Perspectivas de evolución de los sistemas inalámbricos

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1 Perspectivas de evolución de los sistemas inalámbricos Mario E. Rivero Ángeles* Recibido: 11 de julio de 2007 Aceptado: 19 de julio de 2007 Abstract Este artículo tiene por objetivo resumir y resaltar algunos de los puntos más importantes presentados en la IEEE Vehicular Technology Magazine en su edición de junio del En este número se puede encontrar una serie de artículos enfocados a las perspectivas de evolución de los sistemas celulares posteriores a la tercera generación. De esta forma el lector podrá identificar las áreas de investigación y los desarrollos tecnológicos que se requieren fortalecer para los futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas. Esto incluye, introducción de una nueva clase de servicios centrados en los usuarios con diferentes perfiles (servicios I-centric), integración de diferentes redes de comunicaciones (sistemas celulares con redes de área local inalámbricas) y el desarrollo de nuevas tecnologías como las redes de sensores inalámbricas. I. Introducción En la actualidad, hay una gran cantidad de usuarios de sistemas inalámbricos. Tan solo de usuarios de sistemas celulares de tercera generación (3G) a nivel mundial a finales del 2006 había 100 millones de suscriptores [1]. Aunque todavía hay un gran esfuerzo de investigación alrededor de estos sistemas, muchas compañías, grupos, foros e investigadores se están enfocando al desarrollo de los sistemas inalámbricos posteriores a la 3G (B3G). Por ejemplo, el Foro de Investigación del Mundo Inalámbrico (WWRF, por sus siglas en inglés), que se estableció en el 2001, tiene la tarea de facilitar el desarrollo de los sistemas B3G al identificar algunos puntos clave de la preferencia de los usuarios sobre el uso de los sistemas de comunicaciones inalámbricos. De esta forma se identifican las áreas de investigación relevantes. * profesor visitante de la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. Algunos de los puntos identificados por la WWRF son los siguientes: Los usuarios de los sistemas de comunicaciones requieren que las nuevas tecnologías les faciliten la vida y les ofrezcan una mejor calidad de vida. Hay una tendencia bien marcada a la convergencia de las diferentes industrias digitales. La industria de las telecomunicaciones se unirá a la industria de la información (Internet), a la industria electrónica, a los medios de comunicaciones (Radio y T.V.) y a la industria del entretenimiento (cine). Por tanto, es necesario identificar los servicios potenciales y establecer un modelo global de comunicaciones de tal forma que la información se pueda transmitir por los diferentes medios de comunicación de manera transparente para los usuarios. Actualmente, esto es muy difícil porque cada industria tiene bien desarrollado su propio sistema de comunicaciones. Todo este desarrollo se debe realizar desde el punto de vista del usuario, lo que da origen a los servicios llamados I-centric, es decir, centrados en mí. Éstos son servicios ajustables a una gran cantidad de diferentes perfiles de usuarios que se deben adecuar a las necesidades individuales y al mismo tiempo ofrecer una conectividad transparente en todo lugar y en todo momento. La base del éxito de los sistemas B3G pensando en el año 2010 será la flexibilidad, la adaptabilidad, la oferta de dispositivos novedosos y el desarrollo de modelos de negocios atractivos para la industria. Antes de presentar las perspectivas de evolución de los sistemas B3G, primero se describe lo que observó la WWRF en el mundo de las comunicaciones inalámbricas en el año pasado. II. Comunicaciones inalámbricas en 2006 Éstos son algunos de los aspectos importantes observados durante el año pasado [1], [3]. 51

2 52 ContactoS 65, (2007) En el 2006 había más de 2 mil millones de teléfonos activos en el mundo. Aunque el crecimiento ha sido alto en el pasado, se espera que continúe esta tendencia en mercados emergentes como China y la India. Además, en países en donde hay una alta penetración de telefonía muchas personas cambian su unidad de manera periódica. En México por ejemplo, los usuarios que pertenecen a algún plan de prepago cambian su teléfono celular casi cada año. A continuación se presentan algunos datos relevantes a nivel mundial. En 2005 se vendieron 810 millones de teléfonos, lo que representó un crecimiento del 19 % comparado con Se estima que en 2006 hubo una venta de 930 millones de teléfonos y en 2007 habrá más de 100 mil millones. La venta de teléfonos inteligentes (smart phones) que corresponden a la combinación de teléfono celular y Asistente Digital Personal (PDA, por sus siglas en inglés) también se incrementó en 85 %. Se estima que para el 2009, la mitad de la población mundial tenga un teléfono celular y los países con mayor crecimiento serán China, Brasil, Indonesia, Nigeria y los Estados Unidos. Las ventas de teléfonos celulares con cámara se incrementarán de 233 millones de unidades en 2004 a 903 millones de unidades en Se espera que los teléfonos con cámara correspondan al 87 % de todos los teléfonos vendidos. Servicios de difusión Los servicios de radio y T.V. han sido introducidos de manera exitosa en el mercado de la telefonía celular explotando las tasas de transmisión altas que permiten los sistemas de 3G. Por ejemplo, TDtv permitirá a los operadores de sistemas celulares transmitir hasta 50 canales de televisión diseñados para las pantallas convencionales de los dispositivos móviles o 17 canales de mayor calidad y definición [3]. Estos servicios son cada vez más frecuentes en Internet, lo que le permite a las personas de todo el mundo escuchar un programa de radio producido en cualquier otra parte de éste. Desarrollo de la Internet La Internet se ha convertido en un medio masivo de comunicaciones y al mismo tiempo, IP (Protocolo de Internet, por sus siglas en inglés) se ha vuelto el protocolo más utilizado en las redes de datos. A su vez, la Internet se está haciendo cada vez más accesible al contar con puntos de acceso gratuitos como los que se intentan introducir a la Ciudad de México en los próximos años y como las que ya se implementaron en Austria, Bulgaria, Finlandia, Alemania, Israel, Kuwait, Madeira, Portugal, Sudáfrica y Estados Unidos [3]. Convergencia de las industrias digitales Poco a poco se está formando una industria digital común al unirse compañías de telecomunicaciones, electrónica, medios de comunicación masivos (periódico, radio, T.V., etc.) y entretenimiento (juegos, cine, deportes, apuestas, etc.). Desarrollo de e-commerce (comercio electrónico) y el m-commerce (comercio móvil) Cada vez más aspectos de la vida se vuelven electrónicos (pagos y movimientos bancarios, compras de artículos en línea, boletos de avión, etc.) típicamente por medio de Internet, a esto se le conoce como e-commerce. Sin embargo, al poder acceder a la Internet desde el teléfono celular, también se permite realizar las mismas actividades desde el dispositivo móvil, lo que da lugar al m-commerce. Servicios y aplicaciones Durante el 2006 se observó que los usuarios están interesados en tener una gran variedad de servicios y aplicaciones sin importarle realmente la tecnología que los hace posibles. También, durante el 2006 se dieron a conocer algunas noticias relevantes por parte de compañías importantes en el mundo [3]. Por ejemplo: La compañía NTT DoCoMo anunció que ya se alcanzaron velocidades de 2.5 Gbps para la transmisión de paquetes en el enlace de bajada para usuarios que van a una velocidad de 20 km/h. Esto se logró incrementando el número de elementos de la antena de 4 a 6 y utilizando una modulación 64-QAM. Para usuarios de teléfonos celulares, Ericsson anunció que se obtuvieron velocidades de transmisión de paquetes en el enlace de bajada de 28 Mbps utilizando Acceso de Paquetes de Alta Velocidad (HSPA, por sus siglas en inglés). HSPA es parte de la evolución de los sistemas celulares basados en Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha (WCDMA, por sus siglas en inglés). Las compañías CLL y Nokia anunciaron un sistema conjunto HSDPA (Acceso de Paquetes en el Enlace de Bajada de Alta Velocidad, por sus

3 Perspectivas de evolución de los sistemas inalámbricos. Mario E. Rivero Ángeles. 53 siglas en inglés) y EDGE (Transmisión de Datos Mejorada para la Evolución de GSM, por sus siglas en inglés), lo que implica que habrá en el mercado un dispositivo móvil que puede acceder a la red basada en CDMA y en TDMA (Acceso Múltiple por división de Tiempo, por sus siglas en inglés). Lograron velocidades de 1.6 Mbps en modo de HSDPA y 200 kbps en modo EDGE. Cisco Systems anunció que se terminó la construcción de un dispositivo móvil que puede acceder a la red celular y a un sistema Wi-Fi (estándar para las redes de área local inalámbricas). Por medio de este dispositivo se podrán atender las llamadas de voz utilizando la red celular y la transmisión de paquetes utilizando IP en redes de banda ancha en bandas de frecuencia sin licencia. Adicionalmente, los usuarios podrán pasar de una red a otra de forma transparente y sin que se caiga la llamada. III. Comunicaciones inalámbricas para 2010 Uso de la tecnología Mientras la tecnología se vuelve cada vez más compleja, la vida de los usuarios se debe hacer cada vez más sencilla. De otra forma los usuarios no podrían utilizarla. Tan solo en enero del 2006, se lanzaron 272 modelos nuevos de teléfonos WCDMA con un crecimiento de 50 % en 6 meses [3]. Aunque actualmente el uso de los dispositivos es relativamente simple (prueba de ello es que muchas personas ya no leen el manual de su dispositivo electrónico antes de utilizarlo y muchos fabricantes optan por agregar una ayuda integrada en el teléfono celular), la introducción de nuevos servicios sobre variadas plataformas de comunicaciones no debe incrementar la complejidad en el uso de los dispositivos. Accesibilidad universal Deberá haber una sola interfaz común de administración de servicios para los usuarios, por ejemplo, derechos de los usuarios, servicios de autenticación y formas de pago. Esto implica que debe haber un mismo sistema de administración y acceso en todas las terminales y equipos. Mayor sensación de realidad Debido a que habrá una capacidad de altas tasas de transmisión, se generará una gran cantidad de información de forma automática de acuerdo al contexto en donde se encuentre la persona o a su localización. IV. Comunicaciones inalámbricas para 2017 Algunos de los puntos marcados por la WWRF para el futuro de las comunicaciones inalámbricas son los siguientes: Los usuarios deberán interactuar con el dispositivo de una forma intuitiva para acceder a los diferentes servicios y aplicaciones. Los servicios y aplicaciones deben ser personalizados y adaptables (I-centric). También deberán ser ubicuos desde el punto de vista del usuario. El usuario podrá acceder al servicio deseado desde cualquier plataforma de comunicaciones, es decir, por medio de la infraestructura del sistema celular, o por medio de un punto de acceso de una red de área local inalámbrica o por medio de una red ad hoc utilizando otros dispositivos como nodos intermedios. Por ejemplo, Agilent está en proceso de conseguir una patente sobre un teléfono móvil que permite comunicarse con la estación base utilizando otros teléfonos móviles cercanos cuando no hay cobertura directa del sistema celular [3]. Incluso podrá hacer uso de estas tres redes para una misma sesión, dependiendo de su grado de movilidad, y el usuario no debe notar ningún cambio en la calidad del servicio prestado. Los usuarios deben tener un grado de control sobre el sistema de comunicaciones así como el sistema de comunicaciones deberá tener un grado de control sobre los usuarios dependiendo de las preferencias de éstos. El uso de los servicios debe ser tan sencillo e intuitivo que no se requiera el uso de un manual. El dispositivo debe ir guiando a los usuarios hasta el grado que ellos se sientan cómodos. Los servicios y aplicaciones deben tener algún grado de conciencia para saber quien los está usando y de acuerdo a ello cargar las preferencias de ese usuario durante el tiempo de servicio. Por tanto, se requiere que haya un proceso de aprendizaje del comportamiento del usuario y como consecuencia, se deben poder adaptar a diferentes perfiles. Para el 2017, la WWRF espera un mercado de 7 trillones de dispositivos móviles dando servicio a 700,000 millones de usuarios. Esto se logrará con dispositivos móviles sencillos de operar y baratos. Debido a la gran cantidad de dispositivos móviles que

4 54 ContactoS 65, (2007) se espera en el futuro, se debe utilizar el espectro radioeléctrico de la forma más eficiente posible [2]. Para ello será necesario que el transmisor modifique de forma dinámica el ancho de banda y la frecuencia central de la señal transmitida de acuerdo a las condiciones de interferencia detectadas en ese momento. Por tanto se requiere que los usuarios compartan el espectro de forma inteligente y de forma conciente a las condiciones del sistema. Adicionalmente se requerirán técnicas de asignación de recursos dinámicas, técnicas de calendarización y un diseño cuidadoso del control de acceso al medio (MAC, pos sus siglas en inglés). Otro punto importante, es que los dispositivos sean de bajo costo y de bajo consumo de potencia. Como no sólo entre usuarios se podrán comunicar sino también máquinas con usuarios y máquinas con máquinas, habrá una gran diversidad de dispositivos; algunos de ellos estarán limitados a una tasa de transmisión baja y algunos otros podrán utilizar todo el rango de tasas de transmisión ofrecidas por el sistema. La oferta de dispositivos móviles presentada a los usuarios será muy grande. Por ejemplo, en el 2005, algunos modelos de automóviles contaban con alrededor de 10 dispositivos de comunicaciones inalámbricos. La comunicación entre máquinas también crecerá de manera importante. Este panorama introduce a las redes de sensores como una tecnología clave para el desarrollo de sistemas inalámbricos futuros. Un sensor es un dispositivo electrónico muy pequeño que consta de un microprocesador, un transductor y un sistema de comunicaciones inalámbrico. Cada vez más dispositivos contarán con un sensor que se comunicará con otros dispositivos de forma inalámbrica y automática. El objetivo es que estos sensores aporten información relevante sobre el contexto y el ambiente que rodea al usuario. Los automóviles, los sistemas de transporte, los sistemas metereológicos, las estructuras de los edificios, los muebles, luces, puertas, ventanas, por mencionar algunos contarán con estos dispositivos para facilitar la vida de los usuarios. En el área de la comida, los empaques tendrán también sensores para saber el origen, ingredientes y fecha de caducidad. En fin, casi cualquier objeto tendrá un sensor, dando origen a redes de sensores con inteligencia local. Todos los dispositivos se conectarán utilizando IP por medio de la Internet. Esto da origen a la comunicación entre redes heterogéneas con grados de seguridad diferentes y mejorando las partes de la red que se requiera. V. Aspectos técnicos para los sistemas inalámbricos B3G A continuación se presentan algunos de los aspectos técnicos más importantes a considerar en los sistemas de comunicaciones futuros [2]. Esquemas de Modulación. Para lograr un uso eficiente del ancho de banda se requerirá el uso de técnicas de modulación y ecualización en donde el procesamiento de la señal se realice en el dominio de la frecuencia, principalmente, técnicas basadas en Multiplexaje por División de Frecuencia Ortogonal (OFDM, por sus siglas en inglés). Adicionalmente se requerirá de técnicas de modulación en paralelo, en donde los símbolos codificados se transmiten en paralelo en subcanales de banda angosta combinado con modulación en serie. Esquemas de Administración de Recursos de Radio. En cuanto a la administración de los recursos de radio se debe considerar la forma como se asigna el ancho de banda para el canal de subida (del dispositivo móvil a la estación base o punto de acceso) y para el canal de bajada (de la estación base o punto de acceso al dispositivo móvil). Típicamente se consideran únicamente dos opciones, por división de frecuencia (FDD, por sus siglas en inglés), en donde el canal de subida tiene asignada una frecuencia determinada y el canal de bajada tiene asignada otra frecuencia diferente y por división de tiempo (TDD, por sus siglas en inglés), en donde el canal de subida y el canal de bajada comparten la misma frecuencia pero se utiliza en diferentes instantes de tiempo. Para los sistemas de comunicaciones futuros se han propuesto técnicas híbridas en donde se combinan las ventajas de TDD y FDD. Las técnicas de asignación de recursos deben maximizar la capacidad del sistema y al mismo tiempo deben garantizar un cierto nivel de calidad de servicio (QoS, por sus siglas en inglés) y ofrecer un acceso justo para todos los usuarios del sistema. Una técnica propuesta es JOBS (Joint Opportunistic Beamforming and Scheduling) que consiste en utilizar los reportes anteriores de las unidades móviles para aprender cuál es el lóbulo principal de la antena de la estación base con la que se puede atender mejor al usuario y utilizar esta informa-

5 Perspectivas de evolución de los sistemas inalámbricos. Mario E. Rivero Ángeles. 55 ción para asignarle el canal a los paquetes de datos que llevan más tiempo esperando en la cola de la celda. Como se puede apreciar, se utiliza un enfoque en donde se emplean técnicas de la capa física junto con técnicas de la capa de enlace formando una arquitectura de capa cruzada. Acceso Aleatorio. Otro aspecto importante a considerar es el acceso aleatorio. Los usuarios que quieran acceder a un servicio en una celda, deben competir entre ellos para ganar el acceso. Debido a que los usuarios se encuentran distribuidos en el área de servicio y pueden intentar acceder en cualquier momento, puede ocurrir una degradación del servicio cuando múltiples usuarios colisionan al transmitir su paquete simultáneamente. Por tanto, se deben proponer técnicas de acceso que permitan un acceso priorizado para diferentes tipos de servicios. Técnicas como las propuestas por la IEEE e no permiten ofrecer un acceso priorizado de forma dinámica adecuándose a las variaciones de tráfico inherentes a la red de comunicaciones. Consideraciones de Interferencia Finalmente, es importante considerar la interferencia que se puede generar entre los diferentes sistemas que trabajarán de manera conjunta por lo que debe haber una coordinación inter-celda. Las técnicas para minimizar el impacto de la interferencia se pueden clasificar de manera general en: Evitar la interferencia, Promediar la interferencia y Suavizar la interferencia. Algunas formas de evitar la interferencia consisten en una asignación dinámica del ancho de banda para transmitir el paquete, utilizar antenas inteligentes para modificar el lóbulo principal de la antena. Estas técnicas para evitar la interferencia requieren de un sistema complejo de coordinación entre las diferentes estaciones base del sistema, lo cual no siempre es deseable. Por tanto es necesario proponer técnicas novedosas que minimicen la interferencia entre sistemas sin el requerimiento de la coordinación entre sistemas. Bibliografía 1. M. Uusitalo, Global Visions for the Future Wireless World from the WWRF, IEEE Vehicular Technology Magazine, June 2006, pp A. Alexiou, D. falconer, Challenges and Trends in the Design of a New Air Interface, IEEE Vehicular Technology Magazine, June 2006, pp J. Gozálvez, Moving Beyond 3G, IEEE Vehicular Technology Magazine, June 2006, pp cs