LA MOVILIDAD EN LAS COMUNICACIONES, Breve repaso histórico

Estoy en un curso de “Convergencia De Redes De Telecomunicaciones” y como buen estudiante me hacen pruebas. Estudiando para una de esas pruebas leí en el apunte del curso una breve historia de las comunicaciones móviles donde se cuentan los aportes desde Marconi hasta Kilby, pasando por supuesto por Maxwell.

El siguiente texto es parte del documento Seminario “Convergencia De Redes De Telecomunicaciones”, un Apunte preparado por José G. Mardones Fernández Ingeniero Electrónico, Santiago Septiembre 2008.

LA MOVILIDAD EN LAS COMUNICACIONES

Breve repaso histórico

La posibilidad de poder comunicarse en cualquier momento y desde cualquier lugar que se necesite o se desee, independientemente de que el usuario se encuentre en un lugar fijo o en movimiento, ha sido desde siempre uno de los principales objetivos de cualquier sistema de telecomunicaciones. Durante muchos años este deseo estuvo presente en múltiples manifestaciones de la cultura popular (como, por ejemplo, el famoso teléfono reloj que aparece en los dibujos de animación Dick Tracy o el comunicador de la serie de televisión Star Trek). Hoy en día se han convertido en realidad muchas de estas expectativas, y en algunos casos incluso se han superado.

La movilidad en las telecomunicaciones ha estado asociada, fundamentalmente, a la utilización de la transmisión por radio en el acceso frente a la utilización de cables o fibra óptica. Esto no quiere decir que todos los sistemas de telecomunicaciones que utilicen la transmisión radio en el acceso sean móviles. Tal es el caso, por ejemplo, de los denominados bucles de abonado inalámbricos, que no son sistemas móviles. La provisión de la movilidad, como se verá más adelante, implica el soporte a un conjunto de funcionalidades adicionales, que requieren de la red una cierta inteligencia, superior a la necesaria para soportar las comunicaciones fijas.

Los dos desarrollos tecnológicos que han hecho que sea posible, más que ningún otro, el soporte de la movilidad en las telecomunicaciones (otras tecnologías básicas para las telecomunicaciones actuales, como el láser, no han tenido prácticamente ningún impacto en el soporte de la movilidad) son:

1. El propio desarrollo de las comunicaciones radio, iniciado por Marconi, De Forest, Tesla y otros a principios del siglo pasado, pero cuyos fundamentos teóricos fueron establecidos por Maxwell y Hertz en el siglo diecinueve. Las primeras comunicaciones vía radio fueron las del servicio telegráfico, por parte de Marconi en 1896. La primera transmisión de voz vía radio se debe también al inventor italiano, en 1916. Marconi recibió el premio Nóbel de física en 1909 (compartido con Karl Ferdinand Braun) por su desarrollo de la telegrafía inalámbrica; en 1943, sin embargo, su patente de la radio fue revocada en favor de Nikola Tesla.

Las primeras aplicaciones de las comunicaciones radio estuvieron ligadas a las comunicaciones marítimas (y por tanto móviles). El hundimiento del Titanic, en 1912, supuso un gran impulso para el desarrollo de la radiotelegrafía inalámbrica. Los primeros sistemas de telefonía inalámbrica fueron instalados en Detroit en 1921 para el departamento de policía; se trataba de una red unidireccional para la distribución de información. En 1932 se instaló en Nueva York la primera red bidireccional también para la policía (estas redes operaban en la banda de 2 MHz). Hoy en día las comunicaciones móviles siguen siendo un instrumento fundamental para soportar el desempeño de sus funciones por parte de los servicios públicos (razón por la que, para muchos de ellos, se reservan segmentos específicos del espectro). Otro sector que ha impulsado enormemente el desarrollo de los sistemas radio ha sido el de la defensa. Algunas tecnologías, como el CDMA, hoy utilizadas por los móviles, nacieron para soportar las comunicaciones militares.

2. La aparición del transistor, desarrollado en los laboratorios Bell en 1947 por parte de John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley (por esta invención compartieron el premio Nóbel de Física en 1956), que constituye la base de toda la microelectrónica actual.

Aunque también podría argumentarse que el invento de mayor impacto sea el circuito integrado, comúnmente conocido como chip, patentado con el nombre de circuito sólido en febrero de 1959 (pese a suponer toda una revolución, no procuró ningún premio a Jack Kilby, el ingeniero que lo creó en Texas Instruments). Esto es debido a que, para soportar la movilidad más allá del área de cobertura de un transmisor individual, es necesario un nivel de inteligencia superior al requerido por las redes fijas. Mientras que es posible operar una red de telecomunicaciones fijas por medios mecánicos (y así ha ocurrido durante muchos años), esto no es posible para una red móvil. Por esta razón las primeras redes de telefonía móvil automática no aparecieron hasta prácticamente la década de los 80.

Por otro lado, las comunicaciones móviles digitales no habrían podido desarrollase sin los efectos beneficiosos de la denominada Ley de Moore (ver la Figura 2-1). Esta ley (que no es tal en sentido estricto, sino una predicción que a lo largo de los años se ha ido cumpliendo con sorprendente precisión) establece que la capacidad de procesado de los circuitos integrados (en realidad, Moore hablaba de su capacidad de almacenamiento) se dobla cada año y medio, al tiempo que disminuye su precio.

Las comunicaciones móviles son especialmente intensivas en procesado, tanto en lo que se refiere al soporte a la movilidad por parte de la red como en lo que afecta al procesado que realizan los terminales, especialmente en las comunicaciones móviles digitales. En la Figura 2-2 se relaciona la complejidad de procesado y el tipo de comunicaciones que se soportan.

Como puede observarse, en la tecnología móvil GSM el 95 por ciento de la complejidad procede del procesado de los protocolos que soportan las comunicaciones, mientras que la transmisión de la información supone solo un 5 por ciento (esto se traduce en que el 95 por ciento de las especificaciones técnicas de GSM están relacionadas con aspectos relativos al procesado de los protocolos que soportan las distintas funcionalidades, y solo un 5 por ciento a aspectos relacionados con la transmisión de información).

Sin el espectacular desarrollo de la microelectrónica, las comunicaciones móviles, tal y como las conocemos actualmente, no hubieran tenido la posibilidad de existir. Por ejemplo, para poder realizar todos los procesos de la interfaz radio de un terminal (modulación, desmodulación, etc.) en tiempo real fue necesario recurrir en el año 1987 a un superordenador Cray de una universidad noruega.

Cinco años más tarde, sin embargo, esos mismos algoritmos y procesos se implementaban en el microprocesador de un terminal móvil. En este sentido, la especificación de GSM tuvo la virtud de proponer soluciones tecnológicas inviables en el momento de su publicación pero que los avances técnicos hicieron posible en el momento del despliegue de las redes. Del mismo modo, los progresos en microelectrónica han permitido la reducción en el tamaño de los terminales así como la incorporación de nuevos elementos a los mismos (como son las cámaras de fotos digitales o los dispositivos Bluetooth).

Pero si hay un hecho significativo en la historia de las comunicaciones móviles, este es el desarrollo del concepto de reutilización celular de las frecuencias.

Dicho concepto lo propuso por primera vez en 1947 un ingeniero de los laboratorios Bell, Douglas H. Ring (ver la Figura 2-3). Hasta entonces las transmisiones móviles se realizaban con la máxima potencia para proporcionar un área de cobertura lo más extensa posible. Sin embargo, el concepto de red celular proponía dividir el espectro disponible en varios canales, limitar la potencia de los transmisores y extender la cobertura instalando un número mayor de éstos. La clave reside en reutilizar la misma frecuencia en aquellos transmisores que estén transmisor se le denominó célula.

La aplicación del concepto de red celular presenta varias ventajas (ver la Figura 2-4). Por un lado, aumenta la capacidad de las redes. Por otro, permite que los transmisores portátiles requieran una menor potencia, por lo que su coste, tamaño y peso se reduce. También complica la gestión de la movilidad, haciendo necesario el soporte al proceso de traspaso si se quiere mantener la conexión cuando el usuario se desplaza por la zona de cobertura entre las distintas células.

La primera red celular de telefonía móvil pública la instaló la operadora japonesa NTT en 1979, y se denominó NAMTS. Esta red no soportaba el traspaso de la conexión; la primera red móvil en hacerlo fue la red NAMTS instalada en Australia en 1981. En realidad, los laboratorios Bell habían completado la especificación del sistema AMPS (en la que se basaba el sistema NAMTS) en 1976, pero la FCC no asigno el espectro necesario hasta 1980, y la primera red celular de Estados Unidos no empezó a operar hasta 1983. Existían algunas diferencias técnicas entre la red de NTT y la red del sistema AMPS, como es la utilización de canales de 25 kHz en la primera frente a los de 30 kHz de la segunda o el uso de un canal de señalización de solo 300 bit/s en la primera frente a los 10 kbit/s utilizados en la segunda. El resultado fue que la percepción de la calidad era muy pobre. Hay que indicar que durante la primera fase de desarrollo de las comuni caciones móviles Estados Unidos fue el país que más contribuyó a su evolución y popularización (relativa).

El concepto de red celular es también utilizado por otro tipo de redes radio no necesariamente móviles, como son las redes MMDS, LMDS, WiMAX y WiFi, o incluso las redes de satélite. La principal dificultad que acarrean desde el punto de vista técnico estas redes es la necesidad de planificar las frecuencias, labor que puede resultar muy compleja (desafortunadamente las áreas de cobertura de las células en escenarios reales no tienen el aspecto hexagonal que se utiliza en los análisis teóricos), pues si dos células que están próximas entre sí utilizan las mismas frecuencias serán susceptibles de que se produzcan interferencias en recepción, tanto en los terminales como en la red. La planificación de frecuencias intenta, mediante la adecuada asignación de frecuencias a cada célula, minimizar estas interferencias.

Un desarrollo tecnológico que libera de la necesidad de realizar la planificación de frecuencias es la utilización de técnicas de espectro ensanchado para soportar el acceso múltiple en la interfaz radio. Esta aplicación del espectro ensanchado al acceso múltiple se denomina Code Division Multiple Access (CDMA, también conocido por su acrónimo en minúscula cdma). El fundamento teórico del espectro ensanchado fue formulado por Claude Shannon en la década de los cuarenta (aunque ya en 1924 Alfred Goldsmith había solicitado una patente para un sistema que, en esencia, aplicaba los conceptos de espectro ensanchado a la modulación en frecuencia, FM). Shannon estableció en su célebre teorema que era posible intercambiar, para una tasa binaria, ancho de banda y relación señal interferencia. Es decir, que era posible transmitir una determinada información con un nivel de señal muy próximo al de ruido, e incluso menor que éste, si se utilizaba un ancho de banda lo suficientemente elevado. La primera aplicación de esta tecnología se produjo en las comunicaciones militares, ya que era un medio eficaz para evitar las interferencias de banda estrecha. Es una anécdota muy conocida el hecho de que un tipo de técnica de espectro ensanchado, salto en frecuencia o frequency hopping, fue patentado por la actriz Hedy Lamarr, con la ayuda del compositor George Antheil, como un sistema para evitar la intercepción de las comunicaciones entre submarinos (el entonces marido de Hedy Lamarr era un importante fabricante de armamento). La oficina de patentes otorgó la patente número 2.292.387 el 11 de agosto de 1942, pero impidió su publicación.

Las técnicas de espectro ensanchado se han utilizado y se utilizan en múltiples sistemas de comunicaciones. La primera aplicación comercial de este tipo de tecnología se realizó en 1980 y fue la utilización de la técnica de secuencia directa por Equatorial Communications en los transpondedores de sus satélites geoestacionarios. Actualmente, el GPS es el sistema de satélites más conocido que utiliza espectro ensanchado.

A finales de los años 80 varias compañías norteamericanas, como Milicom y Qualcomm, propusieron a la FCC la aplicación del espectro ensanchado al acceso múltiple en los sistemas móviles. El resultado, después de varios años de trabajo y experimentación, fue el estándar IS-95, publicado en 1993, siguiendo básicamente la propuesta de Qualcomm (que controla de una forma casi absoluta la evolución de este estándar). La primera red comercial la desplegó en 1995 Hutchison Telecom en Hong Kong, seguida al año siguiente por la que desplegó PrimeCo (posteriormente Verizon Wireless) en 14 ciudades de Estados Unidos.

El sistema de acceso múltiple CDMA es la base de los sistemas de tercera generación, como es el caso de UMTS y cdma2000, y de otro tipo de sistemas como las redes de área personal Bluetooth. Las redes WiFi 802.11b utilizan técnicas de espectro ensanchado para proteger la información y minimizar las interferencias, pero el acceso al medio se realiza en el dominio del tiempo (no son, por tanto, sistemas CDMA).

De cara al futuro, y como se verá en capítulos posteriores, se plantea la utilización de nuevas técnicas de modulación (como puede ser OFDM) o de diversidad (como pueden ser los sistemas multiantena), que permitirán a las comunicaciones móviles seguir evolucionando y acercando la realidad a las expectativas enumeradas al comienzo de esta sección.

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