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5TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (V CIBELEC 2012)

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Resumen—Los fabricantes y prestadores de servicios de telecomunicaciones enfrentan un permanente reto tecnológico ante los recientes adelantos en los sistemas de propagación de la información, unido al creciente número de usuarios y la demanda de mayores facilidades.En respuesta a estas inquietudes, la red LTE (Long Term Evolution) ha sido diseñada para operar con grandes velocidades en el rango de 100 Mbps a 1 Gbps. Es de esperarse que con ella se rompan definitivamente las barreras que aun impiden la plena movilidad con capacidad multimedia. Para asegurar estas velocidades, 3GPP (3rd GenerationPartnership Project), el principal órgano de normalización de 4G, ha escogido a OFDMA (Orthogonal Frequency DivisionMultiplex),como la interfaz de aire en la capa física. La gran ventaja de ésta es la facilidad de adaptación a diferentes anchos de banda, lo cual resuelve el problema de asignaciones múltiples de bloques de frecuencia. Palabras claves—4G, LTE, MU-MIMO, OFDMA.

I. INTRODUCCIÓN

El continuo crecimiento de las telecomunicaciones móviles, desde la introducción de GSM (Global Systemfor Mobile Communications),[1],inicialmente reseñado como GSP (GroupeSpécial Mobile),[2],hasta la innovadora tecnología UMTS (Universal Mobile Telecommunication System),[3] también conocida como 3G (ThirdGeneration) [4],ha impulsado el desarrollo de una nueva generación en lastelecomunicaciones móviles, referida como 4G (FourthGeneration).El grupo encargado de la estandarización de 4G en GSM es 3GPP [5], el cual eligió la tecnología LTE para garantizar las altas velocidades planteadas, siendo mejorada seguidamente con la LTE-Advanced,basada en los sistemas IMT-ADVANCED (International Mobile TelecommunicationAdvanced), definidos por ITU-R. La rapidez con que arriban los nuevos desarrollos tecnológicos en el campo de las actuales telecomunicaciones, dificulta el seguimiento de cada uno de ellos y la proyección acertada decómoserán en el futuro inmediato [5]. Cada día aparecen nuevas investigaciones que ayudan a la mejor comprensión de

*Artículo recibido el 20 de Diciembre de 2011.por elComité Técnico del V CIBELEC 2012. José A. Contreras y Nelson A. Santiago están con la Universidad de Los Andes, Sector La Hechicera, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Mérida, Estado Mérida, Venezuela, Tlf: +58-274-2402907 / 2824, Fax: +58274-2402890, E-mail: [email protected], [email protected]

estas nuevas tecnologías, así como su mejoramiento en cuanto la calidad de la señal, a la vez que ingeniosos métodos para lograr mayores incrementos encuanto al ancho de banda y con ello la velocidad, sin sacrificar la movilidad con contenido multimedia exigido. La actual ruta tecnológica contempla a HSPA+ (HightSpeedDowlinkPacket Access), HSUPA(Hight Speed Up-Link Packet Access)[5] y dos técnicas de radio que revolucionarán las prestaciones de movilidad, como son OFDMA y MU-MIMO(MultiUser-Multiple Input Multiple Output) [6], las cuales están incluidas en LTE y WiMax(WorldwideInteroperabilityforMicrowave Access) [7]. Es de esperarse que todo ellolleve a una disminución de los costos en cuanto a la red y servicios, y a nuevas aplicaciones y facilidades para los usuarios, quienes en última instancia serán los que asumirán,a largo plazo,aquellos costos.LTE es, hasta el momento, la tecnología que llena con mayor ventaja las expectativas, hacia la nueva generación y que a mediano plazo se impondrá en aquellos países que estén dispuestos a impulsarla, aunque en poco tiempo surgirán nuevas tecnologías, como es de esperarse en este siglo de rápido desarrollo tecnológico.

II. RED LTE

El proyecto LTE, estableció como prioridad mejorar la eficiencia espectral para lograr lasbondades esperadas de 4G, en cuanto a rangos de velocidades. [8]. Los requerimientos planteados para 4G son:

• Velocidades de 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo.

• Redes de conmutación de paquetes IP. • Uso compartido de los recursos de la red, permitiendo

varios usuarios por celda. • Ancho de banda escalable desde (1.4 a 20) MHz. • Eficiencia espectral de conexión de 15 bps/Hz en down-

link y 6.75 bps/Hz en up-link. • Eficiencia espectral del sistema de 3 bps/Hz para down-

link y 2.25 bps/Hz para interiores. • Capacidad para brindar un QoS (Quality of Service) alto

en aplicaciones multimedia de próxima generación [9].

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Hacia la Nueva Revolución en Telecomunicaciones:

La Red LTE (4G) José A. Contreras y Nelson A. Santiago*


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II. ARQUITECTURA DE LA RED LTE La arquitectura de la red LTE de comunicaciones móviles constituye el protocolo de funcionamiento del sistema, bajo las especificaciones que la rigen. El termino LTE se introdujo inicialmente para denominar una línea de trabajo interna, cuyo objetivo era estudiar la evolución de la red de acceso de UMTS, denominada UTRAN (UMTS TerrestrialRadio Access Network), llamadafinalmente E-UTRAN (Evolved UTRAN);no obstante,con frecuencia se utiliza el término LTE en las especificaciones, como sinónimo de E-UTRAN. [9]

Evolución en la arquitectura LTE LTE mantiene el mismo esquema de las arquitecturas básicas de un sistema de telefonía móvil, desde el equipo de usuario, pasando por la red de acceso que soporta la transmisión radio entre los equipos de usuarios, hastala red troncal encargada de aspectos tales como controlar el acceso a la red (autenticación de los usuarios), gestionar su movilidad y las sesiones de datos o circuitos que transportan la información, establecer los mecanismos de interconexión con otras redes, etc. FIG. 1 [10] Los sistemas 3GPP abarcan el Equipo de Usuario (UE, UserEquipment) y una infraestructura que se divide de forma lógica en una Red Troncal (CN, Core Network) y una Red de Acceso (AN, AccessNetwork), tal como se presentan en la FIG. 2. [11]

UICC=SIM/USIM=Subscriber Identity Module/Universal SIM

FIG. 1. Arquitectura Genérica de un Sistema Celular.

SIM/USIM=Subscriber Identity Module/Universal SIM IMS=International Mobile Subscribe E-UTRAN=Evolved UTRAN CS=Circuit Swiched UTRAN=IMTS Terrestrial Radio Access Network PS=Packet Switched GERAN=GSM/EDGE Radio Access Network EPC=Evolved Packet Core GPRS=General Packet Radio Service ME=Mobile Equipment

FIG. 2. Arquitectura de Alto Nivel de los Sistemas 3GPP (GSM, UMTS y LTE)

La FIG. 3[12],muestra la arquitectura del sistema LTE, conocido en las especificaciones como EPS (EvolvedPacketSystem). Los elementos del sistema son, por un lado, la nueva red de acceso E-UTRAN y el nuevo dominio de paquetes EPC (EvolvedPacketCore) de la red troncal (denominada red troncal EPC), y por el otro, la evolución del subsistema IMS (IP Multimedia Subsystem) concebido inicialmente en los sistemas UMTS.

EPC=Evolved Packet Core E-UTRAN=Evolved UTRAN GERAN=GSM/EDGE Radio Access Network 3GPP=3rd Generation Partnership Project

FIG. 3.Arquitectura del Sistema LTE

La red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC realizan en conjunto la transferencia de paquetes IP entre los equipos de usuario y las redes externas, tales como plataformas IMS y/o diversas redes como Internet. Las prestaciones de QoS (e.j., velocidades de datos, comportamiento en cuanto a retardos y pérdidas) de transferencia de paquetes IP, puede configurarse en base a los servicios finales esperados, cuyo establecimiento (señalización) se realiza a través de plataformas externas y de forma transparente a la red troncal EPC. La transferencia depaquetes entre el equipo de usuario y la red externa, se denomina servicio portador EPSB (EPSBearerService). Asimismo, el servicio de transferencia de paquetes que proporciona la red de acceso E-UTRAN se denomina ERAB(E-UTRAN Radio Access Bearer). En la FIG. 3 se observan las principales interfaces de E-UTRAN y EPC. La interfaz entre ellos, llamada S1, provee a la EPClos mecanismos para gestionar el acceso a los terminales móviles a través de E-UTRAN. La interfaz radio entre los equipos de usuario y E-UTRAN se denomina E-UTRANUu.(Uu es una interfaz). Por otro lado, las plataformas de servicios como IMS (International Mobile Subscriber), y la conexión a redes de paquetes externas IP se llevan a cabo mediante la interfaz SGi(ServiceGateInterfaz ) de la EPC. Esta interfaz es análoga a la definida en las redes GPRS/UMTS y constituye el punto de entrada/salida al servicio de conectividad IP proporcionado por la red LTE, (los terminales conectados a la red LTE son “visibles” a las redes externas a través de esta interfaz mediante su dirección IP).


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III. TECNOLOGÍA DE NIVEL FÍSICO La organización 3GPP tomó para la interfaz de aire en la

capa física a OFDMA para el down-link y a SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access) para el up-link [13];posteriormente se introdujo la tecnología MIMO(Multiple Input-Multiple Output), para las antenas.

A. OFDM como elemento de transmisión multiportadora La técnica de transmisión OFDM multiplexa un conjunto de símbolos sobre un grupo de subportadoras. Gracias a las propiedades de ortogonalidad de dichas subportadoras, es posible efectuar la transmisión simultánea de todos los símbolos y separarlos luego en recepción. [14]. La FIG. 4 muestra un ejemplo con el módulo de los espectros correspondientes a un conjunto de 12 subportadoras OFDM. Obsérvese que para cada frecuencia múltiplo de 1/Ts,sólo existe contribución de una de las subportadoras, mientras que las otras presentan nulos.

FIG. 4. Ejemplo del espectro correspondiente a 12 subportadoras OFDM

B. OFDMA para el enlace descendente La técnica de acceso múltiple OFDMA, utilizada para el enlace descendente de LTE, surge a partir de la modulación presentada arriba, al suponer la posibilidad de que diferentes símbolos modulados sobre las subportadoras, pertenezcan a usuarios distintos. De esta forma es posible adecuar varias transmisiones simultáneas correspondientes a diferentes flujos de información, al viajar en subportadoras distintas [15], tal y como se ilustra en el esquema de transmisión de la FIG. 5 [16].

FIG. 5. Multiplexación de Usuarios en OFDMA

Análogamente, en el receptor de cada usuario bastará con recuperar el contenido de las subportadoras asignadas a dicho usuario, para separar la información a él destinada de la del resto (para ello será preciso disponer de mecanismos de señalización adecuados para notificarle a través de que subportadoras se le está enviando la información). El empleo de la técnica de acceso múltiple OFDMA conlleva las siguientes ventajas: Diversidad multiusuario: asignación de subportadoras a usuarios en pequeños anchos de bandas durante ciertos periodos de tiempo [17]. De esta forma, teniendo en cuenta que el canal radio presentará desvanecimientos aleatorios en las diferentes subportadoras y que serán independientes para cada usuario, se puede intentar seleccionar para cada subportadora aquél usuario que presente un mejor estado del canal (la mayor relación señal/ruido), lo que se traducirá en la óptima utilización de la banda disponible para conseguir una mayor velocidad de transmisión (superior eficiencia espectral). Este procedimiento se suele denominar scheduling en el dominio de la frecuencia. Diversidad de frecuencia: Es posible asignar a un mismo usuario subportadoras no contiguas, suficientemente separadas para que el estado del canal en las mismas sea independiente, lo que proporciona diversidad de frecuencia en la transmisión de dicho usuario. Robustezfrente a la propagación multi-trayectoria: Gracias a la aplicación del prefijo cíclico, la técnica OFDMA es muy robusta frente a la interferencia inter-simbólica, resultante de la propagación multi-camino, y se puede combatir la distorsión mediante técnicas de ecualización en el dominio de la frecuencia, que son más eficientes y menos complejas que las técnicas de ecualización clásicas en el dominio temporal, particularmente cuando se tiene que efectuar una transmisión de banda ancha y en consecuencia se está ante canales muy dispersivos. Esto es particularmente relevante cuando se quiere emplear bandas de transmisión superiores a 5 MHz, como ocurre con LTE, en que se pretende llegar hasta los 20 MHz. Flexibilidad en la banda asignada: La técnica OFDMA proporciona una forma sencilla de acomodar diversas velocidades de transmisión a los diferentes usuarios en función de los requerimientos de servicio de cada uno, simplemente en

0 2 4 6 8 10 120.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2Subportadoras OFDM en el dominio del tiempo

Indice de Subportadora (f-Ts)

Am

plitu

d ([X

(f)]/T

s)


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base a la asignación de más o menos subportadoras por usuario. [18]. Altamente detallada en los recursos asignables: Al subdividir la banda total en un conjunto elevado de subportadoras de banda estrecha asignadas dinámicamente a los usuarios, es más detalladaa la hora de establecer más o menos recursos a cada uno, lo que resulta útil al acomodar servicios con diferentes requerimientos de calidad. [19] Sencillez de implementación en el dominio digital: Esto es así gracias a la posibilidad de emplear chips que efectúan los procesos de FFT/IFFT(Fast Fourier Transform/ InverseFast Fourier Transform)de forma rápida.

En todo caso, también es preciso señalar algunas de las desventajas que esta tecnología presenta: Elevada relación entre potencias instantánea y media: Uno de los inconvenientes de la técnica de transmisión multiportadora como OFDMA es que la potencia instantánea transmitida puede ser significativamente superior a la potencia media, lo que plantea problemas de linealidad para los amplificadores de potencia, limitando su eficiencia e incrementando su costo. Sensibilidad ante errores de frecuencia: La ortogonalidad en OFDMA se basa en que la separación entre subportadoras coincida con el inverso de la duración del símbolo OFDMA. Por este motivo, en el caso de que existan desplazamientos en la frecuencia de las subportadoras respecto de su frecuencia de referencia, esto se traducirá en cierta pérdida de ortogonalidad y la consiguiente interferencia entre ellas.

C. SC-FDMA para el enlace ascendente La tecnología SC-FDMA puede verse como un sistema de trasmisión similar a OFDMA con pre-codificación de los símbolos antes de modularlos (precodinglineal)ya que respecto al OFDMA, incorpora procesamiento DFT (Discrete Fourier Transform),previo a la trasmisión [20], lo cual permite comprimir la información que se trasmite. Luego de pasar al proceso de modulación/demodulación, se le realiza procesamiento IDFT(InverseDiscrete Fourier Transform), con el cual selogra un menor PAPR (Peak-to-Average-Power Ratio). Para el enlace ascendente de LTE, se agrupan las siguientes propiedades deseables: Variaciones reducidas en la potencia instantánea de la señal transmitida, en términos de un valor de PAPR menor, para conseguir una mayor eficiencia en los amplificadores de potencia y un menor costo de los mismos. Posibilidad de efectuar de forma más sencilla mecanismos de ecualización en el dominio de la frecuencia, la cual presentan una menor complejidad que en el dominio temporal, como se hacía con W-CDMA/3G. Capacidad de proporcionar una asignación de banda flexible, que pueda variarse de forma sencilla de acuerdo con las diferentes necesidades de transmisión de los diversos usuarios. La señal SC-FDMA presenta unas propiedades de PAPR mejores que las de la señal OFDMA, gracias a su característica de transmisión en portadora única [21]. Sin embargo, y a diferencia de lo que ocurre con OFDMA, en que el PAPR es

bastante insensible a la modulación empleada, el de la señal SC-FDMA se degrada significativamente cuando los símbolos enviados corresponden a modulaciones de orden superior, como 16-QAM y 64-QAM.

IV. MU-MIMO COMO TECNOLOGÍA DE TRANSMISIÓN MIMO se denomina a la configuración de MT antenas transmisoras y MRantenas receptoras. La diferencia, conceptualmente relevante, en relación a las estrategias de diversidad SIMO (Single Input Multiple Output) y MISO (Multiple Input Single Output) que se utilizaron en 2G y al principio de la 3G, es que la estrategia MIMO pretende explotar la variación espacial del canal móvil, creando de hecho L caminos de transmisión paralelos desacoplados (por ej., se envía información diferente por cada camino) entre el emisor y el receptor. A diferencia de las estructuras MIMO, o SU-MIMO (Single User-MIMO) que atañen sólo a la mejora de las prestaciones del enlace entre la Estación Base y un móvil, habilitando para ello varios caminos paralelos desacoplados, con MU-MIMO (MultiUser-MIMO), k móviles distintos puedan compartir la misma banda de frecuencias. Se intenta con ello explotar una posible ortogonalidad o desacoplo espacial entre los flujos de datos que se transportan entre la Estación Base y cada uno de los distintos k móviles. Es decir, con SU-MIMO se procura aumentar la capacidad del enlace, mientras que con MU-MIMO se intenta aumentar la capacidad de la celda.Con MU-MIMO se deben tomar en cuenta ciertos aspectostales como: precoding, multiplexación espacial y la estimación del canal.

A. Precoding En este sistema de comunicaciones, varios usuarios trasmiten información a sus pares, utilizando múltiples antenas trasmisoras que pueden ser también receptoras, lo que permite maximizar la ganancia de la señal que recibe cada usuario con una técnica llamada multi-streambeamforming, debido a que hay múltiples antenas receptoras y no se puede garantizar una máxima ganancia a cada usuarioreceptor. Para resolver este problema se establecen mecanismos de ponderación de acuerdo al servicio que esté usando cada usuario, es decir aquellos que requieran un nivel alto de rendimiento y bajos niveles de BER, se les aplica un mecanismo más ponderado que en aquellos que no demandan mucho. Para implementaprecoding se tienen que utilizar ciertos algoritmos que permitan obtener los resultados esperables de ponderación.

B. Multiplexación espacial Se utiliza la técnica SDMA (SpatialDivisionMultiple Access),junto con antenas inteligentes, lo que permite aumentarla capacidad del canal en situaciones en las cuales la relación SNR es elevada. [22] Un modelo ideal sería trasmitir N flujos de información en paralelo, con lo cual se espera que aumente la eficiencia espectral también en un factor N; no obstante, lo que sucede en la realidad es que si se utiliza todo el espacio de trasmisión no todos los flujos paralelos tendrán una ganancia del canal


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aceptable y por lo tanto la eficiencia espectral no aumentará como se esperaba.

C. Estimación de canal Puede ocurrir en dos modalidades: una sería con canales rápidamente cambiantes, lo cual es importante no sólo para conocer el estado actual del canal, sino también su comportamiento estadístico y así llevar a cabo actualizaciones constantes en el estado estimado; la otra seria canales lentamente cambiantes, en este caso puede llegarse a conocer sólo el estado actual del canal.

V. ADAPTACION DE MODULACION EN LTE

Una de las características de OFDMA es que no establece a priori ninguna condición a los símbolos que se modulan sobre las diferentes subportadoras y en consecuencia puedenperte- necer a modulaciones que incluyan más o menos bits de información por símbolo, según sea el orden de la modulación empleada, reflejado éste en el número de símbolos de su constelación. La modulación QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying) se utilizaba para 2G y en un principio para 3G. Luego con HSPA/3G se llegó a emplear 16-QAM (donde QAM (refiere a QuadratureAmplitudeModulationy 16 al número de símbolos de la constelación, asociada a esta modulación), debido que para velocidades muy altas, M-QAM es más apropiada, porque al incrementar sus constelaciones (M), puede enviar muchos más bits por símbolo, la cual sería lo optimo para LTE (4G). Puede verse como en el caso de utilizarse modulación QPSK, cada símbolo corresponde a 2 bits de información, mientras que de emplearse modulación 16-QAM, cada símbolo corresponde a 4 bits. En general de una modulación m-QAM con m símbolos, cada símbolo correspondería a log2 m bits. De esta forma, la velocidad de transmisión en bps que resultaría sobre una subportadora con una duración de símbolo Tsy prefijo cíclico Tpy una modulación que empleara una constelación de m símbolos, sería: [22]:

ps TTm

sbR

+=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ 2log (1)

Desde esta perspectiva, para incrementar la velocidad de transmisión, resultará conveniente aumentar los bits por símbolo de la modulación empleada, utilizando constelaciones con más símbolos. Sin embargo, ante unas condiciones dadas de SNR en el canal, emplear modulaciones de orden elevado ocasiona un peor comportamiento en términos de BER, ya que al existir mayor cantidad de símbolos en la constelación y encontrarse más próximos, es más fácil que, debido al ruido, se detecte erróneamente un símbolo por otro. Por este motivo, para poder emplear satisfactoriamente modulaciones con un número elevado de símbolos, es preciso disponer de buenas condiciones de SNR.

Por lo general, una modulación dada podrá emplearse apropiadamente con un margen de error acotado, si la relación SNR del canal está por encima de un cierto valor umbral que será mayor cuanto mayor sea el orden de la modulación. De acuerdo con lo anterior, una estrategia habitualmente empleada en OFDMA es la denominada adaptación de enlace (link adaptation), que intenta extraer el máximo rendimiento del canal (en términos de velocidad de transmisión) mediante una modulación que permita enviar el mayor número de bits por símbolo ante unas condiciones de SNR dadas. De esta forma, aquellas subportadoras con una mejor relación señal a ruido, tenderán a utilizar modulaciones de orden mayor que las que presenten un SNR menor. Por otra parte, si bien el mecanismo de adaptación de enlace descrito no sólo contempla la selección de la modulación, sino también elige la codificación de canal empleada, esto es el grado de redundancia en los diferentes bits enviados para detectar y corregir los posibles errores en la transmisión. Una misma modulación puede combinarse con diferentes códigos de canal y en consecuencia disponer de mayor o menor robustez frente a errores, aunque esto afectará a la velocidad de transmisión neta.

VI. LTE FRENTE A TECNOLOGÍAS ANTERIORES

La técnica de OFDMA remplaza lo que conocemos como CDMA2000 y W-CDMA, debido a varios factores: elimina más fácilmente y con menor complejidad algorítmica, las interferencias debidas a la multi-trayectoria dentro de las celdas, empleando Smart Antennasy algoritmos de asignación con permutaciones cíclicas; elimina fácilmente la interferencia a celdas vecinas, utilizando permutaciones de portadoras entre usuarios de celdas cercanas; asigna canales más planos, permitiendo así una mejor eficiencia espectral. LTE es una red toda IP, lo que facilita la transición de IPV4 a IPV6, solucionando los problemas entre la relación tráfico de datos e ingresos que por este concepto obtienenlas operadoras móviles;provee seguridad a cada trasmisión IP, a través de Protocol Security (IPsec), que encripta y autentica cada paquete dentro de una sesión. Con su técnica de ecualización en el dominio de la frecuencia en el receptor, remplaza a las tecnologías CDMA, HSDPA+ (3G), siendo por lo tanto menos compleja. Debido a que 3G tiene relativamente poco tiempo en el mercado (y sin cumplir las expectativas de los usuarios), es probable que 4G no penetre el mercado hasta que haya sido recuperado de alguna manera la inversión realizada en 3G, 3.5G, 3.75G y 3.9G. Mientras que 3G apenas pudo alcanzar en teoría 28 Mbps en down-link y 11.5 Mbps en up-link, uno de los objetivos principales de 4G es transmitir entre 100 Mbps y 1000 Mbps. Cada vez son más las tecnologías pensadas para telefonía móvil que pueden ser utilizadas para dar conectividad a PC´s o Notebooks. Este servicio ya lo presta 3G con modem HSPA+ USB. Con 4G se pretende mejorarlo ya que agregaría la conexión a mayor velocidad y en movimiento, con lo que se podría estar conectado en un vehículo a 100 Km/h.


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En cualquier caso, los analistas del mercado coinciden en que no hay un “killerapplication” para 4G al día de hoy. Si se alcanzan las velocidades prometidas con 4G, se podrá participar en tiempo real en videoconferencias, mientras se camina por la calle, o acceder a aplicaciones que necesiten mucho ancho de banda. El cuello de botella de 3G es el acceso de radio, que aunque se ha mejorado, todavía es una sombra de los servicios ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Este es uno de los principales objetivos de la implementación de 4G, no para ser la competencia de ADSL, sino para que haya una integración de la banda ancha fija y móvil. Otras características que se están utilizando y que resultan imprescindibles para 4G son: la modulación y codificación adaptativa AMC, el planificador rápido FastShedulingy el HARQ, mecanismo de retransmisión de mensajes en caso de error, que en estos momentos son utilizados por las tecnologías HSDPA, WiMax móvil y EVDO (Evolution-Data Optimized). Con el fin de obtener el mayor rendimiento en la red y con el actual despliegue de 3G en el mercado, se está trabajando en la generación 4G que permitirá solventar las deficiencias en el actual sistema, permitir más comodidad al usuario, integrar los sistemas y ocupar mejor los recursos de radio.

VII. LTE ADVANCED

Luego de que en el año 2009 la ITU evaluara las propuestas de sistemas para las redes móviles de cuarta generación (4G), dos tecnologías emergieron como las opciones principales para cualquier sistema 4G: [23]

LTE Advanced (Long Term Evolution Advanced). Wireless MAN-Advanced.

LTE Advanced busca satisfacer los requerimientos de la ITU para sistemas IMT-Advanced, (4G); además fue pensada en que sea compatible con la versión 3G (3GPP LTE).

A. Ventajas de LTE Advanced Aprovechamiento de las topologías de redes actuales, para lograr trasmisiones de muy bajas potencias, a través de pico celdas o femto celdas.

Asignaciones adicionales del espectro y multiplexación, a través de la utilización de OFDMA y SC-OFMDA (Single Carrier OFDMA), permitiendo así aumentar las velocidades de tráfico de bajada y subida. Velocidades en bajadas con picos de hasta 3.3 Gbps en el caso ideal.

B. Modulación LTE Advanced Usa 128QAM (128-Quadrature AmplitudedModulation), este tipo de modulación (en amplitud y fase), presenta una menor robustez que las modulaciones PSK (Phase-ShiftKeying); sin embargo, cuando no sean necesarias trasmisiones de elevada potencia (algo razonable teniendo en cuenta el desarrollo de celdas cada vez mas pequeñas), el rendimiento de QAM es superior en cuanto a su BER para una SNR dada.

La tecnología LTE está pensada para trabajar en la banda pública de 700 MHz (RF) [24]. Hoy en día, varias tecnologías quieren imponerse como usuarias de dicha banda, por lo cual se espera una próxima estandarización al respecto.

C. Aplicaciones de LTE LTE revolucionará al mundo con sus innovadoras, útiles y atractivas aplicaciones, entre ellas:

Presencia Virtual, 4G provee al usuario de un servicio en todo momento, incluso si está fuera del área de cobertura.

Aplicaciones de Tele-Geoprocessing: Ésta es una combinación de SIG (Sistema de Información Geográfica) y SPG (Sistema de Posicionamiento Global) con los que el usuario puede conseguir su ubicación preguntando.

Tele-Medicina y Educación: Permitirá supervisar pacientes de forma remota y educar a personas a través de un dispositivo móvil, lo que brinda una buena oportunidad para la educación virtual.

Detección de Crisis: Los desastres naturales pueden hacer que los sistemas de comunicaciones se caigan y actualmente podría tomar días o semanas para restaurar el sistema

Multimedia- Servicios de Video: Es la aplicación que más llama la atención, en la que los servicios multimedia serán eficientes a altas velocidades de datos, con servicios de video en dos tipos: [25]

Streaming, cuando se envía un flujo de datos de video si el usuario requiere los servicios en tiempo real y el servidor entrega el video a una velocidad continua de datos.

Bursting, es la descarga de un archivo usando un buffer y esto hace que la velocidad de datos sea más alta, tomando ventaja de todo el ancho de banda disponible.

VIII. ALGUNAS TENDENCIAS ACTUALES RESPECTO

A LTE

Cuando la tercera generación comenzó a ser incorporada a las diferentes operadoras móviles, ya se empezaba hablar de HSPA+, e incluso a finales del 2010 se iniciaron las primeras pruebas de LTE/4G, por lo que la industria se ha visto en el dilema de invertir en HSPA+ u optar por una migración hacia LTE sin pasar por el uso de aquellas tecnologías. Así, muchas de las empresas han pensado en migrar directamente hacia LTE sobre todo en áreas con alta densidad poblacional y poder competir con otras operadoras. Tomando en cuenta que HSPA+ y LTE trabajan con interfaz de aire diferente, como son W-CDMA y OFDMA respectivamente, muchas han preferido migrar hacia LTE, por la interfaz empleada, como es el caso de VerizonWireless. [26] Actualmente se puede decir que en Venezuela se usa mayoritariamente la tecnología 2.75G debido a que los equipos celulares aun están trabajando con sistemas EDGE; sin embargo, las dos principales operadoras de celulares del país (MOVISTAR y MOVILNET) intentan competir promocio- nando 3.75G y 3.9G, cuando en realidad trabajan con UMTS o HSPA que son tecnologías 3.5G. Esto responde a estrategias de marketing.


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Según Juan Comerma (Vicepresidente de Tecnología en Telefónica Movistar), el país se encamina hacia LTE y afirma que... “en 2012 la situación no cambiará, la operadora afianzará su presencia en las redes 3G, donde tiene mucho que crecer...” Informó que en octubre 2011 el Gobierno aprobó el uso del espectro (1.7 a 2.1) GHz para explorar temporalmente la tecnología AWS (AdvancedWirelessServices); ya han hecho pruebas en LTE y así medir las capacidades de aquella. Estima que entre finales de 2012 e inicios de 2013 comenzará el despliegue de LTE por varias operadoras, previa aprobación de CONATEL pues lo que tienen es una concesión de prueba.[22]. Recomienda que se migre a LTE sin pasar por HSPA+/3.9G. En el segundo semestre del 2011 se ha desatado una gran demanda de los usuarios por equipos móviles inteligentes, la que ha producido un gran tráfico entre usuarios; causando rangos de velocidades muy bajos, aun cuando las versiones 3G no se han implementado al 100%. En otro contexto, Latinoamérica ahora cuenta con cuatro instalaciones comerciales de LTE. Puerto Rico fue el primero (noviembre 2011) en la banda de 700 MHz, con el apoyo de AT&T, seguido por Brasil (diciembre 2011), cuando Sky Brasil, lanzó TD-LTE en la banda de 2,6 MHz y tiene previsto llegar a otras ciudades en 2012. El mismo día, Antel, la estatal en telecomunicaciones de Uruguay, lanzó LTE en el espectro AWS en la banda de 700 MHz. Según el informe, Telefónica (NYSE: TEF) finalizó las pruebas de laboratorio de LTE en Argentina en el 2010 y proclama ser el primero en hacerlo en el espectro AWS. Bahamas lanzó una red comercial LTE como complemento de su salto tecnológico a HSPA+, en enero de 2012. En Bolivia, Entel Móvil está probando LTE en La Paz. En Chile, las pruebas LTE finalizaron en 2010. Su ente regulador Subtel anunció la disponibilidad de licitación en la banda de 2,6 GHz. Según lo previsto se licitaran tres bloques en el primer trimestre de 2012

En Colombia, UNE-EPM desplegará una red LTE en el trimestre en curso y realizó una invitación para participar en la licitación de espectro en AWS, PCS1900 y 2,6GHz. No se fijó fecha límite de presentación [25].Costa Rica, indicó que está considerando el despliegue de LTE a fin de año.República Dominicana, aprobó LTE en abril de 2012.Guatemala confirmó al menos siete bandas como viables para LTE, incluidas las de 800 MHz, 1,8 GHz, AWS y 2,1 GHz.En México, Telefónica lanzará LTE hacia el 2013, en tanto que Telcel lo hará para el 2012. El gobierno prevé licitar las bandas de 700 MHz y 2,6 GHz.En Paraguay, la estatal Copaco proyecta implementar LTE en agosto de 2012.En Perú, Movistar ha estado realizando pruebas LTE. El Ministerio de Transporte y Comunicaciones publicó una consulta respecto del uso de espectro en las bandas de 700 MHz y AWS [27].

En diciembre de 2009 se realizó el lanzamiento comercial de LTE en Suecia y Noruega, bajo la responsabilidad de la empresa Telia Sonera (operadora telefónica móvil dominante en Suecia y Noruega), la misma que ha implementado la estructura a Ericsson en Suecia, al igual que Huawei en Noriega. Los Módems que han comercializado con Samsung, sólo soportan LTE y ninguna de las tecnologías anteriores, por lo que la cobertura ha sido limitada a las zonas céntricas en las

capitales de aquellos países y en diversos centros comerciales, para 450.000 usuarios potenciales. Entre los servicios que se han propuesto brindar están: TV móvil, video conferencia, video juegos multi-jugador, videos y fotos de alta definición.

En China, Norteamérica y otros países de Europa ya está presente LTE pues ya se trabaja en las pruebas respectivas, previas a la comercialización, al punto que la empresa Huawei ha estimado entre 400 y 450 millones de usuarios LTE para 2015. En Japón ya se está experimentando en las tecnologías 4G, con NTT DoCoMo a la vanguardia. Realizó las primeras pruebas con gran éxito (alcanzó 100 Mbps a 200 km/h) y lanzó comercialmente los primeros servicios 4G en 2010 con velocidades entre 42 Mbps y 48 Mbps. Confía que en 2012 pueda alcanzar velocidades mayores. En el resto del mundo se espera su implantación sobre el año 2020 [27], DoCoMo ya ha confirmado el rendimiento de tecnologíasLTE-Advanced utilizando simuladores de radio, alcanzando velocidades de datos de alrededor de 1 Gbpsdown-link y 200 Mbpsup-link. Como su nombre lo indica,LTE-Advanced es una versión evolucionada de LTE, que DoCoMo ofrece actualmente sobre una base comercial en el marco del Xi (Crossy), de la marca en Japón. LTE-Advanced es compatible con LTE, lo que permitirá una migración sin problemas de la actual red LTE DoCoMo. Dicha empresaanuncióen estos días el lanzamiento de dos nuevos servicios para los teléfonos inteligentes, (dmenu y dmarket). El portal dmenu proporcionará una amplia gama de aplicaciones y otros contenidos de diversos proveedores, así como enriquecidas versiones de la popular DoCoMoi-mode, el contenido optimizado para facilitarel uso de interfaces para teléfonos inteligentes. La nueva tienda de contenido dmarket ofrecerá una gran cantidad de contenidos, incluyendo películas, música, libros electrónicos y aplicaciones de Android. Nuevos teléfonos inteligentes de DoCoMo también tendrán acceso a una variedad de otros servicios de DoCoMo, como i-CONCIER para push conserje como la asistencia personal [28]. Xi se inició el 24 de diciembre de 2010 y llegó el 25 de diciembre de 2011, a un millón de suscriptores Desde entonces, en sólo tres meses, las suscripciones se han duplicado a dos millones de dólares impulsado por la introducción de los primeros Xi compatibles con los teléfonos inteligentes en noviembre de 2011 [28].

Por otro lado, si se realizara el salto directo de HSPA+ a LTE es de esperarse que los usuarios tomaran con mayor aceptación el uso de equipos nuevos que les permitan obtener acceso a diferentes aplicaciones en la red y sobre todo a una mayor velocidad a la que acostumbran. Por eso es que las empresas como en América latina creen que sería mejor terminar de explotar las redes y la tecnología que ahora están usando y mientras recuperan las inversiones por implementación de HSPA+, ya trabajan en el diseños de redes LTE, como ocurre en tres países donde realizan pruebas piloto, como son la empresa Entel PCS en Chile y Telefónica Movistar en Brasil y Argentina.


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Los actuales escenarios del mercado presentan retos claves para la evolución de LTE. Verizon y AT&T son las empresas que lidiaron por el espectro de los 700 MHz y tienen agresivos planes de despliegue en Norteamérica para LTE en dicha banda.

IX. RETOS PARA LA MIGRACION HACIA LTE

Para la migración hacia LTE hay que tomar en cuenta los países en los que la penetración celular es superior al 100%, y donde las expectativas de las velocidades a cubrir con la banda ancha móvil son bastante elevadas. Por otra parte, hay que tener presente que a un operador de banda ancha móvil se le pueden presentar ciertos inconvenientes cuando haga la relación de la cantidad de información, con los ingresos que le proporcionan estos tráficos de datos,debido a que la relación ingreso/costo x bit trasmitido, es menor en la banda ancha móvil que en la fija y la mejor herramienta para hacer eficiente en costo es la generación de contenido y valor agregado en las redes, que tiene como consecuencia el desafío de cambiar radicalmente la cadena de valor, la estructura comercial, el modelo de negocio y la forma de mercadeo de los servicios [29]

Se debe tener presente que el sistema móvil debe coexistir con la red de datos de 2G y 3G, donde los primeros equipos deberían soportar GPRS/EDGE y/o UMTS-HSPA+.

X. CONCLUSIONES Este trabajo muestra resumidamente el estado actual de las tecnologías móviles de próxima generación, teniéndose en cuenta que el dinamismo tecnológico en esta área dificulta la comprensión cabal de cada una de ellas, para proyectar con certeza como serían dentro de pocos años. Por ello, su desarrollo corresponde a un compendio de lo que cada directriz tecnológica ofrece actualmente al mercado y su convergencia hacia una nueva generación. Estas nuevas tecnologías aumentan el ancho de banda y con ello la velocidad de transmisión de datos, lo cual trae consigo una reducción en los costos, nuevas aplicaciones y facilidades tanto para organizaciones como personas. El aumento en el tráfico IP y las nuevas características de radio, permiten mayores velocidades de transmisión de datos en las redes móviles, lo cual ha motivado una reingeniería del núcleo de las redes móviles existentes. Ante esta necesidad, SAE (SystemArchitectureEvolution) es la respuesta por parte del grupo 3GPP que trata que esta nueva arquitectura domine el mercado en los próximos 10 años, aunque con una introducción en el mercado lo más suave posible. El camino hacia una nueva generación de telefonía móvil, suponen cambios en los hábitos del usuario. En este contexto, hablar de 4G es un tanto aventurado. Si bien los esfuerzos tecnológicos posibilitan altas transferencias de datos, este trabajo de innovación no termina en los laboratorios, sino que en las ventas finales es muy probable que 4G no logre implantarse hasta que las investigaciones y gastos hechos para desarrollar 3G sean rentables. El usuario será quién dará los

plazos de migración; por lo tanto, aunque 4G ya está a la vuelta de la esquina, tendrá que esperar al menos un par de años más. Actualmente en Venezuela no se ha implementado la red LTE, sólo la empresa Móvil Max ha montado una red de alta velocidad de datos en la zona metropolitana de Caracas, con la tecnología WiMax (4G), pero con velocidades de apenas 10 Mbps en la banda de 2.5 GHz, debido a que en el país no se ha asignado un espectro para LTE y se están estudiando sus posibilidades en conjunto con la empresa estatal CANTV/VP Operaciones y Telecomunicaciones Movilnet C.A.

IX. REFERENCIAS

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