Comunicaciones Móviles: Más allá de la 3G… la 4G

M. en C. Salvador Ricardo Meneses GonzálezPerito en Telecomunicaciones No. 372

Instituto Politécnico NacionalEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Campus Zacatenco

U.P.A.L.M. Edif. Z, Acc 3, 3er. Piso, Col. Lindavista, C. P. 07738, México, D. F.rmenesesg@ipn.mx

Diciembre 2007

El diseño de los sistemas inalámbricos es uno de los campos más excitantes en la Ingeniería Eléctrica hoy en día. Lasaplicaciones inalámbricas que incluyen telefonía celular, las redes de área local inalámbrica (WLAN´s), los sistemassatelitales de posicionamiento global (GPS), sistemas de distribución multipunto local (LMDS), los sistemas deidentificación por radio frecuencia (RFID), etc., constituyen un gran mercado y experimentan un crecimiento y unaevolución continua. Un ejemplo de ello y objetivo de este presente artículo es la de presentar la evolución que haexperimentado la telefonía móvil y el estado en que se encuentra actualmente.

Los sistemas 2.5G tales como GPRS (General Packet Radio Services) ofreció varias ventajas y posibilidades en eldesarrollo de aplicaciones en la telefonía celular, pero es evidente que nuevas necesidades han aparecido y el usuariodesea teléfonos celulares con más capacidad de procesamiento y redes con mayores capacidades. Por ejemplo la QoS(Calidad de Servicio) no era prioritario en sistemas 2.5 G, y las tasas de bits no eran muy altas. Por lo que la siguienteetapa en la evolución móvil son los sistemas inalámbricos de tercera generación, conocido como 3G.

3G es una abreviatura para la Tercera Generación de telefonía móvil. Los servicios asociados con la tercera generaciónproporcionan la posibilidad para transferir tanto voz y datos (una llamada telefónica) y datos no-voz (como la descarga deprogramas, intercambio de correo-e, y mensajería instantánea). Como sistema emergente, es muy importante establecerlas estrategias adecuadas para lograr una migración apropiada, es decir, los sistemas 3G deben de incluir al mismotiempo las funcionalidades de 2.5G y 2G. La figura 1 muestra la evolución de las redes celulares hasta 3G.

Fig. 1. Evolución de las redes celulares hasta 3G

EDGE

144kbpsCDMA2000 1X

UMTS

TDMA

IS-95A

1xEV-DO

IS-95B

GSM

PDC

CDMA2000 3X

GPRS

HSCSD

WCDMA

28 kbps

115 kbps

57.6 kbps384 kbps

2 Mbps

14.4 kbps 64 kbps

144 kbps

2.4 Mbps

2 Mbps

Su evolución requierecompleto cambio deinfraestructura

Su evoluciónrequiere unmejoramiento deinfraestructura

Evolución de las Redes Celulares

Con frecuencia escuchamos 3G siendo discutida con altas velocidades, pero un sistema 3G está definido por la UniónInternacional de Telecomunicaciones, por medio de una recomendación, la ITU-R- M687-2 sobre los sistemas 3G oTelecomunicaciones Móviles Internacionales 2000, (IMT-2000) y esta recomendación incluye los siguientes puntos:

Una Calidad de Servicio (QoS) equiparable a las redes de voz fijas. Un desarrollo en armónico con los anteriores estándares soportando tasas de bits hasta 2 Mbps Una arquitectura flexible, la cual permita fácilmente implantar nuevas aplicaciones.

Por supuesto que estas recomendaciones incluyen muchos detalles, y las compañías involucradas están de acuerdo en quetales detalles son por ejemplo, una administración de multimedia flexible, acceso a Internet, acceso paquetizado de costoefectivo, servicios de mejor oferta, etc. De lo anterior, podemos observar que una herramienta diaria y de granimportancia es el acceso a Internet por lo que resulta, de igual forma, muy importante definir un sistema de área ampliaque sea capaz de utilizar todos estos servicios. Así entonces, el reto fue la migración hacia una arquitectura donde todoslos beneficios se mantengan aún con el QoS de los sistemas 2G. La visión de 3G no solamente se enfocó en los serviciosde Internet, más bien el acceso a todos los servicios a cualquier hora, en cualquier lugar, a cualquier dispositivo, es decir,comunicación de todo lo que se mueva con todo lo que se mueva, comunicación humano-máquina, máquina-máquina,humano-cosa, máquina-cosa.

Así entonces, es posible decir, que las tecnologías de 3G son la respuesta a la especificación IMT-2000 de la UniónInternacional de Telecomunicaciones. El estándar UMTS (Universal Mobile Telephone System), Sistema telefónicoMóvil Universal) está basado en la tecnología W-CDMA. UMTS está gestionado por la organización 3GPP, tambiénresponsable de GSM, GPRS y EDGE.

Fig. 2. Arquitectura abierta en capas de 3G

Más allá de 3G… la 4G

Más allá de las 3G, es una serie de tecnologías y protocolos tales como Wi-Fi y WiMax, que funciona con la tecnologíade Internet, es decir, que todo intercambio de información se hace bajo el protocolo TCP/IP -el mismo del Internet- y nole interesa que tipo de radiofrecuencia es la que hace el enlace físico. Así, en Estados Unidos, el enlace es con Wimax(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing ), en Japón es VSF-Spread OFDM,y en Europa se espera el Flash-OFDM, todos variantes de un mismo estándar.

Más allá de 3G, que aunque el IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) no se ha pronunciado sobre deesto, se le conoce como 4G, cuarta generación de tecnologías de telefonía móvil.

¿Qué es lo que hace diferente o que ventajas tiene 4G en comparación con las anteriores tecnologías?

Se ha logrado la transmisión en paquetes en el enlace de bajada con el móvil en movimiento a una velocidad de 20 Km/hde 2.5 Gbps. El operador ha mejorado el comportamiento aumentando el número de antenas de transmisión MIMO(Multiple Input Multiple Output) de 4 a 6, y usando una modulación 64-QAM. La eficiencia en el espectro en frecuencia,la cual es expresada como bits de información por segundo por Hertz, ha sido también incrementada de 10 bps/Hz a 25bits (2.5 Gbps/100 MHz=25 bps/Hz). Este es el máximo valor de eficiencia en el espectro en frecuencia para 4G definidopor el proyecto de investigación europeo Winner.

Ericsson ha llevado a cabo una demostración de la técnica de HSDPA, (High Speed Downlink Packet Access, Acceso dePaquetes de Alta Velocidad en el Enlace de Bajada), la cual puede doblar la velocidad en el enlace de bajada hasta 28Mbps. De igual forma HSPSA provee tasas de datos hasta de 14 Mbps en el enlace de bajada y de 5.8 Mbps en el enlacede subida. Cabría mencionar que 3.5G es la evolución de la tecnología 3G usando HSDPA que permite velocidades debajada de hasta 14 Mbps. También cabe mencionar nuevamente que 3.75G, es la evolución de la tecnología 3G usandoHSUPA (High Speed Uplink Packet Access, Acceso de Paquetes de Alta Velocidad en el Enlace de Subida) que permitirávelocidades subida de hasta 5.8 Mbps pero solo en 3G. Así que podemos, observar que se tiene 3.5 G en el enlace debajada y 3.7 G en el enlace de subida.

Fig. 3. Red Celular

Las plataforma móviles de Ericsson son las conocidas como U350 y la U360, consideradas como las más pequeñas y máspoderosas plataformas HSDPA. Estas plataformas la U350 y la U360 incorporan el receptor tipo RAKE (peine) paraproveer altas tasas de datos enriqueciendo así las áreas de cobertura y de capacidad de las células.

Por otra parte, a la compañía TOPEX se le considera la primera que ha presentado el primer Ruteador de Banda AnchaInalámbrico HDSPA. El nuevo ruteador es un dispositivo conocido como “Todo en Uno”, que sirve al mismo tiempo,como terminal para llamadas de voz simultáneas y de acceso a Internet, así como Punto de Acceso a WiFi (WirelessFidelity, Fidelidad Inalámbrica), Ruteador VPN( Virtual Path Network, Red de Ruta Virtual), Servidor LAN (LocalArea Network, Redes de Area Local) y servidor de vigilancia de video.

WiMax

WiMax (del inglés Worldwide Interoperability for Microwave Access, Interoperabilidad Mundial para Acceso porMicroondas) es un estándar de transmisión inalámbrica de datos (802.MAN) proporcionando accesos concurrentes enáreas de hasta 48 kilómetros de radio y a velocidades de hasta 70 Mbps, utilizando tecnología que no requiere visióndirecta con las estaciones base.

Integra la familia de estándares IEEE 802.16 y el estándar HyperMAN del organismo de estandarización europeo ETSI.El estándar inicial 802.16 se encontraba en la banda de frecuencias de 10-66 GHz y requería torres LOS (Line of sight,Línea de Vista). La nueva versión 802.16a, ratificada en marzo de 2003, utiliza una banda del espectro más estrecha ybaja, de 2-11 GHz, facilitando su regulación. Además, como ventaja adicional, no requiere de torres donde exista enlacesdel tipo LOS, sino más bien del despliegue de estaciones base (BS) formadas por antenas emisoras/receptoras concapacidad de dar servicio a unas 200 estaciones suscriptoras (SS) que pueden dar cobertura y servicio a edificioscompletos.

Fig. 4. Familia de estándares IEEE 802.16

Esta tecnología de acceso transforma las señales de voz y datos en ondas de radio dentro de la citada banda defrecuencias. Está basada en OFDM, y con 256 subportadoras puede cubrir un área de 48 kilómetros permitiendo laconexión sin línea vista, es decir, con obstáculos interpuestos, con capacidad para transmitir datos a una tasa de hasta 75Mbps con una eficiencia espectral de 5.0 bps/Hz y dará soporte para miles de usuarios con una escalabilidad de canalesde 1,5 MHz a 20 MHz. Este estándar soporta niveles de servicio (SLAs) y calidad de servicio (QoS).

WiMax se sitúa en un rango intermedio de cobertura entre las demás tecnologías de acceso de corto alcance y ofrecevelocidades de banda ancha para un área metropolitana.

Por otra parte, podemos mencionar que una de las aplicaciones de WiMax se da en la fabricación de automóvileseléctricos con conexión WiMax. Los primeros vehículos deportivos eléctricos tendrán conectividad WiMax de serie. Losva a fabricar una empresa de Mónaco, Venturi Automobiles, que pretende así poder realizar un mantenimiento a distanciae incluso controlar la situación del coche en todo momento. Su nombre, Fétish. Tendrá dos procesadores Intel XScaleencargados de controlar las baterías, un reproductor iPod y un GPS.

Desarrollado por Samsung, WiBro (Wireless Broadband, Banda Ancha Inalámbrica) es un Tecnología Móvil WiMAXque excursiona en la banda ancha móvil con un acceso hasta de 20/30 Mbps con el móvil en “movimiento”. Durante losJuegos Olímpicos de Invierno en Torino en el año 2006, Samsung y Telecom Italia demostraron los servicios WiBro.

Aún más, la compañía KDDI anunció que ha completado exitosamente sus intentos con el Sistema WiMax móvil, elprimero en Japón en ser construido en acuerdo con IEEE802.16e, en el área central de Osaka. Estos ensayos verificaronla funcionalidad de WiMax móvil en un ambiente urbano demostrando prácticas comunicaciones rápidas, un “handover”(paso del móvil cuya cobertura pertenece a una estación base o área de célula, a otra estación base, sin pérdida de laseñal) de alta velocidad y segura entre estaciones base.

Una plataforma WiMax móvil es estable, de alta seguridad en comunicaciones en ambientes no fijos a velocidades delmóvil menores a 120 Km/h. Debido a que una estación base cubre un área con un radio de varios kilómetros, el sistemaes adecuado para proveer servicio en un ambiente urbano. Se ha confirmado que WiMax móvil tiene la capacidad deconvertirse en una plataforma que se complementará con sistemas telefónicos móviles de Tercera Generación, 3G, enáreas urbanas.

Fig. 5. El concepto de “handover”

Fig. 6. Sistema WiMax Punto a Punto, Punto a Multipunto

Así mismo, la compañía Sistemas de Radio Frecuencia (RFS) ha desarrollado un sistema de antenas adaptativo “WiMaxReady”. Entre las características del nuevo sistema cuenta con un preciso haz de radiación principal del patrón deradiación producido, así como una reducción considerable de interferencia entre célula y célula. El corazón de estesistema es un arreglo de antenas de cuatro elementos. La flexibilidad del haz de radiación se logra aplicando unamodulación en amplitud y fase a cada elemento. Como resultado, la forma del haz de radiación puede ser modificada enrespuesta al tráfico que experimente el usuario y a la aparición de fuentes de interferencia.

Otros Estándares

Ericsson y VimpelCom han demostrado el uso del estándar 3GPP (3rd Generation Partnership Project) basado en vozcomprimida y señalización sobre IP (SIGTRAN) en una red GSM comercial. Dentro del medio de las comunicacionesmóviles se considera que la compresión de voz sobre IP es el paso fundamental en la migración a una red IP eficiente yque reduce considerablemente los requerimientos de transmisión.

Fig. 7. Radio Canales WiMax

IP en 3G, está basado en paquetes, lo cual en términos sencillos, significa que los usuarios pueden estar “en línea” todo eltiempo pero sin tener que pagar hasta que hagamos verdaderamente una transmisión de datos. La naturaleza “sinconexión ” de IP realiza el acceso mucho más rápido ya que la descarga de archivos toma solo unos segundos y nospodemos conectar a nuestra red con solo un clic. 3G tiene soporte de conmutación de paquetes IP y soporte IP paravideojuegos, comercio electrónico, video y audio.

Así mismo, Cell Antenna ha anunciado la puesta en marcha el Sistema Repetidor Celular de Despliegue Rápido de BandaDoble, RDCRS por sus siglas en inglés. Este equipo permite a las agencias gubernamentales y a otros usuarios elincremento de señales de celular en áreas externas y de ambiente interior que podrían no tener una adecuada cobertura de

señal celular dado a desastres naturales o causas relacionadas con terrorismo. Diseñado específicamente para su uso encentros de operación de emergencia y vehículos de respuesta, el RDCRS facilita la comunicación celular en áreas deaproximadamente 15,000 pies cuadrados, asegurando que los radio receptores dentro de esa área recibirán de formaconfiable señales de celular claras en condiciones de bajo nivel de señal.

Teléfonos móviles, la radiación y su impacto en la salud

El Instituto de Investigación en Cáncer y la Universidad de Leeds no encontraron una relación entre el uso del teléfono yel crecimiento del “glioma”, el tipo más común de tumor cerebral. Sin embargo, los investigadores admiten en susestudios, que donde el tumor ocurrió fue en el lado de la cabeza con el cual se utilizó para hacer llamadas.

Los investigadores del Instituto Nacional de Suecia mencionan que el uso intensivo del teléfono móvil durante 10 añosincrementa el riesgo de tumores cerebrales. Así mismo también mencionan que aquellos que empezaron el uso delteléfono antes de los 20 años presentan mayor riesgo. Y aún más, el riesgo aumenta en aquéllos que han usado suteléfono por más de 2000 horas durante un periodo de 10 años. Así también se ha encontrado que los teléfonos móviles yotros dispositivos portátiles electrónicos representan un peligro a la operación normal de los instrumentos electrónicosclave en los aviones. Estos dispositivos pueden perturbar especialmente a los receptores GPS.

Cuando los teléfonos móviles son utilizados cerca de algunos aparatos médicos (incluyendo marcapasos, implantes tipodesfibrilador y algunos audífonos) existe la posibilidad de causar interferencia.

Aunque a decir verdad, los mayores daños a la salud son los provocados por accidentes debido a la imprudencia de laspersonas utilizando su teléfono celular cuando se encuentran conduciendo su automóvil.

Fig. 8. Arquitectura de Red 4ª. Generación

El Futuro con Más Allá de 3G

Este futuro no tardará mucho en estar presente, algunos países como China ya han hecho pruebas exitosas con 4G. Por loque bien cabe la pregunta: ¿Qué se espera con la tecnología con Más Allá de 3G?Se puede mencionar lo siguiente:La tasa de transferencia comercial que tendrán los primeros teléfonos 4G es de alrededor de 4 Mbps y en corto plazo, 20Mbps. Con este ancho de banda es posible la videoconferencia, descarga de películas, canciones, correo electrónico,

páginas web y por supuesto, para hablar por teléfono. Con esta capacidad, las llamadas telefónicas serán prácticamentegratis. Llamadas sin cuotas mensuales, sin establecimiento de llamada, con tarifas por minuto reducidas, sólo se pagarápor los minutos que se hable, y la posibilidad de llamar gratis a cualquier usuario a través de Internet.

El teléfono 4G tendrá más que suficiente memoria, ya sea en disco duro o en chip, de entre 20 a 100 Gigabytes, y servirácomo videoteléfono, teléfono, navegador de Internet, mensajero instantáneo, correo electrónico, media player,videocámara, cámara o como modem para laptop.

Conclusión

Para terminar, podemos reflexionar y darnos cuenta que la tecnología evoluciona de forma acelerada, y que está presenteen nuestra vida cotidiana. Los jóvenes de hace 20 años se ilusionaban con poseer una computadora en casa, los jóvenesactuales la tienen en sus bolsillos y que incluso no tienen la necesidad de plantearse preguntas que generacionesanteriores tuvieron que resolver, pero que nuevas necesidades y problemas de su tiempo se presentan y necesitansolución. Las comunicaciones móviles son una muestra de lo anterior mencionado, se abren como un abanico para serinvestigadas y desarrolladas, se plantean problemas complejos, preguntas y retos, y las soluciones a éstas, deben de seratrevidas, y buscadas por personas brillantes, y de igual forma atrevidas. Es un hecho que la voluntad, el tesón, lacuriosidad, la investigación y el deseo de avanzar son los factores que permiten a un individuo y a la nación a la cualpertenecen, en este nuevo esquema de globalización y de alta competencia, alcanzar un alto grado de desarrollo.

Referencias

[1] Xia H., Bertoni L., Maciel L., “Radio Propagation Characteristics for Line of Sight Microcellular and PersonalCommunications”, IEEE Transc. On Antennas and propagation, vol. 41, No. 10, October 1993.

[2] Rappaport, T. “Wireless Communications Principles and Practice”, chap. 3, page 80, 1996, New Jersey, Prentice Hall.

[3] Anderson H., “A Ray Tracing Propagation Model for Digital Broadcast Systems in Urban Areas”, IEEE Transc. OnBroadcasting, Vol. 39, No. 3, September 1993.

[4] IEEE Std. 802.11I-2004, “IEEE Standard for Information Technology: Telecom and Information Exchange betweenSystems, LAN/MAN-Specific Requirements Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY) Specification, Amendment 6: MAC Security Enhancements, ” 2004.

[5] IEEE Std. 802.11B-1999,”IEEE Local and Metropolitan Area Networks, Specific Requirements Part 11:WirelessLAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Higher Speed Physical Layer (PHY)Extension in the 2.4 GHz band,” 1999.

[6] IEEE Std. 802.15.1-2002, “IEEE Standard for Information Technology, Telecommunications and InformationExchange between Systems Local and Metropolitan Area networks:Specific Requirement Part (PHY) Specifications forWireless Personal Area Networks” 2002.

Biografía

Salvador Ricardo Meneses González.Communications and Electronic Engineerfrom ESIME IPN (1981). M. S. E. degree inelectrical engineering from Centro deInvestigación y de Estudios Avanzados delIPN. He is actually professor in theElectromagnetics Academy of theDepartment of Communications andElectronic Engineering of the ESIMEZacatenco, IPN.