A la espera de la cuarta generación (4G) de la telefonía móvil


Introducción
4G Wimax LTELa telefonía celular es sin duda una de las tecnologías de comunicación más importante por su gran penetración a nivel mundial desde su aparición de manera comercial hace 30 años. Según un comunicado de prensa de septiembre de 2008 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, International Telecommunications Union), mundialmente, hay más de 4 mil millones de usuarios de teléfonos móviles, equivalente al 61% de la población en el planeta. Y que a finales del 2008, globalmente, había tres veces más usuarios de teléfonos móviles que de teléfonos fijos. En el mismo comunicado de prensa, el secretario general de la ITU, Hamadoun Touré, declaró "que la telefonía móvil no sólo es la tecnología de más rápido crecimiento en el mundo, sino también la que más se ha expandido en el planeta”.

En este artículo abordaremos las principales características de la cuarta generación de telefonía móvil. Empezaremos por platicar una breve reseña histórica de las generaciones de la telefonía móvil, para posteriormente abordar la definición y puntos claves que debe de contar los servicios de 4G según la ITU. Finalizaremos describiendo las dos principales tecnologías contendientes en la carrera por alcanzar la cuarta generación de la telefonía celular, analizando sus diferencias y sus similitudes.


Antecedentes
En 2009, se cumplen 30 años de la entrada en operación del primer sistema de telefonía celular comercial en el mundo. Este primer sistema fue introducido en 1979 en la ciudad de Tokio, Japón por la compañía NET. En 1981 fue lanzado en Dinamarca, Finlandia, Noruega y Suecia su primer sistema de telefonía móvil conocido como NMT (Nordic Mobile Telephony). Posteriormente en 1983 se instala el primer sistema celular en Chicago, EUA conocido como AMPS (Advanced Mobile Phone System).

Desde entonces la evolución de la telefonía móvil se ha seguido en base a las generaciones marcadas por 1G, 2G y 3G, correspondientes a la primera, segunda y tercer generación. Cada una de ellas con características muy especiales que la diferencian notablemente una de la otra.

A finales de los 70s y principios de los 80s, aparece la primera generación (1G), la cual se caracterizó por ser analógica, utilizando la técnica de acceso al medio: Acceso Múltiple por División de Frecuencias (TDMA, Time Division Multiple Access). Dado su limitado ancho de banda, los servicios de la 1G eran sólo de voz. Además, debido al número limitado de canales, las llamadas se bloqueaban con regularidad. La no disponibilidad de la red y la inseguridad, fueron las principales quejas de los usuarios.

En los 1990s, la industria de la telefonía celular evolucionó hacia una segunda generación (2G). La generación 2G se caracterizó por ser digital, por lo cual aparecen nuevos servicios tales como el identificador de llamada, conferencia tripartita, trasferencia de datos a baja velocidad y el envío de mensajes cortos (SMS, Short Message Service). En esta generación aparecen dos técnicas de acceso contendientes. Por un lado, el TDMA (Time Division Multiple Access) y por el otro CDMA (Code Division Multiple Access) de Qualcomm. En Europa aparece una tecnología basada en TDMA, conocida como GSM (Global System for Mobile Communications), la cual tiene muchos adeptos alrededor del mundo, empezando así una guerra de tecnologías alrededor del mundo.

La necesidad de los usuarios por nuevos servicios y aplicaciones, dieron origen a una tercera generación (3G), la cual prometía velocidades de información de hasta 2 Mbps. Al igual que la segunda generación, la 3G evolucionó en dos ramas. Por un lado, CDMA y por el otro tecnologías basadas en TDMA/GSM, que evolucionaron hacia GPRS (General packet radio service), EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution) y eventualmente a UMTS/HSPA (Universal Mobile Telecommunications System/High Speed Packet Access). Estas redes de 3G permiten servicios de datos, multimedia, acceso a Internet, televisión en tiempo real, etc. La primer compañía en el mundo que ofreció servicios de 1G fue la operadora japonesa NTT Docomo en Octubre de 2001. En la actualidad, muchos países en el mundo cuentan con operadores que brindan servicios de tercera generación. Obviamente, tales servicios no están al alcance de las posibilidades económicas de las personas, sobre todo en los países en vías de desarrollo.


A la espera de la 4G
En muchos países en donde la tercera generación está firmemente afianzada, están a la espera de una cuarta generación. A diferencia de las redes de 3G, la cuales están construidas sobre la infraestructura de conmutación de circuitos de las redes de 2G. La 4G será totalmente otra red que utilizará el  Protocolo de Internet (IP, Internet Protocol) como base y velocidades similares a la de las redes cableadas de banda ancha.

Qué es la 4G?
La Union Internacional de Telecomunicaciones (www.itu.ch) es una de las organizaciones que ha puesto las directivas o lineamientos de  los atributos que deben tener algunos servicios o tecnologías como la telefonía celular. La ITU como autoridad reconocida internacionalmente puso orden cuando varias compañías empezaron a ofrecer servicios de 3G sin cumplir con los requerimientos mínimos establecidos por esta organización. A las compañías celulares que ofrecerían servicios que no cumplieron con lo definido por la ITU para 3G, se les conoció como servicios de 2.5G.   

Con la llegada de la 4G, la ITU-R (la división de radiocomunicaciones de la ITU) redactó un documento conocido como 4G/IMT, donde establece los requerimientos mínimos para los servicios de cuarta generación, y así poner orden desde el principio. En este documento la ITU ha establecido que la 4G "deberá ser una red completamente nueva, una red de redes y un sistema de sistemas integrados totalmente basados en el protocolo IP, resultado después de la convergencia de las redes cableadas e inalámbricas".  Las redes 4G serán enteramente por conmutación de paquetes IP.

De acuerdo con la ITU, las redes de 4G serán capaces de proveer velocidades de datos de bajada de 100 Mbps y 1 Gbps, en ambientes exteriores (móviles) e interiores (fijos), respectivamente. Para que se den una idea, la ITU estableció una velocidad máxima de 2 Mbps en ambiente de interiores para las redes de 3G, las velocidades esperadas para la 4G superan por mucho esa cifra. Las redes 4G tendrán calidad de servicio (QoS) y alta seguridad extremo a extremo. Ofrecerán cualquier tipo  de servicio en cualquier momento, en cualquier lugar, con interoperatibilidad transparente, siempre activo, con costo accesible, en un sólo recibo y totalmente personalizado.  

Los puntos claves del documento 4G/IMT de la ITU-R para la cuarta generación son los siguientes:

- Alto grado de coincidencia de la funcionabilidad en todo el mundo, manteniendo al mismo tiempo la flexibilidad necesaria para soportar una amplia gama de servicios y aplicaciones a un costo eficiente.
- Compatibilidad de servicios con las redes móviles y con las redes fijas.
- Capacidad de interconexión con otros sistemas de radio.
- Alta calidad en los servicios móviles.
- Aplicaciones, servicios y equipos amigables al usuario
- capacidad de conexión mundial (roaming)
- Altas velocidades de datos para soportar servicios y aplicaciones avanzadas.

Por último las tecnologías de radio de 4G deberán incluir:
- OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access), un esquema de modulación multiportadora altamente eficiente  
- MIMO (Multiple Input Multiple Output), un sistema de múltiples antenas que minimiza los errores de datos y la velocidad.

Tecnologías contendientes por la 4G
En la actualidad hay dos tecnologías contendientes para la cuarta generación de telefonía móvil. Por un lado se encuentra WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), y por el otro LTE (Long-Term Evolution).

WiMAX es un sistema de comunicación digital inalámbrico definido en el estándar del IEEE 802.16 para redes de área metropolitana (MAN, Metropolitan Area Network). Provee comunicaciones de banda ancha con cobertura de hasta 50 kms para estaciones fijas o de 5 a 15 kms para estaciones móviles. El estándar 802.16m, conocido como WiMAX móvil, es el que se empleará por las compañías celulares para servicios de 4G.  LTE, mientras tanto, es una tecnología definida por la organización 3GPP (3rd Generation Partnership Project, www.3gpp.org) en donde participan más de 60 operadores, fabricantes e institutos de investigación que están participando en conjunto para definir los estándares de LTE.  

Ambas tecnologías técnicamente son muy similares, en la forma de transmitir las señales y en las velocidades de transmisión. Tanto LTE, como WiMAX, utilizan MIMO, es decir, la información es enviada en dos o más antenas por celda para mejorar la recepción.  Ambos sistemas también utilizan OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), una tecnología que soporta transmisiones de video y multimedia. OFDM es una tecnología madura y altamente probada y que funciona separando las señales en múltiples frecuencias angostas, con bits de datos enviados a la vez en forma paralela.

Muchos expertos se han preguntado si LTE y WiMAX son tecnologías rivales o complementarias. Por ejemplo, desde la 2G, 2.5G y 3G, las tecnologías basadas en TDMA como GSM, tomaron un rumbo diferente a las tecnologías basadas en CDMA, debido a que tenían esquemas de modulación totalmente diferentes e incompatibles. Por el contrario, LTE y WiMAX tienen el mismo esquema de modulación (OFDM) y la misma forma de enviar las señales al aire por antenas múltiples (MIMO), además, ambas estarán basadas en el protocolo IP. En la tabla 1 se muestra una comparación de características técnicas entre ambas tecnologías.

Sobre la posibilidad de que LTE y WiMAX sean tecnologías complementarias, algunos expertos afirman que ambas tecnologías podrán co-existir en algunas regiones, y que los operadores podrán utilizar WiMAX para algunos servicios y LTE para otros.

Tabla 1. Comparación entre las tecnologías de 4G, WiMAX & LTE
Parámetros/Tecnología WiMAX 802.16e WiMAX 802.16m LTE
Disponibilidad Infraestructura de red 2007 2010 2009
Disponibilidad equipo terminal 2008 2011 2010
Organización de estándares IEEE & WiMAX Forum IEEE & WiMAX Forum 3GPP
Frecuencia (MHz) 2300, 2500, 3300, 3500, 3700 Menor de 6 GHz 700, 850, 900, 1800, 1900, 2100, 2500
Ancho de banda del canal 3.5, 5, 7, 8.75, 10 MHz Escalable 5-20 MHz 1.4, 1.6, 3.5, 10, 15, 20
Caudal eficaz del canal ~3.5 Mbps/Hz enlace de bajada 35 Mbps, 1 sector, canal 10 MHz ~5 Mbps/Hz enlace de bajada 50 Mbps, 1 sector, canal 10 MHz ~5 Mbps/Hz enlace de bajada 50 Mbps, 1 sector, canal 10 MHz
       
TDD: Time Division Duplex
FDD: Frequency Division Duplex
Fuente: Motorola.com

Conclusión
Tanto LTE como WiMAX técnicamente son muy similares, las diferencias tienen que ver más con políticas de los propios proveedores de servicios de telecomunicaciones, ya que estos serán los responsables de cual tecnología emplear, para posteriormente hacer una fuerte inversión de miles de millones de dólares para ver cristalizada la infraestructura de su red de cuarta generación.  Un punto a favor de WiMAX, es que es una tecnología madura y que está basada en estándares. Mientras que LTE es una tecnología relativamente nueva que está siendo estandarizada, pero que está bien respalda por la 3GPP. Pero ambas, son tecnologías prometedoras que brindaran a los usuarios velocidades nunca imaginadas en el mundo de la telefonía móvil.

En muchos países, compañías celulares ya están haciendo pruebas con LTE o WiMAX, en otros, están atorados en la parte regulatoria, debido a que no se han subastado las frecuencias para ofrecer estos servicios de manera legal. En muchos de los países subdesarrollados apenas están entrando los servicios de 3G; y como las tarifas no están al alcance del bolsillo de la mayoría de los usuarios, seguimos estancados utilizando servicios de segunda generación. Así que al escuchar la venida de una cuarta generación, sólo la vemos como un sueño y tendremos que esperar unos años más, tal vez muchos, para hacer de ese sueño una realidad.

El autor es profesor-investigador de la carrera de Lic. en Ciencias Computacionales de la Universidad Autónoma de Baja California (UABC) en Ensenada, Baja California, y puede ser contactado en This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
 
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