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HSDPA: llega la 3,5G

Autor: Ramón Jesús Millán Tejedor

Publicado en Comunicaciones World nº 191, IDG Communications S.A., 2004

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IntroducciÓn

Con dos años de retraso, la 3G acaba de estrenarse en España con pronósticos nada optimistas que vaticinan una baja aceptación de la nueva generación móvil. Esta lenta penetración, de producirse realmente, coincidiría además con la llegada de la 3,5G.

Desde hace ya algunos años, el volumen de tráfico de datos excede al de circuitos conmutados en la mayoría de las redes fijas. Lo mismo ocurrirá pronto en las redes móviles, a medida que vayan calando entre los usuarios los servicios móviles de datos. En consecuencia operadoras tendrán que optimizar sus redes para soportar el tipo de tráfico dominante, que cada vez tendrá un mayor peso en sus facturaciones.

Para adaptar las redes de telefonía móvil tradicionales de segunda generación (2G) al tráfico de datos, el paso más sencillo es introducir GPRS (General Packet Radio Services) y EDGE (Enhaced Data rates for Global Evolution) sobre las redes GSM ya instaladas. En ambos casos, la transición es relativamente rápida y sencilla, ya que únicamente implica pequeñas actualizacion del hardware y software de la infraestructura de la red. Mediante ambas tecnologías se conseguía suficiente ancho de banda para ofrecer un amplio y atractivo catálogo de servicios de datos, como mensajería multimedia o videostreaming.

Una 3G con retrasos

El siguiente paso consistía en desplegar nuevas redes de telefonía móvil de tercera generación (3G), también conocida por UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Esta nueva tecnología, que tras muchos años a la expectativa por fin ha sido lanzada comercialmente, ha sido la principal causante de una crisis sin precedentes en el sector de las telecomunicaciones.

El principal retraso en el despegue de la tecnología se debió a la falta de recursos financieros de las operadoras, ahogadas por los excesos de épocas pasadas y por el pago de unas licencias de uso del espectro radio desorbitadas. Por otro lado, la infraestructura de red no ha estaba totalmente madura y los terminales no han estado disponibles a un precio razonable hasta hace poco tiempo. En España las licencias se concedieron en el año 2000 y el servicio no ha sido lanzado comercialmente hasta este año. Telefónica Móviles y Vodafone estrenaron el UMTS en febrero, limitando su uso a PCMCIA conectadas a ordenadores portátiles. El paso mes de mayo comenzaron el lanzamiento comercial con terminales móviles. Por su parte, Amena y Xfera tardarán algo más en poner en lanzar su producto, en septiembre la primera, y a primeros del año que viene la segunda.

Terminal movil 3G

Figura 1: Terminal móvil 3G.

Sin embargo, no hay buenos augurios para la telefonía móvil 3G, debido principalmente a: la escasez de servicios exclusivos (excepto la videollamada y el videomensaje), la limitada cobertura, el elevado precio de los terminales, y el elevado precio por Mbyte de información descargado. Tampoco ayuda el desconocimiento de los usuarios, como demuestra un reciente estudio de la cadena de tiendas de terminales móviles Phone House, el cual concluía que únicamente un 13% de los usuarios españoles de telefonía móvil conoce qué es la telefonía 3G.

Pero en países como España ha aparecido un nuevo problema aún mayor que impide realizar un rápido despliegue de esta nueva tecnología, que es el movimiento contra la instalación de estaciones y antenas de telefonía móvil promovido por un amplio sector de ciudadanos, que por el momento está consiguiendo sus objetivos en diversos puntos de la geografía española. Las operadoras tenían previsto tener instaladas en la actualidad alrededor de 22.000 estaciones base con su antena, cuando en realidad sólo hay poco más de 7.000. Los suministradores de equipos creen poco probable que este año se lleguen a superar las 10.000 antenas. El número de antenas GSM desplegadas en España es de alrededor de 28.000 y UMTS requiere una densidad de antenas de casi el doble para ofrecer la misma calidad y cobertura, ya que las celdas de cobertura son mucho más pequeñas que las de GSM. Para solucionar el problema de los emplazamientos, alrededor del 85% de las estaciones UMTS han sido ubicadas en los mismos emplazamientos que estaban siendo empleados en los sistemas GSM, si bien no es la solución más óptima y sigue siendo necesario conseguir nuevos emplazamientos, lo cual se ha conseguido en una tarea no sólo lenta, sino también costosa.

Según todo esto, la única ventaja de esta tecnología en su etapa inicial es que ofrece los servicios actuales a una velocidad mayor: mientras en GPRS la velocidad máxima es de 50 kbps en UMTS es de 384 kbps. Pero también hay indicios para el optimismo pues por ejemplo la acogida de FOMA (Freedom of Mobile Multimedia Access) de NTT DoCoMo fue bastante tibia, pero en los últimos meses el número de abonados a su 3G se ha disparado, contando en estos momentos con más de 3,6 millones de abonados. Además, también hay que valorar como positivo la urgente necesidad de las operadoras en poner en valor un negocio que les ha supuesto serias inversiones en la obtención de las correspondientes licencias y el despliegue de nuevas redes, y la cada vez mayor competencia entre las operadoras. No obstante, todo apunta a que no será hasta el 2006 cuando la nueva tecnología adquirirá plena madurez y una respetable masa crítica de clientes.

Una nueva amenaza

Una de las principales conclusiones que se puede obtener analizando la evolución de las telecomunicaciones e informática durante los últimos años, es que los ciclos de vida de una tecnología son cada vez menores y es totalmente imprescindible rentabilizar pronto las inversiones realizadas en ella, tanto por parte de los operadores como de los fabricantes.

En nuestros días existen más de 1.050 millones de abonados de GSM en más de 200 países en el mundo, abarcando cerca del 73% del mercado de la telefonía móvil digital (los otros sistemas son TDMA IS-136 y CDMA), y no para de crecer. El desarrollo de GSM empezó en 1982 y no fue hasta 1992 cuando empezó a ser lanzado comercialmente en varios países. En España el lanzamiento comenzó en 1995 con Telefónica Móviles y Vodafone, aunque el éxito de esta tecnología entre los usuarios no tendría lugar hasta el año 1999 empujado por los mensajes de texto SMS en paralelo a lo ocurrido en la mayoría de los países europeos y asiáticos. Durante el año 2001 empezó a ser ofrecido comercialmente GPRS, también conocida por 3,5 G, que suponía la irrupción de la conmutación de paquetes de datos IP en la red móvil. Las redes GSM han tenido por lo tanto muchos años para ser amortizada por los operadores. Es más todavía tiene un alto tiempo de vida, ya que incluso las centrales de conmutación de esta red son utilizadas por la red UMTS en su fase inicial.

La lentitud del despliegue de red y aceptación por parte de los usuarios de UMTS podría dar lugar a que durante este período natural de maduración, se produzcan muchas actualizaciones tecnológicas. De hecho, en breve estará disponible HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) o 3,5G, un estándar que, básicamente, mejora sensiblemente las velocidades de transmisión y eficiencia espectral de UMTS. HDSPA además, consigue esto, empleando la misma infraestructura y espectro radio que UMTS, por lo cual no requiere de inversiones significativas por parte de las operadoras para su puesta en marcha.

Según los suministradores de equipos, la nueva tecnología estará lista en alrededor de un año, con terminales propios y con un despliegue de red que no representará grandes desembolsos a los operadores, puesto que únicamente es necesario actualizar las estaciones UMTS con un nuevo software, proceso que puede ser realizado generalmente en remoto desde el centro centralizado de gestión de red del operador. Es bastante probable que el primer operador en introducir esta nueva tecnología, sea NTT DoCoMo. La operadora japonesa ya fue la primera en introducir UMTS, a través de su servicio FOMA en octubre de 2001. Este operador ya ha firmado un contrato de suministro de terminales y redes HSDPA con Motorota para la segunda mitad del próximo año. En estos momentos está llevando a cabo diversos proyectos piloto en base a esta nueva tecnología.

Es más la 4G, con la que se alcanzarán velocidades de 100 Mbps o más, fue originalmente planificada para el año 2010. Sin embargo, son muchas las compañías que han movido este objetivo para el año 2006. Entre las principales novedades de la 4G están que las redes son por completo de paquetes conmutados basadas en IPv6, que es posible el handover entre redes móviles y redes inalámbricas de área local y que se soportan mayores anchos de banda para proporcionar servicios multimedia a bajo coste.

Evolucion red movil NTT DoCoMo

Figura 2: Previsión de la evolución de la red móvil de NTT DoCoMo.

Principales novedades tecnolÓgicas de HSDPA

Las especificaciones del 3GPP se agrupan en diferentes versiones (’99, 4, 5 y 6; hasta ahora), distinguiéndose una versión de su precedente por una serie de funcionalidades añadidas como resultado del trabajo continuo de estandarización. HDPSA está estandarizado como parte de las especificaciones WCDMA versión 5 del 3 GPP (Third Generation Partnership Project) introducida en agosto del 2002.

La velocidad teórica de transferencia de datos en UMTS va desde los 144 kbps en terminales sobre vehículos a gran velocidad (menos de 500 km/h) y los 384 kbps para usuarios con terminales en el extraradio de edificios o en vehículos a baja velocidad (menos de 120 Km/h), hasta los 2 Mbps para terminales en interiores de edificios o a muy baja velocidad (menos de 10 Km/h). No obstante, en la práctica las redes no soportan más de 1 Mbps, lo que viene a proporcionar a un máximo de dos usuarios por celda con unas velocidades máximas cada uno de 384 kbps. Por su parte, HDSPA, con unas velocidades de entre 14 y 3,6 Mbps, permitiría disfrutar de unas velocidades de hasta 384 kbps a unos cuarenta usuarios por celda, o a más de cien personas con tasas de 100 kbps.

Esta mejora del rendimiento de HDSPA se basa en el incremento de la inteligencia de los nodos preexistentes de la red UMTS mediante: nuevas técnicas para la adaptación del enlace, una programación de la transmisión de datos más rápida y una estructura del canal de radiofrecuencia más eficiente.

Adaptación del enlace

En los sistemas de comunicaciones celulares, la relación señal a ruido de la señal recibida por el terminal del usuario varía con el tiempo debido a los desvanecimientos rápidos y la ubicación geográfica dentro de una celda en particular. Para mejorar la capacidad y alcance del sistema, la señal transmitida a un usuario en particular es modificada para que tenga en cuenta la variación de la calidad de la señal a través de un proceso conocido por adaptación del enlace. Tradicionalmente, en WCDMA se ha empleado un control rápido de potencia como mecanismo de adaptación del enlace.

En cambio, HSPDA mantiene la potencia de transmisión constante y adapta el esquema de modulación y codificación empleado de acuerdo a la calidad del enlace radio concreto como mecanismo de adaptación del enlace. Este proceso es realizado en el Nodo B y es capaz de mejorar sensiblemente la eficiencia espectral respecto al método utilizado en WCDMA. La adaptación al enlace asegura así que la tasa de datos mayor posible se consigue tanto para usuarios con buena calidad de señal (mayor tasa de codificación), típicamente cercanos al Nodo B, como para los usuarios más alejados del núcleo de la celda (tasa de codificación menor).

Programación de la transmisión de datos

La programación de la transmisión de los paquetes de datos sobre la interfaz aire se realiza en el Nodo B basándose en la información sobre la calidad del canal, las capacidades del terminal, la clase de calidad del servicio y la disponibilidad de potencia/código. La velocidad de transmisión de datos es mayor así que en WCDMA porque la programación de la transmisión de paquetes tiene lugar tan cerca de la interfaz aire como es posible no en la RNC y porque además se utiliza una trama de longitud más corta.

Por otro lado, cuando tienen lugar errores de enlace, originados por ejemplo por interferencias, el terminal móvil rápidamente solicita la retransmisión de los paquetes de datos. En las redes WCDMA actuales, estas solicitudes son procesadas por la RNC. Puesto que en HSDPA la solicitud es procesada en el Nodo B, la respuesta es mucho más rápida. Además de una retransmisión de los paquetes más rápida, HDSPA emplea redundancia incremental. Esta técnica selecciona los bits correctamente transmitidos a partir de la transmisión original y la retransmisión, para minimizar la necesidad de más solicitudes de retransmisión cuando aparecen múltiples errores en las señales transmitidas.

Estructura del canal

El sistema WCDMA normalmente transporta los datos de usuario sobre canales de transporte dedicados o DCH (Dedicated Channel), lo cual da lugar a un rendimiento del sistema máximo cuando los datos de usuario son continuos. Los DCH son multiplexados en código sobre una portadora de radiofrecuencia. Sin embargo, en el futuro las aplicaciones de usuario implicarán el transporte de grandes cantidades de datos de usuario que tendrán una naturaleza a ráfagas y requerirán tasas binarias muy elevadas.

HSDPA introduce un nuevo tipo de canal de transporte, denominado HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel) que hace un uso muy eficiente de los recursos de radiofrecuencia y que tiene en cuenta los tráficos de datos a ráfagas. Este nuevo canal de transporte comparte los múltiples códigos de acceso, la potencia de transmisión y la infraestructura hardware entre diversos usuarios. Los recursos de la red radio pueden ser empleados eficientemente entre un largo número de usuarios que no están transmitiendo de forma continua. De este modo, varios usuarios pueden ser multiplexados en el tiempo de forma que durante los períodos en los que no transmiten cada uno de ellos, los recursos están disponibles para otros.


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