Una red celular o red móvil es una red de telecomunicaciones donde el enlace hacia y desde los nodos finales es inalámbrico y la red se distribuye en áreas terrestres llamadas celdas , cada una de las cuales cuenta con al menos un transceptor de ubicación fija (generalmente tres sitios celulares o estaciones transceptoras base). ). Estas estaciones base proporcionan a la célula la cobertura de red que se puede utilizar para la transmisión de voz, datos y otros tipos de contenido. Una celda normalmente utiliza un conjunto de frecuencias diferente al de las celdas vecinas, para evitar interferencias y proporcionar una calidad de servicio garantizada dentro de cada celda. [ cita necesaria ] [1]
Cuando se unen, estas células brindan cobertura de radio en una amplia área geográfica. Esto permite que numerosos transceptores portátiles (por ejemplo, teléfonos móviles , tabletas y portátiles equipados con módems móviles de banda ancha , buscapersonas , etc.) se comuniquen entre sí y con transceptores fijos y teléfonos en cualquier lugar de la red, a través de estaciones base, incluso si algunos de los Los transceptores se mueven a través de más de una celda durante la transmisión.
Las redes celulares ofrecen una serie de características deseables: [1]
Los principales proveedores de telecomunicaciones han desplegado redes celulares de voz y datos en la mayor parte de la superficie terrestre habitada de la Tierra . Esto permite conectar teléfonos móviles y dispositivos informáticos móviles a la red telefónica pública conmutada y al acceso público a Internet . Las redes celulares privadas se pueden utilizar para investigaciones [3] o para grandes organizaciones y flotas, como despachos para agencias de seguridad pública locales o una empresa de taxis. [2]
En un sistema de radio celular , un área terrestre que va a ser abastecida con servicio de radio se divide en celdas en un patrón que depende del terreno y las características de recepción. Estos patrones de celdas toman aproximadamente la forma de formas regulares, como hexágonos, cuadrados o círculos, aunque las celdas hexagonales son convencionales. A cada una de estas células se le asignan múltiples frecuencias ( f 1 – f 6 ) que tienen sus correspondientes estaciones base de radio . El grupo de frecuencias se puede reutilizar en otras celdas, siempre que las mismas frecuencias no se reutilicen en celdas adyacentes, lo que causaría interferencia cocanal .
La mayor capacidad de una red celular, en comparación con una red con un solo transmisor, proviene del sistema de conmutación de comunicaciones móviles desarrollado por Amos Joel de Bell Labs [4] que permitió que múltiples llamantes en un área determinada usaran la misma frecuencia cambiando las llamadas. a la torre celular disponible más cercana que tenga esa frecuencia disponible. Esta estrategia es viable porque una determinada radiofrecuencia se puede reutilizar en un área diferente para una transmisión no relacionada. Por el contrario, un único transmisor sólo puede manejar una transmisión para una frecuencia determinada. Inevitablemente, existe cierto nivel de interferencia de la señal de otras células que utilizan la misma frecuencia. En consecuencia, debe haber al menos un espacio entre celdas que reutilizan la misma frecuencia en un sistema estándar de acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA).
Consideremos el caso de una empresa de taxis, donde cada radio tiene una perilla selectora de canal operada manualmente para sintonizar diferentes frecuencias. A medida que los conductores se mueven, cambian de un canal a otro. Los conductores saben qué frecuencia cubre aproximadamente una determinada zona. Cuando no reciben señal del transmisor, prueban con otros canales hasta encontrar uno que funcione. Los taxistas sólo hablan uno a la vez cuando son invitados por el operador de la estación base. Esta es una forma de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA).
La historia de la tecnología de la telefonía celular comenzó el 11 de diciembre de 1947 con un memorando interno escrito por Douglas H. Ring , un ingeniero de los Laboratorios Bell en el que proponía el desarrollo de un sistema de telefonía celular por parte de AT&T. [5]
La primera red celular comercial, la generación 1G , fue lanzada en Japón por Nippon Telegraph and Telephone (NTT) en 1979, inicialmente en el área metropolitana de Tokio . En cinco años, la red NTT se amplió para cubrir a toda la población de Japón y se convirtió en la primera red 1G a nivel nacional. Era una red inalámbrica analógica . Bell System había desarrollado tecnología celular desde 1947 y tenía redes celulares en operación en Chicago y Dallas antes de 1979, pero el servicio comercial se retrasó por la desintegración de Bell System , con activos celulares transferidos a las Compañías Operadoras Regionales de Bell .
La revolución inalámbrica comenzó a principios de la década de 1990, [6] [7] [8] y condujo a la transición de las redes analógicas a las digitales . [9] Esto fue posible gracias a los avances en la tecnología MOSFET . El MOSFET, inventado originalmente por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, [10] [11] fue adaptado para redes celulares a principios de la década de 1990, con la amplia adopción de MOSFET de potencia , LDMOS ( amplificador de RF ) y Dispositivos RF CMOS ( circuito RF ) que conducen al desarrollo y proliferación de redes móviles inalámbricas digitales. [9] [12] [13]
La primera red celular digital comercial, la generación 2G , se lanzó en 1991. Esto desató la competencia en el sector cuando los nuevos operadores desafiaron a los operadores tradicionales de redes analógicas 1G.
Para distinguir señales de varios transmisores diferentes, se utiliza el acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA, utilizado por sistemas analógicos y D-AMPS [ cita necesaria ] ), el acceso múltiple por división de tiempo (TDMA, utilizado por GSM ) y el acceso múltiple por división de código (CDMA , utilizado por primera vez para PCS y la base de 3G ). [1]
Con FDMA, las frecuencias de transmisión y recepción utilizadas por diferentes usuarios en cada celda son diferentes entre sí. A cada llamada celular se le asignó un par de frecuencias (una de base a móvil y la otra de móvil a base) para proporcionar operación full-duplex . Los sistemas AMPS originales tenían 666 pares de canales, 333 cada uno para el sistema CLEC "A" y el sistema ILEC "B". La cantidad de canales se amplió a 416 pares por operador, pero en última instancia la cantidad de canales de RF limita la cantidad de llamadas que un sitio celular podría manejar. FDMA es una tecnología familiar para las compañías telefónicas, que utilizaban la multiplexación por división de frecuencia para agregar canales a sus plantas de telefonía fija punto a punto antes de que la multiplexación por división de tiempo hiciera obsoleta la FDM.
Con TDMA, los intervalos de tiempo de transmisión y recepción utilizados por diferentes usuarios en cada celda son diferentes entre sí. TDMA normalmente utiliza señalización digital para almacenar y reenviar ráfagas de datos de voz que se ajustan en intervalos de tiempo para la transmisión y se expanden en el extremo receptor para producir una voz que suene algo normal en el receptor. TDMA debe introducir latencia (retardo de tiempo) en la señal de audio. Siempre que el tiempo de latencia sea lo suficientemente corto como para que el audio retrasado no se escuche como un eco, no es problemático. TDMA es una tecnología familiar para las compañías telefónicas, que utilizaban multiplexación por división de tiempo para agregar canales a sus plantas de telefonía fija punto a punto antes de que la conmutación de paquetes dejara obsoleto el FDM.
El principio de CDMA se basa en la tecnología de espectro ensanchado desarrollada para uso militar durante la Segunda Guerra Mundial y mejorada durante la Guerra Fría hasta convertirla en espectro ensanchado de secuencia directa que se utilizó para los primeros sistemas celulares CDMA y Wi-Fi . DSSS permite que se realicen múltiples conversaciones telefónicas simultáneas en un único canal RF de banda ancha, sin necesidad de canalizarlas en tiempo o frecuencia. Aunque es más sofisticado que los antiguos esquemas de acceso múltiple (y desconocido para las compañías telefónicas tradicionales porque no fue desarrollado por Bell Labs ), CDMA ha escalado bien hasta convertirse en la base de los sistemas de radio celular 3G.
Otros métodos de multiplexación disponibles, como MIMO , una versión más sofisticada de diversidad de antenas , combinados con formación de haz activa, proporcionan una capacidad de multiplexación espacial mucho mayor en comparación con las células AMPS originales, que normalmente solo abordaban de uno a tres espacios únicos. La implementación masiva de MIMO permite una reutilización de canales mucho mayor, aumentando así la cantidad de suscriptores por sitio celular, un mayor rendimiento de datos por usuario o alguna combinación de estos. Los módems de modulación de amplitud en cuadratura (QAM) ofrecen un número cada vez mayor de bits por símbolo, lo que permite más usuarios por megahercios de ancho de banda (y decibelios de SNR), mayor rendimiento de datos por usuario o alguna combinación de ambos.
La característica clave de una red celular es la capacidad de reutilizar frecuencias para aumentar tanto la cobertura como la capacidad. Como se describió anteriormente, las celdas adyacentes deben usar frecuencias diferentes; sin embargo, no hay problema con dos celdas suficientemente separadas operando en la misma frecuencia, siempre que los mástiles y los equipos de los usuarios de la red celular no transmitan con demasiada potencia. [1]
Los elementos que determinan la reutilización de frecuencias son la distancia de reutilización y el factor de reutilización. La distancia de reutilización, D , se calcula como
donde R es el radio de la celda y N es el número de celdas por grupo. Las celdas pueden variar en radio de 1 a 30 kilómetros (0,62 a 18,64 millas). Los límites de las celdas también pueden superponerse entre celdas adyacentes y las celdas grandes se pueden dividir en celdas más pequeñas. [14]
El factor de reutilización de frecuencia es la velocidad a la que se puede utilizar la misma frecuencia en la red. Es 1/K (o K según algunos libros), donde K es el número de células que no pueden utilizar las mismas frecuencias para la transmisión. Los valores comunes para el factor de reutilización de frecuencia son 1/3, 1/4, 1/7, 1/9 y 1/12 (o 3, 4, 7, 9 y 12, según la notación). [15]
En el caso de N antenas sectoriales en el mismo sitio de estación base, cada una con diferente dirección, el sitio de la estación base puede dar servicio a N sectores diferentes. N suele ser 3. Un patrón de reutilización de N/K denota una división adicional en frecuencia entre N antenas sectoriales por sitio. Algunos patrones de reutilización actuales e históricos son 3/7 (AMPS norteamericano), 6/4 (Motorola NAMPS) y 3/4 ( GSM ).
Si el ancho de banda total disponible es B , cada celda solo puede usar un número de canales de frecuencia correspondientes a un ancho de banda de B/K , y cada sector puede usar un ancho de banda de B/NK .
Los sistemas basados en acceso múltiple por división de código utilizan una banda de frecuencia más amplia para lograr la misma velocidad de transmisión que FDMA, pero esto se compensa con la capacidad de utilizar un factor de reutilización de frecuencia de 1, por ejemplo utilizando un patrón de reutilización de 1/1. . En otras palabras, los sitios de estaciones base adyacentes utilizan las mismas frecuencias y las diferentes estaciones base y usuarios están separados por códigos en lugar de frecuencias. Si bien N se muestra como 1 en este ejemplo, eso no significa que la celda CDMA tenga solo un sector, sino que todo el ancho de banda de la celda también está disponible para cada sector individualmente.
Recientemente, también se están implementando sistemas basados en acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal, como LTE , con una reutilización de frecuencia de 1. Dado que dichos sistemas no propagan la señal a través de la banda de frecuencia, la gestión de recursos de radio entre células es importante para coordinar la asignación de recursos entre diferentes sitios celulares y limitar la interferencia entre células. Existen varios medios de coordinación de interferencias entre células (ICIC) ya definidos en el estándar. [16] La programación coordinada, MIMO multisitio o la formación de haces multisitio son otros ejemplos de gestión de recursos de radio entre células que podrían estandarizarse en el futuro.
Las torres de telefonía móvil utilizan con frecuencia una señal direccional para mejorar la recepción en áreas de mayor tráfico. En Estados Unidos , la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) limita las señales omnidireccionales de las torres de telefonía móvil a 100 vatios de potencia. Si la torre tiene antenas direccionales, la FCC permite al operador celular emitir hasta 500 vatios de potencia radiada efectiva (ERP). [17]
Aunque las torres de telefonía celular originales creaban una señal uniforme y omnidireccional, estaban en el centro de las células y eran omnidireccionales, se puede volver a dibujar un mapa celular con las torres de telefonía celular ubicadas en las esquinas de los hexágonos donde convergen tres células. [18] Cada torre tiene tres conjuntos de antenas direccionales orientadas en tres direcciones diferentes con 120 grados para cada celda (un total de 360 grados) y recibiendo/transmitiendo en tres celdas diferentes en diferentes frecuencias. Esto proporciona un mínimo de tres canales y tres torres para cada celda y aumenta en gran medida las posibilidades de recibir una señal utilizable desde al menos una dirección.
Los números en la ilustración son números de canal, que se repiten cada 3 celdas. Las celdas grandes se pueden subdividir en celdas más pequeñas para áreas de gran volumen. [19]
Las compañías de telefonía celular también utilizan esta señal direccional para mejorar la recepción en las autopistas y en el interior de edificios como estadios y arenas. [17]
Prácticamente todos los sistemas celulares tienen algún tipo de mecanismo de transmisión. Esto se puede utilizar directamente para distribuir información a múltiples móviles. Normalmente, por ejemplo en los sistemas de telefonía móvil , el uso más importante de la información difundida es configurar canales para la comunicación uno a uno entre el transceptor móvil y la estación base. Esto se llama paginación . Los tres procedimientos de búsqueda diferentes generalmente adoptados son búsqueda secuencial, paralela y selectiva.
Los detalles del proceso de búsqueda varían un poco de una red a otra, pero normalmente conocemos un número limitado de celdas donde está ubicado el teléfono (este grupo de celdas se llama Área de Ubicación en el sistema GSM o UMTS , o Área de Enrutamiento si hay una red). Se trata de una sesión de paquetes de datos; en LTE , las células se agrupan en áreas de seguimiento). La paginación se realiza enviando el mensaje de difusión a todas esas celdas. Los mensajes de buscapersonas se pueden utilizar para la transferencia de información. Esto sucede en buscapersonas , en sistemas CDMA para enviar mensajes SMS y en el sistema UMTS , donde permite una baja latencia de enlace descendente en conexiones basadas en paquetes.
En un sistema de taxi primitivo, cuando el taxi se alejaba de una primera torre y se acercaba a una segunda torre, el taxista cambiaba manualmente de una frecuencia a otra según fuera necesario. Si la comunicación se interrumpía debido a una pérdida de señal, el taxista pedía al operador de la estación base que repitiera el mensaje en una frecuencia diferente.
En un sistema celular, a medida que los transceptores móviles distribuidos se mueven de una celda a otra durante una comunicación continua, el cambio de una frecuencia de celda a una frecuencia de celda diferente se realiza electrónicamente sin interrupción y sin un operador de estación base ni conmutación manual. Esto se llama traspaso o traspaso. Normalmente, se selecciona automáticamente un nuevo canal para la unidad móvil en la nueva estación base que le dará servicio. Luego, la unidad móvil cambia automáticamente del canal actual al nuevo canal y la comunicación continúa.
Los detalles exactos del movimiento del sistema móvil de una estación base a otra varían considerablemente de un sistema a otro (consulte el ejemplo a continuación para ver cómo una red de telefonía móvil gestiona el traspaso).
El ejemplo más común de red celular es una red de telefonía móvil (teléfono celular). Un teléfono móvil es un teléfono portátil que recibe o realiza llamadas a través de un sitio celular (estación base) o torre transmisora. Las ondas de radio se utilizan para transferir señales hacia y desde el teléfono celular.
Las redes de telefonía móvil modernas utilizan células porque las frecuencias de radio son un recurso limitado y compartido. Los sitios celulares y los teléfonos cambian de frecuencia bajo el control de una computadora y usan transmisores de baja potencia para que muchas personas que llaman puedan usar simultáneamente el número generalmente limitado de frecuencias de radio con menos interferencia.
El operador de telefonía móvil utiliza una red celular para lograr cobertura y capacidad para sus suscriptores. Grandes áreas geográficas se dividen en celdas más pequeñas para evitar la pérdida de señal en la línea de visión y para admitir una gran cantidad de teléfonos activos en esa área. Todos los sitios celulares están conectados a centrales telefónicas (o conmutadores), que a su vez se conectan a la red telefónica pública .
En las ciudades, cada sitio celular puede tener un alcance de hasta aproximadamente 1 ⁄ 2 milla (0,80 km), mientras que en las zonas rurales, el alcance podría ser de hasta 5 millas (8,0 km). Es posible que en áreas abiertas y despejadas, un usuario pueda recibir señales de un sitio celular a 25 millas (40 km) de distancia. En zonas rurales con cobertura de banda baja y torres altas, el servicio básico de voz y mensajería puede alcanzar 50 millas (80 km), con limitaciones de ancho de banda y número de llamadas simultáneas. [ cita necesaria ]
Dado que casi todos los teléfonos móviles utilizan tecnología celular , incluidos GSM , CDMA y AMPS (analógico), el término "teléfono celular" se usa en algunas regiones, especialmente en los EE. UU., de manera intercambiable con "teléfono móvil". Sin embargo, los teléfonos satelitales son teléfonos móviles que no se comunican directamente con una torre celular terrestre, pero pueden hacerlo indirectamente a través de un satélite.
Hay varias tecnologías celulares digitales diferentes, que incluyen: Sistema global para comunicaciones móviles (GSM), Servicio general de radio por paquetes (GPRS), cdmaOne , CDMA2000 , Evolution-Data Optimized (EV-DO), Tarifas de datos mejoradas para GSM Evolution ( EDGE), Sistema universal de telecomunicaciones móviles (UMTS), Telecomunicaciones inalámbricas digitales mejoradas (DECT), AMPS digitales (IS-136/TDMA) y Red digital mejorada integrada (iDEN). La transición del estándar analógico existente al digital siguió un camino muy diferente en Europa y Estados Unidos . [20] Como consecuencia, surgieron múltiples estándares digitales en los EE. UU., mientras que Europa y muchos países convergieron hacia el estándar GSM .
Una vista simple de la red de radio móvil celular consta de lo siguiente:
Esta red es la base de la red del sistema GSM . Esta red realiza muchas funciones para garantizar que los clientes obtengan el servicio deseado, incluida la gestión de movilidad, el registro, el establecimiento de llamadas y la transferencia .
Cualquier teléfono se conecta a la red a través de una RBS ( estación base de radio ) en una esquina de la celda correspondiente que a su vez se conecta al centro de conmutación móvil (MSC). El MSC proporciona una conexión a la red telefónica pública conmutada (PSTN). El enlace desde un teléfono a la RBS se denomina enlace ascendente , mientras que el otro sentido se denomina enlace descendente .
Los canales de radio utilizan eficazmente el medio de transmisión mediante el uso de los siguientes esquemas de acceso y multiplexación: acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), acceso múltiple por división de código (CDMA) y acceso múltiple por división de espacio. acceso (SDMA).
Las celdas pequeñas, que tienen un área de cobertura menor que las estaciones base, se clasifican de la siguiente manera:
A medida que el usuario del teléfono se mueve de un área de celda a otra mientras hay una llamada en curso, la estación móvil buscará un nuevo canal al que conectarse para no perder la llamada. Una vez que se encuentra un nuevo canal, la red ordenará a la unidad móvil que cambie al nuevo canal y al mismo tiempo cambie la llamada al nuevo canal.
Con CDMA , varios teléfonos CDMA comparten un canal de radio específico. Las señales se separan mediante un código de pseudoruido (código PN) específico de cada teléfono. A medida que el usuario pasa de una celda a otra, el teléfono establece enlaces de radio con múltiples sitios celulares (o sectores del mismo sitio) simultáneamente. Esto se conoce como "transferencia suave" porque, a diferencia de la tecnología celular tradicional , no hay un punto definido donde el teléfono cambia al nuevo celular.
En los traspasos entre frecuencias IS-95 y sistemas analógicos más antiguos, como NMT, normalmente será imposible probar el canal de destino directamente durante la comunicación. En este caso hay que utilizar otras técnicas como las balizas piloto en IS-95. Esto significa que casi siempre hay una breve interrupción en la comunicación mientras se busca el nuevo canal, seguida del riesgo de un regreso inesperado al canal anterior.
Si no hay comunicación en curso o la comunicación puede interrumpirse, es posible que la unidad móvil se mueva espontáneamente de una celda a otra y luego notifique a la estación base con la señal más fuerte.
El efecto de la frecuencia en la cobertura celular significa que diferentes frecuencias sirven mejor para diferentes usos. Las bajas frecuencias, como la NMT de 450 MHz, sirven muy bien para la cobertura rural. GSM 900 (900 MHz) es adecuado para cobertura urbana ligera. GSM 1800 (1,8 GHz) empieza a verse limitado por muros estructurales. UMTS , a 2,1 GHz, tiene una cobertura bastante similar a GSM 1800.
Las frecuencias más altas son una desventaja en cuanto a cobertura, pero son una clara ventaja en cuanto a capacidad. Se hacen posibles las picoceldas, que cubren, por ejemplo, un piso de un edificio, y se puede utilizar la misma frecuencia para células que son prácticamente vecinas.
El área de servicio celular también puede variar debido a la interferencia de los sistemas de transmisión, tanto dentro como alrededor de esa celda. Esto es cierto especialmente en sistemas basados en CDMA. El receptor requiere una cierta relación señal-ruido y el transmisor no debe enviar con una potencia de transmisión demasiado alta para no causar interferencias con otros transmisores. A medida que el receptor se aleja del transmisor, la potencia recibida disminuye, por lo que el algoritmo de control de potencia del transmisor aumenta la potencia que transmite para restaurar el nivel de potencia recibida. A medida que la interferencia (ruido) supera la potencia recibida del transmisor y la potencia del transmisor ya no se puede aumentar, la señal se corrompe y eventualmente se vuelve inutilizable. En los sistemas basados en CDMA, el efecto de la interferencia de otros transmisores móviles en la misma celda sobre el área de cobertura es muy marcado y tiene un nombre especial, respiración celular .
Se pueden ver ejemplos de cobertura celular estudiando algunos de los mapas de cobertura proporcionados por operadores reales en sus sitios web o mirando mapas de fuentes independientes como Opensignal o CellMapper. En ciertos casos podrán marcar el lugar del transmisor; en otros, puede calcularse determinando el punto de mayor cobertura.
Se utiliza un repetidor celular para extender la cobertura celular a áreas más grandes. Van desde repetidores de banda ancha para uso de consumidores en hogares y oficinas hasta repetidores inteligentes o digitales para necesidades industriales.
La siguiente tabla muestra la dependencia del área de cobertura de una celda de la frecuencia de una red CDMA2000 : [21]
Listas e información técnica:
A partir de EVDO, también se pueden utilizar las siguientes técnicas para mejorar el rendimiento:
Equipo:
Otro:
