Sistemas de comunicaciones móviles: de la tercera a la cuarta generación

Cuando pensamos en transmisión de datos con el móvil rápidamente nos vienen a la mente un montón de siglas del estilo a 3G, HSPA, LTE, HSPA+, 4G, etc. Pero, ¿sabemos exactamente lo que significan y en qué consisten estas tecnologías? En esta entrada vamos a explicaros su significado, así como las características más importantes de estos sistemas de comunicaciones móviles.

A pesar de que con la Segunda Generación de telefonía móvil ya era posible transmitir datos desde aquellos primitivos terminales, no ha sido hasta la popularización de los sistemas y terminales de Tercera Generación cuando dicha transmisión ha calado entre el público general.

Sistemas de comunicaciones UMTS o 3G

Universal Mobile Telecommunications System es una de las tecnologías usadas por los móviles de Tercera Generación, que en España solemos identificar directamente con 3G. Está desarrollado en base a las especificaciones establecidas por el 3GPP (3rd Generation Partnership Project) y se ha erigido como la primera tecnología de Banda Ancha móvil. La estructura de UMTS está compuesta por dos grandes subredes, por un lado la de telecomunicaciones y por otro la red de gestión.

La primera es la encargada de sustentar la transmisión de información entre los extremos de una conexión, mientras que la segunda tiene como misiones la provisión de medios para la facturación y tarificación de los abonados, el registro y definición de los perfiles de servicio, la gestión y seguridad en el manejo de sus datos, así como la operación de los elementos de la red.

Empleando una comunicación terrestre basada en una interfaz WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) es capaz de soportar tasas de transferencia teóricas máximas en sentido descendente (de la Red hacia el usuario) de 2 Mbps, aunque la velocidad final depende de las características concretas de la red, del operador que la controle, así como del número de usuarios simultáneos que requieran acceso a datos.

Las velocidades más comunes ofrecidas con UMTS se reducen hasta unos 350-384 Kbps, aunque en casos concretos pueden combinarse varios canales de forma simultánea para obtener tasas de 768 Kbps, o incluso los 2 Mbps máximos teóricos. Aunque estas velocidades pueden ser adecuadas para pequeñas aplicaciones de datos que no requieran grandes anchos de banda, para la mayoría de los casos resultan insuficientes, por lo cual se han ido haciendo continuas revisiones.

Sistemas de comunicaciones HSPA (3,5G y 3,75G)

El término HSPA engloba tanto a HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) como a HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), es decir, hace referencia al acceso de paquetes de alta velocidad tanto en enlaces ascendentes como descendentes. Estos estándares fueron definidos en la versión 5 de las especificaciones del 3GPP, como un servicio de paquetes de datos de alta velocidad con picos teóricos máximos descendentes de 14 Mbps y ascendentes de 5Mbps (del usuario hacia la Red), aunque en las primeras implementaciones las velocidades reales fueron de entre 1 y 4 Mbps.

Una de las ventajas de esta especificación es que la misma portadora de la señal radioeléctrica puede dar servicio simultáneamente a usuarios de voz y datos UMTS, así como a usuarios de datos HSDPA con una latencia relativamente baja de unos 70 ms. Entre las evoluciones técnicas más importantes cabe destacar:

Enlaces compartidos de alta velocidad e intervalos de transmisión cortos.
Programación rápida y diversidad de usuarios (Fast Scheduling).
Modulaciones de mayor orden de magnitud, como por ejemplo 16 QAM.

Enlaces de rápida adaptación en función de las condiciones del canal.

Sistemas de comunicaciones HSPA Evolution

También conocido como HSPA+, corresponde a la versión 7 del estándar de comunicaciones del 3GPP. Surgió con la intención de explotar el potencial de los enlaces CDMA (Code Division Multiple Access), antes de utilizar definitivamente sistemas basados en OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), para alcanzar rendimientos similares a los del futuro sistema LTE (Long Term Evolution) en canales de 5 MHz, facilitar la interoperabilidad y transición entre HSPA+ y LTE, permitir la transmisión de VoIP y mantener la compatibilidad con las tecnologías anteriores. Para conseguirlo, se emplean diversas técnicas:

MIMO (Multiple Input Multiple Output): Envío y recepción mediante múltiples antenas empleando varios canales de radio, por los que se transmiten diferentes paquetes de datos.
CPC (Conectividad de Paquetes Continua): Cuando los canales de datos de los usuarios no tienen información para transmitir, se reduce la interferencia del canal de subida creada por los canales de control del sistema.

Modulaciones de mayor orden de magnitud, como 64 QAM en sentido descendente y 16 QAM en el ascendente.

Con estas y otras técnicas es posible obtener velocidades máximas teóricas de entre 42 y 84 Mbps con latencias por debajo de 50 ms. En sistemas comerciales reales algunas operadoras pretenden implantar los 42 Mbps en sentido descendente y 11.5 Mbps en sentido ascendente durante 2011.

Sistemas de comunicaciones Long Term Evolution (LTE)

Su objetivo principal es proporcionar un acceso de radiofrecuencia de alto rendimiento que permita altas velocidades de transmisión y recepción en dispositivos móviles y que pueda coexistir con HSPA y sistemas anteriores, permitiendo a las operadoras una rápida y sencilla migración hacia esta nueva tecnología. LTE no cumple con los requisitos establecidos por la ITU para su estándar IMT-Advanced o 4G (ver siguiente apartado) y no ha superado los criterios mínimos de la ITU para poder tomar esta denominación, de ahí que en algunos sitios se le considere como 3,9G.

LTE emplea enlaces OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) para minimizar las interferencias e incrementar la eficiencia espectral, utilizando canales de tamaño variable entre 1.4 y 20 MHz. Algunas de las capacidades de LTE incluyen velocidades máximas descendentes de 326 Mbps y ascendentes de 86.4 Mbps con anchos de banda de 20 MHz y un incremento de la eficiencia espectral respecto de HSPA de entre el 100 y el 200%.

También presenta una reducción de la latencia hasta los 10 ms, así como capacidad para la auto-optimización de los sistemas, permitiendo reducciones importantes en los costes de operación.

Sistemas de comunicaciones IMT-Advanced o 4G y LTE-Advanced

La ITU (Unión Internacional de Telecomunicaciones) estableció en 2008 los requisitos oficiales para el nuevo estándar IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced) o 4G. Entre ellos se incluyen, por ejemplo, el del funcionamiento con canales de radio de más de 40 MHz, así como una eficiencia espectral extremadamente alta.

En concreto, la ITU recomienda picos de eficiencia espectral de 15 bits por hercio en enlace descendente y de 6.75 en el ascendente, con una tasa teórica máxima de 1 Gbps en movilidad de baja velocidad (usuario quieto o a pie) y de 100 Mbps en movilidad de alta velocidad (usuario en vehículo).

Dado que ninguna tecnología actual cumple estos requisitos, serán necesarias nuevas tecnologías como LTE-Advanced, que está siendo desarrollada por el 3GPP y es considerada como la primera 4G. La nueva revisión de LTE será compatible con los sistemas anteriores, ofreciendo altas capacidades de transmisión con anchos de banda de más de 100 MHz, obtenidos mediante agregación de canales de 20 MHz, tecnologías de antenas múltiples basadas en MIMO y transmisiones coordinadas multipunto.

Más allá de las nuevas capacidades de transmisión, LTE-Advanced permitirá alcanzar nuevas cotas de eficiencia espectral, llegando a picos de 30 bits por hercio en canales de 40 MHz, con velocidades máximas teóricas de 1 Gbps en sentido descendente y de 500 Mbps en sentido ascendente.

A continuación os pongo un pequeño esquema-resumen con las cifras más importantes que muestran la evolución de los sistemas 2G a los futuros 4G: