El ABC de la telefonía celular (parte 2)

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

La segunda generación de telefonía móvil
Debido a las ineficiencias en el método de acceso múltiple FDMA empleado en la primer generación (1G) de la telefonía celular, se propusieron nuevas alternativas para incrementar la cantidad de usuarios simultáneos en una celda.

Aparece entonces diez años después TDMA y CDMA como tecnologías predominantes de esta segunda generación (2G). La 2G se caracteriza por ser digital, en vez de analógica como la 1G. Es decir, digital porque los aparatos móviles y las radio bases eran capaces de modular, codificar, etc. de manera digital, aunque las señales en el aire siguen y seguirán siendo analógicas. La digitalización trajo consigo la reducción del tamaño, costo y consumo de potencia en los dispositivos móviles, esto permitió que las baterías que alimentan a los celulares tengan más horas de duración. Otros de los beneficios de la digitalización en la telefonía celular, son nuevos servicios tales como identificador de llamada, envío de mensajes de cortos (SMS), mensajes de voz, conferencia tripartita, sólo por mencionar algunos. Estos servicios dependen del proveedor de servicios y de las funciones que soporte el teléfono.

Una nueva banda de frecuencias fue abierta para permitir estos servicios y nuevos competidores. La banda de 1.9 GHz (1,850 -1,990 MHz) conocida como PCS abrió nuevas expectativas para los usuarios y muchas compañías telefónicas tomaron este término de PCS para sus campañas publicitarias. En PCS están encasilladas tres tecnologías básicamente: GSM, TDMA IS-136 y CDMA IS-95. Estas tres tecnologías predominantes de la segunda generación se describen a continuación.

GSM
Europa empezó la era de la telefonía celular con 5 interfaces de aire analógicas e incompatibles entre sí. Para estandarizar todos estos sistemas en uno sólo, con roaming transparente en todos los países, se crea GSM (conocido también como Global System for Mobile Communications) por el organismo CEPT. En 1982 La Comisión Europea emite una orden en la cual sugiere a los países miembros reservar la banda de 900 MHz para GSM. En 1985, el CCITT creo una lista de recomendaciones técnicas para el sistema GSM. En la actualidad las especificaciones GSM son responsabilidad de la ETSI. En enero de 1992 la primer compañía celular con GSM, Oy Radiolinja AB, empieza a operar en Finlandia.

La mayoría de los sistemas basados en GSM operan en la banda de 900 MHz y 1.8 GHz excepto en Norteamérica donde se opera en la banda de 1.9 GHz. El sistema celular GSM 1900 ha estado operando en los Estados Unidos comercialmente desde 1996.

GSM usa una combinación de FDMA y TDMA en un espectro total de 25 MHz. FDMA divide esos 25 MHz en 124 frecuencias portadoras de 200 KHz cada una. Cada canal de 200 KHz es entonces dividido en 8 ranuras de tiempo utilizando TDMA. Bajo este esquema los sistemas GSM soportan velocidades de hasta 9.6 Kbps.

En la actualidad GSM es la tecnología celular con mayor penetración a nivel mundial, con más de 400 operadores en más de 170 países y superando los 650 millones de usuarios. Se proyecta que este número de usuarios aumente a 1,400 millones para el 2005.

TDMA IS-136
TDMA Interim Standard 54 (IS-54) fue liberado por la TIA a principios de 1991. En 1994, la FCC de EUA anunció la asignación de espectro para PCS en la banda de 1900 MHz y comienzan una serie de subastas de esa banda. TDMA IS-136, conocido también como DAMPS (Digital AMPS), es basado en la especificación IS-136, la cual es una revisión de la versión original IS-54. Las especificaciones del TDMA IS-136 fueron publicadas hasta 1994. TDMA IS-136 divide el ancho de banda de canal de 30 KHz en tres ranuras de tiempo, incrementando en 3 veces la capacidad con respecto a la versión analógica AMPS.

TDMA IS-136 permite velocidades de hasta 9.6 Kbps e incorpora una diversidad de servicios digitales y al mismo tiempo puede coexistir con la red analógica AMPS en los 800 MHz.

PDC es otra tecnología celular digital de segunda generación basada en TDMA que es utilizada ampliamente en Japón. Este sistema fue introducido por el operador japonés NTTDoCoMo en 1991 como un reemplazo de los antiguos sistemas analógicos. Opera en las bandas de 800 y 1,500 MHz operando a velocidades de hasta 9.6 Kbps.

CDMA IS-95
CDMA es una forma particular de la tecnología conocida como espectro esparcido (spread spectrum) y data de los años 40s y era usada para comunicaciones militares por su inmunidad a la interferencia y alta seguridad. En los 70s y 80s fue creciendo el interés en aplicaciones comerciales, principalmente en telefonía celular. A finales de los 80s y principios de los 90s, la compañía Qualcomm desarrolló un sistema celular basado en CDMA. En 1993 el sistema de Qualcomm fue modificado y adoptado por la TIA como el Interim Standard 95 (IS-95) conocido también como cdmaOne. Muchos operadores adoptaron este estándar en las bandas de 800 y 1900 MHz. En 1995 finalmente fue el lanzamiento del primer sistema comercial basado en CDMA IS-95A en Hong Kong por el operador Hutchison Telecom. CDMA IS-95 (cdmaOne) soporta servicios de datos en conmutación de circuitos a velocidades de 9.6 Kbps a 14.4 Kbps. El protocolo IS-95A soporta velocidades de hasta 14.4 Kbps. El protocolo IS-95B (basado en conmutación de paquetes), el cual es una paso transicional hacia la siguiente generación, ofrece velocidades de datos de hasta 64 Kbps manteniendo compatibilidad hacia atrás con los sistemas existentes de IS-95A. Con CDMA se incrementa la capacidad del sistema de 10 a 15 veces comparado con AMPS y más de tres veces comparado con los sistemas basados en TDMA. A parte de la eficiencia en espectro, CDMA ofrece capacidades de seguridad y privacidad al incorporan un sistema criptográfico de autenticación. A diferencia de ancho de banda de canal de los sistemas GSM y TDMA, CDMA utiliza un espectro de 1.25 MHz donde todos los usuarios pueden tener acceso a éste. En la actualidad los usuarios de CDMA suman mas de 100 millones en el mundo.

En el caso de México, TELCEL opera su red celular bajo TDMA, el resto de los operadores celulares (e.g. Pegaso, Movistar, Unefon, Iusacell) tiene su red bajo la tecnología CDMA.

Conmutación de circuitos versus conmutación de paquetes
Muchas de las redes y tecnologías celulares están basadas en conmutación de circuitos. Este tipo de redes establece circuitos continuos de transmisión que permiten a la red enrutar datos a una localidad especifica. La conmutación de circuitos requiere de un canal dedicado, incluso cuando no se estén enviando datos. Las redes de conmutación de circuitos permiten a los operadores celulares la transmisión de voz y datos a velocidades de hasta 14 Kbps.

Las redes de conmutación de paquetes trabajan de manera diferente a la conmutación de circuitos. Con conmutación de paquetes se envían y reciben ráfagas de datos. Cada ráfaga contiene un número secuencial permitiendo la recreación de bloques de datos una vez que todos los datos son enviados. Un canal es ocupado sólo por la duración de la transmisión de los datos en vez de usarse de manera continua. Las redes de conmutación de circuitos permiten a los operadores celulares la transmisión de voz y datos a velocidades desde 64 Kbps hasta 2 Mbps.

Tabla 1 Comparación entre las tecnologías inalámbricas
Tecnología Generación Tipo de transmisión Velocidad máxima
TDMA IS-136 2G Conmutación de circuitos 9.6 Kbps
GSM 2G Conmutación de circuitos 9.6 Kbps
PDC 2G Conmutación de circuitos 9.6 Kbps
CDMA IS-95A 2G Conmutación de circuitos 14.4 Kbps
CDMA IS-95B 2G Conmutación de paquetes 64 Kbps
GPRS 2.5G Conmutación de paquetes 115 Kbps
EDGE 2.5G Conmutación de paquetes 384 Kbps
CDMA 2000 1X 2.5G Conmutación de paquetes 144 Kbps
CDMA 2000 3G Conmutación de paquetes 2.0 Mbps
WCDMA 3G Conmutación de paquetes 2.0 Mbps

El camino hacia 3G
Fabricantes y operadores celulares han estado trabajando intensamente para desarrollar nuevas tecnologías para la siguiente generación de los sistemas inalámbricos. La decisión inicial de escoger la tecnología de acceso múltiple es muy importante, ya que de esta depende la rápida implantación de la tecnología [CDMA vs. TDMA] al menor costo. El moverse de una generación a otra [2G a 3G, por ejemplo] implica en la mayoría de los casos una nueva infraestructura de red para la nueva interface de aire, planeación de radio bases y modificaciones al corazón y dorsal de la red. Esto implica el desembolso de grandes sumas de dinero por parte de los inversionistas y cuya recuperación retornará en muchos años, si es que los planes de negocios son los adecuados. Los operadores cuya tecnología está basada en CDMA comentan que su migración a la siguiente generación será menos costosa que los sistemas basados en TDMA/GSM. Es por eso que operadores bajo TDMA optaron por hacer una transición más suave al implementar servicios de datos con redes de conmutación de paquetes a velocidades de 384 Kbps [EDGE] y 115 Kbps [GPRS]. A esta transición suave se le conoce como generación 2.5G. Estos sistemas 2.5G pueden aprovechar mucha de la infraestructura existente de la 2G para ofrecer nuevos servicios de datos.

Los nuevos estándares basados en IS-136 como IS-136+ y IS-136HS permiten transmisiones a mayores velocidades de información tal es el caso de EDGE y GPRS. Estas nuevas tecnologías de conmutación de paquetes pueden ser superpuestas sobre las redes existentes de TDMA/GSM permitiendo al sistema mantener su compatibilidad hacia atrás. GPRS utiliza 8 ranuras de tiempo por cada canal de 200 KHz y puede transportar paquetes basados en IP a velocidades de hasta 115 Kbps.

A pesar de que los servicios de GPRS ya tienen tiempo brindándose en Europa estos no han sido bien acogidos por los usuarios. Al final del 2001, más del 50 de los 76 operadores de Europa del este han lanzado sus redes GPRS y cerca del 3.3 millones de dispositivos GPRS han sido vendidos, pero sólo 1 millón de personas (31% de los cuales tienes dispositivos GPRS) usaron servicios de datos basados en paquetes, equivalente al 1.2 % de todos los suscriptores móviles. Aunque estas cifras son mejores en otros países, la penetración de dispositivos bajo otras circunstancias podría ser realísticamente cerca del 2% (alrededor de 5 millones de dispositivos) con al menos 45% de los propietarios de dispositivos de GPRS utilizando servicios de datos basados en paquetes. La otra tecnología de 2.5G conocida como EDGE pretende mejorar el caudal eficaz por ranura de tiempo de GPRS para soportar velocidades de hasta 384 Kbps utilizando los mismos 200 KHz por canal definidos en las redes GSM.

Los sistemas basados en CDMA en cambio no tienen esas limitantes de ancho de banda de canal de TDMA [30 KHz] y GSM [200 KHz]. Desde el principio se definió un ancho de banda de 1.25 MHz que seria compartido entre todos los usuarios. La siguiente generación de las redes bajo CDMA será en dos fases. La primer fase conocida como CDMA 2000 1X y la segunda conocida como CDMA 2000 3X. El término "1X" y "3X" se refiere a número de canales usados de la interface de aire con ancho de banda de 1.25 MHz. CDMA 2000 1X permitirá a los sistemas basados en CDMA mejorar los servicios de datos al brindar servicios de datos basados en IP a velocidades de hasta 144 Kbps en un canal de 1.25 MHz. A través de mejoras en la modulación y mejor control de potencia, estos sistemas podrán doblar la capacidad de los sistemas anteriores IS-95. Los servicios de CDMA 2000 1X ya están en operación en varios países como Corea del Sur, Japón, Estados Unidos, Australia, China y Nueva Zelanda, pero operadores de países de Europa, Asia y Latinoamérica piensan adoptarlo muy pronto.

¿Y la 3G, cuando?
La ITU definió a la tercer generación de servicios móviles (conocida como 3G) en base a diferentes velocidades de información las cuales permitirán la transmisión de voz, datos e imágenes en movimiento. Para brindar estos servicios deberán de alcanzarse velocidades de hasta 144 Kbps para ambientes en movimiento (por ejemplo dentro de vehículos en marcha); deben de alcanzarse velocidades de hasta 384 Kbps en ambientes de baja velocidad (peatones en movimiento) y deben alcanzarse hasta 2 Mbps en ambiente estacionarios o en interiores. Operadores celulares que no cumplan con estos requisitos no podrán estar dentro de la tercer generación.

Los operadores basados en TDMA/GSM como CDMA prometen llegar a la 3G, sí, ¿pero cuando?. Para los sistemas basados en TDMA/GSM ésta migración será más costosa [pasando por GPRS y EDGE] y al final de cuentas tendrán que llegar a un sistema basado en CDMA que se le conoce como WCDMA (Wide CDMA o CDMA de banda ancha). Para los sistemas basados en CDMA la migración será más suave hasta llegar a un estándar conocido como CDMA 2000. El 2000 era porque ese era el año en que se iba a liberar la tecnología, pero hasta la fecha siguen en ese intento. Los primeros servicios de CDMA 2000 fueron introducidos en Corea de Sur en el 2001 sirviendo a más de 1 millón de suscriptores, pero se planea llevar estos servicios de 3G a otras latitudes. Por otro lado, el operador NTTDoCoMo adelantándose por liberar un sistema de tercer generación lanzó al mercado japonés un sistema de tercer generación conocido como FOMA basado en WCDMA que permite velocidades de información de hasta 384 Kbps. En México recientemente Iusacell lanzo la tecnología CDMA2000 1X (144 Kbps), que es la fase 1 de la tercer generación.

Conclusión
Las velocidades de 3G definidas por la ITU no han sido superadas todavía, sólo NTTDoCoMo va a la delantera al ofrecer un servicio de paquetes de datos con velocidades de hasta 384 Kbps. Pero para que se alcance la última etapa de los 2 Mbps han de pasar unos años más y por ahí se habla de una 4G y de una 5G.

La elección de la mejor tecnología para proveer mejores servicios a bajo costo es primordial para los operadores de servicios inalámbricos. Las inversiones que se están realizando por parte de los operadores, tanto en infraestructura como la adquisiciones de nuevas frecuencias, son muy altas y la mayoría de ellos no han recuperado la inversión de la segunda generación y ya viene otra en camino. Hay que tomar muy en cuenta las necesidades de los usuarios quienes son a última hora los que deciden el éxito y el fracaso de cualquier tecnología.

REFERENCIAS
GSM World http://www.gsmworld.com/
ITU-T IMT-2000 http://www.imt-2000.org/portal/
Qualcomm http://www.qualcomm.com
Cellular News http://www.cellular-news.com
3G News Room http://www.3gnewsroom.com/
NTT DoCoMo http://www.nttdocomo.co.jp/english/
CDG http://www.cdg.org/


GLOSARIO
AMPS Advanced Mobile Phone Service
DAMPS Digital AMPS
CCITT Consultative Committee of International Telegraph and Telephones
CDMA Code Division Multiple Access
CEPT Conference of European Post and Telecommunications
EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution
ETSI European Telecommunications Standards Institute
EUA Estados Unidos de América
FDMA Frequency Division Multiple Access
FCC Federal Communications Commission
FOMA Freedom of Mobile Multimedia Access
GPRS General Packet Radio Service
GSM Groupe Spécial Mobile
IP Internet Protocol
ITU-T International Telecommunication Union
PCS Personal Communications Services
PDC Personal Digital Cellular
SMS Short Messages Service
TDMA Time Division Multiple Access
TIA Telecommunications Industry Association
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