Contribución al estudio para la implementación de las soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles de quinta generación (5G)

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Contribución al estudio para la implementación de las soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles de quinta generación (5G). Autor: Tamara Lugo García Tutor: Ing. Halder Vladimir Galdo Navarro. Santa Clara 2015 "Año 56 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Contribución al estudio para la implementación de las soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles de quinta generación (5G) Autor: Tamara Lugo García E-mail: [email protected]. Tutor: Ing. Halder Vladimir Galdo Navarro E-mail: [email protected]. Consultante: MSc. Carlos Rodríguez López E-mail: [email protected]. Santa Clara 2015 "Año 56 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “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 publicados sin autorización de la Universidad.. 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.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. TAREA TÉCNICA. 1.. Síntesis de los criterios que se ofrecen en la bibliografía existente sobre la evolución. de las distintas generaciones de telefonía móvil. 2.. Caracterización del estado actual de las redes de telefonía móvil.. 3.. Presentación de las soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución. hacia las redes móviles 5G. 4.. Elaboración de una propuesta de especificaciones para la implementación de las. soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles 5G. 5.. Elaboración del informe.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(5) ii. RESUMEN. Debido a que las tendencias del mercado más significativas en los servicios móviles imponen requisitos que están más allá de las posibilidades actuales y la consecuente necesidad de una nueva evolución de las tecnologías en las redes móviles, se ha planteado el siguiente trabajo de diploma. Los estudios de soluciones de tecnologías de acceso de radio recomiendan Massive MIMO para incrementar la eficiencia espectral y como una posible solución para la explotación de la banda de las altas frecuencias, el Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA) como una solución que permite lograr mejoras en la capacidad y la razón de transferencia de datos del usuario utilizando las bandas de las bajas frecuencias y la integración de las bandas de las altas frecuencias y las bandas de las bajas frecuencias mediante Phantom cell. En este trabajo se analizan detalladamente estas soluciones de tecnologías de acceso de radio con el objetivo de poder definir los principales aspectos a tener en cuenta para su implementación y evaluar sus potencialidades. Este proyecto, además de proveer un estudio sistematizado acerca de las soluciones de tecnologías de acceso de radio, propone una síntesis de especificaciones como herramienta que puede ser utilizada por los proveedores. de servicios de telecomunicaciones en el proceso de. implementación de dichas tecnologías..

(6) iii. TABLA DE CONTENIDOS. TAREA TÉCNICA ..................................................................................................................i RESUMEN ............................................................................................................................ ii INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. EVOLUCIÓN. DE. LOS. SISTEMAS. DE. COMUNICACIONES. MÓVILES………. .................................................................................................................. 6 1.1 Evolución y desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles ............................ 6 1.1.1Tecnologías de primera generación analógica (1G) ............................................... 6 1.1.1.1 NMT (Nordic Mobile Telephone) ................................................................... 7 1.1.1.2 AMPS (Advanced Mobile Phone System) ...................................................... 7 1.1.1.3 TACS (Total Access Comunications System) ................................................. 8 1.1.2 Tecnologías de segunda generación (2G) .............................................................. 8 1.1.2.1 D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) ...................................... 8 1.1.2.2 CDMA (Code Division Multiple Access) ....................................................... 9 1.1.2.3 PDC (Personal Digital Cellular) .................................................................. 10 1.1.2.4 GSM (Global System Mobile) ...................................................................... 10 1.1.2.5 GPRS (General Packet Radio Service) ........................................................ 11 1.1.2.7 EDGE (Enhanced Data Rates for GSM of Evolution) .................................. 12 1.1.2.8 Evolución de EDGE...................................................................................... 12 1.1.3 Tecnologías de tercera generación (3G) .............................................................. 13.

(7) iv 1.1.3.1 IMT-2000 (Telecomunicaciones Móviles Internacionales- 2000) ............... 13 1.1.3.2 CDMA2000 .................................................................................................. 14 1.1.3.2.1 CDMA2000 1X-RTT ............................................................................. 14 1.1.3.2.2 CDMA2000 1xEV-DO .......................................................................... 14 1.1.3.2.3 CDMA2000 1xEV-DV .......................................................................... 15 1.1.3.2.4 CDMA2000 3x. ..................................................................................... 15 1.1.3.3 UMTS (Universal Mobile Terrestrial Service) ............................................ 15 1.1.3.4 WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) ................................ 16 1.1.3.5 TD-CDMA (Time Division-Code Division Multiple Access) ....................... 17 1.1.3.6 TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access)17 1.1.3.7 HSPA (High Speed Packet Access) .............................................................. 18 1.1.3.7.1 HSDPA (High Speed Downlink Data Packet) ....................................... 18 1.1.3.7.2 HSUPA (High Speed Uplink Data Packet) ........................................... 18 1.1.3.8 HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access) .............................................. 19 1.1.3.8.1 HSPA+ (3GPP Release-7) ..................................................................... 19 1.1.3.8.2 HSPA+ (3GPP Release-8) ..................................................................... 19 1.1.3.8.3 HSPA+ (3GPP Release-9) ..................................................................... 20 1.1.4 Tecnologías de cuarta generación (4G) ............................................................... 20 1.1.4.1 IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced) ...... 21 1.1.4.2 WiMAX Móvil (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ......... 21 1.2 Descripción general del sistema LTE/LTE-Advanced ................................................ 22 1.2.1 LTE (Release-8 y 9) ............................................................................................. 22 1.2.1.1 Arquitectura del sistema LTE ....................................................................... 23 1.2.1.2 Interfaz eNB↔EPC (S1) .............................................................................. 24.

(8) v 1.2.1.3 Interfaz eNB↔eNB (X2) .............................................................................. 24 1.2.1.4 Estructura de la trama ................................................................................... 25 1.2.1.5 Bloques de recursos ...................................................................................... 26 1.2.1.6 Tecnologías de nivel físico: OFDMA y SC-FDMA .................................... 27 1.2.1.6.1 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)................ 27 1.2.1.6.2 SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access) ....... 27 1.2.1.7 Tecnología MIMO (Multiple Input Multiple Output) ................................... 28 1.2.2 LTE- Advanced (Release-10 y 11)....................................................................... 28 1.2.2.1 Agregación de portadoras ............................................................................. 29 1.2.2.2 Mejoras en el acceso múltiple del enlace ascendente: DFTS-OFDM .......... 30 1.2.2.3 Técnicas MIMO avanzadas .......................................................................... 31 1.2.3 Principales requisitos y servicios de LTE/LTE-Advanced .................................. 32 1.3 Tendencias del mercado.............................................................................................. 32 1.3.1 Internet of Things (IoT) ....................................................................................... 33 1.3.1.1 Monitoreo de la infraestructura fundamental................................................ 33 1.3.1.2 Ciudades inteligentes .................................................................................... 33 1.3.1.3 Salud y Telemedicina.................................................................................... 34 1.3.1.4 Automotriz .................................................................................................... 35 1.3.2 Aplicaciones de video, realidad virtual y juegos ................................................. 35 1.3.3 Incremento explosivo en la densidad de uso de datos ........................................ 36 1.4 Requisitos para las redes móviles de quinta generación (5G) .................................... 36 1.4.1 Requisitos impulsados por el usuario .................................................................. 36 1.4.1.1 Tiempo de vida de la batería ......................................................................... 36 1.4.1.2 Razón de datos ............................................................................................. 37.

(9) vi 1.4.1.3 Latencia ......................................................................................................... 37 1.4.1.4 Robustez y flexibilidad ................................................................................. 37 1.4.1.5 Movilidad .................................................................................................... 38 1.4.1.6 Experiencia de usuario libre de irregularidades ............................................ 38 1.4.2 Requisitos impulsados por la red ......................................................................... 38 1.4.2.1 Escalabilidad ................................................................................................. 38 1.4.2.2 Capacidad de la red ....................................................................................... 38 1.4.2.3 Energía y costo.............................................................................................. 39 Conclusiones del capítulo ................................................................................................. 39 CAPÍTULO 2.. ANÁLISIS. DE. LAS. PRINCIPALES. SOLUCIONES. DE. TECNOLOGÍAS DE ACCESO DE RADIO PARA LA EVOLUCIÓN HACIA LAS REDES MÓVILES 5G ......................................................................................................... 40 2.1 Longitud de onda en milímetros ................................................................................. 43 2.1.1 Pérdidas de trayecto ............................................................................................. 44 2.1.2 Bloqueo ................................................................................................................ 45 2.1.3 Absorción atmosférica y pluvial .......................................................................... 45 2.1.4 Cambios en el legado de la red 4G ...................................................................... 46 2.1.4.1 Phantom cell (Celda fantasma) ..................................................................... 46 2.1.4.1.1 Separación del plano de control y el plano de usuario .......................... 47 2.1.4.1.1.1 Configuración de un solo nodo con separación del plano de control y el plano de usuario............................................................................................................ 49 2.1.4.1.1.2 Configuración de separación del plano de control y el plano de usuario con nodos separados ........................................................................................................... 50 2.1.4.1.1.2.1 Arquitectura RAN para el soporte de Phantom cell ............................. 51. 2.2 Massive MIMO ........................................................................................................... 52 2.2.1 Arquitectura de Massive MIMO .......................................................................... 53 2.2.2 Modo de operación .............................................................................................. 53.

(10) vii 2.2.3 Aplicación de Massive MIMO en las frecuencias mmWave ............................... 54 2.2.4 Contaminación piloto ........................................................................................... 55 2.2.5 Configuraciones de arreglos de antena ................................................................ 56 2.2.6 Modelos de canal ................................................................................................. 57 2.2.6.1 Modelos Estocásticos Basados en Correlaciones (CBSMs) ......................... 58 2.2.6.1.1 Modelo de desvanecimiento de Rayleigh .............................................. 58 2.2.6.1.2 Modelo de correlación ........................................................................... 59 2.2.6.1.3 Modelo de acoplamiento mutuo ............................................................ 59 2.2.6.2 Modelos Estocásticos Basados en Geometrías (GBSMs)............................. 60 2.2.6.2.1 Modelo 2D ............................................................................................. 60 2.2.6.2.2 Modelo 3D ............................................................................................. 60 2.3 Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA) ................................................................... 61 2.3.1 Principios de NOMA ........................................................................................... 61 2.3.2 NOMA usando cancelación de interferencia sucesiva (SIC) ............................... 64 2.3.3 Grupos de usuarios predefinidos y asignación de potencia fija (FPA) ................ 65 2.3.4 Comparación con OFDMA .................................................................................. 66 2.3.5 NOMA con múltiples antenas............................................................................. 67 Conclusiones del capítulo ................................................................................................. 68 CAPÍTULO 3.. PROPUESTA. DE. ESPECIFICACIONES. PARA. LA. IMPLEMENTACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS DE ACCESO DE RADIO ................... 69 3.1 Potencial de las principales soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles 5G ............................................................................... 69 3.1.1 Potencial de Phantom cell.................................................................................... 69 3.1.2 Potencial de Massive MIMO ............................................................................... 71 3.1.3 Potencial de NOMA............................................................................................. 73.

(11) viii 3.2 Requisitos fundamentales para la implementación de las soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles 5G ......................................... 75 3.2.1 Phantom cell ........................................................................................................ 75 3.2.2 Massive MIMO .................................................................................................... 76 3.2.3 Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA) ............................................................ 79 Conclusiones del capítulo ..................................................................................................... 81 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 82 Conclusiones ..................................................................................................................... 82 Recomendaciones ............................................................................................................. 83 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 85 GLOSARIO .......................................................................................................................... 89.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. La industria de las telecomunicaciones móviles comenzó su desarrollo y evolución a partir de los años 70’s. Desde entonces y a lo largo de las últimas décadas las tecnologías de comunicaciones móviles han experimentado cuatro generaciones de revolución y evolución. En los últimos años estos servicios de telecomunicaciones han mostrado un desarrollo muy vertiginoso, dando un salto de grandes magnitudes al día de hoy, donde 6 billones de personas poseen un teléfono celular. Cada generación ha pretendido extender y mejorar las capacidades del sistema, enriqueciendo las experiencias de los usuarios de estas tecnologías (Kachhavay and P.Thakare, 2014). Las comunicaciones móviles forman una parte fundamental de la vida de millones de personas alrededor del mundo, situación que se espera que continúe e incluso se convierta en un hecho cada vez más innegable en el futuro. Lo que en un principio era un terminal tosco y pesado accediendo solo a un simple servicio de voz, se ha convertido en un complejo entorno de interconexión que integra a diversas tecnologías y soporta millones de aplicaciones y billones de usuarios, lo cual constituye un potencial beneficio masivo para la sociedad. Algunos signos tempranos de esta Sociedad Interconectada ya se empiezan a observar. Un número cada vez mayor de usuarios está esperando tener la misma experiencia en el acceso a aplicaciones y servicios de Internet en cualquier momento, en cualquier lugar y a través de cualquier medio de conectividad. La barrera entre las redes fijas y móviles se está volviendo cada vez más estrecha, debido a que las redes móviles están siendo capaces de ofrecer anchos de bandas cada vez mayores (Patil et al., 2012). Las tendencias del mercado más significativas en los servicios móviles en la actualidad incluyen la llamada Internet of Things donde todos los dispositivos se conectarán a una red.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. inalámbrica para su monitoreo, colección de información y control así como servicios de redes inalámbricas más extensos para la entrega de mayor cantidad de contenido en tiempo real y de forma segura. A partir de estas tendencias el aumento del tráfico en las redes móviles va a continuar para el futuro, proyectándose un aumento de 24 veces desde el 2010 hasta el 2015, y de 500 veces hasta el 2020 (Chin et al., 2013). Para responder a estas tendencias las redes. requieren de gran auto-integración y. capacidades de autoadministración que están más allá de las posibilidades actuales. Estos rasgos deben reflejarse en la arquitectura de la red con el objetivo de llegar a alcanzar el máximo potencial de las mismas. Adicionalmente las comunicaciones necesitan ser cada vez más fiables, lo cual genera grandes requisitos de latencia y fiabilidad en la arquitectura de la red (Cicconetti, 2014). Ante estos modernos escenarios proyectados se hace necesario una nueva evolución de las tecnologías en las redes móviles con el objetivo de satisfacer los variados servicios que la creciente cantidad de dispositivos conectados a la red van a demandar, debido a que las tecnologías implementadas actualmente no son capaces de satisfacer las necesidades y requisitos impuestos a la red por las tendencias del mercado. Visualizando el desarrollo del sistema móvil 5G líderes mundiales como Nokia, Ericsson, Huawei y Docomo han comprendido la importancia de lograr el salto evolutivo y han comenzado a realizar esfuerzos para el estudio de las principales tecnologías a implementar para la evolución hacia redes móviles 5G con el objetivo de satisfacer la amplia gama de aplicaciones y servicios con la calidad adecuada, y aunque en algunos casos, se hace referencia a las soluciones de tecnologías de acceso de radio debido a la necesidad de que estas provean ganancias significativas en la capacidad del sistema y la razón de transferencia de datos del usuario, no se ha profundizado lo suficiente en lo referente a los principales aspectos para su implementación. En el análisis bibliográfico realizado se pudo constatar la existencia de investigaciones precedentes que tratan como tópico la tecnología 5G, no obstante, han sido insuficientes los estudios acerca de los principales aspectos a tener en cuenta para implementar las tecnologías de acceso de radio y en qué medida estas tecnologías son capaces de satisfacer los requisitos impuestos a la red por las nuevas tendencias del mercado..

(14) INTRODUCCIÓN. 3. Entre los antecedentes se puede mencionar 4G Americas Recommendations on 5G Requirements and Solutions que brinda una visión de las tendencias del mercado y los requisitos que impone a la red así como también las nuevas componentes tecnológicas y soluciones que pueden ser utilizadas para la evolución hacia las redes 5G. Otro texto es Emerging Technologies and Research Challenges for 5G Wireless Networks donde se identifican varias tecnologías emergentes que cambiarán y definirán las futuras generaciones de estándares de telecomunicaciones. El artículo Nokia Solutions and Networks Looking ahead to 5G y la investigación 5G: what is it? de los líderes mundiales Nokia y Ericsson presentan las bases en las que se sustentarán las redes móviles 5G. Sin embargo, a pesar de la existencia de los estudios mencionados, aún no se ha encontrado una investigación que unifique la diversidad de criterios referidos al tema tratado anteriormente, por lo que se requiere la síntesis de los contenidos señalados, para facilitar la comprensión de las soluciones de tecnologías de acceso de radio y los principales aspectos a tener en cuenta en su implementación para la evolución hacia redes móviles 5G. De ahí que el problema de investigación sea el siguiente: ¿Cómo contribuir al estudio para la implementación de las soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles de quinta generación (5G)? Del problema planteado anteriormente se desprende el objetivo general de este trabajo: contribuir al estudio para la implementación de las soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles de quinta generación (5G). Para orientar la labor investigativa, en este trabajo se plantean como interrogantes científicas: 1.. ¿Cuál ha sido el desarrollo de las redes móviles desde su surgimiento hasta la. actualidad? 2.. ¿Cuáles son las características de las redes de telefonía móvil actuales?. 3.. ¿Qué servicios y aplicaciones y sus consecuentes requisitos, demandan un salto. evolutivo de las redes móviles actuales?.

(15) INTRODUCCIÓN. 4.. 4. ¿Cuáles son las tecnologías de acceso de radio que son necesarias implementar para. lograr esta evolución? 6.. ¿Cuáles son los requisitos fundamentales para la implementación de las soluciones de. tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles 5G? Para dar respuesta a estas interrogantes nos proponemos como objetivos específicos: 1.. Describir la evolución de las distintas generaciones de telefonía móvil desde su. surgimiento hasta la actualidad. 2.. Caracterizar el escenario actual en que se encuentran las redes de telefonía móvil.. 3.. Describir las distintas aplicaciones y los requisitos que generan en la red que. demandan un salto evolutivo de las redes móviles actuales. 4.. Realizar un estudio de las soluciones de tecnologías de acceso de radio que son. necesarias para la evolución hacia las redes de telefonía móvil 5G. 6.. Elaborar una propuesta de especificaciones para la implementación de las soluciones. de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles 5G. Con la realización de este trabajo investigativo se pretende, a través del uso de métodos teóricos, obtener una caracterización del escenario actual de las redes de telefonía móvil y un material de consulta acerca de los principales requisitos para la implementación de las nuevas tecnologías que estarán presentes en las redes de telefonía móvil 5G y que harán posible enfrentar con éxito los grandes desafíos que tendrán las redes de telecomunicaciones del futuro. Además se propone una síntesis de especificaciones como herramienta que puede ser utilizada por los proveedores. de servicios de. telecomunicaciones en el proceso de implementación de dichas tecnologías. Se puede afirmar que el trabajo de diploma tiene una alta relevancia teórica ya que aporta un estudio sistematizado acerca de las soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles 5G, en aras de lograr una mejor comprensión y utilización de los estudios referidos al tema por parte de los estudiantes de telecomunicaciones y electrónica, así como por entidades interesadas en conocer acerca de dichas tecnologías..

(16) INTRODUCCIÓN. 5. La bibliografía con que se cuenta hoy en día es muy dispersa con respecto a este tema, por lo que es necesario que exista un documento confiable y actualizado que integre los aspectos esenciales y particulares de estas tecnologías, para apoyar la superación de los ingenieros cubanos y los futuros ingenieros en Telecomunicaciones de nuestra facultad. Esta investigación está estructurada en tres capítulos. En el primero se realiza una descripción del desarrollo que han experimentado las distintas generaciones de tecnologías en las redes de telefonía móvil desde su surgimiento hasta la actualidad. También se ofrece una caracterización del escenario actual de estas redes con sus principales atributos, se describen las aplicaciones que constituyen la motivación para el salto evolutivo y se detallan los desafíos que le generan a la red estas aplicaciones. En el segundo capítulo se analizan las posibles soluciones de tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles de quinta generación (5G), y en el tercer capítulo se ofrece una propuesta de especificaciones que deben satisfacer los proveedores de servicios para la implementación de estas tecnologías y en qué medida estas son capaces de satisfacer los requisitos impuestos a la red por las nuevas tendencias del mercado..

(17) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. CAPÍTULO 1.. EVOLUCIÓN. DE. LOS. SISTEMAS. 6. DE. COMUNICACIONES MÓVILES. 1.1 Evolución y desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles La comunicación inalámbrica tiene sus raíces en la invención del radio por Nikola Tesla en los años 1880, aunque fue formalmente presentado en 1894 por un joven italiano llamado Guglielmo Marconi. El teléfono móvil se remonta a los inicios de la Segunda Guerra Mundial, donde ya se veía que era necesaria la comunicación a distancia, es por eso que la compañía Motorola creó un equipo llamado Handie Talkie H12-16, que es un equipo que permite el contacto con las tropas vía ondas de radio que en ese tiempo no superaban más de 600 kHz. Esta tecnología fue aprovechada a partir de los años 1950 y 1960 para crear una gran variedad de aparatos de radio y de comunicación a distancia (los tradicionales WalkieTalkies), utilizados sobre todo por servicios públicos tales como taxis, ambulancias o bomberos. Aunque realmente estos dispositivos no pueden ser considerados como teléfonos móviles, la implementación de los primeros supuso el comienzo de la evolución hacia los dispositivos que conocemos en la actualidad. 1.1.1Tecnologías de primera generación analógica (1G) Los equipos 1G pueden parecer algo aparatosos para los estándares actuales pero fueron un gran avance para su época, ya que podían ser trasladados y utilizados por una única persona. El hecho de que fueran analógicos traía consigo una serie de inconvenientes, tales como que solo podían ser utilizados para la transmisión de voz o su baja seguridad, la cual hacía posible a una persona escuchar llamadas ajenas con un simple sintonizador de radio.

(18) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 7. o, incluso hacer uso de las frecuencias cargando el importe de las llamadas a otras personas (Basterretche and Martínez, 2007). 1.1.1.1 NMT (Nordic Mobile Telephone) En 1981 el fabricante Ericsson lanza el sistema NMT 450 (Nordic Mobile Telephony 450 MHz). Este sistema utilizaba canales de radio analógicos (frecuencias en torno a 450 MHz) con modulación en frecuencia (FM). Era el primer sistema del mundo de telefonía móvil tal como se entiende hasta hoy en día. En 1986, Ericsson modernizó el sistema, llevándolo hasta el nivel NMT 900. (Arocha, 2013). Las celdas de las redes NMT son de hasta 30 km. NMT es un sistema full-dúplex, por lo que es posible transmitir y recibir al mismo tiempo. Tenía algunas propiedades modernas para su época, como el discado automático y el handover (transferencia de servicio de una estación base a otra sin intervención del usuario). Por otro lado, NMT especificaba la facturación y permitía usar las redes de otros operadores en el extranjero (roaming). Además permitía transferir datos, en un modo llamado DMS (Data and Messaging Service); o bien NMT-Text, que usaba el canal de señalización para transferir datos. La razón de transferencia de datos está entre 600 y 1200 bits por segundo, utilizando la modulación FFSK (Modulación de frecuencia) (Basterretche and Martínez, 2007). 1.1.1.2 AMPS (Advanced Mobile Phone System) AMPS se trata de un sistema de comunicación celular analógica concebido para móviles de primera generación y desarrollado a comienzos de los 80 por los laboratorios Bell, y que proporciona una cobertura a nivel nacional, mucho más extensa incluso que la ofrecida por las redes digitales (aunque con la desventaja de que solo puede ser utilizada para transmitir voz). AMPS consta de 832 canales con una razón de transferencia de datos de 10 kbps, utilizando cada uno de ellos un ancho de 30 KHz, abarcando un espectro de frecuencias que va desde los 800 MHz hasta los 900 MHz. AMPS utiliza la técnica de Modulación en Frecuencia (FM) para las transmisiones de radio y el tráfico es multiplexado utilizando FDMA (Frequency Division Multiple Access). AMPS y los sistemas telefónicos móviles del mismo tipo dividen el espacio geográfico en una red de celdas o simplemente celdas de.

(19) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 8. tal forma que las celdas adyacentes nunca usen las mismas frecuencias, para evitar interferencias (Basterretche and Martínez, 2007), (Kumar et al., 2010). 1.1.1.3 TACS (Total Access Comunications System) El estándar TACS desarrollado en el Reino Unido, deriva del estándar AMPS de Estados Unidos, habiéndose adaptado las bandas de frecuencia y canalización a la normativa europea. El sistema funciona en la banda de 900Mhz y dispone de un ancho de banda que proporciona 1320 canales dúplex. Se ha diseñado básicamente para la transmisión de voz, por la interfaz radio, de forma analógica, empleándose modulación de frecuencia con gran desviación. Además para conseguir una buena calidad de voz, se realiza un procesado de señal consistente con la compresión/expansión silábica. La transmisión de la señalización por la interfaz radio es digital, utilizándose modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) y codificación con detección y corrección de errores. TACS fue diseñado en un inicio para tener un alto índice de suscriptores de áreas urbanas y rurales, soportando una razón de transferencia de datos de hasta 1.44kbps (Rábanos, 1997). 1.1.2 Tecnologías de segunda generación (2G) En la década de 1990 nace la segunda generación, que utiliza sistemas como GSM, IS-136, e IS-95. El desarrollo de esta generación tiene como piedra angular la digitalización de las comunicaciones. En esta época nacen varios estándares de comunicaciones móviles: DAMPS (EE. UU.), Personal Digital Cellular (Japón), cdmaOne (EE. UU. y Asia) y GSM (Europa) (Arocha, 2013). La evolución de GSM dio lugar a los estándares GPRS y EDGE, y la evolución de cdmaOne dio lugar al estándar CDMA2000. 1.1.2.1 D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) El primer sistema 2G fue el D-AMPS, conocido también como TDMA (Time Division Multiple Access). El estándar internacional original de TDMA fue el IS-54, introducido en 1988-89 por la TIA/CTIA (Telecommunications Industry Asociation), el cual introducía a los sistemas celulares características como autenticación, calling number (Caller ID), MWI (Message-Waiting Indicator) y privacidad de voz. El IS- 54 fue suplantado en 1994, por el estándar IS-136, el cual adicionaba un DCCH o Digital Control Channel. Este, está seguido.

(20) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 9. muy cerca por las correcciones A y B. La Corrección A del IS-136 (IS- 136A) entre otros avances, hizo un reacomodo de la banda de frecuencia entre los 800 y 1900 MHz, mientras que el IS- 136 B introdujo servicios tales como paquetes de datos y difusión de SMS. Como en FDMA (AMPS), TDMA (D-AMPS) usa frecuencias comprendidas en el rango entre los 800 y 900 MHz del espectro radioeléctrico. La separación entre canales es de 30KHz. Y la separación entre la portadora de transmisión y recepción es de 45MHz lo que se traduce en un total de 832 canales (Full-Duplex) con capacidad de tres usuarios cada uno y una razón de transferencia de datos de 48.6 kbps producto del uso de audio digital cuando se utiliza modulación 16-QAM y canales de 30 KHz (Díaz et al.). 1.1.2.2 CDMA (Code Division Multiple Access) El estándar IS-95 CDMA es un sistema de segunda generación de acceso múltiple por división de código y que utiliza las técnicas de espectro extendido. Este estándar utiliza FDD (Duplexado por División de Frecuencia) con una separación de frecuencia de 45 MHz y con un ancho de banda de portadoras de 1.25 MHz. Las bandas de frecuencias en Estados Unidos y Corea son 825-849 MHz (López, 2005). El estándar cdmaOne se presenta en dos variantes: La inicial, denominada IS-95A, fue comercialmente introducida en 1995. Entre los principales aspectos de este estándar se encuentran: -. Soporta una razón de transferencia de datos de hasta 14.4 Kbps.. -. Ha sido exclusivamente utilizado para servicios de voz mediante conmutación de. circuitos. -. Usa Códigos Convolucionales de canal.. -. Utiliza la técnica de modulación BPSK.. La segunda variante, denominada IS-95B es una versión desarrollada de IS-95A. IS-95B mantiene la capa física de IS-95A, pero debido a una mejora en la capa MAC, es capaz de proveer una razón de transferencia de datos más alta. Entre los principales aspectos de este estándar se encuentran:.

(21) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. -. 10. Razón de transferencia de datos teórica de hasta 115Kbps, con razón de transferencia. de datos experimentada generalmente de 64 Kbps. -. Usa Códigos Convolucionales de canal.. -. Utiliza la técnica de modulación BPSK.. Entre los servicios que ofrece cdmaOne están la voz, los datos, el buzón de voz y los SMS (Short Message Service) a una velocidad de 64kbps, con una ganancia de aproximadamente 8 a 10 veces mayor, con mejor calidad de sonido (Agrawal et al., 2003). 1.1.2.3 PDC (Personal Digital Cellular) Personal Digital Cellular (PDC) es un estándar de telefonía móvil 2G que se utiliza en comunicaciones de telefonía móvil digital en Japón, que incluye comunicaciones de voz y de datos a través de una interfaz de radio. PDC se basa en una variante de la tecnología TDMA con portadoras de 25KHz y modulación DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) con factor de Roll-Off igual a 0.5. Puede trabajar con 6 canales half-rate o 3 canales full-rate. La razón de transferencia de datos es de 11.2 Kbps si es utilizada la codificación full-rate, pero cuando la codificación es de forma half-rate cae hasta los 5.6 Kbps. En su variante PDC-P (PDC Mobile Packet Data Communication System) que utiliza un sistema basado en la transmisión de paquetes alcanza valores de hasta 28.8kbps. Además de proveer servicios de comunicaciones de voz permite servicios de comunicaciones de datos entre computadoras personales usando un módem y el envío de SMS (ARIB, 2005). 1.1.2.4 GSM (Global System Mobile) Global System Mobile fue desarrollado en Europa. Este es un sistema estándar para comunicación utilizando teléfonos móviles que incorpora tecnología digital. GSM emplea la modulación GMSK (Gaussian Minimun Shift Keying). Para el acceso en las interfaces de radio combina FDMA y TDMA. Para minimizar las fuentes de interferencias y conseguir una mayor protección se utiliza el FH (Frequency Hopping) o salto en frecuencia entre canales, con una velocidad máxima de 217 saltos/s y siempre bajo mandato de la red (Hernández and Karorero, 2011)..

(22) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 11. El estándar GSM permite tanto el soporte de voz como la transferencia de datos. Una llamada de voz utiliza un codificador GSM específico a 13Kbps, posteriormente se desarrolló un códec de 6,5 kbps que permitirá duplicar la capacidad de los canales. Además permite el envío y recepción de mensajes cortos de texto (SMS) de hasta 160 caracteres, desde el propio terminal de telefonía móvil. Existen tipos diferentes de celdas en una red GSM: macro, micro, pico y femto las que se diferencian por el grado de cobertura. La mayor distancia que soporta la especificación GSM es de 35 Km (Bernal, 2005, Basterretche and Martínez, 2007). La arquitectura general de un sistema GSM se ilustra en la siguiente figura:. Figura 1. Arquitectura general de un sistema GSM (Gallón, 2013).. 1.1.2.5 GPRS (General Packet Radio Service) GPRS es una extensión del Sistema Global para Comunicaciones Móviles (GSM) para la transmisión de datos no conmutada (o por paquetes): utiliza la misma infraestructura que GSM para enviar la voz y añade una infraestructura de red que permite utilizar un conjunto de protocolos para la transmisión de paquetes de datos. Permite una razón de transferencia de datos en el orden de 40 kbps. El estándar GPRS mejora y actualiza a GSM con los servicios siguientes: Servicio de Mensajes Multimedia (MMS), mensajería instantánea, aplicaciones en red para dispositivos a través del Protocolo de Aplicaciones Inalámbrico (WAP) y servicios P2P (peer to peer) utilizando el protocolo IP (Gallón, 2013). La arquitectura general de un sistema GPRS se ilustra en la siguiente figura:.

(23) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 12. Figura 2. Arquitectura general de un sistema GPRS (Gallón, 2013).. 1.1.2.7 EDGE (Enhanced Data Rates for GSM of Evolution) Básicamente es una actualización para las redes GSM/GPRS. Está basado en la misma técnica de acceso (TDMA) y realiza procesos adicionales para optimizar la utilización del espectro y permitir una razón de transferencia de datos más altas. Aunque EDGE funciona con cualquier red GSM que tenga implementado GPRS, el operador debe implementar las actualizaciones de software necesarias. EDGE es capaz de soportar una razón de transferencia de datos teórica de hasta 474 kbps, con un througput promedio de 70 a 130kbps en ambos el enlace ascendente y descendente. La razón de transferencia de datos media es lo suficientemente rápida para soportar una gran variedad de servicios de datos, incluyendo la transferencia de audio y video, conexión rápida a Internet y la descarga de grandes archivos. Además puede soportar servicios de Push-ToTalk. 1.1.2.8 EDGE Evolution El estándar EDGE Evolution, o también llamado EDGE desarrollado o EDGE II, es una versión mejorada del estándar EDGE que se ratificó por el 3GPP en su Release 7. Aplica muchas de las técnicas utilizadas en HSPA+ para disminuir la latencia y aumentar la razón de transferencia de datos del estándar EDGE..

(24) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 13. La razón de transferencia de datos es incrementada a 1 Mbps y la latencia baja a 100ms usando operadores duales, una modulación de órdenes más altos (36-16QAM en vez de 8PSK), y códigos Turbo para mejorar la corrección de errores (Chakraborty, 2013). 1.1.3 Tecnologías de tercera generación (3G) En el paso de las redes celulares analógicas a las digitales, cada una de las tres regiones importantes desde el punto de vista del desarrollo de tecnología celular (Europa, Norteamérica y Asia) tomaron caminos distintos. En cualquier caso es evidente que lo ideal sería que 3G se enfrentase con el objetivo de conseguir un sistema global común. Esta iniciativa se concretó en 1996 con la creación de IMT-2000 (Telecomunicaciones Móviles Internacionales- 2000), cuyo objetivo es definir un marco dentro del cual puedan coexistir distintas tecnologías 3G, asegurando la interoperatividad de servicios. Una organización llamada 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha continuado ese trabajo definiendo un sistema móvil que cumple con el estándar IMT-2000. El proyecto 3GPP está basado en la evolución de los estándares GSM/GPRS y su variante 3G fue llamada UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), la cual está basada principalmente en la tecnología WCDMA con las mejoras HSPA y HSPA+ y en las variantes de acceso TD-SCDMA y TD-CDMA. Por otra parte, el 3GPP2 realiza la construcción de IMT-2000 basado en el estándar IS-95 y su variante 3G fue llamada CDMA2000. La evolución de CDMA2000 dio lugar a las variantes 1xEV-DO, 1xEV-DV y 3x. 1.1.3.1 IMT-2000 (Telecomunicaciones Móviles Internacionales- 2000) La especificación llamada Telecomunicaciones Móviles Internacionales- 2000 y más adelante conocida como Sistemas Móviles de Tercera Generación, provee diferentes razones de transferencia de datos en dependencia de la movilidad y la localización: -. Para Macrocelda con muy alta velocidad (<500 km/h) y exteriores, una razón de. transferencia de datos de 144 Kbps. -. Para Macro/microcelda con velocidad de peatón o moderada (<120 km/h) y. exteriores, una razón de transferencia de datos de 384Kbps..

(25) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. -. 14. Para Picocelda exteriores o interiores y alcance corto, una razón de transferencia de. datos de 2 Mbps (Gallón, 2013). 1.1.3.2 CDMA2000 CDMA2000 es una familia de estándares de telecomunicaciones que utilizan CDMA. Estos sistemas constituyen evoluciones del IS-95 y siguen empleando portadoras de 1.25 MHz. Aquí tenemos las variantes: 1X-RTT, 1XEV-DO, 1XEV-DV y 3X. 1.1.3.2.1 CDMA2000 1X-RTT Es el resultado de la evolución del estándar cdmaOne y aunque es calificado oficialmente como una tecnología 3G, 1xRTT es considerado por algunos como una tecnología 2.5G (o a veces 2.75G). Este estándar proporciona aproximadamente el doble de la capacidad de voz del antecesor cdmaOne y proporciona una razón de transferencia de datos promedio de 144 kbps. Es compatible con las redes y terminales cdmaOne y mejora su desempeño. Esta tecnología introdujo una serie de mejoras con relación a la especificación anterior como son: razón de trasferencia de datos de hasta 150 kbps o 300 kbps en dependencia de la configuración de tráfico del canal de radio, modulación QPSK en los enlaces de bajada y subida, y codificación de canal mejorada (Quintana, 2011). 1.1.3.2.2 CDMA2000 1xEV-DO CDMA2000 1xEV-DO introdujo técnicas de alta razón de transferencia de datos y conmutación de paquetes para transmisiones de datos de alta velocidad permitiendo una razón de transferencia de datos pico de más de 2 Mbps. 1xEV-DO fue inicialmente estandarizado en la versión 0 (Rev. 0) y posteriormente experimentó una versión mejorada conocida como 1xEV-DO Revisión A. En la Rev.0 se proveen ráfagas de datos de hasta 2.4Mbps con una razón de transferencia de datos promedio en el enlace descendente con valores entre 400 y 700Kbps. La razón de transferencia de datos promedio en el enlace ascendente está entre 60 y 80 Kbps. La Rev.0 hace uso de los Protocolos de Internet existentes, permitiendo soporte de conectividad basada en IP y aplicaciones de software. En la Rev. A se reduce la latencia y se incrementa la razón de transferencia de datos a 3.1Mbps en el enlace descendente y 1.8Mbps en el enlace ascendente..

(26) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 15. 1.1.3.2.3 CDMA2000 1xEV-DV 1xEV-DV es la segunda fase en la evolución de CDMA2000. Entre sus principales rasgos podemos mencionar: -. Razón de transferencia de datos pico en el enlace descendente de 3.072Mbps.. -. Razón de transferencia de datos pico en el enlace ascendente de 451.2 Kbps.. -. Duración de trama variable (1.25, 2.5 y 5 ms).. -. Modulación adaptativa y codificación del enlace descendente en tiempo real en. dependencia de las condiciones del canal (QPSK, 8-PSK, 16-QAM). 1.1.3.2.4 CDMA2000 3x. La versión 3x de CDMA2000 es algunas veces referidas como Multi-Carrier o MC y tiene compatibilidad regresiva con las tecnologías 1x y cdmaOne y sus desarrollos. Entre sus principales rasgos podemos mencionar: -. Ofrece razón de transferencia de datos de hasta 2Mbps.. -. Utiliza tres veces la capacidad de portadora de 1,25 MHZ inicial para un total de 3,75. MHz. -. Utiliza Códigos Convolucionales y Códigos Turbo.. -. Utiliza la técnica de modulación QPSK (Agrawal et al., 2003).. 1.1.3.3 UMTS (Universal Mobile Terrestrial Service) UMTS es parte de la familia IMT-2000 de estándares móviles de 3G. Es un estándar que brinda servicios de voz, fax, mensajes, multimedia, así como una razón de transferencia de datos de hasta 2Mbps. UMTS utiliza la tecnología de acceso de radio WCDMA lo que supone una serie de ventajas adicionales tales como: una razón de transferencia de datos mejorada, menos interferencias y, por tanto, una voz de calidad mayor, y cobertura a nivel mundial ya sea de modo terrestre o a través de satélite, dando como resultado una comunicación sin fisuras aun estando en movimiento (Chakraborty, 2013)..

(27) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 16. UMTS utiliza un par de canales de 5 MHz, uno en el rango de 1885–2025 MHz para el enlace de subida y uno en el rango de 2110–2200 MHz para el de bajada. Proporciona una razón de transferencia de datos pico para datos de 350 kbps donde las velocidades típicas son de 200 kbps para el enlace de subida y 300 kbps para el de bajada (Quintana, 2011). La arquitectura general de un sistema UMTS es la que se ilustra en la figura:. Figura 3. Arquitectura general de un sistema UMTS (Gallón, 2013).. Los datos llegan al nodo B (estaciones base), que es el encargado de recopilar las señales mandadas por los terminales, pasando estas al RNC (Radio Network Controller) o Controlador de la Red de Radio para ser procesadas. El conjunto de los nodos y el RNC constituyen una estructura denominada Red de Acceso de Radio (UTRAN), la cual conecta los terminales con el Núcleo de Red o Core Network, desde el cual se distribuyen los datos por los distintos sistemas mediante una serie de conmutaciones. Según sea su destino, deberán pasar por el MSC (Mobile Services Switching Centre) o por el SGSN (Serving GPRS Support Node) y el GGSN (Gateway GPRS Support Node) (Basterretche and Martínez, 2007). 1.1.3.4 WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) WCDMA es una tecnología móvil inalámbrica que aumenta la razón de transferencia de datos de los sistemas móviles utilizando la interfaz aérea CDMA en lugar de TDMA (Time.

(28) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 17. Division Multiple Access), es por ello que 3G ofrece velocidades mucho más altas de datos en aparatos inalámbricos portátiles. Además de flexibilidad, la tecnología de radio WCDMA tiene capacidades avanzadas que permiten nuevos servicios. Tales capacidades son: -. Alta razón de transferencia de datos teórica de hasta 2Mbps en la Versión 99 del. 3GPP y más de 2Mbps en la Versión 5 del 3GPP. -. Razón de transferencia de datos práctica de hasta 384 kbps inicialmente y de más de. 2Mbps en la Versión 5. -. Baja latencia en paquetes de ida y vuelta por debajo de 200 ms.. -. Movilidad libre de irregularidades también para aplicaciones de paquetes de datos.. -. Diferenciación en la Calidad de Servicio (QoS) para la alta eficiencia de entrega de. servicios. -. Capacidades para la transmisión simultánea de voz y datos (Toskala, 2004).. 1.1.3.5 TD-CDMA (Time Division-Code Division Multiple Access) TD-CDMA es una combinación de técnicas de acceso por división de tiempo y técnica de división de código. La longitud de una trama TD-CDMA es de 10 ms y es dividida en 15 ranuras de tiempo, por lo que cada ranura tiene una duración de 666µs. La razón de chips es de 3.84Mcps por lo que hay 2560 chips en cada ranura de tiempo. Esta tecnología opera en los modos FDD y TDD, y utiliza el esquema de modulación QPSK. En el enlace descendente usa solamente un factor de dispersión de valor máximo igual a 16 para habilitar la implementación de estaciones móviles de bajo costo y para el enlace ascendente emplea un factor de dispersión en el rango de 1 a 16 (Kurjenniemi, 2005). 1.1.3.6 TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access) Es una combinación de las técnicas TDMA y CDMA. Esta tecnología ha sido desarrollada por Siemens y CATT (Academia China para la Tecnología de las Telecomunicaciones) y su mayor ventaja es que le permite interoperar con las redes 2G (Bernal, 2005)..

(29) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 18. TD-SCDMA está basado en DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access). A diferencia de WCDMA que utiliza una razón de chip de 3.84Mcps esta tecnología emplea 1.28Mcps y el ancho de banda del canal es de 1.6Mhz. TD-SCDMA adopta operación en modo TDD, en vez de FDD en WCDMA, lo que puede ser considerado la mayor diferencia entre estos dos sistemas. En el modo TDD, los mensajes son transportados sobre la misma frecuencia portadora en diferentes ranuras de tiempo de la trama. Consecuentemente la transmisión física de la interfaz de radio TD-SCDMA es determinada por la frecuencia portadora, el código utilizado y las ranuras de tiempo en una trama. En total hay 7 ranuras de tiempo en una trama para tráfico del enlace ascendente y del enlace descendente y cada ranura de tiempo consta de 864 chips. La señalización TDSCDMA adopta modulación QPSK como WCDMA-FDD y modulación 8-PSK para la eficiencia espectral más alta con una razón de transferencia de datos de hasta 2Mbps (Chen, 2008) 1.1.3.7 HSPA (High Speed Packet Access) Se denomina HSPA (High Speed Data Packet) al acceso de alta velocidad diseñado específicamente para cubrir las necesidades de acceso de datos. Se puede utilizar para aplicaciones de tiempo real (voz, video) aunque actualmente, su uso se destina principalmente para acceso a Internet de alta velocidad. Se denomina HSDPA a la interfaz que se ocupa de gestionar el tráfico en sentido descendente (downlink) y HSUPA al que gestiona el tráfico en sentido ascendente (Uplink). 1.1.3.7.1 HSDPA (High Speed Downlink Data Packet) Especificado en la versión 5 del 3GPP es un servicio de transferencia de paquetes de datos de alto rendimiento con razón de transferencia de datos pico teórica de 14 Mbps. La razón de transferencia de datos pico realizable por usuario en las implementaciones iniciales estaban por encima de 1Mbps. HSDPA es completamente compatible con UMTS y cualquier aplicación desarrollada para UMTS trabajará con HSDPA. Este estándar además tiene una latencia significativamente más baja y eleva el nivel de rendimiento de la tecnología WCDMA para proveer servicios de banda ancha. 1.1.3.7.2 HSUPA (High Speed Uplink Data Packet).

(30) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 19. Es una evolución de HSDPA, constituye un protocolo de acceso de datos para redes de telefonía móvil con alta razón de transferencia de datos de subida de hasta 5.76 Mbps. Estandarizado en la versión 6 del 3GPP constituye un conjunto de mejoras que optimizan el rendimiento del enlace ascendente usando el Enhanced Dedicated Channel (E-DCH). Estas mejoras incluyen throughput (razón de transferencia de datos exitosa) más altos, menor latencia y un aumento en la eficiencia espectral. 1.1.3.8 HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access) HSPA+ es también conocido como Evolución de HSPA o HSPA Mejorado y comprende un conjunto de mejoras a la interfaz de radio HSPA, aumentando así el throughput de la misma. HSPA+ fue estandarizado en el Release 7 ,8 y 9 del 3GPP. 1.1.3.8.1 HSPA+ (3GPP Release-7) Algunas de las mejoras a la interfaz de radio HSPA propuestas en la Versión 7 del 3GPP son: -. Múltiples Entradas Múltiples Salidas (MIMO): HSPA+ versión 7 soporta en el enlace. descendente MIMO 2x2 en el cual se utilizan 2 antenas transmisoras en la estación base para transmitir las corrientes ortogonales de datos hacia 2 antenas receptoras en el dispositivo. -. Alto Orden de Modulación (HOM): HSPA+ versión 7 introduce 64-QAM en el. enlace descendente lo que incrementa la razón de transferencia de datos en un 50% para los dispositivos con alta SNR. En el enlace ascendente emplea 16-QAM que duplica la razón de transferencia datos de dispositivos que no son limitados en potencia. 1.1.3.8.2 HSPA+ (3GPP Release-8) Algunas de las mejoras propuestas en la versión 8 del 3GPP son: -. MIMO con modulación 64-QAM en el enlace descendente: La versión 8 combina. MIMO y 64-QAM para incrementar la razón de transferencia de datos pico en el enlace descendente a 42Mbps sobre una portadora de 5Mhz..

(31) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. -. 20. Dos portadoras operando en el enlace descendente: Esta técnica duplica la razón pico. de datos de 21Mbps a 42Mbps sin el uso de MIMO. Por consiguiente, también duplica el throughput promedio del usuario, lo cual se traduce en un aumento sustancial en la capacidad de la celda. 1.1.3.8.3 HSPA+ (3GPP Release-9) Algunas de las mejoras propuestas en la versión 9 del 3GPP son: -. Operación de múltiples portadoras en el enlace descendente: El incremento del. número de portadoras a 4, duplica la razón de transferencia de datos pico y el throughput del usuario. -. Operación de múltiples portadoras en el enlace ascendente: Introducir el soporte para. la operación de dos portadoras en el enlace ascendente duplicará la razón de transferencia de datos pico a 23Mbps mientras que se mantiene la complejidad del equipo del usuario en un nivel razonable (Kumar et al., 2009). 1.1.4 Tecnologías de cuarta generación (4G) La evolución y desarrollo de sistemas 3G hacia 4G es conducido por la creación y desarrollo de nuevos servicios para dispositivos móviles, y es posible gracias al avance de la tecnología disponible para dichos sistemas. Los primeros servicios de datos sobre GSM eran conmutados por circuitos. La adición de GPRS para mejorar los servicios ofrecidos por GSM influyó en el desarrollo de 3G, el cual se basó en la conmutación de circuitos para datos, con la adición de servicios sobre conmutación de paquetes. No fue hasta la evolución hacia HSPA y posteriormente LTE (Long Term Evolution) que los servicios sobre conmutación de paquetes y basados en IP fueran el objetivo primario de diseño. Aunque LTE (especificado en el Release 8 y 9 del 3GPP) se comercializa en el mercado como un servicio de redes inalámbricas 4G, no satisface los requisitos técnicos adoptados por el 3GPP en el estándar de la cuarta generación y que fueron originalmente estipulados por el ITU-R en su especificación IMT-Advanced. Sin embargo, debido a presiones del mercado y a los progresos significativos de tecnologías originales del 3G, la UIT más tarde.

(32) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 21. decidió que LTE conjuntamente con dichas tecnologías podía ser 4G. En octubre del 2010, la cuarta generación de telefonía móvil determinó la inclusión de dos tecnologías que conforman la familia de IMT-Advanced, estas son: LTE-Advanced y WiMAX Móvil (Dahlman et al., 2011). 1.1.4.1 IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced) Los sistemas IMT-Advanced son sistemas móviles que incluyen nuevas capacidades de IMT más allá de IMT-2000. Las principales características de IMT-Advanced son: -. Alto grado de funcionabilidad en todo el mundo manteniendo la flexibilidad para. soportar un amplio rango de aplicaciones y servicios eficientes en costo. -. Compatibilidad de servicios dentro de IMT y con redes fijas.. -. Capacidad de interconexión con otros sistemas de acceso de radio.. -. Servicios móviles de alta calidad.. -. Equipo de usuario adecuado para uso mundial.. -. Capacidades de roaming por todo el mundo.. -. Aumento de la razón de transferencia de datos pico. para soportar servicios y. aplicaciones avanzadas. Entre sus requisitos mínimos podemos encontrar una eficiencia espectral pico en el enlace descendente de 15 bits/s/Hz y en el enlace ascendente de 6.75 bits/s/Hz, un ancho de banda dimensionable de 5 a 20Mhz y opcionalmente de hasta 40Mhz, una razón de trasferencia de datos pico de 100Mbps en alta movilidad y 1Gbps en baja movilidad, y una latencia en el plano de control menor que 100ms y en el plano de usuario menor que 10ms. 1.1.4.2 WiMAX Móvil (Worldwide Interoperability for Microwave Access) La base de WiMAX móvil está en la familia de especificaciones IEEE 802.16 descritas para redes metropolitanas de banda ancha denominadas también como redes MAN inalámbricas de donde surge el estándar IEEE 802.16e que define el WiMAX móvil. Este estándar está basado en transmisiones OFDM soportando diferentes anchos de banda para el enlace descendente y el enlace ascendente. IEEE 802.16e incluye modos de operación.

(33) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 22. TDD y FDD, incluyendo la posibilidad de FDD en modo half-duplex, sin embargo, WiMAX utiliza solamente TDD y sus bandas asignadas, lo que lo limita en cuanto a disponibilidad global. Por otro lado emplea mecanismos de modulación de orden superior, codificación eficiente, modulación y codificación adaptativa, al igual que Petición de Retransmisión Automática Hibrida (HARQ) y soporta modulación de datos QPSK, 16QAM y 64-QAM proveyendo una eficiencia espectral de hasta 6 bits/s/symbol. IEEE 802.16m fue iniciado con el objetivo de extender la familia de tecnologías de acceso de radio 802.16 y asegurar el completo cumplimiento de los requisitos de IMT-Avanzado. IEEE 802.16m es, en muchos aspectos, una nueva tecnología de acceso de radio aunque manteniendo varias de las características básicas de 802.16e, incluyendo OFDM (Dahlman et al., 2011). 1.2 Descripción general del sistema LTE/LTE-Advanced 1.2.1 LTE (Release-8 y 9) El detonante para que el 3GPP comenzase a trabajar en el desarrollo de LTE fue reconocer la necesidad de dar respuesta a la demanda en banda ancha móvil, mejorando el servicio prestado hasta el momento y reduciendo el coste por bit, siendo su punto de partida el Workshop celebrado en Toronto sobre la evolución de la Red de Acceso Radio en noviembre de 2004. Un mes después comenzó la fase de estudio para certificar que LTE cumplía una serie de requisitos, especificados en el Technical Report 3GPP TR 25.913 Requirement for Evolved UTRAN, entre los que destacan los siguientes: -. Logra razón de transferencia de datos picos de 326 Mbps para el enlace de bajada. utilizando MIMO 4x4 y de 86.4 Mbps en el enlace de subida soportando un máximo de una antena por equipo de usuario, con un ancho de banda de 20MHz. -. Flexibilidad en la elección del espectro de frecuencias empleado (1.4, 3, 5, 10, 15, y. 20 MHz), permitiendo al operador la posibilidad de diseñar su red acorde con los recursos espectrales disponibles..

(34) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. -. 23. Eficiencia espectral pico de 16.3 b/s/Hz en el enlace descendente utilizando MIMO. 4x4 y de 4.32 b/s/Hz en el enlace ascendente soportando un máximo de una antena por equipo de usuario. -. Reducción de la latencia en la red de acceso radio (tiempo que tardan los paquetes en. viajar por la red) a 10 ms. -. Cobertura o tamaño de celda entre 5 y 100 Km, con una ligera degradación a partir de. 30 Km. -. Compatibilidad de interconexión con sistemas heterogéneos como las redes 3GPP. existentes y entornos no especificados por el 3GPP como pueden ser WLAN o WIMAX. -. Garantía de la calidad de servicio extremo a extremo.. 1.2.1.1 Arquitectura del sistema LTE En LTE se propone la introducción de EUTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access), cuya arquitectura se describe en las especificaciones técnicas 3GPP TS 36.300 y TS 36.401 y donde la diferencia más significativa con UTRAN es la eliminación de los RNCs al incorporar nodos B evolucionados (eNB) a los que se les añaden las funcionalidades que hasta ahora realizaban estos. Las funciones del eNB son seleccionar la entidad MME, enrutar datos hacia la S-GW, la comprensión de cabecera, cifrado y entrega de paquetes. En el plano de control posee funciones como la admisión, control y gestión de recursos de radio. El eNB posee protocolos y capas de distribución, como la capa 1 y la capa 2, compuesta por las subcapas MAC, RLC (Radio Link Control), PDCP (Packet Data Convergence Protocol) y RRC (Radio Resource Control). Desde el punto de vista del Núcleo de Red, si bien las redes precedentes al desarrollo de LTE son híbridas al disponer de los dominios de Conmutación de Circuitos y de Conmutación de Paquetes, una de las novedades que presenta LTE consiste en la convergencia de los servicios de voz y datos mediante una arquitectura basada en IP, lo que supone la eliminación del dominio de Circuitos e incorpora el concepto de red plana. La arquitectura general de un sistema LTE es la que se ilustra en la figura:.

(35) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 24. Figura 4. Arquitectura general de un sistema LTE (Gallón, 2013).. 1.2.1.2 Interfaz eNB↔EPC (S1) Esta interfaz se compone de la interfaz S1-U (S1 User Plane), la cual permite el servicio de transferencia de datos o servicio portador S1 (S1 bearer) entre el eNB y la S-GW sin garantías de entrega; utiliza el protocolo IP (UDP) y no tolera ni mecanismos de control de errores, ni de flujos. Por otra parte está la interfaz S1-C (S1 Control Plane) la cual soporta un conjunto de funciones y medios de control entre los eNB y la MME de la red troncal. 1.2.1.3 Interfaz eNB↔eNB (X2) Específicamente el plano de usuario de la interfaz X2 permite transferir datos de usuario entre eNBs aunque no posee garantías de entrega, ni mecanismos de control de errores y de flujos, transmisión que se lleva a cabo mediante el procedimiento de handover. Por otro lado está el plano de control que describe las funciones y procedimientos en la interfaz X2, entre ellas, la transferencia del argumento de un usuario del eNB antiguo al nuevo y el control del mecanismo de transferencia de paquetes IP en el plano de usuario de X2. Igualmente el estado de carga del eNB depende de que pueda transferirse información a través de la interfaz X2, donde los eNBs que tengan celdas vecinas logren funciones de gestión de recursos radio..

(36) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 25. 1.2.1.4 Estructura de la trama En LTE se utilizan dos tipos de tramas. Las tramas Tipo 1 son aplicables para el establecimiento de enlaces full duplex y half duplex, son tramas FDD. Las tramas Tipo 2 son aplicables para el establecimiento de enlaces half duplex, son tramas TDD (Ver figura 5).. Figura 5. Estructura para FDD y TDD (Dahlman et al., 2011).. Para el caso de FDD, ocurre un dúplex por división de frecuencia, lo que implica que una parte del ancho de banda del enlace se utilice en un sentido y la otra en sentido contrario (full duplex). Para el caso de TDD, ocurre un dúplex por división de tiempo, lo que implica que el ancho de banda se utiliza en diferentes instantes de tiempo para realizar los procesos correspondientes a sentidos diferentes (half duplex). Los dos tipos de tramas tienen una duración de 10 ms y están compuestas a su vez por 10 subtramas, cada una de 1 ms de duración. Una subtrama es la unidad mínima que puede ser planificada, lo que se traduce en la posibilidad de que el planificador haga reasignación de recursos y reconfiguraciones de los esquemas de modulación y codificación para cada subtrama. La duración de una subtrama consiste en un Intervalo de Tiempo de Transmisión (TTI). En los despliegues se pueden utilizar tramas FDD o tramas TDD, pero no existirán tramas FDD en una célula TDD, ni tramas TDD en una célula FDD. Si bien las subtramas son la unidad mínima de planificación, estas están compuestas por dos slot (ranura). Los slot tiene una duración de 0.5 ms y constituyen la unidad de tiempo mínima que un enlace puede ocupar sobre determinada región del espectro. Dentro del tiempo de duración de un slot, un enlace utiliza los recursos que le han sido asignados. La rejilla de recursos es la que provee los recursos radioeléctricos de todos los enlaces con la estación base dentro de la célula (Ver Figura 6)..

(37) CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. 26. Figura 6. Recursos físicos en tiempo y frecuencia (Dahlman et al., 2011).. 1.2.1.5 Bloques de recursos Los bloques de recursos están compuestos por elementos de recursos. Los elementos de recursos tienen una dimensión frecuencial y otra temporal. En la figura 6 que muestra al bloque de recursos dentro de la rejilla se aprecia que en el eje vertical se extiende la dimensión frecuencial, la cual está conformada por subportadoras, correspondiendo una subportadora a cada elemento de recurso en el eje vertical. En total son 12 las subportadoras que definen un bloque de recursos. Las mismas son contiguas y cada una tiene una separación de 15 KHz de sus adyacentes. La dimensión temporal coincide con un slot (0.5 ms) y pueden estarla integrando 6 ó 7 símbolos, en dependencia del tipo de prefijo cíclico que se esté utilizando. Los prefijos cíclicos pueden ser normal o extendido, para el primero, el número de símbolos que forman un bloque en el dominio temporal es 7, y para el segundo es 6. (Ver Figura 7) Una2trama2 Ttrama2=2·:2ms. Una2subtrama Tsubtrama =2·2ms E:. Una2ranura. E·. Ep. E,. E4. E5. E6. E7. E8. E9. Tranura =2:)52ms. Símbolo2OFDM. Prefijo2Cíclico 22222Normal Tu ≈ 66)72µs2Op:48⋅Ts F TCP TCP : ·6:·2Ts ≈ 5)·2µs Oprimer2símbolo2OFDMF µ2·44·2Ts ≈ 4)72µs Oresto2de2los2símbolos2OFDMF. Prefijo2Cíclico Exendido TCP(e. Tu ≈ 66)72µs2Op:48⋅Ts F. TCP(e : 5·p·Ts ≈ ·6)72µs. Figura 7. Estructura LTE en el dominio del tiempo (Dahlman et al., 2011)..