Pese a que las redes 3G están sólo calentando motores, son ya muchos los que miran adelante hacia la siguiente generación, que en muchos casos consistirá probablemente en las redes LTE (long-term evolution). Según ABI Research, se gastarán más de 3.300 millones de dólares en la construcción de estaciones base LTE en 2011, incluyendo aproximadamente 142.000 estaciones base en todo el mundo (i).

¿Qué hace única a LTE?
El paso hacia LTE está dirigido por la demanda de datos para radiodifusión por parte de clientes en movimiento. Una vez acostumbrados a unas experiencias de usuarios excepcionales en sus despachos, los consumidores exigen lo mismo a sus dispositivos móviles, esperan rápidas velocidades de subida y bajada y una larga duración de la batería, todo ello en un formato reducido. Para tener éxito, los operadores necesitan satisfacer estas demandas y hallar usos más eficientes del espectro disponible y reduciendo el capital y los gastos operativos para mantener la competitividad.
Afortunadamente, LTE ofrece velocidades de descarga de 100Mb/s y de subida de 50 Mb/s por cada 20 MHz de espectro asignado; éstos son los tipos de velocidades de datos que darán a los consumidores lo que están buscando con la eficiencia espectral que necesitan los operadores. Incluso con velocidades de datos más elevadas, como un  máximo de 326,3 Mb/s en descarga si se utilizan múltiples antenas. Dado que los clientes de móviles esperan que su servicio trabaje en cualquier lugar, es importante que, pese a haberse optimizado a velocidades de 0-15 km/h, LTE puede ofrecer soporte a unas elevadas prestaciones de gran movilidad incluso cuando el dispositivo se desplaza a 120-250 km/h.

Otra característica única de LTE es que emplea dos técnicas de acceso diferentes: multiplexación con división de frecuencia ortogonal (OFDM) en la descarga (estación base a móvil) y acceso múltiple con división de frecuencia de portadora única (SC-FDMA) en la subida (de móvil a estación base) con una técnica de modulación adaptativa que varía de QSPK a 64QAM. El uso de diferentes técnicas de acceso mejora la eficiencia del amplificador de potencia (PA) en la parte del móvil (mayor duración de la batería) y mejora la eficiencia espectral en la parte de la estación base. También es importante destacar que algunos dispositivos móviles LTE ofrecerán soporte a técnicas de duplexación FDD y TDD para permitir al usuario la adaptación dinámica a sistemas entre países. Además LTE trabaja sobre un ancho de banda escalable de 1,4 a 20 MHz tanto en subida como en bajada, con soporte a bandas de frecuencia móviles y ya existentes.

Impacto sobre el Diseño del Sistema
En la realización de OFDM dentro de LTE, varias subportadoras ortogonales estrechamente espaciadas forman un bloque de recurso (RB). Dependiendo del ancho de banda del sistema en particular, el número de RB variará (por regla general, 1RB = 12 subportadoras de 15 kHz cada una). Esta técnica hace que el diseño del receptor presente muchos desafíos en términos de selectividad de canal adyacente, dado que la especificación LTE indica una interferencia mucho mayor en la banda localizada a sólo 1 RB. Como resultado de ello, la elección de la arquitectura del sistema (conversión directa o muestreo IF) y la técnica de proceso de señal (proceso de señal analógico frente a digital) tiene una gran influencia como el cumplimiento de los requisitos del sistema LTE. Visto de forma general, los dispositivos con elevada linealidad y aislamiento ayudarán a alcanzar este reto.
Las estaciones base LTE iniciales aplicarán una tecnología de antena 2x2 y probablemente adoptarán con rapidez una tecnología de antena 2x4. Esto incrementa la presión del mercado para una mayor integración con el fin de controlar el número de componentes así como para minimizar la lista de materiales y la complejidad del diseño. Por ejemplo, en una configuración 2x2 habrá un atenuador de paso digital (DSA) en cada una de las rutas Tx y Rx y una en la ruta de realimentación de predistorsión digital, lo cual significa que habrá 15 DSA por estación base. Está claro que la necesidad de reducir las dimensiones y de elevar las prestaciones de los dispositivos es un factor crítico en el diseño de sistema.

Dado que el soporte a la red LTE va más allá de los actuales despliegues de banda, la ampliación del ancho de banda también es importante. Todos los dispositivos en los dispositivos móviles y estaciones base LTE, incluyendo conmutadores, mezcladores y DSA, habrán de tener un ancho de banda extremadamente amplio para acomodar las frecuencias adicionales. La tarea de conmutación, en particular, debe ser suficiente para lograr un número sin precedentes de posiciones de contacto, hasta 12 e incluso más en un dispositivo de polo único (SP12T). ¿Por qué tan elevado? Los estados adicionales exigen un avanzado interface serie para reducir las E/S y mejorar la funcionalidad. Asimismo, algunos despliegues de LTE incorporarán TDD, lo que incrementa los requisitos en cuanto al número de posiciones de contacto de conmutación. La mayor capacidad de conmutación ha de realizarse con un rápido tiempo de establecimiento y con el formato reducido posible con un enrutamiento compacto para albergar el contenido de funcionalidad incrementada en el dispositivo.
Por último, LTE requiere unas pérdidas muy bajas para lograr las relaciones señal/ruido (SNR) que requieren para alcanzar unas elevadas velocidades de datos. Esto resulta especialmente complicado debido a las bandas operativas adicionales de LTE, y que plantea una enorme demanda a la antena. Además de los restantes requisitos, es probable que haga falta una sintonización de antena activa para lograr las prestaciones (v) de dispositivo LTE deseadas.

Afortunadamente, el proceso UltraCMOS está disponible en gran volumen para alcanzar altas velocidades, bajo consumo de energía, alta linealidad y una mayor integración de conmutadores, mezcladores y DSA en la cadena de señal LTE.

Altas velocidades
Una rápida velocidad de conmutación es imperativa para proteger la ruta de recepción frente a los daños cuando estén presentes fuertes señales de bloqueo y esto es también la clave para el control de ganancia de la estación base. A medida que aumente el número de posiciones de contacto para LTE, esta especificación gana importancia. Unas mayores velocidades de conmutación y unos tiempos de establecimiento más cortos conllevan unas prestaciones más fiables y más precisas, y UltraCMOS ofrece estas ventas de manera inherente. Por ejemplo, el UltraCMOS PE43204 es un DSA con una velocidad de conmutación típica de 30 ns (ver figura 1), mientras mantiene un punto de intercepción de tercer orden de entrada (IIP3) de +61dBm (típico), pérdidas de inserción de 0,6dB y una descarga electrostática (ESD) de 2kV. En comparación, un DSA de GaAs muestra una velocidad de conmutación típica de 130ns, es decir, más de 4 veces más lenta que el DSA UltraCMOS.

Bajo consumo de energía

En la especificación LTE, se escogió SC-FDMA en la subida para reducir el consumo de energía, pero los dispositivos de menor consumo dentro de los dispositivos móviles permitirán alargar la duración de la batería, un aspecto clave para los consumidores. Un conmutador SP9T como el UltraCMOS PE42692 se ajusta bien a aplicaciones LTE ya que ofrece una corriente de alimentación Idd de 120 µA (típica).

Elevada linealidad
La elevada linealidad no es un nuevo requisito para los dispositivos móviles. De hecho, el módulo de la sección de entrada de RF ha sido desde hace tiempo el elemento más lineal del dispositivo móvil. Sin embargo, a medida que aumenta la complejidad en los sistemas LTE, resulta difícil tener un proceso que puede integrar más funciones y pese a todo conseguir una elevada linealidad. Básicamente, aunque las velocidades de los datos aumentan con LTE, los requisitos de linealidad siguen siendo los mismos pese al contenido de semiconductor adicional. Como resultado de ello, los dispositivos en un sistema LTE deben ofrecer una mejor linealidad que los utilizados en las anteriores generaciones de dispositivos móviles.

Debido a la puerta de aislamiento de la tecnología CMOS y a la capacidad de incorporar de manera inherente técnicas de diseño de señal mixta, los CI UltraCMOS pueden cumplir los requisitos de prestaciones de linealidad que exigen una solución monolítica. De hecho, UltraCMOS se está utilizando actualmente en el diseño y la fabricación de dispositivos que muestran elevados niveles de linealidad y aislamiento. El conmutador SP9T PE42692, por ejemplo, muestra un punto de intercepción de tercer orden de entrada (IIP3) de +71dBm (ver figura 2) con una pérdida de inserción (IL) de 0,6 dB y un aislamiento Tx-Rx de 43 dB (900MHz). Especificaciones como éstas permiten una mayor velocidad de datos a través del sistema y mejoran la resistencia a las interferencias, además de unas mejores prestaciones en todo el espectro.
La linealidad está muy ligada a un elevado aislamiento que mejora la calidad de la señal en presencia de señales de interferencia y el alto aislamiento es necesario para cumplir las exigentes prestaciones del duplexor. Dado que LTE introduce nuevas bandas de frecuencia operativas, el aislamiento es aún más importante. En la estación base, la predistorsión digital (DPD, Digital Pre-Distorsion) es un factor crítico en la mejora de la eficiencia del PA. Básicamente, el sistema muestrea la ruta de transmisión, corrige la señal y la realimenta para mejorar la eficiencia del PA. La utilización de componentes con alta linealidad/alto aislamiento en la ruta de realimentación de DPD es importante para no añadir distorsión en la ruta de realimentación y degradar así la eficiencia del PA que se intenta mejorar. Con un funcionamiento entre CC y 3000 MHz, el conmutador SPDT PE4257 UltraCMOS, por ejemplo, se adapta bien a los requisitos de diseño del lazo de realimentación para estaciones base con un aislamiento de 64dB a 1000 MHz (ver figura 3); una especificación de aislamiento que es el resultado de unas propiedades de aislamiento muy elevadas del sustrato de zafiro en UltraCMOS.

Pequeñas dimensiones/mayor integración
Dicho en pocas palabras, los servicios LTE requieren que los dispositivos manejen grandes volúmenes de datos a altas velocidades sobre un ancho de banda amplio. Esta funcionalidad adicional requerirá más integración para mantener la huella y las previsiones de consumo de energía. Debido a que es un proceso CMOS, UltraCMOS ofrece soporte a elevados niveles de integración. Los conmutadores UltraCMOS, por ejemplo, tienen un decodificador integrado por lo que no requieren señales de control adicionales como GaAs. Además, se eliminan los condensadores de bloqueo porque los conmutadores integran un generador de tensión negativa para pasar a corte los FET. En un esfuerzo por incrementar aún más la integración, los ingenieros de Peregrine Semiconductor han de-sarrollado el MultiSwitch™ (ver figura 4), que incorpora cuatro conmutadores de RF independientes de altas prestaciones y con múltiples posiciones de contacto en un CI flip-chip monolítico controlado mediante un controlador CMOS integrado único que proporciona una reducción de tamaño superior al 85% respecto a otras soluciones. Por ejemplo, el MultiSwitch mide 1,6 x 1,93 mm y el SP9T UltraCMOS con decodificador integrado, generador de tensión y protección ESD mide 1,36 x 1,28mm. Como comparación, la realización basada en SP9T de GaAs mide 3,0 x 3,5 mm y necesita 29 interconexiones en un encapsulado multichip a medida.
A diferencia de cualquier otro dispositivo disponible, el CI de RF MultiSwitch proporciona una linealidad de +71 dBm IIP3 y un aislamiento de más de 70 dB en rutas críticas. El dispositivo integra elementos clave que deberían estar fuera del circuito en GaAs, incluyendo tres líneas de control que en 12 rutas independientes.
Para 2011, ABI Research espera que cerca de 34 millones de usuarios de todo el mundo se abonen a LTE (vi), que promete a los consumidores velocidades en sus dispositivos móviles que rivalizarán con las disponibles a través de cable o DSL. Con los DSA, mezcladores y conmutadores SP9T disponibles actualmente en gran volumen (y con una planificación para SP12T y superiores), UltraCMOS se adapta bien para ofrecer soporte a los diseños de dispositivos móviles y estaciones base LTE.

(i)    ABI Research, Julio 2009. http://www.abiresearch.com/research/1003359. Consultado el 25 agosto 2009.
(ii)    In-Stat Research, Julio 2009. http://www.instat.com/press.asp?ID=2577&sku=
IN0904599CCM. Consultado el 25 agosto  2009.
(iii)    Telefonica conducts 1st tests of LTE in Spain http://www.cellular-news.com/story/36835.php
(iv)    GSA, Marzo 2009.  http://www.gsacom.com/news/gsa_265.php . Consultado el 25 agosto 2009.
(v)    Ranta, Tero y Rodd Novak.  “Antenna Tuning Approach Aids Cellular Handsets,” Microwaves & RF, Noviembre 2008. http://www.psemi.com/articles/2008/2008_ar_1.pdf. Consultado el 25 agosto 2009.
(vi)    ABI Research, Julio 2009. http://www.abiresearch.com/research/1003359. Consultado el 25 agosto 2009

Autores:

Dylan Kelly y Mark Schrepferman, Peregrine Semiconductor Corp.

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