(3.5G).

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACÍN
DECANATO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO
MAESTRÍA EN TELEMATICA
REDES DE AREA LOCAL
Tecnología HSDPA/W-CDMA (3.5G).
Evaluación de la Transferencia de Datos de Audio/video.
Integrantes:
Ing. Ender A. Licero M.
Ing. Lenin R. López Z.
Ing. José A. Delgado R.
Prof. Ing. Luis G. Molero Msc.
Maracaibo, Abril de 2009
INTRODUCCION
En los últimos años hemos podido observar como han ido evolucionando
de forma vertiginosa los sistemas de transmisión de datos y voz. Hemos vivido
los diferentes saltos, desde la llamada tecnología 1D desarrollada e
implementada en los años 80, la tecnología 2G implementada en los años 90
junto con la denominada generación 2.5 (2.5G) hasta llegar a la tecnología 3G
desarrollada e implementada a principios de los años 2000.
Vemos con “asombro” como a medida que evolucionan las tecnologias de
transferencias de datos de audio/video de igual manera los tiempos de
implementación se reducen cada vez más. Es por este motivo que en este
informe analizaremos la evolución de la tercera generación (3G), el rendimiento
o la eficacia en la transferencia de datos de audio/video mediante redes
HSDPA/W-CDMA (3.5G) y conoceremos que nos depara la 4G.
La tecnología HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) es la más
reciente evolución de otra tecnología espectral como la UMTS/WCDMA,
incluida en las especificaciones de 3GPP release 5. Esta tecnología consiste
en un nuevo canal compartido en el enlace descendente (downlink) que mejora
significativamente la capacidad máxima de transferencia de información y
puede alcanzar tasas de hasta 14 Mbps. Soporta tasas de throughput promedio
cercanas a 1 Mbps y se complementa con HSUPA (High Speed Up Packet
Access).
Esta tecnología es la evolución de la tercera generación (3G) de
tecnología móvil, llamada 3.5G, y se considera la predecesora de la cuarta
generación (4G) aunque actualmente se desarrolla la especificación 3.9G
previo al lanzamiento de 4G.
Entre las caracteristicas más resaltantes de la tecnología HSDPA
podemos señalar el aprovechamiento y mejoramiento exponencial en la
prestación de servicios de banda ancha con un aumento significativo en la
capacidad de datos celulares, con throughput más elevado. Igualmente HSDPA
incrementa la eficiencia espectral en comparación con WCDMA, ya que permite
que la red sea utilizada simultaneamente por un número mayor de usuarios al
ofrecer hasta cuatro veces mayor capacidad que WCDMA gracias a su
eficiencia espectral y el aumento de la velocidad.. Igualmente reduce la latencia
de la red (<100ms) disminuyendo con esto los tiempos de respuesta y
mejorando significativamente la interfaz de las aplicaciones en tiempo real
(videoconferencias, juegos multiusuarios, etc). Otros aspectos que contribuyen
al aumento de las tasas de velocidad son: El agregado de modulación de
mayor orden (Modulación de Amplitud de Cuadratura 16 – 16 QAM), la
codificación variable de errores y la redundancia incremental.
IMPLEMENTACION Y EVALUACION DE LA TRANSFERENCIA DE DATOS
EN REDES HSPDA/W-CDMA.
La principal utilidad de este servicio es el acceso a Internet con mayor
ancho de banda y menor latencia, por lo que se ofrece navegar, descargar
correo electrónico, música y video a mayor velocidad.
HSDPA es considerado altamente compatible con la versión 99 de
UMTS (R99), con la adición de una entidad de repetition/scheduling dentro del
nodo B que reside debajo de la capa de control de acceso al medio R99 (MAC).
A continuación mostraremos los principios operativos básicos de
HSPDA.
La Figura 1 muestra los seis subsistemas que intervienen en una red
HSDPA/W-CDMA: el equipo de usuario (UE), el nodo B (estación base), el
controlador de la red de radio, el nodo 3G-SGSN (Serving GPRS Support
Node), el nodo 3G-GGSN (Gateway GPRS Support Node) y el servidor IP.
Técnicamente, los principios operativos básicos de HSDPA son fáciles
de entender. El RNC encamina los paquetes de datos destinados para un UE
particular al Nodo-B apropiado. El Nodo-B toma los paquetes de datos y
programa su transmisión al terminal móvil emparejando la prioridad del usuario
y el ambiente de funcionamiento estimado del canal con un esquema
apropiadamente elegido de codificación y de modulación (es decir, el 16QAM).
El UE es responsable de reconocer la llegada de los paquetes de datos y de
proporcionar al Nodo-B información sobre el canal, control de energía, etc. Una
vez que envíe el paquete de datos al UE, el Nodo-B espera un asentimiento. Si
no recibe uno dentro de un tiempo prescrito, asume que el paquete de datos
fue perdido y lo retransmite.
La base que procesa el chasis (CPC) es la piedra angular del Nodo-B.
Contiene el transmisor-receptor de RF, el combinador, la tarjeta del interfaz de
red y el control del sistema, la tarjeta de timming, la tarjeta del canal y la placa
base. De estos elementos de CPC, solamente la tarjeta del canal necesita ser
modificada para apoyar HSDPA.
La tarjeta típica del canal de UMTS abarca un procesador de uso
general que maneja las tareas de control. En cambio para soportar HSDPA, se
deben realizar dos cambios a la tarjeta del canal. Primero, la capacidad de chip
del enlace descendente (downlink chip-rate ASIC, o ASSP) se debe modificar
para apoyar los nuevos esquemas de la modulación 16QAM y los nuevos
formatos de la ranura del enlace descendente asociados a HSDPA.
El siguiente cambio requiere una nueva sección de proceso, llamada el
MAC-hs, que se debe agregar a la tarjeta del canal para apoyar el procesado,
el buffer, la transmisión y la retransmisión de los bloques de datos que se
reciben del RNC. Éste es el cambio más significativo a la tarjeta del canal
porque requiere la introducción de una entidad de procesador programable
junto con un buffer para retransmitir.
Finalmente, hay que añadir en la RNC un bloque denominado Mac-d,
que establece la comunicación con el Nodo-B..
Conforme aumenta la complejidad del diseño de los dispositivos
móviles, es cada vez más importante comprobar el rendimiento de cada
aspecto de la transferencia de datos. Los diseñadores de dispositivos móviles
suelen comprobar la eficiencia de las transferencias de datos a partir del
análisis de datos de banda base. Un mejor escenario consiste en someter a
prueba los dispositivos en un entorno de red real. Sin embargo, las redes
móviles plantean tres problemas durante las pruebas.
En primer lugar, es posible que la red no esté disponible, por ejemplo,
una red HSDPA o W-CDMA. En segundo lugar, si el dispositivo está conectado
a una red real y surge un problema (por ejemplo, la desconexión de un enlace
o una ralentización del rendimiento), es muy difícil conocer la causa real en
cualquiera de los subsistemas. Asimismo, la red real varia con el paso del
tiempo y la calidad que proporciona al equipo de usuario (UE) no está
garantizada ni es reproducible. De este modo, la evaluación del rendimiento de
dicho equipo no es fiable cuando se conecta a una red real.
En tal sentido, se sustituye la conexión a una red real por la utilización
de un equipo de prueba (Agilent 8960) para evaluar el rendimiento IP de los
equipos de usuario (UE) HSDPA/W-CDMA. El dispositivo de prueba incorpora
un simulador de red HSDPA/W-CDMA y herramientas de verificación de
software y se ha diseñado específicamente para desarrolladores de equipos de
usuario HSDPA/W-CDMA que necesitan realizar verificación e integración de
diseños de radio, protocolos y hardware/software, además de evaluación del
rendimiento.
8960 Series 10 Collection
A continuación se muestra como puede utilizarse el dispositivo de
prueba para sustituir los subsistemas de una red HSDPA/W-CDMA. Este
dispositivo ofrece simulación realista de redes y proporciona conexión con
Internet con flujos reales de tráfico de datos. También puede obtenerse
capacidad adicional a través de completas herramientas de registro y análisis
de protocolos en tiempo real. Asimismo, el dispositivo de prueba puede servir
de plataforma para comparar el rendimiento de distintos equipos de usuario
(UE) proporcionando un entorno de red estable y reproducible.
PRUEBA DE RENDIMIENTO.-
Se ha seleccionado el emulador de red HSDPA/W-CDMA de Agilent
para experimentos sobre caudal de datos. El terminal de pruebas ofrece un
completo servicio de datos en paquetes de extremo a extremo compatible con
el servicio de datos en paquetes GPRS.
El usuario puede conectar el puerto LAN del terminal de pruebas a su
red de ordenadores y establecer una conexión completa del equipo de usuario
a esa red a través del terminal de pruebas. La configuración del servicio GPRS
que admite el terminal de pruebas proporciona una serie de distintas
configuraciones de portadora de acceso por radio (RAB). Las configuraciones
específicas estudiadas aquí son el modo de datos por conmutación en
paquetes (PSD) de 64 k para enlace ascendente (UL)/384 k para enlace
descendente (DL), y el modo PSD de 64 k para UL/3,6 M para DL.
La Figura muestra el intercambio de mensajes de la capa de protocolo
entre el equipo de usuario y el dispositivo de prueba inalámbrico. Los mensajes
indican que el teléfono móvil se inicia para establecer una conexión de datos en
paquetes con procesos de activación de protocolos de datos en paquetes y
vinculados a GPRS. En la primera prueba se conecta un PC a un equipo de
usuario y lo utiliza como módem inalámbrico para descargar archivos de
distintos tamaños desde el servidor a través del equipo de pruebas.
La Figura muestra el tiempo necesario para descargar con relación al
tamaño de archivo en dos equipos de usuario distintos. Puede observarse a velocidades de datos de DL de 384 Kbps y 7,2 Mbps que ambos equipos de
usuario (UE) tienen un rendimiento similar y que el UE1 presenta un
rendimiento ligeramente superior al UE2. Además, el tiempo necesario
aumenta linealmente con el tamaño de archivo. Las velocidades de transmisión
de datos en bruto, calculadas a partir de la inversa de las pendientes de las
líneas, son aproximadamente de 195 Kbps y 5.000 Kbps para la DL de 384 y la
DL de 7,2 Mbps, respectivamente. Los resultados muestran que cuando la
velocidad de la DL se multiplica por seis, de 384 Kbps a 7,2 Mbps, el
incremento real en la velocidad de transmisión de datos en bruto aumenta más
de 25 veces.
En la segunda prueba, los equipos de usuario operan solos y descargan
archivos de tamaños diferentes. La Figura muestra el tiempo necesario para
descargar según el tamaño de archivo en los dos equipos de usuario. El
rendimiento de los equipos de usuario es similar al del caso anterior, salvo en
un escenario.
Con una velocidad de transmisión de datos de DL de 7,2 Mbps, el UE2
requiere bastante más tiempo para descargar archivos, proporcionando una
velocidad de transmisión de datos en bruto mucho más baja, de 1 Mbps
aproximadamente. Esto puede deberse a la menor potencia de procesamiento
o al menor tamaño del búfer de memoria móvil en el UE2.
Por tanto, podemos concluir que el diseño del UE1 es mejor que el del
UE2 en la descarga de datos. Comparando las condiciones con y sin módem y
el análisis de datos gráficos, resultará mucho más fácil familiarizarse con el
rendimiento móvil.
El dispositivo de prueba Agilent 8960 proporciona un entorno estable y
reproducible que permite a los ingenieros evaluar el rendimiento de los equipos
de usuario. El simulador se ha implementado con éxito y se ha medido el
caudal de datos IP de dos marcas distintas de equipos de usuario en dos
escenarios diferentes. Con el 8960, los ingenieros pueden medir y optimizar el
rendimiento del equipo de usuario de forma más sencilla.
QUE NOS DEPARA LA CUARTA GENERACION ?
Si hay algo mas complicado que las denominaciones de algunos
modelos de móviles, es la gran cantidad de siglas y palabras que conforman la
jerga del sector. Una de las más interesantes es LTE (Long Term Evolution) ,
es decir, Evolución a Largo Plazo.
Mientras
que
en España
y Latinoamérica
todavía
se
están
desplegando las tecnologías 3G (UMTS-WCDMA) y 3,5G (HSDPA), la industria
ya tiene puestos los ojos en el próximo paso, el llamado 4G. Las operadoras
Vodafone, Verizon Wireless y China Mobile se han reunido con los fabricantes
de móviles, chips y equipos de red. Estas reuniones tienen el objetivo de
pedirles equipos capaces de operar en las dos versiones que aparecerán de
LTE.
Vodafone y Verizon apuestan por LTE FDD (Frequency Division
Duplex) que utiliza varias zonas del espectro de radio, mientras que China
Mobile desarrollará LTE TDD (Time Division Duplex) que ocupa una sola zona.
En caso de llegar a un acuerdo y disponer de móviles y redes que funcionen
con estas dos especificaciones, el 4G sería un enorme paso para la industria a
nivel mundial.
Las empresas involucradas en el tema son las mas importantes del
sector: Ericsson, Alcatel-Lucent o Nokia Siemens a nivel de red, Nokia, LG,
Motorola, Sony-Ericsson e incluso Apple en cuanto a fabricantes de terminales,
y también el gigante Huawei y otras empresas chinas como proveedores de
equipamiento.
El objetivo ahora es conseguir desarrollar un chip que funcione en
ambas versiones de LTE. Los participantes en esta iniciativa compartirán los
resultados de las pruebas que se realicen con este fin, algo que nunca se había
hecho hasta ahora con el objetivo de lograr un estándar mundial. Actualmente
el 3,5G HSDPA consigue velocidades de 3,6 megabits por segundo, y 7,2
mbps en algunas ciudades concretas. Antes del 2010 la tecnología 3G podría
alcanzar los 30 mbps, pero se prevé que la cuarta generación LTE suponga
velocidades de entre 50 y más de 100 megabits.
El principal escollo para un móvil que funcione en cualquier país del
mundo, es que las autoridades chinas no estarían muy dispuestas a este paso.
Un desarrollo tecnológico propio supone una forma de proteger su industria
nacional, aunque, por otra parte, debilita su enorme capacidad exportadora.
Tampoco hay que olvidar que WiMAX no debería quedar fuera LTE,
sino mas bien quedar incluida. Hay también que tener en cuenta la llamada
“convergencia” con las redes tradicionales y la desaceleración económica, que
hacen que LTE y 4G sean precisamente eso, una evolución a largo plazo.
Muchos de nosotros nos hemos preguntado alguna vez, cual será la
mejor tecnología para el acceso inalámbrico de banda Ancha?, y a pesar de
tener a la mano tanta información no hemos podido llegar a una respuesta del
todo contundente, lo que si queda claro es que las tecnologías que cuentan con
una arquitectura de red basada en IP como WiMAX y LTE (Long Term
Evolution) se perfilan
como
las mejores opciones a futuro.
Echando un vistazo al estado actual de las licencias otorgadas para el
acceso inalámbrico por región para las bandas de 2.5 y 3.5GHz, podemos
observar una fuerte actividad en el despliegue de redes inalámbricas de banda
ancha, en donde estas tecnologías vienen haciendo un esfuerzo por
incrementar sus eficiencias espectrales prometiendo alcanzar para el caso de
LTE hasta 5 bits/Hz en el canal de bajada, y seguir la mejora de esta eficiencia
con el uso de antenas con tecnología MIMO (Múltiple Input Múltiple Output).
Número de Licencias por región y banda de frecuencia
Fuente: Nokia-Siemens Networks
Hemos revisado las diferentes generaciones de los sistemas de
telefonía celular, luego los sistemas de tercera generación como HSPA (High
Speed Packet Access), y se nos viene LTE (Long Term Evolution) como la
tecnología que promete darnos velocidades picos de hasta 100 Mbps.
Sistemas inalámbricos como LTE tendrían que ir acompañados por el
despliegue de redes de próxima generación (NGN).
En una charla técnica que dió Nokia hace unos meses, comentaron que
para el 2009 desplegarían su primera red LTE, tecnología que Nokia llama
3.9G porque no alcanza las velocidades de hasta 1 Gbps que se propone como
estándar
para
sistemas
móviles
de
cuarta
generación
4G.
El 3GPP (Third Generation Partnership Project), los principales
fabricantes de equipos de telecomunicaciones y operadores de servicio móvil
vienen trabajando en el desarrollo de este nuevo estándar LTE.
A continuación presentamos una reseña de prensa publicada el 2 de Abril de
2009 donde se señala el inicio de las pruebas por parte de la compañía
Telefónica de la tecnología LTE (Long Term Evolution)
Telefónica empieza a probar el LTE
Sacha Fuentes 2 de abril de 2009
Todavía falta tiempo para que llegue la evolución de las redes 3G, pero los operadores
ya están empezando a probar lo que está llamado a ser su sucesor, las redes de cuarta
generación con tecnología LTE (Long Term Evolution).
Telefónica ha hecho hoy sus primeras demostraciones del uso de diferentes servicios
sobre una red real con LTE. Entre las pruebas realizadas se ha hecho una llamada a través de
VoIP y una videoconferencia. Además, se ha probado la descarga de datos, consiguiendo
velocidades de unos 140
megabits por segundo. Evidentemente, todo esto dentro de un
entorno de pruebas y controlado, aunque en otros entornos de pruebas han conseguido
velocidades de bajada de más de 236 megabits por segundo y de subida de 86 megabits por
segundo. Lo que me parece triste es que pronto las conexiones móviles ofrecerán mayores
velocidades que las que tenemos en casa, que siguen siendo caras para lo que ofrecen.
De hecho, conozco a alguna persona que cuando sube ficheros grandes le sale más a
cuenta hacerlo por una conexión 3G que por el ADSL de casa, pues es más rápida. Pero las
operadoras siguen ofreciendo ofertas que no se adecuan a lo que muchos usuarios buscan.
Mientras no nos llega LTE, podremos usar HSPA+, que Telefónica empezará a ofrecer
este año y que permite, de momento, hasta 21 megabits por segundo de bajada y 5 de subida,
pudiendo llegar hasta los 84 de bajada en un futuro. Por ahora se ofrecerá solo con módems,
pero solo es cuestión de que empiecen a aparecer terminales que aprovechen esta tecnología.