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Sistemas de telefonía móvil celular

Evolución de las comunicaciones móviles (3ª parte)

Joan Gil Sans, Grupo Trabajo Radiocomunicaciones Telecos.cat16/10/2017
En este tercer artículo se profundiza en la evolución de los sistemas de telefonía móvil celular sin entrar en detalles tecnológicos. Los sistemas celulares han evolucionado de ser una extensión del teléfono clásico que permitía realizar llamadas en movimiento para un público empresarial y de alto poder adquisitivo, a ser sistemas al alcance de todo el mundo cuyos terminales más que teléfonos son terminales de datos multimedia que permiten la carga de aplicaciones y el acceso a servicios muy diversos, que incluyen servicios bancarios, compras, navegación web, streaming, etc.
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Joan Gil Sans, Grupo Trabajo Radiocomunicaciones de la asociación Telecos.cat.

Paralelamente, el concepto de teléfono ha pasado de ser algo relacionado con un lugar (casa, oficina) a ser algo personal. Todo ello ha sido posible gracias a los continuos avances de la tecnología y el progresivo abaratamiento de los costes por parte del usuario, que han ido estimulando la demanda, cerrando así un círculo virtuoso.

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Cada estación base utiliza un grupo de canales distinto de las vecinas a fin y con efecto de no interferirse en las zonas limítrofes.

Conceptos básicos

Aquí se plantean unos conceptos básicos para entender a qué condicionantes está sujeto el despliegue de una red de telefonía celular desde un punto de vista práctico. Estos conceptos son de tipo financiero y de tipo técnico.

Desde el punto de vista financiero hay tres indicadores que tienen que ver con la solvencia de los operadores:

  • ARPU (Average Revenue Per User). Ingresos por usuario. El precio de mercado pone un techo a las tarifas para un mismo servicio.
  • CAPEX (Capital Expenditure) Gastos de capital, o gasto incurrido para obtener futuros beneficios.
  • OPEX (Operational Expenditure). Gastos de operación. Son los gastos necesarios para mantener la red en servicio, que incluyen el mantenimiento.

Lógicamente los operadores necesitan que CAPEX y OPEX queden por debajo de sus ingresos (ARPU), lo cual tendrá efecto en sus decisiones entre las cuales la de optar por un nuevo sistema que garantice la rentabilidad.

Desde el punto de vista técnico, a medida que aumenta la demanda de servicio es necesario disponer de más estaciones base (o puntos de acceso), más cercanas unas a otras y con una cobertura más reducida y adaptada a su zona de servicio. Esto es una gran diferencia con los sistemas de broadcast (radio y televisión), mucho más intuitivos para la mayoría de personas, y se debe a una serie de factores que se explican a continuación de una manera breve y práctica.

En primer lugar, en los sistemas celulares una llamada de voz ocupa un canal de forma exclusiva, durante todo el tiempo de la llamada y en toda el área de cobertura de la estación base. Siendo el número de canales un recurso limitado por el espectro radioeléctrico disponible, la única forma de atender simultáneamente un número de llamadas muy superior al número de canales existente es reutilizar los mismos canales en áreas no adyacentes. A estas áreas se les llama células. Cada célula está servida por una estación base, y cada estación base utiliza un grupo de canales distinto de las vecinas a fin y efecto de no interferirse en las zonas limítrofes.

Luego, la forma de incrementar la capacidad de una red no es incrementar el número de canales (que está limitado), sino incrementar el número de células reduciendo el tamaño de las mismas.

Habida cuenta de que los canales utilizados en una célula serán utilizados en células próximas, pero no adyacentes, un exceso de cobertura de una de estas células que invadiera la zona de servicio de la otra provocaría interferencias co-canal. Luego es necesario ajustar la cobertura a la zona de servicio de la célula, motivo por el cual no son deseables los emplazamientos elevados en zonas de alta densidad.

Cuando el terminal móvil en su desplazamiento abandona la zona de cobertura de una célula y entra en la de la vecina debe producirse un traspaso de célula servidora o ‘hand-over’. Para que este se realice bien, es necesario un suficiente solapamiento de las coberturas de ambas células en las áreas de traspaso.

Esta capacidad de atender conexiones en movimiento y de realizar 'hand-over' diferencian los sistemas celulares, que responden a estándares de la UIT-R, de otros sistemas para conexiones de datos muchas veces a velocidades mayores como WIFI y WIMAX desarrollados por IEEE en sus normas 802.xx.

Con diferentes matices en cada sistema, estos conceptos son básicos para asegurar la calidad del servicio.

Evolución

A nivel global, en cada zona geográfica la evolución y los estándares han seguido caminos parecidos pero distintos de los que sería tedioso entrar en detalle. Para simplificarlo se tomará el caso español que es el más conocido de los lectores.

En líneas generales, lo que ha empujado cada nueva generación ha sido: mejorar las prestaciones de la anterior, aumentar la capacidad, añadir servicios, mejorar la eficiencia espectral (más tráfico con el mismo espectro), bajar el CAPEX y el OPEX, es decir, los costes de inversión y los costes de mantenimiento y mantener o incrementar el ARPU.

Primera generación (TMA-450 y TMA-900)

Los sistemas 1G estaban concebidos como redes analógicas de conmutación de circuitos para telefonía vocal en full-duplex, que se conectaban a la red pública telefónica.

En España estuvieron en servicio los sistemas TMA-450 y TMA-900, explotados ambos por la Compañía Telefónica Nacional de España (CTNE, actual Telefónica) en régimen de monopolio.

El TMA-450 (Telefonía Móvil Automática a 450 MHz) seguía el estándar nórdico NMT y se introdujo en España en 1982.

Los terminales móviles eran caros, pesados y voluminosos, de manera que solo podían ir montados a bordo de vehículos o embarcaciones. Por el coste de los mismos y las tarifas telefónicas, solo unos pocos usuarios empresariales y de alto poder adquisitivo podían permitírselo. Así mismo, el sistema tenía una capacidad muy limitada que no le permitía soportar más usuarios.

Hacia 1990 empezó a entrar en servicio el sistema TMA-900 también conocido como 'MoviLine', basado en el sistema TACS a 900 MHz y se fue abandonando el TMA-450, que durante un tiempo se mantuvo para cobertura marítima.

El sistema TACS funcionaba con modulación analógica FM y portadoras con un ancho de banda de 25 KHz cada una de las cuales soportaba un solo canal de voz. A este tipo de acceso (un usuario una frecuencia) se le conoce técnicamente como FDMA (Frequency Domain Multiple Acces). En este caso los terminales ya eran menos pesados y con el tiempo fueron reduciendo su peso, su volumen y su precio, a medida que se popularizaban. Como su precedente, este sistema no aseguraba el secreto de las comunicaciones, y era fácil escuchar una conversación con un sencillo receptor sintonizable a la frecuencia adecuada.

En el año 2003 finalizó el servicio, quedando algunas estaciones para dar cobertura al TRAC (telefonía Rural de Acceso Celular), que aseguraba el servicio telefónico en núcleos aislados.

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Segunda generación (GSM, DCS, GPRS)

La segunda generación fue la del sistema GSM (Global System Mobile), el estándar europeo de la ETSI (European Telecommunications Standards Institute). En España se empezó el despliegue hacia el año 1994 y ya se comercializó en régimen de competencia entre Telefónica y Airtel (ahora Vodafone).

Como la banda de frecuencias utilizada (900 MHz) coincidía en gran medida con la asignada a TMA-900, Telefónica tuvo que ir liberando frecuencias de dicho sistema para poder implantar el GSM.

Con el tiempo, el estándar GSM se amplió para incluir las comunicaciones de datos, primero en modalidad de conmutación de circuitos, y luego por conmutación de paquetes a través de GPRS (General Packet Radio Services) y EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution, o EGPRS).

GPRS y EDGE son servicios del tipo ‘best-effort’, cuyas velocidades de transferencia pueden variar entre 56 y 114 Kbps para GPRS y tres veces más para EDGE.

Hacia 1998 entró en servicio el sistema DCS que básicamente era igual que el GSM, pero a la frecuencia de 1800 MHz, al mismo tiempo que entraba un tercer operador, AMENA (hoy en día Orange).

Amena se encontró con dos operadores con sus redes ya bastante desarrolladas, e inició un despliegue muy agresivo que terminó de despertar los movimientos anti-antenas, los cuales pusieron a los operadores en serias dificultades para desplegar la red, e incluso para mantenerla.

Aquí empezó una dura batalla de los equipos técnicos de los operadores para poder mantener la calidad del servicio, puesto que el aumento de tráfico propiciado por el aumento de usuarios y por la moderación de las tarifas requería densificar la red, y esto en algunos lugares era sumamente difícil.

En un principio el estándar GSM fue desarrollado por la ETSI como una red digital de conmutación de circuitos para telefonía vocal en full dúplex para sustituir las antiguas redes celulares analógicas de primera generación (1G), a la que luego se le añadirían servicios básicos de datos, primero SMS y después servicios basados en GPRS.

GSM incluía además otras novedades, como fueron la introducción de la tarjeta SIM (Subscriber Identification Number) y el roaming. La SIM asociaba el terminal a la línea contratada, facilitando el cambio de terminal para una misma línea, o el uso de un mismo terminal por varios usuarios, o con operadoras distintas. El roaming consistía en que cuando un terminal, con su SIM del país de origen, se hallara en otro país pudiera recibir servicio de un operador local como si estuviera en su propio país.

Este sistema usaba modulación GMSK, con portadoras con un ancho de banda de 200 KHz, que permitían la transmisión de 8 canales de voz multiplexados en el tiempo (TDMA – Time Domain Multiple Access). La voz era digitalizada, el código obtenido se cifraba y se hacia un interleaving de los bits para obtener una transmisión más robusta. La eficiencia espectral era poco superior a la de los sistemas 1G, pero se reducían costes, se añadían nuevos servicios como el SMS, y el sistema era más seguro y más robusto frente a interferencias.

En cuanto a la infraestructura de red, desde un principio la nueva tecnología permitía multiplicar por 5 los canales de voz por equipo instalado, y se simplificaban la instalación y los ajustes, redundando en una drástica bajada del OPEX y el CAPEX respecto de los sistemas 1G. Así mismo, los terminales móviles fueron reduciendo su volumen, su peso y su precio, todo lo cual dio un fuerte impulso al mercado y a la competencia.

Tercera generación (UMTS)

En España y en Europa la tercera generación entró con el UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) y su despliegue empezó en 2002. El cuarto operador, Yoigo (Xfera), empezó a operar en 2006. Para ello se licenció la banda de 2100 MHz.

Durante los primeros años, se sacó poco provecho de la capacidad de transmisión de datos de UMTS, aunque el tráfico de datos iba aumentando discretamente. Pero a partir del año 2009, con la aparición de terminales con pantallas cada vez mayores y con la aparición de Android, iPad y sus numerosas Apps, el tráfico de datos se disparó.

También a partir del año 2009 la UE abrió la posibilidad de que las bandas de 900 y 1800 MHz hasta entonces dedicadas a GSM se utilizaran para UMTS (Refarming)1. Desde entonces, en España los operadores han ido liberando frecuencias de 900 utilizadas por GSM para UMTS en un proceso de desmontaje gradual del sistema GSM y más tarde frecuencias de 1800 MHz para LTE.

El estándar UMTS fue desarrollado por el 3GPP y forma parte del estándar IMT 2000 de la UIT partiendo de las especificaciones del sistema GSM/EDGE y de su estructura de red, pero con una modulación y unas técnicas de acceso totalmente distintas.

El objetivo de UMTS era integrar voz y datos a alta velocidad en un mismo sistema, permitiendo así múltiples servicios en modo circuito y en modo conmutación de paquetes como servicios interactivos de voz o videoconferencia, servicios de streaming, navegación web, FTP o servicios de datos interactivos. Como la tolerancia al error o a los retardos en la línea de cada uno de estos servicios eran distintos, cada uno de ellos requería distintos parámetros de QoS (calidad de servicio) y esto UMTS también lo debía gestionar.

Con la utilización de técnicas W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) para acceso múltiple, con portadoras de 5 MHz de ancho de banda y diversos esquemas de modulación basados en QPSK, el estándar UMTS conseguía un mayor aprovechamiento espectral que su predecesor GSM.

Las nuevas especificaciones HSDPA/HSUPA, con la aplicación de técnicas MIMO (Multiple Input Multiple Output) y de agregación de portadoras, aumentaron aun más la velocidad de transmisión de datos (hasta 42 Mbps) y el aprovechamiento espectral.

Con CDMA el límite de capacidad de una estación base ya no estaba en el número de transceptores como en 1G y 2G, ni siquiera en el número de códigos de spreading disponibles, sinó en la potencia. En UMTS el radio de una célula era distinto según el servicio que se requería y según la carga de tráfico que estuviera cursando. A mayor tasa de bits requerida, menor radio y a mayor tráfico soportado, menor radio también.

En cuanto a la arquitectura de red, es decir la estructura de todo aquello que hay entre el terminal de usuario y las redes públicas de datos o telefonía, UMTS adoptó una estructura casi igual que la de GSM ya evolucionada con GPRS. Esta estructura tenía caminos distintos para las conexiones en modo circuito y las conexiones en modo paquete, duplicidad que complicaba la red y la gestión de la misma.

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En UMTS el radio de una célula era distinto según el servicio que se requería y según la carga de tráfico que estuviera cursando. A mayor tasa de bits requerida, menor radio y a mayor tráfico soportado, menor radio también.

Cuarta generación (LTE y LTE-Advanced)

En 2013 empezó en España el despliegue del sistema LTE (Long Term Evolution) y a día de hoy su despliegue continúa en curso. En 2014 empezaron las primeras pruebas de LTE-Advanced en Madrid y Barcelona.

Al principio del despliegue LTE solo soportaba conexiones de datos. En caso de llamadas de voz, el sistema transfería la conexión automáticamente a la red UMTS, que siempre tenía cobertura donde la había de LTE.

Para LTE se asignó en un principio la banda de 2600 MHz2, pero ya se le tenía reservada la del 'dividendo digital' a 800 MHz que había quedado libre con la entrada de la Televisión Digital. Así mismo también se está instalando LTE en la banda de 1800 MHz a medida que se liberan frecuencias de DCS (Refarming).

El estándar LTE fue desarrollado por el 3GPP a partir de las especificaciones para GSM/EDGE y UMTS/HSPA, pero con una interface radio totalmente distinta y un núcleo de red mejorado (simplificado), con el objetivo de aumentar la velocidad de transmisión de datos, bajar la latencia, soportar nuevos servicios como IOT (Internet de las cosas) y reducir CAPEX y OPEX4.

La simplificación del núcleo de red se hizo a costa de suprimir las conexiones en modo circuito, que en los sistemas 1G, 2G y 3G soportaban las llamadas de voz. En LTE todas la conexiones eran IP (modo paquete), motivo por el cual el sistema en un principio no podía soportar llamadas de voz hasta que fuera posible gestionar una conexión con una tasa de bits garantizada y unos tiempos de latencia suficientemente bajos, es decir unos adecuados parámetros de QoS.

Sin embargo, con velocidades de bajada de hasta 100 Mbps LTE no cumplía con las especificaciones IMT-Advanced de la UIT-R (1 Gbps) para ser considerado 4G, a pesar de lo cual se le permitió ser considerado como tal por las notables mejoras que incorporaba con respecto a los sistemas 3G. En esta misma situación se encontraba el estándar WIMAX del IEEE.

La nueva versión LTE-Advanced3 sí cumple las especificaciones IMT-Advanced y se denomina 'True 4G', para ello utiliza la técnica de agregación de portadoras junto con técnicas MIMO que ya usaba UMTS. Pero para que sea posible una conexión 'True 4G' también es necesario que el terminal móvil la admita, y esto actualmente ocurre con muy pocos terminales llamados 4G. Hay una clasificación de los terminales por clases que indican las velocidades de bajada y de subida soportadas por el terminal.

La técnica de acceso de LTE se conoce como (OFDMA – Orthogonal Frequency Domain Multiple Access), y usa modulación OFDM -similar a la de la Televisión Digital- y portadoras de 10 MHz de ancho de banda (en España). Dicha técnica basada en la utilización de un elevado número de subportadoras, moduladas independientemente y capaces de transmitir en paralelo una secuencia de bits, proporciona una mayor protección frente a interferencias y cancelaciones provocadas por el multitrayecto a la vez que permite mayores velocidades de transmisión. Por su parte, para sacar provecho de estas capacidades también requiere el uso de complejas técnicas dinámicas de asignación de recursos.

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En 2014 empezaron las primeras pruebas de LTE-Advanced en Madrid y Barcelona.

5G, la quinta generación

La entrada en servicio de los primeros sistemas 5G está prevista para 2020. Actualmente los estándares están en fase de desarrollo y algunos grandes fabricantes están trabajando sobre prototipos.

Los sistemas 5G tendrán por objetivo una mayor capacidad que los actuales 4G, a fin y efecto de permitir una mayor densidad de usuarios de banda ancha móvil, y el soporte de comunicaciones de dispositivo a dispositivo, ultra fiables y masivas, y como no reducir CAPEX y OPEX.

Aunque los estándares están en desarrollo, algunas especificaciones se conocen. Así pues la UIT especifica velocidades de descarga mínimas de 20 Gbps y 10 Gbps de subida, y una latencia de 4ms.

Otros objetivos apuntarían a un menor consumo de batería de los terminales de usuario, necesario para muchos dispositivos IOT (Internet de las cosas). Esto significará cubrir un rango de necesidades muy diversas, para lo cual sería necesaria una gestión mejorada del QoS.

Conclusiones

Desde el estándar nórdico NMT de telefonía celular, que se introdujo en 1982, cada 10 años ha aparecido una nueva generación. Así pues el sistema GSM (2G) empezó su servicio comercial en 1992 (en España 1994), UMTS (3G) apareció en 2001 e inició su servicio comercial en 2002 y el sistema LTE (4G) empezó a operar en 2012 y en España un año más tarde, y alcanzó las plenas especificaciones ('True 4G') en 2014. Entre medio, los estándares se han ido completando con nuevas mejoras que ampliaban sus prestaciones, como GPRS, EDGE, HSDPA o HSUPA, que han hecho que el ritmo de mejoras fuera constante. Siguiendo en esta línea se prevé que los primeros sistemas 5G empiecen a ser operativos en 2020.

Aprovechando la evolución tecnológica, cada uno de estos sistemas ha ido introduciendo nuevos servicios y ha comportado una mejora de la eficiencia en el aprovechamiento de un recurso escaso como el espectro radioeléctrico. Ello ha supuesto un incremento de la complejidad de los sistemas y de las necesidades de procesamiento de datos, con la introducción de esquemas de modulación cada vez más complejos y técnicas como MIMO soportados por algoritmos cada vez más potentes y complejos, que han sido posibles gracias a la potencia cada vez mayor de los sistemas de procesado digital y a los continuos avances en la electrónica de RF.

Así mismo, con cada nueva generación han ido bajando los costes de inversión y mantenimiento (CAPEX y OPEX) para un mismo servicio, gracias a lo cual las tarifas se han ido mantenido, o incluso bajando, ofreciendo mayores prestaciones.

Con estos avances ya consolidados, los sistemas 5G continuaran en esta línea de más prestaciones, a base de mayor complejidad.

[1] 'Consulta pública sobre actuaciones en materia de espectro radioelectrico: refarming en bandas 900 MHz y 1.800 MHz, dividendo digital y banda 2,6 GHz' MINETUR 2010.

[2] 'Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias 2013'. Orden IET/787/2013, de 25 de abril. MINETUR.

[3] 'LTE-Advanced', 3GPP, http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/97-lte-advanced

[4] 'Future technology trends of terrestrial IMT systems', Report ITU-R M.2320-0 (11/2014)

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