¿Cómo funcionan las redes inalámbricas de telefonía móvil?

24 Feb 2017
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Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

La telefonía móvil ha experimentado un vertiginoso desarrollo gracias a la confluencia de dos factores: de una parte, el incremento de las prestaciones de los circuitos integrados que incorporan los teléfonos móviles, que hacen de estos dispositivos verdaderos ordenadores personales con un tamaño muy reducido y de otra, el avance en los protocolos de comunicación imprescindibles para facilitar la conexión entre terminales que pueden estar separados por centenares o incluso miles de kilómetros. En un artículo previo describí las características del primero de esos elementos: el teléfono; en este me centraré en el segundo, las redes de comunicaciones.

1. Funcionamiento de una red de telefonía móvil

En esencia, un teléfono móvil es un receptor-transmisor que recibe y envía ondas electromagnéticas de radiofrecuencia. El terminal convierte las ondas sonoras de nuestra voz en ondas electromagnéticas, que viajan a través del aire, siendo recibidas y reenviadas hasta el destinatario del mensaje mediante una o más antenas repetidoras. Una vez alcanzan el teléfono del destinatario, son convertidas nuevamente en sonido para que este pueda escuchar el mensaje.

     1.1. Cobertura territorial: red de celdas

Para poder dar servicio a un territorio determinado sin que haya zonas fuera de cobertura, las redes inalámbricas operan dividiendo el terreno en cuadrículas llamadas celdas o células [1], en cada una de las que se instalan una o más antenas repetidoras. Cada celda puede cubrir desde unas pocas manzanas de una ciudad densamente poblada hasta extensiones de 200 km2; generalmente son de forma hexagonal, ya que esa figura geométrica permite cubrir una región geográfica con el menor número de celdas posible sin dejar áreas sin cobertura, permitiendo además que la distancia entre las antenas de las celdas sea la misma en todo el territorio, evitando problemas de mala recepción de la señal.

Cada celda utiliza un conjunto de frecuencias de radio para facilitar la comunicación en su área específica. El alcance de estas frecuencias se limita a la celda donde dan servicio y con objeto de evitar problemas de interferencia, una misma frecuencia puede ser usada simultáneamente en celdas cercanas pero no contiguas. A su vez, dentro de una celda cada frecuencia tiene lo que se conoce como un ancho de banda, lo que permite “incluir” dentro un elevado número de canales para que un gran número de usuarios puedan hablar sin interferirse entre ellos [2].

La siguiente figura ilustra la división territorial en celdas y la utilización por parte de cada una de las distintas frecuencias. Como se puede deducir, cada celda utiliza un séptimo de las frecuencias disponibles, lo que permite que los usuarios situados en ellas puedan comunicarse sin sufrir interferencias:

Izquierda: división de un territorio en celdas. La celda central opera a una frecuencia y cada una de las celdas contiguas trabaja a frecuencias cercanas, pero diferentes. En la esquina superior hay una celda que vuelve a usar la misma frecuencia que la central. Centro: en áreas rurales, las antenas son omnidireccionales y se sitúan en el centro de cada celda. Derecha: en áreas urbanas, con gran cantidad de usuarios potenciales, las antenas se suelen colocar en tres vértice no consecutivos de cada hexágono.

En la actualidad, la mayoría de los teléfonos móviles utilizan tecnología digital, lo que significa que el teléfono convierte cada mensaje de voz en un código compuesto de multitud de los dígitos binarios 0 y 1; es decir, una conversación se convierte en un paquete de datos agrupados de acuerdo a un lenguaje preestablecido. Ese paquete que contiene la voz codificada se transmite por el aire en forma de ondas electromagnéticas hasta alcanzar al teléfono receptor, en donde el proceso de conversión se invierte para transformarse nuevamente en voz y la persona que recibe la llamada la escucha con normalidad.

     1.2. Conversando con un teléfono móvil

Para el correcto funcionamiento de una red de telefonía móvil, en cada celda hay una estación base (en lo que sigue, EB) que consta de antenas receptoras-emisoras y otros equipos electrónicos. Las antenas se sitúan en el centro de la celda o en los vértices, dependiendo del entorno (rural o urbano, véase la figura anterior) y se encargan de conectar a las personas que están situadas en ese momento en esa celda y les permiten hablar, conectarse a Internet, etc. Las antenas son de tamaño reducido y se pueden instalar en los tejados de edificios; su presencia resulta familiar en nuestras ciudades y campos:

Izquierda: esquema de una instalación de antenas del vértice de una celda instalada en un área urbana. Derecha: antenas del vértice de una celda, localizadas en el techo de un inmueble.

La tecnología celular requiere un gran número de EB para cubrir el área geográfica de un determinado territorio; en una ciudad grande puede haber cientos de estas estaciones. Cada operador en una determinada área geográfica tiene un centro de control (en inglés se denomina el Mobile Telephone Switching Office, en lo que sigue, MTSO), que se encarga de identificar y canalizar todas las conexiones telefónicas que se producen entre los usuarios y las EB de esa región. Una llamada de teléfono se realiza siguiendo los siguientes pasos, que se ilustran en la figura:

Representación esquemática del funcionamiento de una red de telefonía móvil

i) Al encender el teléfono móvil, éste busca una señal para confirmar que el servicio está disponible. Un vez que la recibe de la EB más cercana, el teléfono se conecta con esta y transmite ciertos números de identificación, para que la red verifique datos tales como la compañía telefónica a la que está adscrito el usuario y su número de teléfono.

ii) A continuación, el teléfono móvil envía un mensaje a la EB solicitando una conexión con el número de teléfono con el que desea hablar. El mensaje es recibido por el MTSO que controla la zona.

iii) El MTSO busca el teléfono del destinatario, enviando mensajes a varias EB. Una vez localizada la EB más cercana al teléfono receptor, el MTSO acepta la llamada y decide cuál de los canales que pueden usar los teléfonos para comunicarse está libre.

Todo esto sucede antes de que quien efectúa la llamada haya dicho “hola”.

iv) El MTSO establece la conexión entre los dos teléfonos, a través de las EB a las que están conectados cada uno.

v) A partir de ese momento, se realiza la llamada.

vi) A medida que el usuario se mueva dentro de la celda, la EB notará que la intensidad de la señal emitida por el móvil varía. Entretanto, la EB de la celda hacia la que se está acercando en su desplazamiento notará que la señal se hace cada vez más intensa. Las dos EB se coordinan entre a sí a través del MTSO y en algún punto el teléfono recibe una señal que le indica que cambie a la frecuencia de la nueva EB, al haberse movido a otra celda. Este cambio (handoff) evita que la conversación entre dos teléfonos se interrumpa porque la potencia de la señal sea insuficiente.

2. Origen y desarrollo de las redes de telefonía móvil

El primer país que instaló una red de comunicaciones para teléfonos móviles fue Japón, en 1979. En Europa, los países escandinavos fueron los primeros en el año 1981 y en EEUU comenzaron a funcionar en 1983. La evolución histórica de las redes móviles, desde sus orígenes hasta el momento presente, así como las principales características de cada una de ellas son las siguientes:

     2.1. Primera generación 1G

Fue desarrollada por el histórico fabricante sueco Ericcson, utilizaba canales de comunicación analógicos y servía exclusivamente para transmitir mensajes de voz, con muy escasa seguridad en las comunicaciones y mala transferencia en el paso de una celda a otra. En España, el primer operador de telefonía móvil fue Telefónica, con un sistema muy similar que se denominó Moviline. Empezó a operar en 1990 y desapareció en 2003, siendo sustituido por un sistema digital, Movistar, nombre que después se ha extendido al resto de servicios de la compañía.

     2.2. Segunda generación 2G

Llegó al comienzo de la década de los 90 y fue el primero en utilizar protocolos de comunicación digitales, siendo el más famoso el conocido como GSM (Global System for Mobile communications). Fue el primer sistema en permitir la transmisión de datos, los populares SMS (Short Message Service), además de voz con un cierto nivel de encriptación.

     2.3. Tercera generación 3G

Surgió como respuesta a la necesidad de mayores velocidades de transmisión de datos y mayores capacidades, que permitieron ofrecer nuevos servicios a los usuarios: además de voz y datos, posibilitó el acceso de los terminales a Internet. El protocolo europeo se denomina UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

     2.4. Cuarta generación 4G

Comercializada por las operadoras de telefonía móvil desde 2010 ofrece, entre otras mejoras, mayor seguridad y calidad de servicio, junto a velocidades de acceso muy superiores a las anteriores. Este sistema se ha extendido gracias al uso masivo de los smartphones. La tecnología 4G ha permitido la generalización de aplicaciones tales como Whatsapp, videojuegos en el móvil, navegación en Internet, etc.

     2.5. Quinta Generación 5G

Se espera que esté disponible en 2020. Su característica principal será la mayor velocidad de transferencia de datos e imágenes.

Las distintas redes de comunicaciones inalámbricas, con el año aproximado de su introducción, así como las marcas de móviles y algunos de sus terminales más célebres.

Estas son las bases de funcionamiento de las redes de telefonía móvil, descritas de manera simplificada y omitiendo buen número de datos técnicos que harían la lectura de este artículo demasiado farragosa. El lector interesado en conocer más detalles puede consultar esta presentación.

3. Notas

[1] De ahí el nombre que reciben los teléfonos móviles en la América de habla hispana, teléfono celular.

[2] Con las cautelas con las que hay que entender cualquier simplificación, es posible hacer un símil explicativo de lo que es la frecuencia, el ancho de banda y los canales: imagine un cable de conexión de cualquier electrodoméstico; el conjunto del cable con su envoltorio representaría la frecuencia, la sección del cable por donde se meten los finos hilos de cobre de su interior representa el ancho de banda y cada uno de los hilos, cada uno de los canales individuales de comunicación, la imagen lo muestra:


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