Una red celular o red móvil es una red de telecomunicaciones en la que 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 recibe el servicio de al menos un transceptor de ubicación fija (como una estación base ). Estas estaciones base proporcionan a la celda 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 requerida ] [1]
Cuando se unen, estas celdas proporcionan cobertura de radio en una amplia zona geográfica. Esto permite que numerosos transceptores portátiles (por ejemplo, teléfonos móviles , tabletas y computadoras portátiles equipadas con módems de banda ancha móvil , buscapersonas , etc.) se comuniquen entre sí y con transceptores y teléfonos fijos en cualquier parte de la red, a través de estaciones base, incluso si algunos de 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 que los teléfonos móviles y los dispositivos informáticos móviles se conecten a la red telefónica pública conmutada y al acceso público a Internet . Las redes celulares privadas se pueden utilizar para la investigación [2] o para grandes organizaciones y flotas, como el despacho de agencias de seguridad pública locales o una empresa de taxis, así como para comunicaciones inalámbricas locales en entornos empresariales e industriales como fábricas, almacenes, minas, centrales eléctricas, subestaciones, instalaciones de petróleo y gas y puertos. [3]
En un sistema de radio celular , un área de tierra que se va a suministrar 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 celdas se le asignan múltiples frecuencias ( f 1 – f 6 ) que tienen estaciones base de radio correspondientes . 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 permitía que varias personas que llamaban en un área determinada utilizaran la misma frecuencia al conmutar las llamadas a la torre celular más cercana que tuviera esa frecuencia disponible. Esta estrategia es viable porque una frecuencia de radio determinada puede reutilizarse en un área diferente para una transmisión no relacionada. En cambio, un solo transmisor solo puede manejar una transmisión para una frecuencia determinada. Inevitablemente, existe cierto nivel de interferencia de la señal de las otras celdas que utilizan la misma frecuencia. En consecuencia, debe haber al menos un espacio entre celdas que reutilizan la misma frecuencia en un sistema de acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) estándar .
Consideremos el caso de una compañía de taxis, donde cada radio tiene un botón selector de canales operado manualmente para sintonizar diferentes frecuencias. A medida que los conductores se desplazan, cambian de canal. Los conductores saben qué frecuencia cubre aproximadamente una zona. Cuando no reciben una señal del transmisor, prueban otros canales hasta encontrar uno que funcione. Los taxistas solo hablan uno a la vez cuando el operador de la estación base los invita. 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 Bell Labs , 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 había expandido para cubrir 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 funcionamiento en Chicago y Dallas antes de 1979, pero el servicio comercial se retrasó por la desintegración de Bell System , con los activos celulares transferidos a las Compañías Operadoras Regionales de Bell .
La revolución inalámbrica comenzó a principios de la década de 1990, [6] [7] [8] lo que llevó a la transición de redes analógicas a digitales . [9] El MOSFET inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] fue adaptado para redes celulares a principios de la década de 1990, con la amplia adopción de dispositivos MOSFET de potencia , LDMOS ( amplificador de RF ) y RF CMOS ( circuito de RF ) que llevaron al desarrollo y proliferación de redes móviles inalámbricas digitales. [9] [17] [18]
La primera red celular digital comercial, la generación 2G , se lanzó en 1991. Esto generó competencia en el sector a medida que los nuevos operadores desafiaban a los operadores de redes analógicas 1G existentes.
Para distinguir señales de varios transmisores diferentes, se desarrollaron el acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA, utilizado por sistemas analógicos y D-AMPS [ cita requerida ] ), 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 los distintos usuarios en cada celda son diferentes entre sí. A cada llamada celular se le asignaba un par de frecuencias (una para la base a móvil, la otra para móvil a base) para proporcionar un funcionamiento full-duplex . Los sistemas AMPS originales tenían 666 pares de canales, 333 para el sistema CLEC "A" y el sistema ILEC "B". El número de canales se amplió a 416 pares por portadora, pero en última instancia el número de canales de RF limita el número de llamadas que una estación celular puede manejar. FDMA es una tecnología familiar para las compañías telefónicas, que utilizaban multiplexación por división de frecuencia para agregar canales a sus plantas de línea fija punto a punto antes de que la multiplexación por división de tiempo volviera obsoleta la FDM.
Con TDMA, los intervalos de tiempo de transmisión y recepción utilizados por los distintos usuarios en cada celda son diferentes entre sí. TDMA normalmente utiliza señalización digital para almacenar y enviar ráfagas de datos de voz que se ajustan a intervalos de tiempo para su transmisión y se expanden en el extremo receptor para producir una voz que suena más o menos normal en el receptor. TDMA debe introducir latencia (retardo de tiempo) en la señal de audio. Mientras 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 línea fija punto a punto antes de que la conmutación de paquetes volviera obsoleta la 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 convertirse en espectro ensanchado de secuencia directa que se utilizó para los primeros sistemas celulares CDMA y Wi-Fi . DSSS permite que se lleven a cabo múltiples conversaciones telefónicas simultáneas en un solo canal de RF de banda ancha, sin necesidad de canalizarlas en tiempo o frecuencia. Aunque es más sofisticado que los esquemas de acceso múltiple más antiguos (y desconocido para las compañías telefónicas tradicionales porque no fue desarrollado por Bell Labs ), CDMA ha escalado bien para convertirse en la base de los sistemas de radio celular 3G.
Otros métodos de multiplexación disponibles, como MIMO , una versión más sofisticada de la diversidad de antena , combinados con la formación de haz activa, proporcionan una capacidad de multiplexación espacial mucho mayor en comparación con las celdas AMPS originales, que normalmente solo abordaban uno a tres espacios únicos. La implementación masiva de MIMO permite una reutilización de canales mucho mayor, lo que aumenta 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 una cantidad cada vez mayor de bits por símbolo, lo que permite más usuarios por megahercio de ancho de banda (y decibeles de relación señal-ruido), un mayor rendimiento de datos por usuario o alguna combinación de estos.
La característica principal de una red celular es la capacidad de reutilizar frecuencias para aumentar tanto la cobertura como la capacidad. Como se ha descrito anteriormente, las celdas adyacentes deben utilizar frecuencias diferentes, sin embargo, no hay problema con que dos celdas suficientemente separadas operen 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 frecuencia de reutilización 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 mi). Los límites de las celdas también pueden superponerse entre celdas adyacentes y las celdas grandes pueden dividirse en celdas más pequeñas. [19]
El factor de reutilización de frecuencia es la tasa 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 celdas 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). [20]
En el caso de antenas sectoriales N en el mismo sitio de estación base, cada una con una dirección diferente, el sitio de la estación base puede dar servicio a N sectores diferentes. N es típicamente 3. Un patrón de reutilización de N/K denota una división adicional en frecuencia entre antenas sectoriales N por sitio. Algunos patrones de reutilización actuales e históricos son 3/7 (North American AMPS), 6/4 (Motorola NAMPS) y 3/4 ( GSM ).
Si el ancho de banda total disponible es B , cada celda sólo puede utilizar un número de canales de frecuencia correspondiente a un ancho de banda de B/K , y cada sector puede utilizar 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 estos sistemas no difunden la señal a través de la banda de frecuencia, la gestión de recursos de radio entre celdas es importante para coordinar la asignación de recursos entre diferentes sitios celulares y limitar la interferencia entre celdas. Existen varios medios de coordinación de interferencia entre celdas (ICIC) ya definidos en el estándar. [21] La programación coordinada, la MIMO multisitio o la formación de haces multisitio son otros ejemplos de gestión de recursos de radio entre celdas que podrían estandarizarse en el futuro.
Las torres de telefonía celular suelen utilizar una señal direccional para mejorar la recepción en áreas de mayor tráfico. En los Estados Unidos , la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) limita las señales omnidireccionales de las torres de telefonía celular a 100 vatios de potencia. Si la torre tiene antenas direccionales, la FCC permite al operador de telefonía celular emitir hasta 500 vatios de potencia radiada efectiva (ERP). [22]
Aunque las torres de telefonía celular originales creaban una señal uniforme y omnidireccional, estaban en el centro de las celdas 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 celdas. [23] Cada torre tiene tres conjuntos de antenas direccionales apuntadas en tres direcciones diferentes con 120 grados para cada celda (lo que hace un total de 360 grados) y que reciben/transmiten en tres celdas diferentes a 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 de 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. [24]
Las compañías de telefonía móvil también utilizan esta señal direccional para mejorar la recepción a lo largo de las carreteras y en el interior de edificios como estadios y arenas. [22]
Prácticamente todos los sistemas celulares tienen algún tipo de mecanismo de difusión. Este puede utilizarse directamente para distribuir información a múltiples móviles. Comúnmente, por ejemplo en los sistemas de telefonía móvil , el uso más importante de la información de difusión es establecer canales para la comunicación uno a uno entre el transceptor móvil y la estación base. Esto se denomina búsqueda . Los tres procedimientos de búsqueda diferentes que se adoptan generalmente son la búsqueda secuencial, la búsqueda paralela y la búsqueda selectiva.
Los detalles del proceso de paginación varían un poco de una red a otra, pero normalmente conocemos un número limitado de celdas donde se encuentra el teléfono (este grupo de celdas se denomina Área de Ubicación en el sistema GSM o UMTS , o Área de Enrutamiento si se trata de una sesión de paquetes de datos; en LTE , las celdas se agrupan en Áreas de Seguimiento). La paginación se lleva a cabo enviando el mensaje de difusión a todas esas celdas. Los mensajes de paginación se pueden utilizar para la transferencia de información. Esto sucede en los buscapersonas , en los 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 LTE/4G, el procedimiento de paginación lo inicia el MME cuando es necesario entregar paquetes de datos a la UE.
Los tipos de paginación admitidos por MME son:
En un sistema de taxis primitivo, cuando el taxi se alejaba de una primera torre y se acercaba a una segunda, 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 desplazan de una celda a otra durante una comunicación continua, el cambio de una frecuencia celular a otra se realiza electrónicamente sin interrupción y sin un operador de la estación base ni conmutación manual. Esto se denomina traspaso o handoff. Normalmente, se selecciona automáticamente un nuevo canal para la unidad móvil en la nueva estación base que le prestará servicio. A continuación, la unidad móvil cambia automáticamente del canal actual al nuevo canal y la comunicación continúa.
Los detalles exactos del traslado 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 una red celular es una red de telefonía móvil. Un teléfono móvil es un teléfono portátil que recibe o realiza llamadas a través de una estación base o torre de transmisión. Se utilizan ondas de radio para transferir señales hacia y desde el teléfono celular.
Las redes de telefonía móvil modernas utilizan celdas porque las frecuencias de radio son un recurso limitado y compartido. Las estaciones base y los teléfonos móviles cambian de frecuencia bajo control informático y utilizan transmisores de baja potencia, de modo que el número normalmente limitado de frecuencias de radio puede ser utilizado simultáneamente por muchos interlocutores con menos interferencias.
Los operadores de telefonía móvil utilizan una red celular para lograr cobertura y capacidad para sus suscriptores. Las áreas geográficas extensas 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. Todas las celdas están conectadas a centrales telefónicas (o conmutadores), que a su vez se conectan a la red telefónica pública .
En las ciudades, cada estación base puede tener un alcance de hasta aproximadamente 0,80 km ( 1 ⁄ 2 milla), mientras que en las zonas rurales, el alcance puede ser de hasta 8,0 km (5 millas). Es posible que en áreas abiertas y despejadas, un usuario pueda recibir señales de una estación base a 40 km (25 millas) de distancia. En las zonas rurales con cobertura de banda baja y torres altas, el servicio básico de voz y mensajería puede alcanzar 80 km (50 millas), con limitaciones en el ancho de banda y en la cantidad de llamadas simultáneas. [ cita requerida ]
Dado que casi todos los teléfonos móviles utilizan tecnología celular , como GSM , CDMA y AMPS (analógica), en algunas regiones, especialmente en los EE. UU., el término "teléfono celular" se utiliza indistintamente con "teléfono móvil". Sin embargo, los teléfonos satelitales son teléfonos móviles que no se comunican directamente con una torre celular terrestre, sino que pueden hacerlo indirectamente a través de un satélite.
Existen varias tecnologías celulares digitales diferentes, entre ellas: Sistema global para comunicaciones móviles (GSM), Servicio general de radio por paquetes (GPRS), cdmaOne , CDMA2000 , Evolution-Data Optimized (EV-DO), Velocidades de datos mejoradas para la evolución GSM (EDGE), Sistema universal de telecomunicaciones móviles (UMTS), Telecomunicaciones inalámbricas mejoradas digitales (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 los EE. UU . [25] 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, entre ellas, la gestión de la movilidad, el registro, el establecimiento de llamadas y la transferencia de llamadas .
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 de un teléfono a la RBS se denomina enlace ascendente, mientras que el otro se denomina enlace descendente .
Los canales de radio utilizan eficazmente el medio de transmisión mediante el uso de los siguientes esquemas de multiplexación y acceso: 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 (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 desplaza de una zona celular a otra mientras hay una llamada en curso, la estación móvil buscará un nuevo canal al que conectarse para no interrumpir 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 móviles CDMA comparten un canal de radio específico. Las señales se separan mediante un código de pseudorruido (código PN) específico de cada teléfono. A medida que el usuario se mueve de una celda a otra, el teléfono móvil 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 en el que el teléfono cambia a la nueva celda.
En los traspasos entre frecuencias de IS-95 y en sistemas analógicos más antiguos, como NMT, normalmente será imposible probar el canal de destino directamente durante la comunicación. En este caso, se deben 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 retorno 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 frecuencias bajas, como 450 MHz NMT, sirven muy bien para la cobertura rural. GSM 900 (900 MHz) es adecuado para una cobertura urbana ligera. GSM 1800 (1,8 GHz) comienza a verse limitado por los muros estructurales. UMTS , a 2,1 GHz, es bastante similar en cobertura a GSM 1800.
Las frecuencias más altas son una desventaja en términos de cobertura, pero son una clara ventaja en términos de capacidad. Se hacen posibles las picoceldas que cubren, por ejemplo, una planta de un edificio, y se puede utilizar la misma frecuencia para celdas que están 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 los 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 con el fin de no causar interferencia 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) aumenta por encima de la potencia recibida del transmisor, y la potencia del transmisor ya no se puede aumentar, la señal se corrompe y finalmente queda inutilizable. En los sistemas basados en CDMA, el efecto de la interferencia de otros transmisores móviles en la misma celda en 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 que ofrecen los operadores reales en sus sitios web o consultando mapas de colaboración colectiva independientes como Opensignal o CellMapper. En algunos casos, pueden marcar el sitio del transmisor; en otros, se puede calcular determinando el punto de cobertura más fuerte.
Un repetidor celular se utiliza para ampliar la cobertura celular a áreas más grandes. Los hay desde repetidores de banda ancha para uso doméstico 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 : [26]
Listas e información técnica:
A partir de EVDO también se pueden utilizar las siguientes técnicas para mejorar el rendimiento:
Equipo:
Otro:
