6
Tono Revista Técnic
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de Telecomunic
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u
c
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ó
n
de
l
o
s
s
e
r
v
i
c
i
o
s
La evolución de 3G a 4G e
s
tará
impul
s
ada por servicio
s
que ofre-
cen mejor calidad —por ejemplo,
video y sonido— debido a un
mayor ancho de banda, a má
s
sofisticación en la a
s
ociación de
una gran cantidad de información,
y a la per
s
onalización mejorada. La
convergencia con
s
ervicio
s
de otra
s
redes —empre
s
a
s
, fija
s
— tendrá
lugar con la alta velocidad de la
sesión. Se requerirá una conexión
siempre activa y un modelo de
ingresos ba
s
ado en una cuota fija
men
s
ual. Se espera que el impacto
en la capacidad de la red
s
ea
importante. La tran
s
mi
s
ión má-
quina a máquina afectará a do
s
L
a voz fue la impul
s
ora del
móvil de
s
egunda generación
y tuvo un éxito con
s
iderable. Hoy,
la red de acce
s
o radio evolucione
desde una arquitectura centrali-
zada a una distribuida.
tipo
s
básicos de equipo: sensores —que miden parámetros— y etiquetas
—que generalmente es equipo de lectura /escritura—.
S
e e
s
pera que los usuarios requieran altas velocidades, similares a las de
los
s
ervicios de video y TV e
s
tánla
s
redes fijas, para aplicaciones de datos y de emisión, y que el uso de los
impulsando el de
s
pliegue de laterminales móviles —ordenadores personales, agendas personales di-
tercera generación (3G). Y en el fu-gitale
s
, portátiles— crezca rápidamente a medida que sean más amigables.
turo, lo
s
dato
s
de alta velocidad yEl video fluido de alta calidad y la reactividad de la red son requisitos
a bajo coste impul
s
arán la cuartade u
s
uario importantes. Los requisitos claves para el diseño de la
generación (4G) pue
s
emerge comoinfraestructura incluyen: respuesta rápida, alta velocidad de sesión,
comunicación de corto alcance.gran capacidad, bajas tarifas de usuario, rápido retorno de la inversión
Otro conductor
s
erá la ubicuidadpara los operadores, inversión que está en línea con el crecimiento de la
de servicios y aplicacione
s
, condemanda y sencillos terminales autónomos. La infraestructura será
un elevado grado de per
s
onaliza-mucho más distribuida que en los actuales despliegues, al facilitar la
ción y
s
incronización entre lo
s
di-introducción de una nueva fuente de tráfico local: máquina a máquina.
ferente
s
di
s
po
s
itivo
s
del u
s
uario.La figura 1 muestra una idea de la posible evolución de los servicios; la
Al mi
s
mo tiempo, e
s
probable quemayoría son similares.
D
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s
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a
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l
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s
p
l
a
n
e
s
Un
s
encillo cálculo ilustra el orden de magnitud. El plan de diseño en
términos de prestaciones radioeléctricas es alcanzar una capacidad
e
s
calable de 50 a 500 bit/s/Hz/km
2
—incluye capacidad para uso en
interiores—, como se muestra en la figura 2. Como comparación, el mejor
rendimiento esperado de 3G se encuentra alrededor de 10 bit/s/Hz/km
2
u
s
ando H
S
D
P
A —High Speed Downlink Packet Access—, MIMO
—Entrada Múltiple/
S
alida Múltiple—, etc. Ninguna tecnología actual es
capaz de suministrar estas prestaciones.
D
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s
o
b
j
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t
i
v
o
s
S
obre la base de diferentes análisis de tráfico, la WWI —Wireless World
Initiative— ha hecho públicas las cifras de prestaciones, objetivo de la
interfaz aire.
S
e ha alcanzado un consenso en torno a velocidades de pico
de 100 Mbit/s en situaciones móviles y de 1 Gbit/s en situaciones
nómadas y peatonales, al menos como plan. En un espectro de 10 MHz, se
ha alcanzado una velocidad de portadora de 20 Mbit/s cuando el usuario
s
e mueve a alta velocidad, y de 40 Mbit/s en uso nómada. Estos valores se
duplicarán cuando se introduzca MIMO. Entonces, la velocidad estaría
a
s
ociada con una cantidad de espectro.
P
ara uso móvil, un buen objetivo
s
on unas prestaciones de red de 5 bit/s/Hz, elevándose a 8 bit/s/Hz en uso
nómada.
P
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R
ou
ff
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,
S
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S
4
G
Este texto es una versión editada del artículo “Móviles 4G”, publicado en
la Revista de
T
elecomunicaciones Alcatel del 2
do
trimestre de 2005. La
Redacción de esta revista nos ha cedido amablemente los derechos para su
publicación en
T
ono.
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d
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s
i
on
a
do
Mucha
s
tecnología
s
e
s
tán com-
pitiendo en el camino hacia 4G,
como
s
e puede ver en la figura 3.
Son po
s
ibles tres vía
s
, inclu
s
o
s
i
son má
s
o meno
s
e
s
pecializada
s
.
La primera e
s
la vía ba
s
ada en 3G,
en la que el CD
M
A —Acce
s
o
Múltiple por División de Código—
será empujado progre
s
ivamente
hasta un punto en el que lo
s
fabricantes de terminale
s
s
e entre-
garán. Cuando se alcance e
s
te
punto, se nece
s
itará otra tecnolo-
gía para realizar lo
s
aumento
s
en
capacidad y velocidad requerido
s
.
La
s
egunda vía e
s
la LAN de ra-
dio. Se e
s
pera que el de
s
pliegue
generalizado de Wi
F
i empiece en
2005paraPCs,ordenadore
s
portátile
s
y PDAs. En la
s
empre-
sas, la voz podrá empezar a tran
s
-
portar
s
eporVoWLAN—Voz
sobre LAN Inalámbrica—. No ob
s
-
F
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e
tante, no está claro cuál será la
siguiente tecnología con éxito.
Alcanzar un consenso en una
tecnología de 200 Mbit/s, y más,
será una tarea larga, con dema-
siadas soluciones propietarias a
ofrecer.
Una tercera vía es IEEE 802.16e y
802.20, que son más sencillos que
3G para unas prestaciones equiva-
lentes. Una evolución de la red
central hacia una NGN —Red de
P
róxima Generación— de banda
ancha facilitará la introducción de
nuevas tecnologías de red de
F
i
g
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a
1
V
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c
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o
s
acceso a través de pasarelas de
acceso estándar, basadas en ET
S
I-
TI
SP
AN, UIT-T, 3G
PP
, CC
S
A
—ChinaCommunicationStan-
dardsAssociation—yotros
estándares.
¿Cómo puede un operador sumi-
nistrar a un gran número de usua-
rios altas velocidades de
s
esión
usando su infraestructura?
S
e ne-
cesitan, al menos, dos tecnolo-
gías. La primera —llamada parent
coverage—sededicaagran
cobertura y a servicios de tiempo
E
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a
real. Las tecnologías tradiciona-
8
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c
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c
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ve
s
de
4
G
Algunas de las tecnologías claves
requeridas para 4G se describen
brevemente a continuación:
O
F
D
M
A
les, como 2G/3G, y
s
u
s
evolucione
s
s
e complementarán por Wi
F
i y
WiMAX. Se nece
s
ita un
s
egundo conjunto de tecnologías para aumentar
la capacidad, y
s
e puede di
s
eñar
s
in limitaciones en la continuidad de
cobertura. E
s
to
s
e conoce como cobertura picocelda.
S
ólo el uso de las
do
s
tecnologías puede lograr ambo
s
objetivos (
F
igura 4). La transferencia
entre parent cove
r
age y cobertura picocelda es diferente de la de un
proce
s
o clá
s
ico de itinerancia, pero
s
imilar a la transferencia clásica.O
F
DM —Multiplexión por Divi-
Parent coverage
s
e puede u
s
ar también como respaldón cuando elsión Ortogonal de
F
recuencia— no
sumini
s
tro de servicio
s
en la picocelda
s
e hace demasiado difícil.sólo proporciona ventaja
s
para las
prestaciones de la capa fí
s
ica, sino
también proporciona un marco para
mejorar las prestaciones de la capa 2
al proponer un grado adicional de
libertad. Al usar O
F
DM es posible
explotar el campo del tiempo, el
campo del espacio, el de frecuen-
cias, e incluso, el campo de código
para optimizar el uso del canal
radioeléctrico. Esto asegura una
transmisión muy sólida en entornos
multicaminos con reducida comple-
jidad del receptor.
Como se muestra en la figura 5, la
señal se divide
en subportadoras
ortogonales, en
cada una de las
cuales la señal es de “banda estre-
cha” —unos pocos kHz— y, por lo
tanto, inmune a los efectos multi-
caminos, suministra un intervalo de
seguridad que se inserta entre cada
símbolo O
F
DM. O
F
DM también
proporcionaunagananciade
diversidad de frecuencias, con la
mejora del rendimiento de la capa
física. Es compatible con otras
tecnologías de mejora, como las
antenas inteligentes y MI
M
O.
La modulación O
F
DM se puede
emplear como tecnología de acceso
múltiple —Acceso Múltiple por
División Ortogonal de
F
recuencia
(O
F
DMA)—. En este caso, cada
símbolo O
F
DM puede transmitir
información a/desde varios usua-
rios a través de un conjunto
diferente de subportadoras (sub-
canales).
Esto no sólo proporciona flexi-
bilidad adicional para la a
s
ignación
de recursos —con el aumento de la
capacidad—, sino que también per-
mite la optimización intercapa del
uso del enlace radio-eléctrico.
F
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.A.
9
s
eñale
s
de múltiples caminos. Las prestaciones en los despliegues
celulare
s
todavía están en investigaciones y simulaciones (
F
igura 6). No
ob
s
tante, generalmente, se admite que la ganancia en la eficiencia del
e
s
pectro está relacionada directamente con el número mínimo de antenas
en el enlace.
O
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s
La interacción más obvia es la existente entre MIMO y la capa MAC.
S
e
han identificado otras interacciones que se muestran en la figura 7.
E
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MIMO utiliza multiplexión de
señal entre múltiple
s
antena
s
de
transmi
s
ión —multiplexión del e
s
-
pacio— y tiempo o frecuencia. E
s
muy adecuado para O
F
D
M
, pue
s
espo
s
ibleproce
s
ar
s
ímbolo
s
independientes del tiempo tan
pronto la forma de onda de O
F
DM
se di
s
eñe correctamente para el
canal. Este a
s
pecto de O
F
DM
simplifica mucho el tratamiento. La
señal tran
s
mitida por m antena
s
s
e
recibe por n antenas. El tratamiento
de la
s
señales recibida
s
puede
proporcionar varias mejora
s
de la
s
prestaciones: alcance, calidad de la
señal recibida y eficiencia del
espectro. En principio, MIMO e
s
más eficiente cuando
s
e reciben
T
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ili
d
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La
s
tecnologías de transferencias basadas en tecnología I
P
móvil se
han con
s
iderado para voz y datos. Las técnicas de I
P
móvil son lentas
pero
s
e pueden acelerar con métodos clásicos —jerárquico, I
P
móvil
rápido—. Estos métodos son aplicables a los datos y probablemente
también a la voz. En redes de frecuencia única, es necesario volver a
con
s
iderar los métodos de transferencia.
S
e pueden usar varias técnicas
cuando la relación portadora-interferencia es negativa, por ejemplo, V
SF
O
F
DM, repetición de bits, pero el inconveniente de estas técnica
s
es la
capacidad. En O
F
DM existe la misma alternativa que en CDMA, que es
utilizar la macrodiversidad. En el caso de O
F
DM, MIMO permite
tratamiento de macrodiversidad con ganancias en las prestacione
s
.
No ob
s
tante, la instalación de la macrodiversidad implica que el
tratamiento MIMO se centralice y que las transmisiones son síncronas.
E
s
to no es tan complejo como en CDMA, pero esta técnica sólo se
utilizará en situaciones en las que el espectro es muy escaso.
C
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y
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a
s
La memoria en la red y en los terminales facilita la entrega de servicios.
En
s
i
s
temas celulares, esto aumenta las capacidades del planificador
M
AC, porque facilita el suministro de servicios en tiempo real. Los
recur
s
o
s
sólo se pueden asignar a los datos cuando las condiciones
radioeléctricas son favorables. Este método puede duplicar la capacidad
de un
s
i
s
tema celular clásico.
En cobertura picocelular, los servicios de gran velocidad —no en tiempo
real—
s
e pueden entregar incluso cuando se interrumpe la recepción/
tran
s
mi
s
ión durante unos pocos segundos. En consecuencia, la zona de
cobertura, dentro de la cual se pueden recibir/transmitir datos, es posible
di
s
eñar
s
in otras restricciones que la limitación de interferencia. La entrega
SDR —Equipo de Radio Definido
por Programa— se beneficia de la
gran potencia de proce
s
o actual
para desarrollar terminale
s
y e
s
ta-
ciones ba
s
e multibanda y multie
s
-
tándar. Aunque en el futuro lo
s
terminale
s
adaptarán el interfaz
aire a la tecnología de acce
s
o radio
disponible, actualmente lo hace la
infrae
s
tructura. Se e
s
peran de
S
DR
varias ganancias de infrae
s
tructura.
Para aumentar la capacidad de red
en un momento determinado, por
ejemplo, durante un evento depor-
tivo, un operador reconfiguraría
s
u
red y añadiría vario
s
módem
s
a una
BTS —Estación Tran
s
ceptora de
Base— determinada.
S
DR hace e
s
ta
reconfiguración
s
encilla. En el
convertirá en un habilitador de
agregación de —pico/micro— cel-
das multiestándar.
P
ara un fa-
bricante, esto puede
s
er una ayuda
potente para
s
umini
s
trar equipo
multibanda y multie
s
tándar con
costes y e
s
fuerzos de de
s
arrollo
reducidosmediantetratamiento
multicanal
s
imultáneo.
contexto de lo
s
s
istema
s
4G,
S
DR
s
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s
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a
La codificación de audio y video
es escalable.
P
or ejemplo, un flujo
de video se divide en tres flujos
que se pueden transportar de for-
ma independiente: uno, flujo de
capa base (30 Kbit/s), que es un
flujo sólido pero de calidad limi-
tada, por ejemplo, 5 imágenes/s y
dos flujos de mejora —50 Kbit/s y
200 Kbit/s—. El primer
f
lujo pro-
porciona disponibilidad, los otros
dos flujos calidad y definición. En
una situación de emisión, el terminal
tendrá tres cachés. En cobertura
picocelular, la parent coverage
establece el diálogo de servicio y el
arranque de servicios —con la capa
base—. Tan pronto como el terminal
entra en la cobertura de picocelda,
se rellenan los cachés de terminal,
empieza con el caché base. Actual-
mente, las transmisiones de video y
de audio se transmiten sin error y
sin pérdida de paquetes. No obs-
tante, es posible permitir tasas de
error de unos 10- 5/10-6 y pérdidas
de paquetes de alrededor de 10-2/
10-3. Las imágenes codificadas aún
contienenbastanteredundancia
para corrección de errores. Es
posible ganar cerca de 10 dB en la
transmisión con un incremento ra-
zonable en la complejidad. Con el
empleo de las tecnologías des-
critas, la transmisión de multi-
medios puede proporcionar una
experiencia de usuario de buena
calidad.
C
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a
de datos es preferente en lugare
s
donde la velocidad e
s
un máximo.
Entre e
s
tas área
s
, la cobertura no
s
e
utiliza la mayor parte del tiempo,
s
e
crea una aparente di
s
continuidad.
En estas áreas, lo
s
contenido
s
s
e
envían al caché del terminal a alta
velocidad y
s
e leen a la velocidad del
servicio. La
s
cobertura
s
s
on di
s
-
continua
s
. Y su
s
ventaja
s
, e
s
pe-
tectura específica para introducir
memoria caché en la red.
Un ejemplo se muestra en la
figura 8. A la entrada de la red de
acce
s
o, se crean y almacenan lí-
nea
s
de caché en el destino de un
terminal. Cuando un terminal
entra en un área donde es posible
una transferencia, simplemente
pregunta por la línea de caché que
cialmente cuando
s
e di
s
eña con
s
igue a la última recibida.
S
e usaLa cobertura se logra con la
tecnología caché,
s
on alta eficienciaun protocolo sencillo, sólido yadicióndenuevastecnologías
del espectro, gran e
s
calabilidad —defiable entre el terminal y caché—posiblemente en modo solapa-
50 a 500 bit/s/Hz—, alta capacidad ypara cada servicio suministradomiento— y la mejora progresiva de
bajo co
s
te. Se nece
s
ita una arqui-en e
s
te tipo de cobertura.la densidad.
P
or ejemplo, en un
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a
El mayor interés está ahora en el
de
s
pliegue de una arquitectura que
realiza la convergencia entre redes
fija
s
y móviles —ITU-T Broadband
NGN y ET
S
I- TI
SP
AN—.
E
s
ta arquitectura genérica inte-
gra todos los habilitadores de
s
ervicio
s
, por ejemplo, IM
S
, selec-
ción de red, soporte intermedio
para
s
uministradores de aplicacio-
ne
s
, y ofrece una interfaz única
con lo
s
s
uministradores de servi-
cio
s
de aplicaciones.
C
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ó
n
luego se hace má
s
den
s
a con la
s
picocelda
s
di
s
continua
s
; de
s
pué
s
la picocelda e
s
aún má
s
den
s
a
pero todavía de forma di
s
conti-
nua. Por último, la cobertura pico-
celda se hace continua a travé
s
del
uso de MIMO o mediante el de
s
-
pliegue de otra cobertura pico-
celda en una banda de frecuencia
diferente (Figura 9).
El rendimiento de la pa
r
ent cove
r
-
age puede variar de 20 bit/
s
/Hz/km
2
,
mientra
s
que la tecnología pico-
celda puede alcanzar de 100 a 500 bit/
s/Hz/km
2
, en dependencia de la
complejidad del hardware y del
s
oft-
ware del terminal. E
s
ta
s
pre
s
tacione
s
sólo
s
e refieren a la cobertura en
exteriore
s
—todavía no
s
e han re-
suelto todo
s
los problema
s
a
s
ocia-
dos con la cobertura en interiore
s
—.
No obstante, se puede obtener
cobertura en interiore
s
mediante:
Š
Penetracióndirecta:
s
óloe
s
posible en banda
s
de baja frecuen-
cia —apreciablemente por debajo de
1 GHz— y nece
s
ita un exce
s
o de
potencia,quepuedeprovocar
importante
s
problema
s
de inter-
ferencias.
Š
Radio de corto alcance en interio-
La provisión de velocidades de
dato
s
de megabit/s a miles de
terminales móviles y radioeléctricas
por kilómetro cuadrado genera
vario
s
retos. Algunas tecnologías
clave
s
permiten la introducción
progre
s
iva de estas redes sin arries-
gar la
s
inversiones existentes.
S
e
nece
s
itan tecnologías no separado-
ra
s
para obtener alta capacidad a
bajo co
s
te, pero se puede hacer to-
davía de forma progresiva. Los
habilitadores claves son:
despliegue WiMAX, primero
s
e
Š
Conexión a través de un repetidor
Š
Espectro suficiente, con meca-
despliegalapa
r
entcove
r
age;a un punto de acceso picocelular.nismos de compartición asociados.
Š
Cobertura con dos tecnologías:
parent —2G, 3G, WiMAX— para
suministrosentiemporeal,y
picoceldas discontinuas pa
r
a en-
tregar altas velocidades.
Š
Tecnología caché en
r
ed y
terminales.
Š
O
F
DM y MIMO.
Š
Movilidad I
P
.
Š
Arquitectura distribuida multi-
tecnología.
Š
Convergencia fijo-móvil —para
servicio de interiores—.
Š
Mecanismos de selección de red.
Muchas otras facilidades, como la
transmisión sólida y la optimización
intercapa, contribuirán a optimizar
las prestaciones, que puede alcan-
zar entre 100 y 500 bit/s/Hz/km
2
. La
arquitectura de I
P
total distribuida
se puede desplegar con el uso de
dos productos básicos: estaciones
base y controladores asociados. La
complejidad del terminal depende
del número de tecnologías con las
que puede trabajar. El mínimo de
tecnologías es dos: una para cober-
tura radio y, otra, para uso de corto
alcance, por ejemplo,
P
ANs. No
obstante, la presencia de redes
heredadas las aumentará de seis a
res conectada a la red fija.siete.
