El ABC de la telefonía celular (parte 1)

Publicado en la Revista RED, Septiembre-Octubre de 2004.

Introducción
En 1971, la industria de la computación entrá a una nueva era. Los microprocesadores -a pesar de su poco tamaño y su bajo consumo de potencia- eran capaces de realizar cualquier tipo de tarea, por compleja que ésta sea.

Por otro lado, la tecnología de circuitos integrados a grande escala lográ reducir el enormemente el tamaño de los transreceptores móviles haciendo posible que éstos puedan caber en un automóvil. Todos estos avances ayudaron a desarrollar sistemas de telefonía móvil más avanzados permitiendo el consumo masivo, al reducir el costo y tamaño de los teléfonos celulares.

En enero de 1979, la FCC (Federal Communications Commission) de Estados Unidos (EUA) autorizó a la Compañía AT&T conducir el desarrollo de un sistema celular en el Área de Chicago. Subsecuentemente AT&T liberó el sistema celular conocido como AMPS (Advanced Mobile Phone System). Por otro lado, la compañía ARTS (American Radio Telephone Service, Inc.) fue autorizada para operar un sistema celular en el área de Washington, D.C. y Baltimore. Estos sistemas mostraron la capacidad y la factibilidad de los sistemas de telefonía celular.

Finalmente en octubre de 1983 se pone en operación el primer sistema comercial dentro de los EUA en la ciudad de Chicago.

La asignación de la banda de 800 MHz La decisión de la FCC para escoger la banda de 800 MHz para los sistemas celulares fue debido a limitaciones severas de espectro en las bandas de más baja frecuencia ocupadas por otros servicios como la televisión, radio en frecuencia modulada (FM), radiocomunicación móvil, entre otros. En 1974 la FCC asignó 40 MHz de espectro para el servicio de telefonía móvil para un concesionario único por región de servicio.

telefonia celular historia En 1980, la FCC reconsideró la estrategia de mercado único y estudio la posibilidad de dividir el espectro de 40 MHz en dos portadoras por área de servicio. La idea era eliminar la posibilidad de un monopolio y proporcionar las ventajas que acompañan a un ambiente de competencia. Entonces, estos 40 MHz se repartiría entre dos concesionarios, tocándole a cada uno un espectro de 20 MHz identificados como bloque A y bloque B o mejor conocidos como banda A y banda B.

El 24 de julio de 1986 se adicionaron 5 MHz a cada banda, correspondiéndole a cada concesionario un ancho de banda total de 25 MHz. Como a cada canal tiene asignado 30 KHz, en total suman 832 canales por banda [Tabla 1.1]. Como se asignan 42 canales para señalización y control, el número de canales para voz se reduce a 790.

El 19 de abril de 1989 la interface de aire para este sistema fue estandarizada por organismos estadounidenses como la ANSI (American National Standards Institute), la EIA (Electronic Industry Association) y la TIA (Telecommunication Industry Association), quienes definieron el estándar "Especificación de compatibilidad estación tierra - estación móvil" ANSI/EIA/TIA-553-1989 para el sistema AMPS extendido o EAMPS, el cual se convirtió en el estándar americano y la base para los sistemas analógicos de telefonía celular europeos.

El número limitado de canales para proveer una adecuada calidad de voz y un servicio con gran desempeño a un tamaño de población ilimitado es todo un reto para los concesionarios de telefonía celular.

Debido a la saturación de las bandas de 800 MHz (servicio celular analógico), se han abierto otros intervalos de frecuencias para aplicaciones móviles de manera digital. La banda conocida como PCS (Personal Communication Services) se encuentra en el intervalo de 1850-1910/1930-1990 MHz. Otras bandas en 2.1 GHz y 2.5 GHz también son consideradas para aplicaciones futuras de aplicaciones inalámbricas. Antecedentes de la telefonía celular en el mundo Paralelamente en otros países también se empiezan a desarrollar sistemas de telefonía inalámbrica. En Japón, por ejemplo, la NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corp.) desarrolló un sistema de telefonía móvil similar al AMPS en la banda de los 800-900 MHz. El japonés fue el primer sistema celular comercial en el mundo al introducirse en 1979 en el área de Tokio. Este sistema permitía un total de 600 canales de 25 KHz.

En Inglaterra en junio de 1982 el gobierno anunció un sistema celular conocido como TACS (Total Access Communications System) el cual tenia un número total de 1000 canales (600 asignados y 400 reservados) con una ancho de banda de 25 KHz por canal. Cellnet y Vodafone son los dos competidores con el sistema TACS en el Reino Unido.

En los países escandinavos (Dinamarca, Noruega, Suecia y Finlandia) en cooperación con Arabia Saudita y España, fue desarrollado un sistema conocido como NMT (Nordic Mobile Telephone). Este sistema celular opera en la banda de 450 MHz (base 463-467.5, móvil 543-457.5) con un ancho de banda total de 10 MHz con canales de 25 KHz. Este sistema no tiene transferencia de celda (hand-off) ni capacidades de roaming. Utiliza repetidores para incrementar la cobertura en áreas de bajo tráfico.

Otros sistemas celulares fueron implementados en diversos países con características similares al sistema europeo y al americano. En resumen los sistemas celulares más utilizados de esa época fueron el AMPS, TACS, NMT y NTT. A todos estos sistemas forman parte de la primer generación de la telefonía celular [Tabla 1.2].

Tabla 1.2 Tecnologías de la 1er Generación de telefonía móvil
Parámetros AMPS TACS NMT NTT
Frecuencia Tx (MHz)
Base
Móvil

870-890
825-845

935-960
890-915

463.5-467.5
453-457.5

870-885
925-940
Espacio entre frecuencias Tx/Rx (MHz) 45 45 10 55
Espacio entre canales (KHz) 30 25 25 25
Número de canales 882 1000 180 600
Cobertura radiobase (km) 2-25 2-20 1.8-40 5-10
Velocidad de transmisión (Kbps) 10 8 1.2 0.3

Funcionamiento de un sistema celular
Un sistema celular para su funcionamiento está compuesto por los siguientes elementos:

1.- Unidades móviles (teléfonos): Un teléfono móvil contiene una unidad de control, un transreceptor y un sistema de antena.

2.- Las celdas (radio bases): La radio base provee la interface entre el MTSO y las unidades móviles. Tiene una unidad de control, cabinas de radio, antenas y una planta de generadora eléctrica y terminales de datos.

3.- EL MTSO (El Mobile Telephone Switching Office): es el conmutador central móvil, el procesador de llamadas y el conmutador de las celdas. El MTSO está interconectado con la oficina central de telefonía pública. Además controla el procesamiento, monitoreo y tarificación de llamadas. En resumen, el MTSO es el corazón de un sistema de telefonía celular.

4.- Las conexiones o enlaces: Los enlaces de radio y datos interconectan los tres subsistemas.

Los sistemas de telefonía celular son sistemas de radio que involucran transmisión distribuida. Muchos usuarios pueden accesar al servicio en una área de cobertura limitada. Esta área está dividida en pequeñas áreas conocidas como celdas. Cada celda tiene un transmisor/receptor fijo conocido como radio base. Un usuario debe comunicarse con la radio base para establecer una llamada. La llamada puede ser de voz o de datos y la radio base se encarga de enrutar la llamada hacia cualquier red terrestre (e.g. Red Telefónica Pública Conmutada [RTPC]) o hacia otro usuario dentro de la misma red celular.

Cada usuario de un sistema celular es también llamado un suscriptor. El enlace que se establece de la radio base al suscriptor es referido como enlace de bajada o de ida (downlink). El enlace del suscriptor hacia la estación base es conocido como enlace de subida (uplink).

Los suscriptores celulares pueden ser estacionarios o móviles. Si el suscriptor es móvil, entonces la red celular debe ser capaz de manipular la situación en que el suscriptor móvil se mueva de una celda a otra. Este evento se le conoce como transferencia entre celdas (handoff o handover). Con el fin de asegurar que una llamada no se caiga cuando ocurra una transferencia de celda, la información acerca de la unidad móvil es usualmente conocida por las radio bases involucradas en la transferencia de celdas. Esta información es transferida a través de otro tipo de enlaces, donde se envía también información de control y señalización. A estos enlaces se les conoce como red dorsal. La red dorsal consiste de varias entidades entre la RTPC y la radio base. La radio base usualmente hace interface con un Controlador de Radio Bases (CRB). Uno o mas CRBs son usualmente conectados a un MTSO el cual está conectado directamente a la RTPC.

Una red celular esta compuesta por muchas celdas acomodadas geográficamente. Por lo regular, una radio base utilizará frecuencias diferentes para comunicarse con las demás radio bases en celdas vecinas. El factor de reuso de frecuencias permite que un número mínimo de frecuencias sean utilizadas en una red celular asegurando la no-interferencia entre las celdas. Para fines de diseño las celdas son representadas en forma hexagonal. Este tipo de representación frecuentemente da como resultado reuso en frecuencia en un factor de 7, el mínimo número de frecuencias necesarias para asegurar que las radio bases vecinas no tengan que ocupar las mismas frecuencias. La representación hexagonal es adecuada para análisis preliminar de una red celular. En la realidad, diversos factores como el terreno, edificios, construcciones, densidad poblacional hacen que el área de cobertura de una radio base sea irregular.

Las técnicas de acceso múltiple
Una de las estrategias más importantes para aumentar el número de usuarios en un sistema celular radica principalmente en la técnica de acceso múltiple que este sistema emplee. Las técnicas de acceso múltiple en un sistema inalámbrico permiten que varios usuarios puedan estar accesando simultáneamente un canal o un grupo de frecuencias, lo que permite el uso eficiente del ancho de banda.

Existen tres técnicas para compartir un canal de Radio Frecuencia (RF) en un sistema celular:
a) FDMA (Acceso Múltiple por División de frecuencias, Frequency Division Multiple Access)
b) TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo, Time Division Multiple Access)
c) CDMA (Acceso Múltiple por División de Código, Code Division Multiple Access)

FDMA
Los sistemas celulares basados en FDMA formaron la base de los primeros sistemas celulares en el mundo. FDMA fue implementada en la banda de 800 MHz utilizando un ancho de banda de 30 KHz por canal.

FDMA subdivide el ancho de banda en frecuencias, cada frecuencia sólo puede ser usada por un usuario durante una llamada. Debido a la limitación en ancho de banda, esta técnica de acceso es muy ineficiente ya que se saturan los canales al aumentar el número de usuarios alrededor de una celda. Esta técnica de acceso múltiple predominó en los sistemas celulares analógicos de la primer generación. La tecnología más conocida de esta generación es conocida como AMPS (American Mobile Phone System).

TDMA
Después de la introducción de FDMA, operadores celulares y fabricantes de equipo inalámbrico reconocieron las limitaciones de esta técnica de acceso analógica. Años más adelante aparecen los primeros sistemas celulares digitales basados en TDMA. Con el fin de continuar la compatibilidad con la asignación de espectro del sistema anterior ocupado por la tecnología AMPS, se desarrolla en Norteamérica a finales de los 80s un sistema conocido como DAMPS (Digital AMPS) también con 30 KHz de ancho de banda por canal. En Europa se desarrolla también un sistema celular digital basado en TDMA conocido como GSM (Groupe Special Mobile) con canales de 200 KHz. Los primeros sistemas bajo GSM fueron instalados en 1991, mientras el primer sistema instalado en Norteamérica fue instalado en Canadá en 1992.

Los sistemas celulares bajo TDMA utilizan el espectro de manera similar a los sistemas TDMA, con cada radio base ocupando una frecuencia distinta para transmitir y recibir. Sin embargo, cada una de estas dos bandas son divididas en tiempo (conocidas como ranuras de tiempo) para cada usuario en forma de round-robin. Por ejemplo, TDMA de tres ranuras divide la transmisión en tres periodos de tiempo fijos (ranuras), cada una con igual duración, con una asignación particular de ranuras para transmisión para uno de 3 posibles usuarios. Este tipo de metodología requiere una sincronización precisa entre la terminal móvil y la radio base. Como puede verse en este esquema de tres ranuras por canal, se incrementa en un factor de tres la capacidad de TDMA con respecto a FDMA. CDMA
A mediados de los 80s algunos investigadores vieron el potencial de una tecnología conocida como espectro disperso (spread spectrum) la cual era utilizada para aplicaciones militares pero que también podría ser usada para telefonía celular. Esta tecnología de espectro disperso involucra la transformación de la información de banda angosta a una señal de banda amplia para transmisión, la cual puede ser vista como una manera de aumentar las capacidades de los sistemas TDMA que limitan el número de usuarios al número de ranuras de tiempo.

Espectro disperso (Spread Spectrum) es una tecnología de banda amplia desarrollada por los militares estadounidenses que provee comunicaciones seguras, confiables y de misión critica. La tecnología de espectro disperso está diseñada para intercambiar eficiencia en ancho de banda por confiabilidad, integridad y seguridad. Es decir, más ancho de banda es consumido con respecto al caso de la transmisión en banda angosta, pero el "trueque" ancho de banda/potencia produce una señal que es en efecto más robusta al ruido y así más fácil de detectar por el receptor que conoce los parámetros (código) de la señal original transmitida. Si el receptor no está sintonizado a la frecuencia correcta o no conoce el código empleado, una señal de espectro disperso se detectaría solo como ruido de fondo. Debido a estas características de la tecnología de espectro disperso la interferencia entre la señal procesada y otras señales no esenciales o ajenas al sistema de comunicación es reducida.

Al asignar diferentes códigos únicos a los usuarios, un sistema de acceso múltiple es posible. A este método de acceso múltiple se le conoce como CDMA. Las limitaciones de reuso de frecuencia vistas en FDMA y TDMA ya no son tan críticas en CDMA, ya que múltiples terminales móviles y radio bases pueden ocupar las mismas frecuencias a la vez. Es obvio entonces que la capacidad en usuarios en CDMA se incrementa bastante con respecto a las otras dos técnicas de acceso múltiple.

En la segunda parte de este artículo hablaremos sobre las diversas generaciones de telefonía celular y sobre las tecnologías más importantes.

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