TD-SCDMA COMO OPCIÓN TECNOLÓGICA PARA MIGRAR A 3G
Estrada Gomero, Daniel
E-mail: destradag@telefonicamoviles.com.pe; deg00110110@gmail.com
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Resumen— Este trabajo propone a TD-SCDMA como opción tecnológica para migrar a 3G, lo cual implica transmisión de datos y voz, gestión multimedia flexible y acceso a Internet. Además se detallan las principales características del estándar y se describe brevemente el camino de migración de una red GSM a 3G mediante este estándar.
Índice de Términos— CDMA, MAI, TSM,
I. INTRODUCCIÓN
China, luego de su entrada a WTO (World Trade Organization) se ha convertido en el mercado más atractivo en el mundo dada su enorme población y un estupendo potencial de poder de compra. Especialmente en la industria de las telecomunicaciones, China se ha convertido en el mercado más grande de telecomunicaciones móviles individuales en términos de usuarios de telefonía móvil y de tasa de crecimiento de esta población de usuarios. Muchos operadores extranjeros de tecnología inalámbrica, están listos para entrar a china y desarrollar sus sistemas 3G, creando un gran desafío para los operadores locales en China. Por tanto, no es extraño que el gobierno chino haya estado invirtiendo billones de dólares en el primer estándar 3G ‘hecho en china’, de manera tal que china pueda tener su propio IP y ser menos dependiente de la tecnología y la inversión extranjera.
Como resultado de esto, TD-SCDMA ha sido desarrollado en conjunto por la Academia China de Tecnología en Telecomunicaciones (CATT) y SIEMENS como un prospecto de estándar 3G. En junio de 1998, el estándar TD-SCDMA fue enviado a la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) por la CATT, como un candidato para ser el estándar 3G y en mayo del 2000 fue aceptado oficialmente por la ITU IMT-2000. Luego en marzo del 2001 fue aceptado por la Alianza del Proyecto de la Tercera Generación (3GPP) como parte del lanzamiento del UMTS. Estos dos grandes triunfos, hicieron de TD-SCDMA un estándar 3G mundial. Desde entonces, muchas compañías de telecomunicaciones se han unido a la familia TD- SCDMA.
II. CARACTERÍSTICAS DE TD-SCDMA
A. Acceso al Canal de Radio
TD-SCDMA usa Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) en combinación con Dúplex por División de Tiempo (TDD), lo que mejora considerablemente el funcionamiento de la red por los recursos de radio para tratar el tráfico de red tanto en uplink como en downlink. El principio TDMA se aplica en una trama de 5ms subdividida en 7 intervalos de tiempo, que flexiblemente pueden ser asignados a varios usuarios o a un usuario solo que puede requerir múltiples intervalos de tiempo. Al mismo tiempo el principio TDD permite al tráfico ser uplink (del terminal móvil a la estación base) y downlink (de la estación base al terminal móvil) usando diferentes intervalos de tiempo en la misma trama.
Fig. 1 Principio de TDD
B. Bandas desapareadas vs. Bandas apareadas
La capacidad de adaptar la simetría uplink/downlink según la carga de datos dentro de una sola banda de frecuencia desapareada optimiza la capacidad del interfaz de aire, utilizando así el espectro de una manera más eficiente.
Al contrario, el FDD -el esquema empleado por W-CDMA y cdma2000 - usa un par de bandas de frecuencia para uplink y downlink. Con cargas asimétricas, partes del espectro son ocupadas, pero no usadas para la transferencia de datos. Estos recursos ociosos no pueden ser utilizados para ningún otro servicio, conduciendo a un empleo ineficaz del espectro.
Futuros usos móviles requerirán un empleo eficiente del espectro disponible y la capacidad de manejar el tráfico de datos asimétricos. TD- SCDMA encaja perfectamente estas exigencias y puede ser considerado como la tecnología ideal para servicios 3G.
C. Operación combinada de TDMA/TDD y CDMA Además del principio TDMA/TDD, TD-SCDMA usa CDMA para aumentar la capacidad del interfaz de radio.
Según CDMA, los bits de información de usuario son extendidos sobre una más amplia amplitud de banda multiplicando los datos de usuario por bits pseudoarbitrarios (llamados chips) derivados de códigos extendidos CDMA. Dentro de cada ranura un número de hasta 16 códigos CDMA puede ser transmitido (máximo factor de carga CDMA). Utilizando una tasa de transmisión de chip de 1.28 Mcps se obtiene una amplitud de banda de portadora de 1.6 MHz. Según su licencia de operación, el operador de red puede desplegar múltiples portadoras TD-SCDMA de 1.6 MHz. Cada unidad de recurso de radio es identificada por un intervalo de tiempo particular y un código particular en una frecuencia portadora particular. Para soportar muy altas tasas de bit (hasta 2Mbps), se emplea el uso variable del factor de expansión y conexiones multicódigo.
Fig. 2 Operación combinada de TDMA/TDD y CDMA
D. Unidad de Detección Conjunta
Un modo eficaz de eliminar el MAI (Interferencia por Acceso Múltiple) es usar una Unidad de Detección Conjunta, que es un receptor de detección óptimo multiusuario que extrae todas las señales de CDMA en paralelo.
Usando un algoritmo específico, un DSP extrae todos los canales de CDMA en paralelo y quita la interferencia causada por los canales de CDMA indeseados (MAI). El resultado es una señal clara (Señal alta a proporción ruidosa) para cada código de CDMA.
La detección conjunta aumenta el nivel de fluctuaciones de señal admisibles y así permite más altos factores de carga CDMA. El resultado es una capacidad de transmisión aumentada por MHz de amplitud de banda de portador y un empleo más eficiente del espectro disponible.
La eficacia del receptor de Detección Conjunta en la tecnología TD-SCDMA está basada en la Operación TDMA/TDD y sobre el número limitado de códigos empleados.
Debido al número alto de códigos usados en cdma2000 y W-CDMA la puesta en práctica de un óptimo receptor multiusuario en estos sistemas es difícil, ya que la complejidad de puesta en marcha es una función exponencial de los números de códigos.
Fig. 3 Operación combinada de TDMA/TDD y CDMA
E. Control de Potencia
Cuando se aplican receptores subóptimos (como los usados en WCDMA y cdma 2000), se hace esencial emplear sofisticados (y caros) mecanismos de control múltiple de lazo rápido para igualar la potencia recibida de todos los terminales y así compensar el efecto cerca-lejano.
En sistemas CDMA el efecto cerca-lejano ocurre porque terminales diferentes con potencia de transmisión idénticos y operando dentro de la misma frecuencia son separados en la estación base sólo por sus códigos extendidos respectivos. Resulta que la potencia recibida de un terminal localizado cerca de la estación base es mucho más alto que el recibido de un suscriptor en el borde de la celda. Sin un exacto y rápido control de potencia un solo móvil con exceso de potencia transmitiendo cerca de la estación base bloquearía la celda entera.
Pero un mecanismo de control de potencia eficiente es complejo, difícil de poner en práctica y caro.
En TD-SCDMA, el eliminar MAI por la Detección Conjunta amplía la gama de detección de señal para cada una a la diferencia de nivel permitido de 20dB. Esto aumenta la robustez contra fluctuaciones de señal rápidas y reduce considerablemente la complejidad del mecanismo de control de potencia.
Antenas Inteligentes Para mejorar la robustez del sistema contra la interferencia, las estaciones base TD-SCDMA son equipadas con antenas inteligentes, que usan un diseño que forma rayos.
Usando antenas omnidireccionales, la potencia de radio emitida es distribuido sobre la celda entera. Como una consecuencia, la interferencia de intercelda mutua es generada en todas las celdas adyacentes que usan la misma portadora de RF.
Por otra parte, las antenas inteligentes dirigen la transmisión y recepción de señales a los terminales específicos, mejorando la sensibilidad de los receptores de estación base, aumentando la potencia transmitida y recibida por los terminales y minimizando la interferencia intra e interceda.
Esto conduce a una reducción de la potencia transmitida por los terminales móviles.
Además, el número de estaciones base requeridas en áreas urbanas densas puede ser reducido.
III. COMPARACIÓN CON OTROS ESTÁNDARES
Sabido es que existen 3 principales estándares 3G en el mundo, CDMA2000 (USA), WCDMA (Europa) y TD SCDMA (China), este último todavía no tan conocido a nivel mundial.
Cuando un operador que tiene implementada una red GSM decide migrar a 3G mediante WCDMA, se encuentra principalmente con el problema de la planificación y asignación de frecuencias.
En WCDMA se necesitan 5 MHz en Down Link y Up Link por separado para poder gestionar una llamada, lo que hace un total de 10 MHz que tiene que tener reservado el operador para poder implementar 3G en su red (a una tasa máxima de 2 Mbps).
En CDMA ocurre algo similar, pero el ancho de banda total requerido es de 2.5 para down link y up link (se logra obtener en teoría 2.4 Mbps).
En el caso de TD SCDMA, un operador necesita en total 1,6 MHz en up link y down link para poder gestionar una llamada (con una tasa de datos máxima de 1.971Mbps), ya que el principio TDD permite transmitir y recibir en la misma banda de frecuencia. En consecuencia se tiene una planificación sencilla de frecuencias en la red. Además de esto, y por las características explicadas de TD SCDMA, la eficiencia en el uso del espectro es mayor comparado con WCDMA y
En la Tabla 1 se listan las principales características de cada estándar.
Tabla 1 Comparación entre TD SCDMA, WCDMA y CDMA2000
IV. MIGRACIÓN GSM A 3G MEDIANTE TD-SCDMA
La Fig. 4 muestra la arquitectura y elementos de una RED GSM/GPRS.
Fig. 4 Esquema de una Red GSM
Fuente: TD-SCDMA White Paper, SIEMENS
Para poder implementar una red 3G, TD SCDMA
ofrece 2 caminos de migración.
A. Modo TSM
Un operador GSM con grandes bandas de TDD disponible (bandas TDD desapareadas) puede introducir una Red de Acceso de Radio completa TD-SCDMA de manera eficiente y rentable usando la red GSM principal existente, incluyendo su señalización y protocolos y al mismo tiempo la introducción de servicios 3G. Este despliegue TD- SCDMA, llamado TSM (mostrado en la Fig. 5) consiste en una mejora de la existente red GSM/GPRS con un subsistema radio TD-SCDMA. En esta fase el stack del protocolo GSM (capas 2-3) es usado con el interfaz de aire de TD- SCDMA.
Las nuevas estaciones base de TD-SCDMA (Nodos B) son unidas a las existentes BSC GSM, los cuales son actualizados a subsistemas de radio TD-SCDMA mediante el software TGCF (TD- SCDMA en la Función de Control de GSM). De este modo el BSC emigra a una T-RNC. Los BSC (con el software actualizado a TD-SCDMA) son unidos a la red GSM principal por las existentes interfaces A y Gb (Fig. 5)
Fig. 5 Red Principal GSM/TD SCDMA
Fuente: TD-SCDMA White Paper, SIEMENS
B. Modo TDD-LCR
Un operador con FDD y el espectro TDD puede optar por desplegar TD-SCDMA como un complemento a redes de W-CDMA. Con el desarrollo TD-SCDMA, llamado TDD-LCR, TD- SCDMA y W-CDMA comparten la misma red principal, incluyendo la señalización de UTRAN y la pila de protocolos. Los Nodos B de TD-SCDMA pueden ser actualizados para trabajar con la Red UMTS principal. Es importante dejar en claro que los Nodos B no tienen que ser sustituidos, ya que sólo requieren una mejora. TDD-LCR habilitó RNCs, que soportan las interfaces UTRA Iub, Iu, (Iur) y las capas 2 y 3 de protocolos UTRA. El subsistema de radio se une directamente a una Red UMTS Principal vía las interfaces Iu.
La red W-CDMA así puede aprovechar el funcionamiento TD-SCDMA en áreas densas urbanas, donde el tráfico y demanda de servicios requieren una flexibilidad más alta en la asignación de los recursos.
Dado que el principio TDMA/TDD DE TD- SCDMA es sumamente adecuado para transmitir datos en paquetes, los sistemas basados en TDSCDMA son óptimos para soportar la transmisión de tráfico IP. Esto abre un remoto camino de migración suave a sistemas móviles basados en IP. control de potencia y asignación de canales dinámicos. Estas tecnologías contribuyen a mejorar el desempeño del sistema.
BIBLIOGRAFÍA.
[1] Agilent Technologies. TD-SCDMA DesignGuide. Estados Unidos : Agosto 2005, pp. 1-4
[2] Zhang Nan.. THROUGHPUT ON TD-SCDMA. Suecia: Signal Processing Group Department of Signals, Sensors
& (Royal Institute of Technology). Abril 2004.
[3] Kwang-Cheng Chen. Technology and Design of TD- SCDMA. Taiwan: IEEE; 2006.
[4] TD-SCDMA White Paper, SIEMENS AG, April 2002.
Fig. 6 Red Principal TD-SCDMA/ UMTS
Fuente: TD-SCDMA White Paper, SIEMENS
Hay que precisar que el modo TSM nunca llegó a ser lanzado comercialmente por ningún fabricante u operador, y a partir del 2003 todos los esfuerzos se centraron en desarrollar el modo TDD LCR.
V. CONCLUSIONES
La mayoría de los estándares 3G actuales, por ejemplo WCDMA y CDMA2000, no pueden manejar tráfico asimétrico de forma eficiente. La razón es que operan en modo FDD, usando un espectro par. Por el contrario TD-SCDMA puede controlar esto. Cuando el tráfico es asimétrico, TD- SCDMA simplemente coloca un número diferente de ranuras de tiempo a diferentes direcciones, de forma que el espectro sea siempre usado eficientemente. Esta localización en el dominio del tiempo puede realizarse fácilmente por programación en software y no cae en limitaciones de hardware.
Además TD-SCDMA también integra tecnologías de antenas inteligentes, detección de proximidad,
