El ABC de CDMA (parte 2)

Por Evelio Martínez (la primera parte de este artículo fue publicado en la edición de Junio del 2001 de la revista RED)

Introducción

Según cifras de CDG, existen en la actualidad (datos del 2001) más de 1000 millones de usuarios que utilizan alguna tecnología inalámbrica de segunda generación (2G). Más de 230 millones de esos subscriptores utilizan CDMA en sus terminales. CDMA es aceptada hoy en día como parte de las tecnologías para ofrecer servicios de tercera generación (3G). Estos servicios comprenden la integración de voz, datos, video, multimedia a velocidades de hasta 2 Mbps.

La ITU definió ciertos parámetros límites en velocidad de acceso que los operadores deben cumplir para ofrecer servicios de 3G. Estas velocidades son las siguientes: 144 Kbps para un ambiente vehicular, 384 Kbps para un ambiente terrestre y 2 Mbps para un ambiente de interiores. El operador de telecomunicaciones que cumpla con estos parámetros podrá decir que sus servicios son de tercer generación.

El actual estándar IS-95 CDMA especifica un ancho de banda de canal de 1.25 MHz y un chip rate de 1.2288 Mcps. Relativamente el ancho de banda angosto y el bajo chip rate hace imposible que el IS-95 cumpla con los requisitos de la 3G. Otros estándares basados en CDMA de banda ancha están a la orden para seguir con esta aventura de proporcionar nuevos servicios con requerimientos de más ancho de banda.

El propósito de este artículo es describir cada una de las tecnologías de CDMA de banda ancha, así como la comparación entre ellas. Se mencionará también las principales organizaciones de estandarización que están trabajando para armonizar todas las tecnologías CDMA.

La armonización global

La armonización global de las tecnologías inalámbricas pretende unificar un estándar común para todos los operadores de telecomunicaciones. Se han hecho muchos esfuerzos al respecto, se han creado muchas organizaciones y consorcios con el fin de agrupar y acelerar el proceso del lanzamiento de un estándar único. A continuación se describen brevemente algunos de los principales organismos.

    IMT-2000
    IMT-2000 es un esfuerzo de la ITU y otras organizaciones regionales (UWC, 3GPP, 3GPP2,..) para armonizar a los sistemas móviles de tercera generación, los cuales proveerán acceso por diversos medios un amplio rango de servicios de telecomunicaciones soportados por la redes de telecomunicaciones (PSTN, ISDN, IP, etc.) y otros orientados a usuarios móviles.
    CDG
    CDG es un consorcio internacional formado por más de 100 compañías que se han unido para encaminar la adopción y evolución de los sistemas inalámbricos CDMA alrededor del mundo y acelerar la disponibilidad de la tecnología CDMA a los consumidores. Estos miembros incluyen operadores de telefonía celular y servicios móviles, fabricantes de equipos terminales, de red y de circuitos integrados, fabricantes de equipo de prueba, entre otros.
    3GPP
    En diciembre de 1998, la organización 3GPP fue establecida para armonizar varias de las propuestas basadas en WCDMA y UTRA. Su objetivo es la operación de un sistema móvil global de 3G basados en las redes GSM. 3GPP fue fundada por organizaciones de estandarización regionales tales como ARIB en Japón, ETSI en Europa, T1 en Estados Unidos, TTA en Corea, TTC en Japón y CWTS en China.
    3GPP2
    3GPP2 es una organización colaborativa de estándares de 3G para desarrollar especificaciones globales que soporten ANSI/TIA/EIA-41. La organización se encarga también de especificar los estándares para cdma2000 en su modo de multiportadora. Las principales organizaciones regionales que forman la 3GPP2 incluyen a la TIA en Estados Unidos, ARIB en Japón, TTA en Corea, TTC en Japón y CWTS en China.

CDMA de banda ancha
Durante los 90s las técnicas de CDMA de banda han sido estudiadas intensivamente a través del mundo, varios sistemas han sido construidos y probados. Estos incluyen FMA2 en Europa, Core-A en Japón, el sistema conjunto Europa/Japón WCDMA, cdma2000 en los Estados Unidos y los esquemas TTA I, TTA II en Corea.

La tecnología impulsó una estandarización acelerada en Japón, Europa y los Estados Unidos. Desde 1997 japoneses y europeos propusieron un esquema de CDMA de banda ancha. La interface de aire es conocida actualmente como WCDMA.

Muchos intentos se han hecho para armonizar los diferentes esquemas de CDMA en búsqueda de unificar una interface de aire global, pero debido a fuertes intereses comerciales de sus patrocinadores, al momento sólo dos estándares de CDMA para 3G son las que sobresalen. CDMA de Qualcomm [TIA & CDG] y WCDMA de Ericsson & NTT DoCoMo [ETSI & ARIB].

Los esquemas de CDMA de banda ancha utilizan dos modos diferentes para transmitir, FDD (frecuency-division-duplex) y TDD (time-divison-duplex). En el modo FDD, una frecuencia es usada para el enlace de subida y otra para el de bajada. En el modo TDD, el enlace de subida y bajada comparten la misma frecuencia. La frecuencia es dividida en ranuras de tiempo, usadas para la subida y otras para la bajada. En 3GPP, un enlace de subida esta definido como la frecuencia en la cual la terminal transmite y la radio base recibe. De la misma manera, el enlace de bajada es en donde la radio base transmite y la unidad terminal recibe. FDD se subdivide en DS-CDMA (FDD-DS) y MC-CDMA (FDD-MC), es decir FDD puede ser en secuencia directa o multiportadora.

A su vez, MC-CDMA se divide en dos sistemas dependiendo del chip rate en el enlace de subida. El sistema que emplea 1.2288 Mcps es llamado 1x y el que adopta 3.6864 Mcps es llamado 3x.

Las vertientes en CDMA de banda ancha

La ITU a través del IMT-2000, grupo que tiene como finalidad de impulsar estos servicios y la convergencia de los estándares para servicios de 3G ha aceptado tres vertientes basadas en CDMA: cdma2000, WCDMA y TD-SCDMA.


Principales vertientes en CDMA

En la gráfica se muestra las vertientes más importantes bajo CDMA para una solución de 3G. Por un lado cdma2000 con sus diferentes fases conocidas como 1x, 1xEV (evolución de 1x) y por ultimo la última fase llamada 3x. cdma2000 utiliza el modo FDD-MC, es decir el enlace de bajada y subida comparten la misma frecuencia, pero soporta múltiples portadoras (MC multicarriers). WCDMA en cambio utiliza FDD-DS, es decir FDD con secuencia directa.

UTRA TDD, es una propuesta China para 3G, está basada en una estructura fundamental TDMA con una característica de extensión del espectro, un esquema híbrido conocido como TD-CDMA. Esto significa que más de una ráfaga de información puede ser transmitida en una ranura de tiempo, cada una con un código CDMA diferente. Diferentes requerimientos de servicio deben ser conocidos al asignar una combinación de ranuras y códigos para proveer
instantáneamente las tasas de información requeridas. Esta propuesta está enfocada más bien para aplicaciones de baja movilidad como WLL.

La estandarización de la interface de aire de la tercer generación para los esquemas basados en CDMA se enfoca en dos tipos de redes: redes asíncronas y redes síncronas. En esquemas de redes asíncronas las radio bases que componen el sistema inalámbrico no están sincronizadas entre sí, mientras las redes síncronas las radio bases están sincronizadas entre sí en un rango de pocos microsegundos.

De las propuestas que existen actualmente, WCDMA de ETSI/ARIB [Europa y Japón], funcionan bajo radio bases sincronizadas, de la misma manera TTA II en Corea. Los subcomités técnicos T1P1 y TR46.1 en Estados Unidos decidieron unirse al desarrollo del esquema WCDMA estadounidense (conocido como NA:WCDMA) y WIMS CDMA que también funcionan síncronamente. En cambio cdma2000, decidió trabajar con radio bases no sincronizadas, así como su contraparte en Corea TTA I.

La selección de WCDMA como opción de 3G esta siendo respaldada principalmente por los operadores actuales de GSM tanto europeos, asiáticos como estadounidenses. Corea sigue considerando dos tecnologías CDMA de banda ancha, una similar a WCDMA (TTA II) y la otra similar a cdma2000 (TTA I).

cdma2000

La TIA y su subcomite TR5.5.4 fue el responsable de la selección del concepto básico y del desarrollo de cdma2000. cdma2000 opera tanto en sequencia directa como en multiportadora.

En la estructura de los canales existen dos alternativas para el enlace de bajada [radiobase al usuario]: multiportadora y secuencia directa. La opción de multiportadora mantiene ortogonalidad entre cdma2000 y las portadoras de IS-95. El enlace de bajada es más importante debido a que el control del nivel de potencia no puede balancear las potencias interferentes entre las diferentes capas, como sucede en el enlace de subida. cdma2000 está diseñado para operar con anchos de banda de 1.25, 5, 10, 15 y 20 MHz. Utiliza modulación QPSK en el enlace de bajada y BPSK en el de subida. Soporta QoS (calidad de servicio) sobre diferentes canales.

Existen varias fases de cdma2000, tales como 1x, 1xEV (HDR) y 3x. A continuación se explican las dos primeras fases de cdma2000.

    cdma2000 1x
    1x es un sistema desarrollado por Qualcomm para proveer servicios de datos a velocidades de 153 Kbps a dispositivos telefónicos, y hasta 307 Kbps para teléfonos y otros dispositivos. Opera sobre un canal de 1.25 MHz y es compatible con los sistemas IS-95A/B.

    Este sistema fue lanzado por primera vez en Corea por el operador SK Telecom en abril del 2001 en Corea del Sur por el operador KT Freetel.

    cdma2000 1xEV
    Recientemente la TIA adoptó la especificación basada en HDR, conocida como TIA/EIA/IS-186 "cdma2000, High Rate Packet Data Air Interface Specification". HDR también se le conoce como 1xEV. La especificación 1xEV fue desarrollada por 3GPP2.

    HDR puede proveer acceso inalámbrico a velocidades de hasta 2.4 Mbps en un ancho de banda de canal de 1.25 MHz. 1xEV está optimizado para servicios de paquetes de datos ya que incorpora una arquitectura basada en IP. 1xEV es totalmente compatible con los estándares IS-95A/B, lo cual permite ser implementado sobre las redes basadas en CDMA, como cdmaOne.

    Se hicieron pruebas de este sistema en Corea del Sur (KT Freetel) y Japón (KDDI) durante el 2000. En Mayo del 2002 se lanzó el primer sistema comercial de cdma2000 1xEV-DO en Corea del Sur por KT Freetel.

WCDMA
La propuesta de WCDMA fue desarrollada desde 1997 mediante un esfuerzo conjunto entre la ETSI y ARIB. ETSI WCDMA ha sido desarrollado bajo el esquema FMA2 en Europa mientras que el ARIB WCDMA del esquema Core-A en Japón. El enlace de subida [del usuario a la radio base] de WCDMA está principalmente basado en el esquema FMA2 y el enlace de bajada está basado en el esquema Core-A.

WCDMA a diferencia de cdma2000 tiene asignado desde un principio un ancho de banda de 5 MHz con el fin de proporcionar la velocidad límite propuesta por la ITU para servicios de 3G de 2 Mbps.

WCDMA opera con anchos de banda de canal de 1.25, 5, 10 y 20 MHz con chip rates de 1.024, 4.096, 8.192 y 16.384 Mcps respectivamente. La estructura del canal de RF del enlace de bajada es únicamente en secuencia directa.

La modulación de los datos es semejante a cdma2000, en el enlace de bajada trabaja con modulación QPSK y en el de subida con BPSK. WCDMA tiene dos maneras de transmitir paquetes de datos. Los paquetes cortos pueden ser añadidos directamente a una ráfaga aleatoria de acceso. Este método es llamado transmisión de paquetes en canal común, es utilizado para mensajes cortos con poca frecuencia. Los paquetes de mas larga longitud son transmitidos en un canal dedicado. Un paquete grande de datos es transmitido utilizando un esquema de paquetes simple donde el canal dedicado es liberado inmediatamente después de que ha sido transmitido. En un esquema de paquetes múltiples, el canal dedicado es mantenido al transmitir el control de potencia y la información de sincronización entre paquetes subsequentes. cdma2000 en cambio utiliza para la transmisión de paquetes Aloha ranurado.


Estructura del Canal de RF de bajada de cdma2000

Principales diferencias entre los sistemas cdma2000 y WCDMA Las principales diferencias técnicas entre estos dos sistemas [éstas aplican también para TTA I y II] son el chip rate (tasa de chip), estructura del canal de bajada y la sincronización de la red. cdma2000 emplea un chip rate de 3.6884 Mcps (3X) para la banda asignada de 5 MHz con un enlace de bajada con sequencia directa (direct spread) y un chip rate de 1.2288 Mcps (1X) para la bajada de la multiportadora. WCDMA utiliza expansión directa del espectro con un chip rate de 4.096 Mcps para un ancho de banda de 5 MHz. La sincronización de las radio bases bajo cdma2000, permiten una vida más larga de la batería de las terminales, por otra parte las radio bases son mas sencillas.

cdma2000 vs. WCDMA
Parámetro cdma2000 WCDMA
Longitud de la trama 20 ms 10 ms (20 ms opcional)
Sincronización de la radio base Síncrona No síncronizada
Chip rate* 3.6864 Mcps 4.096 Mcps
Ancho de banda de canal 1.25, 5, 10, 15, 20 MHz 1.25, 5, 10, 20 MHz
Estructura del canal de RF Secuencia directa Secuencia directa o Multiportadora
Modulación de los datos QPSK (subida), BPSK (bajada) QPSK (subida), BPSK (bajada)
Control del nivel de potencia 1.6 Khz 800 Hz
Compatibilidad hacia atrás (2G) IS-95 (cdmaOne) GSM
*Para ancho de banda de canal de 5 MHz

Conclusión
La tecnología preferida para los sistemas de 3G dependerá tanto de factores tecnológicos, políticos y económicos. Los factores técnicos son aquellos que involucran las velocidades de transmisión proveídas por los sistemas y el desempeño y capacidad de la red, la cual dictará el número de usuarios que soportará cada radio base. Los factores políticos involucran acuerdos entre organismos de estándares, tomando en cuenta los diferentes puntos de vista de cada país o región.

Por otro lado, el factor económico juega un factor muy importante en la selección y puesta en marcha de cualquier tecnología en el mercado. Se trata de que las inversiones en capital de nuevas tecnologías puedan aprovechar la compatibilidad hacia atrás con las redes existentes. Por eso la selección cuidadosa de una nueva tecnología dictará su éxito o su fracaso en la sociedad tomando muy en cuenta los factores anteriores.

Referencias:
IEEE Communications Society http://www.comsoc.org
Third Generation Partnership Project http://www.3gpp.org
Third Generation Partnership Project 2 http://www.3gpp2.org
CDMA Development Group http://www.cdg.org
Qualcomm, Inc. http://www.qualcomm.com

Evelio Martínez (eveliom[at]eveliux.com)

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