El sistema telefónico tradicional (incluso aunque algún día llegará a utilizar la fibra de extre- mo a extremo de múltiples gigabits) no podrá satisfacer un grupo creciente de usuarios: personas en movimiento. Los usuarios ahora esperan realizar llamadas telefónicas desde aviones, automó- viles, albercas y mientras corren en el parque. Dentro de algunos años también esperarán poder enviar correo electrónico y navegar por Web desde cualquiera de las ubicaciones antes menciona- das, entre muchas otras cosas. En consecuencia, hay demasiado interés en la telefonía inalámbri- ca. En las siguientes secciones estudiaremos este tema con mayor detalle.
Los teléfonos inalámbricos se dividen en dos categorías básicas: teléfonos inalámbricosy te- léfonos móviles (algunas veces llamados teléfonos celulares).Los primeros son dispositivos que consisten en una estación base y un teléfono que se venden en conjunto para utilizarse dentro de una casa. Éstos nunca se utilizan para conectividad de redes, por lo que no los trataremos más. En su lugar nos concentraremos en el sistema móvil, que se utiliza para la comunicación de datos y voz de área amplia.
Los teléfonos móvileshan pasado por tres generaciones distintas, con tecnologías diferentes: 1. Voz analógica.
2. Voz digital.
3. Voz y datos digitales (Internet, correo electrónico, etcétera).
Aunque la mayor parte de nuestro análisis se concentra en la tecnología de estos sistemas, es interesante mencionar cómo es que las decisiones políticas y de publicidad pueden tener un gran impacto. El primer sistema móvil fue diseñado en Estados Unidos por AT&T y regulado por la FCC. Como resultado, Estados Unidos tenía un solo sistema (analógico), y un teléfono celular comprado en California también funcionaba en Nueva York. En contraste, cuando el sistema mó- vil apareció en Europa, cada país diseñó su propio sistema, lo cual fue un fracaso.
Europa aprendió de su error y cuando aparecieron los sistemas digitales, los PTTs a cargo del gobierno se unieron y estandarizaron un solo sistema (GSM), por lo que cualquier teléfono móvil europeo funcionaría en cualquier lugar de Europa. En ese entonces, Estados Unidos decidió que el gobierno no debería estar en el negocio de la estandarización, por lo que dejó la cuestión de los sistemas digitales al mercado. Esta decisión resultó en diferentes fabricantes que producían dife- rentes tipos de teléfonos móviles. En consecuencia, Estados Unidos ahora tiene funcionando dos principales sistemas telefónicos móviles digitales incompatibles (además de otro menor).
A pesar de la ventaja inicial que tenía Estados Unidos, la posesión y el uso de teléfonos mó- viles en Europa ahora es mayor que en Estados Unidos. El hecho de tener un solo sistema para to- da Europa es una de las razones, pero hay más. Una segunda parte en la que Europa y Estados Unidos difieren es en la cuestión de los números telefónicos. En Estados Unidos los teléfonos mó- viles están mezclados con los teléfonos (fijos) normales. Por lo tanto, no hay forma de que la per- sona que llama vea si, digamos, (212)234-5678 es el número de un teléfono fijo (barato o de
llamada gratis) o uno de teléfono móvil (llamada costosa). Para que la gente no se asustara de uti- lizar los teléfonos móviles, las compañías telefónicas decidieron que el dueño de un teléfono mó- vil pague por las llamadas entrantes. En consecuencia, muchas personas dudaron en comprar un teléfono móvil por miedo a terminar con una gran cuenta por pagar sólo por recibir llamadas. En Europa, los números de los teléfonos móviles tienen un código de área especial (parecido a los nú- meros 800 y 900) por lo que se pueden reconocer al instante. Como resultado la regla común de “el que llama paga” también se aplica a los teléfonos en Europa (excepto en las llamadas interna- cionales en las que el costo se divide).
Un tercer aspecto que ha tenido un gran impacto en la adopción es el amplio uso de los telé- fonos móviles prepagados en Europa (hasta de 75% en algunas áreas). Pueden comprarse en muchas tiendas de la misma manera que un radio; simplemente se pagan. Se precargan con, diga- mos, 20 o 50 euros y pueden recargarse (utilizando un código de PIN secreto) cuando el saldo se acaba. En consecuencia, prácticamente todos los adolescentes y muchos niños de Europa tienen teléfonos móviles (por lo general, prepagados), y de esta manera sus padres pueden localizarlos sin el peligro de que el niño termine con una cuenta enorme. Si el teléfono móvil sólo se utiliza de vez en cuando, su uso es esencialmente libre debido a que no hay un cargo mensual ni uno por llamadas entrantes.
2.6.1 Teléfonos móviles de primera generación: voz analógica
Ya es suficiente sobre los aspectos políticos y de marketing de los teléfonos celulares. Ahora examinemos a la tecnología, comenzando con el sistema más antiguo. Los radioteléfonos móviles se utilizaban de forma esporádica para comunicación marítima y militar durante las primeras dé- cadas del siglo XX. En 1946, el primer sistema de teléfonos instalado en autos se construyó en St. Louis. Este sistema utilizaba un solo transmisor grande colocado en la parte superior de un edi- ficio y tenía un solo canal que servía para enviar y recibir. Para hablar, el usuario tenía que opri- mir un botón que habilitaba el transmisor e inhabilitaba el receptor. Tales sistemas, conocidos como sistemas de oprimir para hablar,se instalaron en algunas ciudades desde finales de la década de 1950. El radio de banda civil (CB), los taxis y las patrullas policiacas en programas de televisión a veces usan esta tecnología.
En la década de 1960 se instaló el IMTS(Sistema Mejorado de Telefonía Móvil).También utilizaba un transmisor de alta potencia (200 watts), en la cima de una colina, pero tenía dos fre- cuencias, una para enviar y otra para recibir, por lo que el botón de oprimir para hablar ya no era necesario. Puesto que toda la comunicación desde los teléfonos móviles entraba por un canal di- ferente del que recibían los teléfonos emisores, los usuarios móviles no podían escucharse unos a otros (a diferencia del sistema de oprimir para hablar empleado en los taxis).
IMTs manejaba 23 canales dispersos desde 150 hasta 450 MHz. Debido al número tan peque- ño de canales, los usuarios a veces tenían que esperar bastante tiempo antes de obtener el tono de marcar. Además, debido a la gran potencia del transmisor en la cima de la colina, los sistemas ad- yacentes tenían que estar alejados varios cientos de kilómetros para evitar la interferencia. Consi- derando todo, el sistema no era práctico debido a su capacidad limitada.
Sistema Avanzado de Telefonía Móvil
Todo cambió con AMPS (Sistema Avanzado de Telefonía Móvil),inventado por los Labora- torios Bell e instalado por primera vez en Estados Unidos en 1982. Este sistema también se utili- zó en Inglaterra, donde se llamó TACS, y en Japón, donde se llamó MCS-L1. Aunque no es lo último en tecnología, lo analizaremos, pues muchas de sus propiedades fundamentales han sido heredadas por su sucesor digital, D-AMPS, con el fin de tener compatibilidad hacia atrás.
En todos los sistemas de telefonía móvil, una región geográfica se divide en celdas,razón por la cual los dispositivos se conocen como teléfonos celulares. En AMPS, las celdas normalmente tienen de 10 a 20 km de diámetro; en los sistemas digitales, las celdas son más pequeñas. Cada celda utiliza un conjunto de frecuencias que no es utilizada por ninguno de sus vecinos. La idea clave que confiere a los sistemas celulares más capacidad que todos los sistemas anteriores es el uso de celdas relativamente pequeñas y la reutilización de las frecuencias de transmisión en cel- das cercanas (pero no adyacentes). Mientras que un sistema IMTS de 100 km de alcance puede te- ner una llamada en cada frecuencia, un sistema AMPS podría tener 100 celdas de 10 km en la misma área con 5 a 10 llamadas en cada frecuencia en celdas muy separadas. Por lo tanto, el di- seño celular incrementa la capacidad del sistema en un orden de magnitud conforme las celdas se hacen más pequeñas en su área de cobertura. Además, al ser las celdas más pequeñas se necesita menor potencia, lo cual conduce a dispositivos más pequeños y económicos. Los teléfonos de bol- sillo tienen una salida de 0.6 watts; los transmisores en los automóviles normalmente son de 3 watts, el máximo permitido por la FCC.
La idea de reutilizar frecuencias se ilustra en la figura 2-41(a). Por lo general, las celdas son casi circulares, pero es más fácil modelarlas como hexágonos. En la figura 2-41(a), las celdas son del mismo tamaño y están agrupadas en unidades de siete celdas. Cada letra indica un grupo de fre- cuencias. Observe que para cada conjunto de frecuencias hay un espacio de alrededor de dos cel- das de ancho en el que esa frecuencia no se reutiliza, proporcionando buena separación y baja interferencia.
Encontrar localidades elevadas para colocar antenas de estación base es un problema importan- te. Este problema ha llevado a algunas empresas portadoras de telecomunicaciones a forjar alianzas con la Iglesia Católica Romana, puesto que ésta posee un número sustancial de sitios potenciales para antenas en todo el mundo, todos convenientemente bajo una administración única.
En un área en la que la cantidad de usuarios ha crecido tanto que el sistema está sobrecarga- do, la potencia se reduce y las celdas sobrecargadas se dividen en microceldaspara permitir una mayor reutilización de las frecuencias, como se muestra en la figura 2-41 (a). Las compañías te- lefónicas algunas veces crean microceldas temporales, utilizando torres portables con enlaces de satélite, en eventos deportivos, conciertos de rock y otros lugares donde un gran número de usua- rios móviles se congrega por algunas horas. Qué tan grandes deben ser las celdas es un tema com- plejo, y se trata en (Hac, 1995).
En el centro de cada celda está la estación base a la cual transmiten todos los teléfonos de la celda. La estación base consiste en una computadora y un transmisor/receptor conectado a una an- tena. En un sistema pequeño, todas las estaciones base se conectan a un mismo dispositivo llamado MTSO (Oficina de Conmutación de Telefonía Móvil) o MSC(Centro de Conmutación Móvil).
En un sistema grande pueden ser necesarias varias MTSOs, las cuales se conectan a una MTSO de segundo nivel, y así sucesivamente. Las MTSOs son esencialmente oficinas centrales como en un sistema telefónico y, de hecho, están conectadas a por lo menos una oficina central del sistema telefónico. Las MTSOs se comunican con las estaciones base, con otras MTSOs y con la PSTN mediante una red de conmutación de paquetes.
En cualquier instante cada teléfono móvil está en una celda específica y bajo el control de la estación base de esa celda. Cuando un teléfono móvil sale de una celda, su estación base nota que la señal telefónica se desvanece o pregunta a todas las estaciones base circundantes cuánta poten- cia están recibiendo de ella. A continuación, la estación base transfiere la posesión a la celda que está recibiendo la señal más fuerte, esto es, la celda donde se localiza ahora el teléfono. Se infor- ma entonces al teléfono cuál es su nueva base y, si está efectuando una llamada, se le pide que cambie a un nuevo canal (porque el antiguo no se reutiliza en ninguna celda adyacente). Este pro- ceso, llamado transferencia de celda (cell handoff), tarda cerca de 300 mseg. La asignación de canal es realizada por la MTSO, que es el centro neurálgico del sistema. Las estaciones base sólo son retransmisoras de radio.
Las transferencias de celda pueden realizarse de dos maneras. En la transferencia suave de celda (soft handoff), el teléfono es adquirido mediante la nueva estación base antes de que las pri- meras terminen. De esta manera, no hay pérdida de continuidad. La desventaja es que el teléfono necesita estar disponible para sintonizar dos frecuencias al mismo tiempo (la anterior y la nueva). Ni los dispositivos de primera generación ni los de segunda pueden hacer esto.
En la transferencia dura de celda (hard handoff) la antigua estación base deja el teléfono antes de que la nueva lo adquiera. Si la nueva no puede adquirirlo (por ejemplo, debido a que no hay frecuencia disponible), la llamada se termina de manera abrupta. Los usuarios suelen notar esto, pero con el diseño actual es inevitable que suceda en ocasiones.
Figura 2-41. (a) Las frecuencias no se reutilizan en celdas adyacentes. (b) Para añadir más usua- rios se pueden usar celdas más pequeñas.
Canales
El sistema AMPS emplea 832 canales dúplex, cada uno compuesto por un par de canales sím- plex. Hay 832 canales de transmisión símplex desde 824 hasta 849 MHz, y 832 canales de recepción símplex desde 869 hasta 894 MHz. Cada uno de estos canales símplex es de 30 kHz de ancho; por lo tanto, AMPS usa FDM para separar los canales.
En la banda de 800 MHz, las ondas de radio son de cerca de 40 cm de largo y viajan en línea recta; son absorbidas por árboles y plantas y rebotan en el suelo y los edificios. Es posible que una señal enviada por un teléfono móvil llegue a la estación base por una trayectoria directa, pero tam- bién con un pequeño retardo después de rebotar en el suelo o en un edificio. Esto puede producir un efecto de eco o de distorsión de la señal (desvanecimiento de múltiples trayectorias). A veces es posible incluso oír una conversación distante que ha rebotado varias veces.
Los 832 canales se dividen en cuatro categorías: 1. Control (base a móvil) para administrar el sistema.
2. Localización (base a móvil) para avisar a usuarios móviles que tienen llamadas. 3. Acceso (bidireccional) para establecimiento de llamadas y asignación de canales. 4. Datos (bidireccional) para voz, fax o datos.
Veintiún canales se reservan para control, y están fijos dentro de un PROM en cada teléfono. Puesto que las mismas frecuencias no pueden reutilizarse en celdas cercanas, la cantidad real de canales de voz disponibles por célula es mucho menor que 832, normalmente cerca de 45. Administración de llamadas
Cada teléfono móvil en AMPS tiene un número de serie de 32 bits y un número telefónico de 10 dígitos en su PROM. El número de teléfono se representa como un código de área de 3 dígitos, en 10 bits, y un número de suscriptor de 7 dígitos, en 24 bits. Cuando un teléfono se enciende, exa- mina una lista preprogramada de 21 canales de control para encontrar la señal más potente.
A continuación, el teléfono difunde su número de serie de 32 bits y su número de teléfono de 34 bits. Al igual que toda la información de control de AMPS, este paquete se envía en forma di- gital varias veces y con código de corrección de errores, aunque los canales de voz mismos son analógicos.
Cuando la estación base oye el anuncio, avisa a la MTSO, la cual registra la existencia de su nuevo cliente y también informa a la MTSO local del cliente de su ubicación actual. Duran- te el funcionamiento normal, el teléfono móvil se vuelve a registrar cada 15 minutos aproxima- damente.
Para hacer una llamada, un usuario móvil enciende el teléfono, teclea el número al que desea llamar y oprime el botón de Enviar. El teléfono envía entonces el número al que se va a llamar y su propia identidad por el canal de acceso. Si ocurre una colisión, lo intenta nuevamente más tarde.
Cuando la estación base recibe la petición, informa a la MTSO. Si el que llama es un cliente de la compañía de la MTSO (o uno de sus socios), la MTSO busca un canal desocupado para la llama- da; si encuentra uno, el número de canal se envía de regreso por el canal de control. A continua- ción, el teléfono móvil se conecta en forma automática con el canal de voz seleccionado y espera hasta que la persona llamada levante el teléfono.
Las llamadas entrantes funcionan de forma diferente. Para empezar, todos los teléfonos deso- cupados escuchan continuamente el canal de aviso para detectar mensajes dirigidos a ellos. Cuan- do se hace una llamada a un teléfono móvil (ya sea desde un teléfono fijo o algún otro teléfono móvil), se envía un paquete a la MTSO local del destinatario de la llamada para averiguar dónde se encuentra. Luego se envía un paquete a la estación base de su celda actual, la cual realiza una difusión por el canal de aviso de la forma: “unidad 14, ¿está ahí?” A continuación el teléfono lla- mado responde con “Sí” por el canal de control. Enseguida, la base dice algo como: “unidad 14, tiene llamada por el canal 3”. En este punto, el teléfono llamado conmuta al canal 3 y empieza a timbrar.
2.6.2 Teléfonos móviles de segunda generación: voz digital
La primera generación de teléfonos móviles fue analógica; la segunda fue digital. Al igual que no hubo estandarización mundial en la primera generación, tampoco la hubo en la segunda. En la actualidad hay cuatro sistemas en uso: D-AMPS, GSM, CDMA y PDC. A continuación analiza- remos las primeras tres. PDC sólo se utiliza en Japón y básicamente es un D-AMPS modificado para compatibilidad hacia atrás con el sistema analógico japonés de primera generación. A veces se utiliza el nombre PCS (Servicios de Comunicaciones Personales) para indicar el sistema de se- gunda generación (es decir, el digital). Originalmente denotaba un teléfono móvil que utilizaba la banda de 1900 MHz, pero en la actualidad esa distinción se emplea raramente.