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 CDMA.
Una tecnología para tercera generación de móviles

 

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Por Ángeles Grado Caffaro
Martín Grado Caffaro
Analistas
wcenter.z@mad.servicom.es

Los principales trabajos en marcha para lograr un sistema global de móviles 3G se están centrando como punto de partida, total o parcialmente, en la tecnología de segunda generación CDMA. El objetivo es dar paso a una nueva generación de servicios móviles de banda ancha preparados para soportar accesos de alta velocidad y multimedia.


[9/1/1999]  


 
La tecnología CDMA (Code Division Multiple Access) constituye una solución de comunicaciones vía radio que se enmarca en lo que se ha dado en llamar la segunda generación de sistemas radio (conocida como 2G), una generación de carácter celular digital que aparece a principios de los años 90 como continuación de la primera, basada en tecnología analógica. La generación 2G se definió hace más de cinco años; en concreto, su origen se sitúa en 1992, coincidiendo con el despliegue de GSM. De hecho, 2G está conformada por los sistemas GSM y CDMA, éste último con una importante presencia en Estados Unidos, conjuntamente con NADC (North American Digital Cellular) y PDC (Personal Digital Cellular).

Sin embargo, en los momentos en que se gestó la 2G todavía no era patente la creciente popularidad de Internet. En consecuencia, estos sistemas no fueron diseñados con la capacidad suficiente para proporcionar el acceso a Internet de alta velocidad propio de las redes basadas en cable.

Para tratar de remediar esta situación, se está trabajando en el desarrollo de la siguiente generación de medios capaces de proporcionar servicios avanzados de transmisión vía radio. Conocida como 3G o IMT-2000 (el plan lanzado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones para la 3G), esta nueva generación añade el concepto de banda ancha la generación anterior. En concreto, se espera que con la 3G se puedan soslayar las deficiencias de los actuales sistemas en términos fundamentalmente de capacidad de red, a fin de poder acoger el número creciente de usuarios, mejorar los niveles de itinerancia o roaming y aumentar la capacidad de transmisión de información, para poder sopotar servicios multimedia e interactividad.

Otro problema que se espera solucionar con esta tercera generación es el de la interoperatividad, ya que las diferentes normas existentes hacen que la itinerancia no pueda considerarse una posibilidad real en todos los sentidos. Es importante señalar que la consecución de un esquema de normas globales y universales resulta crucial en el ámbito de las comunicaciones por radio por su propia idiosincrasia, ya que su valor fundamental reside en la posibilidad de ofrecer una movilidad global; o lo que es lo mismo, ofrecer un esquema de movilidad sin discontinuidades (seamless) por todo el mundo.


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Hacia un entorno virtual
Se trata en realidad de conseguir como meta final las mismas prestaciones y servicios que aparecen en el entorno del cable con el valor añadido de una movilidad global intrínseca a la propia concepción de la tecnología radio.

De conseguirse, se habrá logrado el verdadero entorno virtual donde el usuario se inscribe en un marco completo de comunicaciones ubicuo, en el que las limitaciones relativas a capacidad de transmisión y a la problemática históricamente asociada a la transmisión por radio como dificultades para conseguir inmunidad al ruido o escasez de espectro, por citar sólo algunas, puedan desaparecer o quedar reducidas a niveles que garanticen una calidad de servicio razonable.

En cualquier caso, este objetivo final de conseguir un entorno virtual ubicuo constituye más bien la cota a medio o largo plazo de la escala de prestaciones e innovaciones en el contexto de la transmisión radio. No en vano, existe una serie de factores tanto de carácter tecnológico como político o de mercado que habrá que analizar y desarrollar con eficacia para poder avanzar de una manera real hacia la obtención de tal objetivo, asociado al individuo de forma indeleble. Por ejemplo, la cuestión de una armonización a nivel mundial en la normativa relativa a 3G no aparece de momento como algo alcanzable a corto plazo. Por otra parte, debido al escaso tiempo que los sistemas 2G llevan en el mercado, la introducción de 3G tampoco se prevé como algo inmediato; de hecho, se ha empezado a hablar de 3G antes de que 2G haya alcanzado un nivel razonable madurez.

Todo esto provoca que, para amortizar las inversiones en base instalada y los desarrollos realizados en 2G se haya de planificar en términos de interfuncionamiento de la familia de sistemas 3G con los sistemas 2G, a pesar de que ambos sistemas presentan diferencias importantes entre sí. De esta forma, 2G se está considerando como una tecnología complementaria a 3G (hacia la que se irá migrando paulatinamente), más que como un verdadero precursor. Por otra parte, este obligado período de coexistencia genera la necesidad de desarrollar técnicas que permitan la integración sin discontinuidades entre ambos sistemas. En este contexto, una de las técnicas que se contemplan se basa en la utilización de SDR (Software Defined Radio), una tecnología que presenta un importante nivel de impacto para el operador que pretende actuar en base a una concepción global. En líneas generales, puede afirmarse que el desarrollo de 3G aparece fuertemente condicionado por las estrategias de evolución de 2G.

Al mismo tiempo, en el contexto de 3G todavía no aparece claro el factor mercado. Al igual que en el ámbito de los servicios multimedia en general, el aspecto relativo a los contenidos constituye un factor clave en lo que se refiere a la evaluación de la viabilidad del sistema, con el valor añadido en este caso de las comunicaciones móviles. Se trata, pues, de analizar cuáles son las aplicaciones y servicios innovadores que se pueden generar en 3G capaces de ofrecer una cierta ventaja competitiva concreta en términos de aporte de movilidad. Es decir, hay que evaluar el potencial de esta expansión del ancho de banda en cuanto a creación de aplicaciones y servicios donde la movilidad pueda constituir en alguna medida un valor añadido tangible, sin perder de vista las implicaciones y condicionantes del esquema regulatorio.

Todas estas cuestiones dificultan considerablemente la estimación del momento en que comenzarán a desplegarse los sistemas 3G, lo que no es óbice para que ya se estén llevando a cabo diversos proyectos experimentales. Ni tampoco para que, yendo aún más allá, en ciertos foros ya se esté empezando a plantear la definición de sistemas de cuarta generación.


Normas en marcha
Dentro de las actuaciones en el contexto de la 3G se pueden observar dos ejes en torno a los cuales se desarrollan las iniciativas relativas a normalización y armonización: IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) y UMTS (Universal Mobile Telephone System). IMT-2000 es la norma global, en fase de desarrollo, de la UIT, el organismo de normas internacionales dependiente de la Organización de Naciones Unidas. Esta norma contempla tres grupos de velocidades (144 Kbps, 384 Kbps y 2 Mbps) y las bandas de frecuencias 1885-2025 MHz y 2170-2200 MHz, así como 1980-2010 MHz y 2170-2200 MHz para satélites.

UMT, consistente con IMT-2000, es la norma surgida en la Unión Europea. Compatible con la RDSI de banda ancha, se puede definir como el sistema de tercera generación que soporta niveles de capacidad de hasta 2 Mbps en una amplia variedad de entornos de radio. Al igual que IMT-2000, UMTS se orienta a proporcionar servicios multimedia basados en una combinación de servicios fijos y móviles para obtener un servicio extremo a extremo sin discontinuidades. Su despliegue, previsto para el año 2000, está asociado a la oferta de servicios tradicionalmente vinculados a las redes fijas, incluyendo los de banda ancha de hasta 2 Mbps. En este sentido, cabe citar el proyecto RACE Mobile, que se desarrolla en el marco del estudio de un sistema móvil de banda ancha que funciona en la banda de 60 GHz para aplicaciones móviles dentro del rango de 2-100 Mbps.


PROYECTOS Y DESARROLLOS EN CURSO
Entre los fabricantes de sistemas involucrados de alguna forma en el desarrollo de W-CDMA cabe citar a Ericsson, Qualcom (de la que Ericsson tomará una parte de su capital), Motorola, Nortel, Lucent, Telstra, Sprint, Alcatel, Bell Atlantic, Bosch, Siemens, Sony y Hewlett-Packard. En particular, Alcatel, Bosch, Italtel, Motorola, Nortel, Siemens y Sony han formado la UMTS Alliance para apoyar el desarrollo de una norma de tercera generación basada en GSM para la transmisión de voz y en W-CDMA para el multimedia.

Hasta el momento, se han puesto en marcha sistemas experimentales W-CDMA en diferentes países europeos. Telecom Italia Mobile (TIM), por ejemplo, ha iniciado un proyecto experimental en el área de Turín. Otros desarrollos también de carácter experimental están teniendo lugar en Reino Unido, Suecia, Alemania y Finlandia. Por otra parte, los operadores TIM (Italia) y Sonera (Finlandia) han firmado a finales del pasado año un MoU (Memorandum of Understanding) con NTT DoCoMo (el operador japonés de comunicaciones móviles) referente a actividades de colaboración en I+D. NTT DoCoMo ha abierto una compañía subsidiaria en Francia.

El empuje asiático
En este contexto de las actuaciones asiáticas, cabe citar los esfuerzos que se están realizando en Japón en lo que se refiere a los sistemas 3G en general y a W-CDMA en particular. Este país, por vía de la Association of Radio Industries and Bussinesses, ha enviado una propuesta de interfaz radio a la UIT basada en tecnología W-CDMA. También China ha enviado una propuesta basada en esta tecnología. En concreto, a Japón se le atribuye el liderazgo en los esfuerzos para conseguir una norma global 3G. Corea juega, asimismo, un importante papel en 3G: este país ha enviado dos propuestas de interfaz de radio a la UIT, una que se adhiere a los fundamentos de la W-CDMA europea, y la otra de acuerdo a W-CDMA (IS-95), también conocida como 2000 y que constituye el esquema apoyado por Estados Unidos. Esta doble iniciativa intenta potenciar y globalizar su política de exportaciones, ya que la economía coreana depende mayoritariamente de su actividad hacia el exterior.

Samsung, el fabricante coreano que mantiene una cuota de mercado del 54 por ciento se está involucrando en los desarrollos W-CDMA de una forma progresiva por lo que se refiere a Europa (asíncrona) y aún mucho más intensamente por lo que se refiere a Estados Unidos (CDMA 2000 síncrona). El trabajo de Samsung se está realizando en colaboración con Qualcom, que ha constituido un agente histórico en la evolución de la tecnología CDMA en Corea a principios de los años 90.

Volviendo otra vez a Europa, también en nuestro continente se están realizando trabajos en el marco de ETSI, en un proyecto de investigación sobre W-CDMA que constituye la base de las especificaciones del actual W-CDMA ETSI/ARIB.


CDMA, en contexto
La tecnología CDMA constituyó un fuerte elemento impulsor de los sistemas 2G en el momento de su aparición a principios de la década de los 90. Actualmente, en el marco de las actividades de desarrollo de los sistemas 3G, CDMA vuelve a presentar un papel preponderante, esta vez en versión de banda ancha o W-CDMA (Wideband CDMA). De hecho, esta tecnología aparece en la mayor parte de las propuestas presentadas a la UIT relativas a interfaz de radio para la tercera generación. Otras tecnologías asociadas a la 3G son W-TDMA (Wideband-Time Division Multiple Access) y los sistemas híbridos entre los dos ya citados.

Los sistemas CDMA convencionales están basados en técnicas de espectro esparcido (spread-spectrum), que constituyen un legado del ámbito de la defensa en aplicaciones relativas a la eliminación de interferencias (anti-jamping), medidas de distancias (ranging) o encriptación. Estas técnicas se basan en esparcir el espectro de frecuencias de una señal en un ancho de banda mayor que el mínimo requerido para la transmisión, una situación que se mantiene a lo largo de todo el proceso de transmisión. Posteriormente, al llegar al receptor, la señal se recompone para obtener la señal inicial que se deseaba transmitir. De esta forma, se puede obtener una serie de enlaces que utilizan la misma banda de frecuencia simultáneamente sin que se generen interferencias.

CDMA es una tecnología de acceso múltiple, lo que significa que puede dar soporte a varios usuarios de forma simultánea. En este contexto, se utiliza el concepto de canal, que se define como una porción del espectro que se asigna, en un momento determinado, a una tarea específica, como puede ser, por ejemplo, una llamada telefónica. De esta manera y volviendo a lo anterior, el acceso múltiple significa que un número de usuarios suficientemente elevado comparte un mismo conjunto de canales de modo que cualquier usuario puede acceder a cualquier canal sin que existan asignaciones predeterminadas entre usuarios y canales. Se tiene, pues, un sistema de acceso basado en acceso múltiple cuando se define la forma en que el espectro se divide en canales, así como el mecanismo mediante el cual se genera la asignación dinámica entre los canales y los usuarios del sistema.

Los diferentes tipos de sistemas celulares existentes utilizan diversos métodos de acceso múltiple. En concreto, en CDMA se emplea un sistema basado en códigos digitales para diferenciar a los usuarios. Su fundamento descansa en la premisa de que la señal de usuario se esparce a una velocidad de 1,2288 Mbps (proceso conocido como "bit rate" o "chip rate") por el ancho de banda con un código ortogonal único que permite distinguirla de las de los otros usuarios que comparten el mismo canal de frecuencia. La relación entre la velocidad de esparcimiento o "spread" de la señal ("spreading rate" o "chip rate") y la velocidad inicial (la velocidad que había antes de que se iniciase el proceso de "spreading") se conoce como ganancia de procesamiento o de codificación, una ganancia que permite que la señal pueda ser extraída del ruido asociado a la transmisión (del conjunto de señales espúreas). La ganancia de codificación constituye un factor de elevada importancia en el contexto de W-CDMA debido a que las señales sufren elevados niveles de interferencias y ruido procedentes de otros usuarios, tanto en la misma célula como en las adyacentes.

Para adaptarse a los requerimientos de los sistemas 3G es preciso conseguir una velocidad de esparcimiento o "spreading rate" considerablemente más elevada que las actuales, de forma que se pueda conseguir una mayor velocidad de transmisión y una mayor capacidad. Este "spreading rate" más elevado genera una mayor ganancia de codificación, lo cual proporciona una mayor inmunidad ante las interferencias. La velocidad de "spreading" de 1,23 Mbps utilizada en los sistemas CDMA de la generación 2G constituye un legado de los primeros trabajos experimentales que aparecieron en este campo (Qualcom, PacTel), donde se utilizaba una velocidad de "spreading" que pudiera acomodar los 125 MHz de ancho de banda de que se disponía.

W-CDMA es una tecnología CDMA extendida en términos de ancho de banda en un entorno de frecuencias de entre 5 y 20 MHz. Actualmente, la mayor parte de actuaciones en W-CDMA se están desarrollando para 5 MHz, aunque se espera que próximamente aparezcan de una manera regular los desarrollos en ancho de banda de 10, 15 y 20 MHz.

Un aspecto crucial relativo a W-CDMA viene dado por las cuestiones de planificación de red, puesto que, al tratarse de un sistema de 3G, ha de proporcionar servicios multimedia. En este contexto, es necesario identificar los aspectos clave analizando su impacto en el esquema de negocio de los operadores: en particular, la modelización del canal W-CDMA presenta un importante papel en la planificación de red, así como la estimación del impacto del tráfico. Otro aspecto de especial importancia para la planificación viene dado por el proceso de asignación de licencias.


Angeles y Martín Grado Caffaro.


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