¿Cómo funciona la telefonía móvil?
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El milagro de la telefonía móvil
Con solo encender tu teléfono móvil, casi en cualquier parte del mundo, te es posible iniciar inmediatamente una comunicación con cualquier persona, sin conocer su situación y sin importar la distancia que te separe de ella. ¿Te has preguntado alguna vez cómo es esto posible? ¿Magia? Realmente no, aunque a veces nos lo parezca.
Al no haber ningún cable que una tu teléfono móvil a ninguna red de comunicaciones, ya habrás imaginado que la comunicación se realiza por radio, sí, como los walkie-talkies que utilizábamos cuando éramos pequeños, pero utilizando un sistema mucho más complejo. La principal diferencia entre aquellos walkie-talkies y nuestros teléfonos móviles es que cuando tú llamas al móvil de un amigo, aunque lo parezca, no llamas directamente a su terminal telefónico, sino que el contacto se establece indirectamente, a través de una red de telefonía móvil.
Las redes de telefonía móvil
Sería impensable pretender que un dispositivo que queremos llevar en el bolsillo de la camisa tuviera la potencia suficiente como para comunicar directamente con otro dispositivo de iguales características al otro lado del país:

  • La batería no podría suministrar tanta energía
  • La antena no tiene el tamaño necesario para lograr ese alcance

¿Cómo lograr entonces una comunicación de estas características? , pues creando una extensa red de dispositivos no-móviles que, aprovechando que pueden disponer de la energía y equipamiento necesarios, complementen y apoyen la operatividad de nuestro terminal móvil.
¿Cómo está organizada una red de telefonía móvil?
Partamos de la base de que la red ha de proporcionar servicio a la totalidad del territorio. Ya hemos dicho que nuestro terminal móvil no puede alcanzar mucha distancia, de modo que:

  • Las operadoras de telefonía móvil dividen el territorio en infinidad de pequeñas partes o células, de unos 26 Km2 de superficie cada una.
  • Estas células se representan con forma hexagonal por ser esta la figura más parecida al círculo que no deja “huecos” entre una y otra.
  • Podemos imaginar el mapa de nuestro país bajo la figura de un inmenso panal de abejas.
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En el centro de cada célula se encuentra una instalación que es el primer eslabón necesario para el funcionamiento de la red: la estación base (o BTS), que está compuesta por una torre equipada con grandes antenas y un pequeño edificio que alberga los equipos necesarios: sistemas de alimentación eléctrica, repetidores, etc.
Cualquiera que sea la célula en la que nos encontremos, nuestro terminal móvil será perfectamente capaz de comunicarse con la estación base, que le brindará comunicación directa con otros terminales móviles que estén dentro de la misma célula, o encaminará nuestra llamada hacia otras células de la red (vecinas o al otro lado del país) o hacia otras redes de telefonía móvil o fija. Para estas comunicaciones “hacia afuera”, las estaciones base confían en una oficina de conmutación (MTSO) que existe por cada cierto número de estaciones base, y que también realiza funciones de control.
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Potencia vs. distancia
Como comentábamos en el anterior artículo de esta serie, la red de una operadora de telefonía móvil está dividida en pequeñas zonas o celdas que cubren unos 26 Kms2 de extensión cada una, lo que viene a ser un hexágono regular de un radio (distancia desde el centro a cada esquina) de unos 3,2 Kms.
Dentro de cada una de estas celdas, tanto los teléfonos móviles como la estación base transmiten en baja potencia: desde un mínimo de 0,3W hasta un máximo de 3W. Con esto se consigue:

  • Las transmisiones no tienen potencia suficiente como para abandonar la celda en la que se realizan, de modo que es posible utilizar las mismas frecuencias dentro de otras celdas próximas (de otro modo se producirían interferencias).
  • La batería de los teléfonos móviles sufre un menor consumo, siendo posible que estos tengan un tamaño y peso adecuados.

El transmisor de nuestro teléfono móvil se verá obligado a aumentar la potencia de la transmisión (hasta el máximo antes indicado) a medida que aumenta la distancia con la estación base a la que está conectado o aumentan los obstáculos (edificios, montañas, etc), con el consiguiente perjuicio para la duración de la batería.
Si vivimos lejos de la estación base y disponemos de un repetidor de señal móvil en casa, el teléfono móvil siempre transmitirá con la mínima potencia (es el repetidor de señal el que se comunica con la estación base), alargando la vida de la batería.
Teléfono móvil = en movimiento
Si estamos en movimiento, lógicamente puede llegar el momento en que alcancemos la distancia límite en la que nuestro teléfono puede mantener la comunicación con la estación base de la célula en la que nos encontramos, así que para poder mantener la comunicación llega el momento de cambiar de celda. Este es uno de los motivos que desencadenan el proceso de transferencia denominado también handover.
El handover es el proceso por el cual un teléfono móvil cambia los parámetros de una comunicación ya iniciada, en este caso para poder continuarla en una celda distinta. Como ya sabemos, la celda en la que estamos entrando utilizará unas frecuencias diferentes, así que este será uno de los parámetros a cambiar.
Según la tecnología que utilice la red de la operadora de nuestro teléfono móvil, el proceso de handover será más o menos imperceptible. El tiempo de interrupción de la comunicación oscila entre 100ms y 10 segundos:

  • En las primeras redes el handover lo decidía exclusivamente la propia red: cuando la calidad de la comunicación estaba por debajo de un umbral establecido, tu teléfono móvil era automáticamente asignado (por la oficina de conmutación MTSO) a la estación base que reportase recibir la señal de tu móvil con más potencia. Eran necesarios entre 5 y 10 segundos.
  • Con posterioridad se dispuso que fuera el teléfono móvil el que midiese la potencia recibida desde las estaciones base más próximas para que, cuando el MTSO lo creyese conveniente, transferirlo a la más adecuada. Aproximadamente 1 segundo de interrupción.
  • Las redes actuales dejan totalmente al teléfono móvil el proceso de decidir la estación base a la que deben conectarse, y también el momento en el que deben hacerlo. Al depender mínimamente de la MTSO, el proceso se realiza muy rápidamente: un pequeño corte de entre 100 y 200 ms.
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En los artículos anteriores hemos examinado cómo surge la necesidad de crear redes de elementos fijos para sustentar el funcionamiento de nuestros teléfonos móviles. También hemos comentado los ajustes de configuración que se realizan en nuestro terminal móvil cuando lo utilizamos mientras nos desplazamos largas distancias, y como se efectúan estos ajustes. Todo esto está muy bien, pero … ¿cómo es posible todo esto confluya en un sistema de telefonía móvil que puede ser utilizado por miles de teléfonos móviles simultáneamente?
Frecuencias disponibles para la telefonía móvil: cuestión de “espacio” …
Las comunicaciones vía radio de cualquier dispositivo, ya sea un teléfono móvil o el mando a distancia de apertura del garaje, están sujetas al uso de una determinada frecuencia de radio, conocida por las dos partes que mantienen la comunicación (emisor y receptor). El problema con esto es que el espectro (conjunto de frecuencias) utilizable para la telefonía móvil no es, ni mucho menos, infinito. Además, ya hemos dicho que las frecuencias utilizadas por los teléfonos móviles dentro de una determinada célula, han de ser necesariamente distintas de las utilizadas en las células colindantes … ¿cómo conseguir que todos los teléfonos móviles dentro de una célula puedan comunicarse eficazmente con la estación base, sin producirse interferencias, con un conjunto de frecuencias tan limitado?

  • En las redes de telefonía móvil más antiguas (1G), el sistema existente (FDMA o acceso múltiple por división de frecuencias) simplemente dividía el espectro disponible para la célula en un número determinado de “canales”. Cada canal tenía una frecuencia en la que el emisor era el terminal móvil y el receptor era la estación base, y otra frecuencia en la que era al contrario, así era posible una comunicación en ambos sentidos o bidireccional. Esto hacía posible que un máximo de aproximadamente 55 usuarios pudieran hacer uso de su teléfono móvil a la vez. Quizá en aquel entonces era más que suficiente, pero desde luego ahora no.
  • Con la llegada de la siguiente generación de teléfonos móviles 2G, ya digital, comenzó a utilizarse un nuevo sistema, el TDMA (acceso múltiple por división de tiempo), con el que utilizando compresión de los datos de la voz digitalizada, solo era necesario utilizar el canal durante un tercio del tiempo, triplicando así la capacidad de las redes de telefonía: unos 165 usuarios por célula.
La espectacular progresión del número de teléfonos móviles y de servicios asociados dejó enseguida prever que era necesario aumentar aún mucho más la capacidad de las redes de telefonía móvil, así nació el sistema CDMA (acceso múltiple por división por código). Este sistema es totalmente diferente a los anteriores: se utiliza todo el espectro disponible para todas las llamadas. Las llamadas están superpuestas, pero cada uno de sus paquetes está identificado por un código único, con lo cual es posible separar los de cada una. La capacidad de las redes que utilizan este sistema es entre 10 y 20 veces que la de una red analógica FDMA (1650-3300 usuarios).
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Seguridad y calidad de las llamadas
Paralelamente al incremento de la capacidad de las redes de telefonía móvil con la utilización de los distintos sistemas, se ha visto incrementada igualmente la seguridad de las llamadas y la calidad de las mismas: en las redes FDMA se producían cruces de llamadas y ruidos de fondo, y cualquiera con un receptor sintonizado en la frecuencia concreta podía escuchar cualquier llamada; en las redes que utilizan CDMA, la calidad es similar a la de las redes cableadas, y los sistemas de codificación utilizados las hacen prácticamente invulnerables.