.

• Tipo 2: basado en una estructura receptora LMMSE (Linear Minimum Mean Square

Error).

En cuanto al tipo 1, se especifican los requisitos de rendimiento basados en un receptor HSDPA con 2 antenas. Sin embargo, el UE puede cumplir los requisitos por cualquier medio (ibídem).

2.1.2.1 Tasa efectiva de datos del usuario.

Todos los objetivos de capacidad descritos anteriormente son importantes, sin embargo, los requisitos para el borde de la celda son esenciales ya que determinan el dimensionamiento de la red y ayudan a brindar una experiencia de usuario más uniforme a través del área celular. Por tales motivos y considerando que la eficiencia espectral y el throughput promedio se benefician significativamente de MIMO y de una ortogonalidad perfeccionada, en tanto el rendimiento del borde de la celda puede no mejorar, los requisitos para esta situación extrema son más desafiantes que el resto (3GPP, 2009).

En el DL de LTE, el throughput del usuario por MHz en el punto de 5% del C.D.F, es de dos a tres veces mayor que Rel. 6 HSDPA, mientras que el throughput promedio por MHz es de tres a cuatro veces mayor que en Rel. 6 HSDPA. Ambos requisitos deben alcanzarse suponiendo que el rendimiento de referencia de Rel. 6 está basado en una única antena transmisora en el nodo B y un receptor tipo 1 en el UE, mientras que E-UTRA puede usar un máximo de dos antenas transmisoras en el nodo B y dos receptoras en el UE.

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Para el UL, el throughput del usuario por MHz en el punto de 5% del C.D.F, es de dos a tres veces mayor que en Rel.6 Enhanced Uplink (desplegado con una antena transmisora en el UE y dos antenas receptoras en el nodo B). En cuanto al throughput promedio por MHz, es de dos a tres veces mayor que en Rel.6 Enhanced Uplink, desplegado con la misma configuración de antenas que en el caso anterior (ibídem).

Ambos objetivos deben lograrse en E-UTRA, empleando un máximo de una antena transmisora en el UE y dos antenas receptoras en el nodo B. Deben alcanzarse valores mayores de throughput del usuario si se emplean múltiples antenas transmisoras en el UE o si se aumenta el ancho de banda y la potencia de transmisión (ibídem).

2.1.2.2 Eficiencia espectral.

Para el DL, en condiciones de red cargada, la eficiencia espectral (bps/Hz/sitio) es de tres a cuatro veces mayor que en Rel. 6 HSDPA. Esto debe lograrse asumiendo que el rendimiento de referencia de Rel. 6 está basado en una antena transmisora en el nodo B, con un receptor tipo 1 en el UE, mientras que E-UTRA puede usar un máximo de dos antenas transmisoras en el nodo B y dos en el UE (ibídem).

En el uplink, bajo las mismas condiciones de carga en la red, la eficiencia espectral (bps/Hz/sitio), es de dos a tres veces mayor que en Rel. 6 Enhanced Uplink (desplegado con una antena transmisora en el UE y dos receptoras en el nodo B). E-UTRA debe usar un máximo de una antena transmisora en el UE y dos receptoras en el nodo B (ibídem).

2.1.2.3 Movilidad.

E-UTRAN debe estar optimizada para bajas velocidades de desplazamiento entre 0 y 15 Km/h, en tanto se garantiza un elevado rendimiento entre 15 y 120 Km/h. La conexión a través de la red celular será mantenida en el rango de 120 a 350 Km/h (en ambientes tales como trenes ultrarrápidos) e incluso hasta 500 Km/h, dependiendo de la banda de frecuencia. La voz y demás servicios de tiempo real soportados por conmutación de circuitos en Rel. 6, serán soportados por E-UTRAN mediante conmutación de paquetes al menos con la misma calidad que en UTRAN, sobre todos los rangos de velocidad. El impacto de handovers internos en E-UTRA en términos de calidad (ej. tiempo de interrupción) será menor o igual al provisto por handovers del dominio de conmutación de circuitos en GERAN (ibídem).

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