Fundamentos de las comunicaciones móviles: en la palma de tu mano

Las comunicaciones móviles son un motor de la economía y lideran el crecimiento de las telecomunicaciones a nivel mundial. Su evolución ha sido vertiginosa hasta el punto de que hoy en día existen más teléfonos móviles (activos) que personas en el planeta. Por tanto, gran parte de las personas que nos rodean tienen un teléfono celular, saben utilizar el terminal, pero, ¿cuántas de ellas conocen el funcionamiento de un sistema de comunicaciones móviles?

Con este curso en línea queremos dar a conocer, en un lenguaje sencillo y sin necesidad de conocimientos previos de ingeniería, los fundamentos, arquitectura, evolución y tecnologías clave de los sistemas de comunicaciones móviles.

¿cómo funciona una red móvil?

Las comunicaciones móviles siguen el principio general de la telefonía: Conectar dos usuarios remotos a través del equipo de red de un operador responsable de la gestión del servicio. Sin embargo, a diferencia de los teléfonos fijos, en la red móvil no existen pares de cobre ni fibra óptica, y las transmisiones de radio constituyen el enlace final. El teléfono móvil del usuario comunica a través del aire con una antena, que a su vez comunica con la central del operador. Ésta encamina la comunicación hacia la parte correspondiente en la red fija o a través de otras antenas.

Para que la comunicación sea efectiva, el usuario móvil debe estar en el área de alcance de una antena. Ésta tiene un alcance limitado y cubre una pequeña área alrededor, llamada “celda” (de ahí el otro nombre de “red de celdas” o “red celular” utilizado a menudo para designar las redes móviles). Para cubrir el máximo territorio y garantizar que los usuarios puedan siempre llamar, los operadores despliegan miles de celdas, cada una equipada con estaciones base, asegurándose de que no haya huecos entre ellas para que nunca se pierda la localización de los usuarios

celdas urbanas, celdas rurales

El tamaño de las celdas depende de muchos factores como el tipo de antenas utilizado, el terreno (llanuras, montañas, valles, etc.), la ubicación de la instalación (área rural, urbana, etc.), la densidad de población, etc. El tamaño de la celda está también limitado por el alcance del teléfono móvil que debe ser capaz de establecer el enlace de retorno.

Además, una estación base tiene una capacidad de transmisión limitada y sólo puede gestionar simultáneamente un determinado número de llamadas.

Por ello, en las zonas urbanas, con alta densidad de población y un número importante de comunicaciones, las celdas tienden a ser numerosas y pequeñas (a cientos o incluso a sólo unas decenas de metros de distancia).

En las zonas rurales, con menor densidad de población, el tamaño de las celdas es mucho mayor, a veces, hasta varios kilómetros, aunque rara vez más de diez kilómetros.

Es importante subrayar que la disminución de la potencia de la señal emitida por las antenas conlleva una reducción de la cobertura de las celdas.

Al contrario, el incremento del número de celdas mejora la capacidad de transmisión de tráfico de voz o datos de la red pero requiere que se aumente el número de estaciones base.

Tecnología de comunicaciones móviles 5G

Desde tiempos muy remotos, cuando nuestros antepasados vivían en las cavernas, existía la necesidad de comunicarse entre ellos y quizás en esas épocas, los homínidos de quienes descendemos los humanos actuales, usaban métodos de comunicación similares a los usan todavía nuestros parientes más cercanos, que son los grandes simios, cuyas formas de comunicación están compuestas por: señas, gruñidos, gritos y golpes en el pecho, siendo esa parte del cuerpo utilizada como instrumento de percusión, para enviar sus mensajes a distancia.

Con el transcurrir del tiempo, la inteligencia humana de nuestros antecesores, sirvió para crear sonidos, palabras y frases con sentido, de tal forma que nacieron los lenguajes primitivos y según los relatos bíblicos del Génesis, después de ocurrir el diluvio universal, había un lenguaje común, porque quedaron muy pocos habitantes en la tierra, que eran los descendientes de Noé, hasta que ocurrió el evento de la torre de Babel –que según sus constructores iba a llegar hasta el cielo– y por tanto Yahveh –dios de los hebreos– lleno de ira, lanzó como castigo para que no siguieran la construcción: que los humanos se confundieran, al comenzar a hablar diversos lenguajes y además, que la gente se esparciera por la faz de la tierra –mito de la biblia, que pretende explicar el origen de los diversos idiomas–.

Entonces, surgió la necesidad de comunicarse con personas que vivían en sitios remotos y así se inventaron los tambores y las señales de humo, como medios de comunicación a distancia y al aparecer la escritura posteriormente, para poder enviar mensajes, se hacía uso de las palomas mensajeras y más adelante, se usaron los servicios de correo, con personas que llevaban las cartas: a pie, a caballo o en vehículos llamados diligencias.

Al aparecer la electricidad se inventó el telégrafo, que usaba redes de cables de cobre por donde viajaban los mensajes en forma de pulsos eléctricos y dicha tecnología usaba una codificación para las letras, números y caracteres especiales, basada en puntos y rayas, llamado el código Morse y los mensajes se denominaron como telegramas.

Un ingeniero electrónico italiano, llamado Guillermo Marconi, fue uno de los impulsores de la transmisión a distancia por ondas de radio, lo que permitió desarrollar un sistema de telegrafía sin alambres conductores, llamada la radiotelegrafía, que permitía la comunicación remota sin depender de ningún cableado, siendo muy útil para comunicarse con los navegantes de los barcos.

La radiotransmisión utiliza señales de radio que son ondas electromagnéticas, pues están formadas por campos eléctricos y magnéticos, que son vectores perpendiculares entre sí, de modo que su producto vectorial o producto cruz, genera otro vector que es la velocidad de la onda portadora de los mensajes, en forma de audio, video o datos y esto da origen a los sistemas más avanzados de comunicaciones actuales como son: radio, televisión, telefonía, comunicaciones satelitales, telefonía celular, etc.

Para entender el concepto de frecuencia en telecomunicaciones, usaré un artilugio físico llamado el péndulo simple: supongamos que colgamos una cuerda del techo de nuestra casa y en el extremo libre le colocamos un pequeño objeto de metal. Si desplazamos hacia nosotros ese objeto colgante y lo soltamos, por efectos de la gravedad, el mismo empieza a ir y volver al sitio desde donde se soltó, de tal forma que un viaje de ida y vuelta del objeto se conoce como un ciclo y la cantidad de veces que este ciclo se repite en un segundo, es lo que se llama frecuencia, de tal manera que la unidad de medida de la frecuencia es un ciclo por segundo y se le llama un Hertz, siendo que las radiofrecuencias son de miles de Hertz –Kilo Hertz o KHz–, millones de Hertz –Mega Hertz o MHz–, miles de millones de Hertz –Giga Hertz o GHz– que son términos usados más adelante del artículo.

Los teléfonos que usábamos hace muchos años atrás eran fijos y dependían de redes telefónicas hechas con alambres de cobre, pero con los avances técnicos, en la década de los años 1980, se implantó la tecnología telefónica móvil, llamada telefonía celular, pues las zonas geográficas se dividen en espacios llamados celdas –de ahí deriva el término celular– donde se instalan las antenas que dan cobertura a esas áreas geográficas.

La tecnología de comunicación celular se inició con la primera generación que se llamó 1G, usaba señales analógicas o continuas y permitía hacer solo llamadas de voz, con teléfonos móviles de tamaños, pesos y precios, considerablemente altos, que se llamaron coloquialmente los ladrillos.

La tecnología 2G reemplazó a la anterior en la década de 1990 y en ella se empezaron a usar señales digitales o discretas y además de poder hacer llamadas de voz, se empezaron a utilizar los mensajes de texto, llamados Short Message Service o SMS.

La tecnología 2G fue reemplazada por la tecnología de tercera generación o 3G y en esta se podía usar voz, mensajes de texto, datos y acceder a internet.

La siguiente etapa en la evolución de telecomunicaciones móviles fue la tecnología 4G, donde se alcanzaron mayores velocidades de trasmisión de datos, como son los 100 millones de bits por segundo o sea 12,5 millones de caracteres o Bytes por segundo –12,5 MB/s– para una movilidad alta y de 1.000 millones de bits por segundo –1 Gbit/s– o sea 125 Millones de Bytes o caracteres por segundo –125 MB/s– cuando hay una movilidad del usuario baja.

Una característica importante es que el cambio de tecnologías de comunicación móvil, también implica un aumento de las radiofrecuencias y a la vez las disminuciones de las longitudes de onda de las señales electromagnéticas, que es la distancia recorrida por la onda en un ciclo.

En el corto plazo la tecnología 4G será reemplazada por la tecnología de 5 generación o 5G, cuyas frecuencias en la banda más alta podrían estar entre 29 mil millones y los 35.000 millones de Hertz o sea de 29 a 35 Giga Hertz y las longitudes de onda son milimétricas, siendo que los fabricantes de celulares 5G ya empezaron a lanzar sus productos desde 2019, pues los aparatos 4G son incompatibles con la tecnología 5G.

Pero en términos menos técnicos ¿qué se lograría con la implantación de la tecnología de conectividad móvil 5G?

Mucha más alta velocidad de trasmisión y menores tiempos de respuesta –bajas latencias– lo que significa permitir más dispositivos interconectados entre sí, facilitando la implantación del concepto de ciudades y hogares inteligentes, por medio de la Internet de las cosas –IoT–, que permitirá la conexión con cualquier tipo de dispositivo, como son, no solo los teléfonos celulares inteligentes, sino también: vehículos y trenes sin conductor, laptops, PC, sistemas de vigilancia, sistemas de control a través de sensores o artículos del hogar como son: neveras, hornos, lavadoras, secadoras, cafeteras, aspiradoras, puertas, sistemas de climatización o robots, entre otros.

Resumiendo, las mejoras de esta tecnología 5G sobre la 4G, que es la que estamos utilizando actualmente en nuestros teléfonos inteligentes son:

Mayor cantidad de usuarios y aparatos conectados simultáneamente, hasta 100 veces más, con conexiones más estables.

Mayor cobertura geográfica, pues habrá mayor cantidad de celdas y antenas para diversas frecuencias en menor espacio, tal como se prevé, de 1 millón de nodos por kilómetro cuadrado, con disponibilidad de la red del 100 %.

Mayor velocidad: entre 100 y 1.000 de veces más rápida que la 4G, con velocidades de descarga de hasta 20.000 millones de bits por segundo o Gbps, es decir 2,5 mil millones de caracteres por segundo o sea 2,5 GBps.

Menor tiempo de respuesta o latencia que sería de 1 milisegundo, es decir, que es casi un tiempo real.

Reducción de hasta 90 % de la energía consumida por la red de transmisión.

Lo anterior muestra que todos los avances científicos en materia de telecomunicaciones, que han ocurrido a lo largo de la historia del hombre, sirven para facilitar la vida de los humanos en el planeta tierra y estos avances tecnológicos deberían ser emulados por las demás ciencias y artes, cuyas funciones deben ser, promover: el bienestar, la unión, la paz, el progreso y la convivencia de la gente a nivel global, pues “la vida es demasiado corta para ser pequeña o para perder el tiempo en tonterías estériles e inútiles, tales como son las guerras comerciales o peor aún, las dicotomías estúpidas como son: izquierdas-derechas, rojos-azules, socialistas-capitalistas, etc».