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Tecnologías convergentes en los sistemas móviles de tercera y cuarta generación
Ernesto E. QUIROZ, Isidro VICENTE
[email protected], [email protected]
Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnología Digital (CITEDI-IPN)
Tijuana, Baja California, 22510, México
RESUMEN
Se presenta un panorama actual y a futuro de la evolución
de los sistemas de comunicaciones móviles. Se discuten
las tecnologías utilizadas en los sistemas de tercera
generación (3G) adoptados por el estándar europeo
UMTS (Universal Mobile Telecommunication System),
mundialmente aceptado por su compatibilidad con GSM.
Se mencionan las principales aplicaciones y servicios a
distancia provistos por este tipo de redes y también se
describen los elementos característicos de una red UMTS,
las tecnologías de acceso utilizadas en la interfaz aérea,
los sistemas y mecanismos encargados de gestionar el
transporte de los diversos tráficos en el núcleo de red así
como los protocolos correspondientes para la asignación
y provisión de calidad de servicio. También se presenta y
explica cómo se llevará a cabo la evolución de 3G a 4G.
Palabras clave: Redes 3G/4G, UMTS, Protocolo de
Internet (IP), WCDMA, núcleo de red.
1. INTRODUCCIÓN.
Las redes de comunicaciones móviles han evolucionado
de ofrecer solamente comunicación de voz en forma
analógica, a un amplio espectro de servicios multimedia
(navegación web, mensajes multimedia, e- commerce,
etc.) anteriormente disponibles solo en las computadoras
personales fijas de escritorio [1]. Esta evolución se debe
en gran parte al aumento en las tasas de bits ofrecidas al
usuario final mediante la tecnología de radio WCDMA
(Wideband Code Division Multiple Access), que en 3G
puede llegar hasta 2 Mbps. Aunado a esto también es
evidente la alta integración en las terminales utilizadas
por el usuario, lo que ha resultado en el uso de
dispositivos cada vez más compactos, de menor peso y
con más capacidades. Dentro del ámbito de la red
también ha ocurrido un proceso de transformación en el
que el manejo de la señalización y los servicios se efectúa
mediante una red interna cada vez más dependiente del
protocolo de Internet (IP, Internet Protocol). La fusión de
Internet con las tecnologías inalámbricas ha dado como
resultado las redes inalámbricas basadas en IP [2].
Existen aún retos en el camino para lograr mejores
prestaciones, entre ellos: la limitación de ancho de banda,
la provisión de calidad de servicio en el núcleo IP de la
red 3G, la gestión de movilidad, etc.
Las dos principales versiones de redes 3G que existen
actualmente son: UMTS, desarrollada y promovida por
Europa y Japón; y CDMA2000, desarrollada y promovida
por Norteamérica. De las dos anteriores UMTS/GSM es
la tecnología inalámbrica más ampliamente utilizada en el
mundo, ya que ocupa más del 85% del mercado
inalámbrico global, que incluye mas de 2.5 billones [3]
de personas alrededor del mundo. Se espera que esta cifra
alcance los 3.4 billones hacia el 2009.
De los varios avances tecnológicos involucrados, dos son
los que mas significativamente han impulsado el impacto
de los sistemas móviles 3G, a saber: La adopción de
WCDMA en el segmento radioeléctrico, y la evolución
del núcleo de red IP en la parte fija de UMTS, que se
extenderá hasta contar con una terminal celular IP de
usuario. Por otro lado, en cuanto a la parte radioeléctrica,
el proyecto de desarrollo a largo plazo de 3GPP (Third
Generation Partnership Project) sustituirá a WCDMA por
OFDMA para los sistemas 4G. Entender y manejar los
conceptos tecnológicos involucrados en esta evolución
permitirá a quienes trabajan con sistemas 3G enfrentar los
retos que surjan en sus ámbitos de influencia de cara a la
generación 4G.
2. SISTEMA UMTS
Las especificaciones para UMTS se han dado mediante
versiones progresivas (Releases), que empezaron con el
Rel 99 (o Rel 3) publicado por 3GPP en Marzo del 2000.
Posteriormente el Rel 4 se completó en Marzo del 2001,
el Rel 5 en Marzo del 2002 y el Rel 6 en Marzo del 2005.
El Rel 7 se concluyó en Marzo del 2007 y el Rel 8 se
encuentra actualmente en desarrollo [4]. En este último,
UMTS será un sistema “all IP”, con tecnología de
comunicaciones móviles de cuarta generación.
El despliegue comercial de las redes UMTS empezó con
el lanzamiento de la red FOMA (Freedom of Mobile
Multimedia Access) por la empresa japonesa NTT
DoCoMo en el 2001, pero no fue hasta el 2003 en que las
redes UMTS empezaron a ser desplegadas con mayor
auge, tanto en Asia como Europa y América.
2.1 Arquitectura de la red UMTS
En la figura 1 se presenta la arquitectura de la Red de
UMTS de acuerdo a las especificaciones de 3GPP Rel. 3
y 4. Las líneas punteadas indican los enlaces de
señalización y las líneas continuas indican los canales de
portadora (transporte).
Fig. 1 Arquitectura de la Red UMTS
Hay cuatro funcionalidades o dominios principales:
a) Equipo del Usuario (UE). Maneja el tráfico del
usuario en la célula, tiene la habilidad de negociar los
parámetros para una portadora, los cuales definen la
calidad de servicio ofrecida para una aplicación.
b) UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network).
Su principal tarea es generar y mantener las portadoras de
radio acceso para la comunicación entre la terminal móvil
UE (User Equipment) y el núcleo de red. Maneja todas
las funciones de radiodifusión y es responsable de la
gestión de movilidad, la cual es transparente para el
núcleo de red. También se encarga de asignar los recursos
a través de la interfaz aérea y de soportar la calidad de
servicio solicitada. Está formada por las estaciones base
(Nodo B) y los controladores de radio de la red (RNC).
c) Dominio por Conmutación de Circuitos. Maneja todas
las sesiones por conmutación de circuitos; establece,
mantiene y libera los canales de voz para conectar la red
de acceso UTRAN con la red de telefonía pública
conmutada (PSTN). Esta parte del núcleo de red consta
de los elementos MGW, servidor MSC y servidor GMSC.
d) Dominio por Conmutación de Paquetes. Maneja todas
las sesiones por conmutación de paquetes; proporciona y
administra los canales para conectar la red de acceso
UTRAN hacia Internet. Consta de los nodos de soporte
GPRS que son el SGSN y el GGSN.
2.2 Aplicaciones y tele-servicios de UMTS
La gama de servicios que es posible obtener con UMTS
es muy amplia, a continuación se presenta una lista no
exhaustiva: Transmisión de audio y video, Paging,
Servicios de difusión, Consulta de bases de datos,
Transmisión de datos, Servicios de directorios (e.g.,
directorio
telefónico),
Servicios
de
movilidad
(navegación o localización), Correo electrónico,
Llamadas de emergencia, Servicios de mensajes cortos,
Servicios de teleacción, Telecompras, Monitorización por
video, Mensajes de voz, Aplicaciones de vídeo
conferencia, Aplicaciones vídeo-streaming, Vídeo
catálogos de ventas On-Line, Aplicaciones de
Telemedicina.
3. TECNOLOGÍAS CONVERGENTES
Las tecnologías habilitadoras más sobresalientes se
ubican en la parte del radioacceso (WCDMA y OFDMA)
y en el transporte y control de información (red IP). A
continuación se presentan los aspectos más relevantes de
estos dos ámbitos.
3.1 Radioacceso
La tecnología de radio utilizada en UMTS se conoce
como WCDMA, el cual es un sistema de Acceso Múltiple
por División de Código. Se utiliza el esquema
denominado de Secuencia Directa (DS-CDMA), en el
cual los bits de información del usuario son expandidos
sobre un ancho de banda amplio al multiplicar los datos
de usuario con una serie de bits cuasi-aleatorios
(llamados chips) de los códigos de expansión derivados
de CDMA.
A fin de soportar altas tasas de bits (hasta 2 Mbps) se
utiliza un factor de expansión variable y conexiones
multicódigo. Se utiliza una tasa de 3.84 Mcps ocupando
un ancho de banda de portadora de 5 MHz (Ver figura 2).
El amplio ancho de banda utilizado en WCDMA permite
altas tasas de datos de usuario (Hasta 144 Kbps para
usuarios a alta velocidad, 144 a 384 para velocidades
medias y hasta 2 Mbps para baja velocidad), y otros
beneficios de desempeño como el incremento en la
diversidad de multi-trayectorias.
Fig. 2 Asignación del ancho de banda en WCDMA en el
espacio de código de frecuencia de tiempo
Los sistemas DS-CDMA con un ancho de banda de 1
MHz, tales como IS-95, se les conoce comúnmente como
sistemas CDMA de banda angosta. WCDMA utiliza dos
modos básicos de operación: Dúplex de División de
Frecuencia (FDD) y Dúplex de División de Tiempo
(TDD).
3GPP ha especificado que para la 4ª generación de
sistemas móviles se utilizará OFDM (Orthogonal
Frecuency Division Multiplex).
Este esquema de transmisión es multi-portadora, ya que
genera una gran cantidad de portadoras de banda angosta
ortogonales entre sí con espaciamiento de 15 KHz, lo
cual permite que el espectro de cada tono se traslape (Ver
figura 3). Cada portadora transporta símbolos digitales
mediante modulación 16 QPSK, 16 QAM ó 64 QAM (se
prevé también el uso de OFDM/OQAM que elimina el
intervalo de guardia). El flujo digital es dividido en M
flujos paralelos, cada uno a una tasa 1/M de la tasa
original. (P. ej. 1 Mbps en 100 tonos significa 100 flujos
de 10 Kbps).
Fig. 3 Ortogonalidad en portadoras OFDM
Se proyecta que 4G alcance tasas pico de 100 Mb/s en el
enlace de bajada y de 50 Mb/s en el enlace de subida.
Esta tecnología permitirá cobertura de células de 5 km
con excelente desempeño, 30 km con degradación ligera,
y 100 km con operación aceptable.
3.2 Núcleo de red IP
La Versión 5 de UMTS [5] implementa una red por
conmutación de paquetes de extremo a extremo usando
IP como protocolo de transporte (Ver figura 4).
Fig. 4 Arquitectura de la red de UMTS (Rel. 5)
El IMS (IP Multimedia Subsystem) se encarga de
efectuar la administración de todos los servicios de
multimedia utilizando el protocolo SIP (Session Initiation
Protocol) para la señalización.
Mediante el IMS la terminal del usuario (UE) negocia sus
capacidades y expresa sus requerimientos de QoS durante
el establecimiento de una sesión SIP o un procedimiento
de modificación de sesión [6]. La terminal es capaz de
negociar parámetros como: (a) Tipo de medio, dirección
del tráfico (b) Tasa de bit, tamaño de paquete y
frecuencia de transporte (c) Empleo de carga útil RTP
para los medios (d) Adaptación del ancho de banda
Para definir las clases de servicios, UMTS define cuatro
clases principales: conversacional (voz, video, etc.),
afluente (audio, video afluente, etc.), interactiva
(mensajes de voz, navegación por Internet, etc.) y diferida
(correo electrónico, fax, etc.). UMTS define objetivos
específicos para proporcionar un servicio adecuado a los
usuarios móviles [7].
3GPP especifica el protocolo de servicios diferenciados
(DiffServ) de la IETF (Internet Engineering Task Force)
como mecanismo para proveer calidad de servicio en el
núcleo de red UMTS [8-9]. DiffServ permite que los
enrutadores decidan cómo tratar un paquete más
rápidamente por medio de la identificación de códigos de
8 bits llamados “puntos de código de servicios
diferenciados”
(DSCP:
Differentiated
Services
Codepoints), que definen varios niveles de prioridad [10].
Los paquetes IP se marcan en el extremo de la red con un
cierto DSCP en sus encabezados, así los enrutadores en la
trayectoria aplican el criterio integrado en los
encabezados de los paquetes, desahogando los paquetes
según la marca de prioridad. En condiciones de
congestionamiento los paquetes de baja prioridad se
eliminan antes que los de alta prioridad.
Los subsistemas que aún no funcionan en forma nativa
bajo el protocolo IP son el UTRAN y la UE, la
conversión de estos subsistemas permitirá lograr una red
toda IP (all IP) en el Rel. 8.
4. CONCLUSIONES
Se identifican los dos ámbitos de tecnologías que han
habilitado la evolución para llegar a los denominados
sistemas móviles 3G-UMTS. Estas tecnologías son: en el
segmento del radioenlace WCDMA y en el de la red fija
la adopción del protocolo IP como plataforma de
transporte.
Se explican los aspectos más relevantes de estas
tecnologías en su operación dentro de UMTS.
Se identifican las tecnologías que substituirán o
modificarán a 3G para avanzar a 4G. Respectivamente
son la sustitución de WCDMA por OFDMA en la parte
radioeléctrica; y la extensión de operación del protocolo
IP en la red fija, para incluir los subsistemas UTRAN y
UE.
5. BIBLIOGRAFÍA
[1] M. Etoh, “Next Generation Mobile Systems, 3G and
Beyond”, Wiley, 2005.
[2] H. Hwa Chen, M. Guizani, “Next Generation
Wireless Systems and Networks”, Wiley, 2006.
[3] www.3gamericas.org/English/Statistics/q32007_13.
cfm
[4] www.3gpp.org/Releases/Releases.htm
[5] Miikka Poikselkä and Georg Mayer, “The IMS, IP
Multimedia Concepts and Services in the Mobile
Domain”, Ed. John Wiley & Sons, 2004.
[6] Robert Lloyd-Evans, “QoS in integrated 3G
Networks”, Ed. Artech House, 2002
[7] Dave Wisely, Philip Eardley and Louise Burness,
“IP for 3G: Networking Technologies for Mobile
Communications”, Ed. John Wiley & Sons, 2002
[8] 3GPP, “TS29.207V5: Policy Control Over Go
Interface (Release 5)”, June 2002
[9] Camarillo, G. and García-Martín, M. A. 2004. The
3G IP Multimedia Subsystem (IMS): Merging the
Internet and the Cellular Worlds. John Wiley &
Sons. England. 381 Secc. 4ª
[10] S.I. Maniatis, et. al., “End-to-End QoS Specification
Issues in the Converged All-IP Wired and Wireless
Environment”, IEEE Communications Magazine,
June 2004.
RECONOCIMIENTOS
Este trabajo fue apoyado por el IPN mediante el proyecto
SIP 2008-0796 y COFAA-IPN Becas por Exclusividad.