Telefonía móvil celular

 

La telefonía se ha caracterizado por suministrar servicio de voz utilizando alambres de cobre para conectar a los dos usuarios.  Desde el inicio de la radio se había soñado con tener telefonía sin hilos en ingles “Wireless” o inalámbrica. El objetivo se ha logrado a finales del siglo pasado y hoy es una realidad a que nosotros en Colombia llamamos telefonía celular pero más internacionalmente se conoce como telefonía móvil.

Los radioaficionados usamos comunicaciones de radio para charlar entre don usuarios similar a como lo hace la telefonía pero tenemos algunas diferencias.

Los radioaficionados usamos un modo de transmitir llamado “semi-duplex” que significa que en un instante dado solo un usuario transmite mientras el otro escucha y después de un tiempo se invierte el sentido. En cambio en telefonía se usa el modo “full-duplex”, es decir que ambos usuarios transmiten i escuchan simultáneamente. En semi-duplex se utilizan un solo canal de radio, en cambio en full-duplex se requieren dos canales de radio y los dos tienen que estar separados en frecuencia lo suficiente para que no se interfieran la transmisión y la recepción en el mismo sitio.

Otra diferencia importante es que las comunicaciones de radioaficionados los dos usuarios son conocedores de la tecnología de radio, en cambio en telefonía los usuarios son ignorantes de la tecnología que se usa, su único deseo es comunicarse con otro corresponsal que también desconoce  la tecnología.

Radioteléfonos se ha construido casi desde el inicio de la radio. Basta poner en una caja un receptor y un transmisor a frecuencias fijas. Estos primeros radioteléfonos tenían varios inconvenientes: El receptor y principalmente el transmisor eran  grandes y pesados  difícil de transportar, además para que fueran móviles el suministro de energía debía hacerse por baterías o pilas y su consumo de energía los hacían poco prácticos.  Otro inconveniente era la antena.

Para reducir el tamaño del equipo y la antena se desplazó el diseño de radioteléfonos a frecuencias más altas, especialmente VHF y UHF. Como en esta frecuencias el alcance es reducido (al alcance de la vista), la potencia necesaria se reducía pudiéndose usar las baterías más eficientemente. Pero el tener un alcance muy corto era un inconveniente que se resolvió introduciendo estaciones de radio que actúan como repetidoras ampliando el alcance de los radioteléfonos.

En los años 70 las compañías de telecomunicaciones empezaron a estudia el problema de la telefonía por radio con el objetivo de permitirle al usuario “movilidad” y no estar restringido a tener teléfono únicamente a donde se pudiera tener una conexión alámbrica. Al principio cada compañía empezó a tener soluciones particulares pero con el tiempo todas las soluciones se han estandarizado y actualmente casi todos los sistemas son compatibles entre sí independiente de que compañía suministre los equipos o sean operadores de los sistemas.

Cuando tenemos un transmisor, hay un área alrededor de la antena del transmisor donde la señal es lo suficientemente fuerte para ser recibida sin problema. Esta área se conoce con el nombre “área de cobertura”.  El área de cobertura depende de la frecuencia, antena y altura de la antena y de la potencia del transmisor.  Si disminuimos la potencia, el consumo de energía del transmisor se reduce y por ende la duración de la pila se aumenta, pero reducir la potencia reduce el área de cobertura.

La solución para dar cobertura a un área grande, por ejemplo una ciudad, (o un país) es instalar muchos repetidores repartido en la ciudad, cada uno de ellos cubre una pequeña área de cobertura. Si dibujamos estas pequeñas áreas de coberturas logrando cobertura de toda la área estudiada. Este mapa queda como una colección de circulas tangenciales entre sí.  Si imaginamos las tangentes como líneas rectas los círculos parecen hexágonos (6 lados) muy similares a un panel de una colmena de abejas. La semejanza de este diseño con las celdas de un panal motivo el nombre de este sistema como “telefonía Celular”.

En telefonía celular las repetidoras se conocen como “radio bases”.  Una radio-base cubre una celda.

En telefonía celular varios usuarios pueden usar una misma radio-base.  Cada usuario necesita un “canal” para sostener su comunicación. Un canal es en realidad dos frecuencias, una para transmitir y otra para recibir. Para operar entonces una radio-base necesita de un rango de frecuencias conocido como “Banda” donde puede distribuir sus canales.

En realidad un operador de telefonía celular recibe del gobierno un paquete de bandas conocido como espectro previo pago de unos derechos. Entonces la compañía celular subdivide en muchas bandas la cual asigna a cada una de sus radio-bases.  Como la potencia de transmisión de una radio-base es muy pequeña entonces la misma frecuencia usadas en una radio-base puede ser reutilizada en otra radio-base que se encuentre relativamente separada para que no se causen interferencia.

Resumiendo: Un usuario de telefonía celular se conecta a una radio-base que trabaja en un rango de frecuencias llamada banda y dentro de la banda el usuario tiene asignado un canal. Como los canales son distribuidos dentro de la radio-base se llama “multiplexacion” ha sido el tema de las diferentes evoluciones que ha tenido la telefonía celular.

Los primeros sistemas celulares conocidos como de “primera generación”, la banda de frecuencia utilizada por una radio-base se subdividía en pequeños segmentos de frecuencia asignado a cada canal de usuario. Este ha sido el método más intuitivo de multiplexar y es el usado por ejemplo en  la banda de FM comercial de 98 a 180 MHz, la cual se divide en canales de 150 khz donde se alojan a las diferentes emisoras comerciales. El mismo método es usado por los radioaficionados en sus bandas: La banda de 40 metros utiliza frecuencias entre 7,0 a 7,3 MHz y cada usuario utiliza un pequeño canal de 3 KHz para SSB.

El metodo de distribuir los canales asignándole un pequeño segmento de frecuencia en la banda se conoce como Multiplexacion de Frecuencia y se abrevia como FDM “Frequency Division Mjultiplexing” o Multiplexacion por División de Frecuencia.

La primera generación de Celular se conoce por usar FDM.

A principio de los años 90 surgió otra forma de multiplexar.  La información de voz de las llamadas telefónicas se empezó a digitalizarla. En vez de emitir la información analógica de la voz se empezó a emitir el valor binario de la onda de voz. Generalmente el valor de la voz se codifica en 8 bits que se emite 8000 veces por segundo, esto equivale a emitir 8 bits cada 128 mS.

Entonces podemos tener un transmisor que emita los 8 bit de un canal, luego continúe con los 8 bits del segundo canal y así sucesivamente con los siguientes canales hasta lograr emitir por ejemplo 30 canales. La condición es que todos los canales se transmitan en un periodo de 125 ms para volver a transmitir los siguientes ocho bits del primer canal, seguido por el segundo canal, etc, etc.

La información de un canal llega cada 125 mS pero su lugar en el tiempo depende de cuantos canales le preceden.  En este sistema la multiplezacion se consigue por dividir el tiempo en vez de la frecuencia por eso se conoce como “Time Division Mulpiplexing” o TDM.

La segunda generación de celular se caracteriza por usar TDM.

En TDM la radio-base transmite continuamente un tren de pulsos digitales correspondiente a datos de cada canal individual sucesivamente  hasta completarlos todos cada 128 ms y entonces continua emitiendo los segundos valores de cada uno de los canales. El terminal de usuario escucha la transmisión de radio de la radio-base pero solo extrae los bits que le corresponde a su canal en el instante de tiempo que le corresponde.

Un avance que vino con la introducción de TDM es que las transmisiones pasaron a ser digitales es decir son transmisiones de datos. Un canal de 8 bits transmitido es 8000 veces por segundo equivales a un canal de 64 kBits por segundo. Nosotros podemos usar 64 kilobits por segundo para transmitir voz o podemos usas los mismos 64 kilobits para transmitir  información de texto (ASCII) a una velocidad de 8000 caracteres por segundo. Si queremos transmitir más datos podemos usar otro o varios canales.  Si quiere transmitir voz o datos queda más o menos a voluntad del usuario como quiere usar el medio.

Con TDM vino el gusto por usar la telefonía para transmitir datos que en cierta medida era un servicio complementario a la transmisión de voz. Una radio-base emite 8 bits por canal, 8000 veces por segundo que multiplicado por el número de canales, digamos 30 daría 8x8000x30 = 1,920 digamos 2 Mbits por segundo. Estos 2 Mbits/sec se reflejan en el ancho de banda. Podemos decir que una radio-base de TDM ocupa un ancho de banda de 2 Mbits/seg y aloja 30 canales de 64 kbits/sec cada uno.

En teoría podemos pasar datos a una velocidad de 2 MB/s pero nos quedaríamos sin poder transmitir voz.

La segunda generación de celular, es decir la tecnología TDM genero un aumento en el requerimiento de transmitir datos lo que se traducía en un requerimiento de mayor velocidad de transferencia de datos lo que forzó el desarrollo de la siguiente generación de celular o tercera generación.

La tercera generación se inició como un proyecto global para tener un sistema estandarizado en todo el mundo. La iniciativa se conoce como UMTS de sus siglas “Universal Movil Telecomunication system”.

El sistema UMTS escogió como modo de multiplexacion el CDM “Code Division Multiplexing” o multiplexacion por división de código. Más exactamente el método escogido fuel WCDM donde la letra W se refiere a Wide o ancho CDM.

Es muy difícil explicar en palabras sencillas como funciona el CDM o multiplexacion por división de código, pero lo que se puede afirmar es que todos los usuarios radian, al tiempo, a la velocidad que le da el ancho de banda pero el incluyen en la transmisión un código (un numero clave) que le permite al receptor recibir solamente la información que le interesa. Toda la otra información recibida correspondiente a los otros usuarios es tratada como ruido.

La tercera generación de celulares con la tecnología WCDM permitió a los usuarios manejar velocidades importantes de transferencia de datos. Como los datos necesitan ser manejados dentro de un protocolo se optó por el “protocolo de internet” conocido como IP y utilizado por la WEB o la gran red de redes, de esta manera los usuarios de telefonía celular pasaron a ser parte de la WEB.

El mayor pedido de transmisión de datos dio lugar a la idea de una cuarta generación de celulares o 4G.

1, 2, 3 o 4G no es ninguna denominación oficial, es solo un concepto y 4G se relaciona con un proyecto llamado LTE o “Long Term Evolution”  que a su vez es una idea genérica sobre cómo realizar una evolución en telefonía celular para lograr unos resultados a largo plazo.

La idea de LTE es evolucionar la telefonía celular para que un usuario (terminal) de celular tenga una conexión a internet equivalente a la que se obtiene actualmente por cable físico: más o menos 100 MHZ . Para lograrlo se están usando tecnologías mixtas casi todas basadas en CDM y mejores técnicas de modulación.

 

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