Sistemas de telefonía y comunicaciones móviles
Introducción
La telefonía es el servicio más utilizado de los
que ofrecen los sistemas de comunicaciones móviles. Todos los sistemas tienen
la función de telefonía incorporada. Si bien la telefonía móvil empezó siendo
analógica, en la actualidad todo el servicio es digital. Esta telefonía móvil
digital, que también recibe la denominación de celular en algunos paises, se
basa en el concepto de celda o célula.
Representación de sistema celular para telefonía.
Clasificación de sistemas
La clasificación más comúnmente usada para
referirse a los sistemas de comunicaciones móviles es la siguiente:
·
Primera generación 1G o analógicos (AMPS, NTM,
TACS...)
·
Segunda generación 2g o digitales (GSM).
·
Segunda generación avanzada 2.5G (GPRS) y 2.75G
(EGPRS).
·
Tercera generación 3G (UMTS).
·
Tercera generación avanzada 3.5G (HSDPA), 3,75G
(HSUPA) y 3.8G - 3.85G (HSPA+).
·
Cuarta generación 4G (LTE), 4G+ (LTE Advanced).
·
Quinta generación 5G (sin estandarizar).
A continuación, se detallan las características de
estas tecnologías de transmisión móvil:
Primera generación 1G
Los primeros sistemas 1G aparecieron en el mercado
en 1979. Su expasión no fue, sin embargo, muy uniforme. Este primer estándar se
identifica como telefonía analógica y dedicada exclusivamente a la voz.
La tecnología predominante de esta generación fue
denominada AMPS (Advanced Mobile Phone System) en Estados
Unidos, conviertiéndose en el primer estándar de telefonía móvil. En Japón se
implementaron múltiples sistemas; tres estándares, TZ-801, TZ-802, TZ-803,
desarrollados por NTT, con un sistema de competencia operado por DDI usando el
estándar JTACS.
En Europa también teníamos diferentes versiones de
telefonía 1G:
·
NMT (Nordic
Mobile Telephone): Dinamarca, Noruega, Holanda, etc.
·
TACS (Total
Access Communications System): Reino Unido y España.
·
C450:
Alemania Oriental, Portugal.
·
Radiocom 2000:
Francia.
·
RTMI:
Italia
Imagen del primer móvil con tecnología de primera
generación: Motorola DynaTAC 8000X.
Segunda generación 2G
Las limitaciones del sistema de telefonía móvil de
primera generación llevaron al desarrollo de un nuevo sistema (segunda
generación) que se presentó a principios de la decada de los 90. Este sistema
se basó en introducir protocolos de telefonía digital que además de permitir
más enlaces simultáneos en un mismo ancho de banda, permitían integrar otros
servicios (que anteriormente eran independientes) en la misma señal, como es el
caso del envío de mensajes de texto SMS (Short Message Service) y una mayor capacidad
de envío de datos desde dispositivos de fax y módem.
Al igual que con la primera generación,
inicialmente se desarrollaron varios estándares:
·
GSM (Global System for Mobile Communications)
·
TDMA (conocido también como TIA/EIA136 o ANSI-136)
·
D-AMPS Digital Advanced Mobile Phone System
Sin embargo, ha sido el primero de ellos, GSM, el
que pronto se estandarizó a nivel mundial. Se trata de un sistema de telefonía
totalmente digital que soporta voz, mensajes de texto, datos (9.6Kbps) y
roaming.
Distintivo de la tecnología GSM.
GSM es el estándar en telecomunicaciones móviles
más extendido en el mundo, con un 82% de los terminales mundiales en uso. GSM
cuenta con más de 3000 millones de usuarios en 159 países distintos, siendo el
estándar predominante en Europa, América del Sur, Asia y Oceanía, y con gran
extensión en América del Norte.
En 1992 las primeras redes europeas de GSM-900
iniciaron su actividad, y el mismo año fueron introducidos al mercado los
primeros teléfonos móviles GSM, siendo el primero el Nokia 1011 en noviembre de
este año.
En España, Movistar (Telefónica) creó en 1995 la
primera red digital móvil. Ese mismo año se concedió licencia para una segunda
operadora móvil, conocida como Airtel (actual Vodafona) y ya en 1999 se otorgó
la tercera licencia de GSM a Amena (actual Orange). Yoigo, como cuarto
operador, inició su actividad en 2005.
Arquitectura GSM
La interfaz de radio de GSM se ha implementado en
diferentes bandas de frecuencia (850, 900, 1800 y 1900), si bien es la banda de
los 900 Mhz con la que nació en Europa y es la más extendida.
En todo sistema de emisión con ancho de banda hay
que idear técnicas para optimizar el uso de un recurso tan limitado. El sistema
GSM basa el reparto del canal o división de acceso en combinar diferentes
modelos de reparto del espectro disponible:
·
TDMA. División del tiempo en emisión y recepción
(Time Division Multiple Access). Cada portadora contiene "8 time
slots" de 577 microsecungos cada uno, formado así una trama. Se pueden
llegar a agrupar hasta 26 tramas en 120 milisegundos.
Ejemplo de envío multitrama en GSM.
·
FDMA. Separación de bandas para emisión y recepción
y subdivisión en canales radioeléctricos (Frequency Division Multiple Access).
A cada celda se le asigna un número determinado de frecuencias que no pueden
ser empleadas en celdas adyacentes. Por ejemplo, en el caso de GSM de emisión
en 900Mhz, se emplena 124 canales de frecuencia para descarga (comunicación de
base con el móvil) y otros 124 para ascendente (móvil a base). Esto forma 124 pares
de canales simplex de 200Khz. Dentro de esos canales se enviaran las tramas con
información de varios usuarios. Cada canal soporta a 8 usuarios.
Ejemplo de envío de tramas en los canales de
frecuencia de GSM.
El empleo de un sistema celular tiene en GSM claras
ventajas por la reutilización que permite de las frecuencias comentada
anteriormente. El inconveniente es el elevado número de antenas necesarias para
abarcar el despliegue determinado por la compañía. Esto último empeora si la
compañía emplea una banda de frecuencias superior a 900Mhz, como podría ser
1800Mhz o 1900Mhz.
Sistema celular, reutilización de frecuencias
celdas.
En relación a las celdas, su tamaño variará
dependiendo del número de usuarios presentes en un área determinada. Así, nos encontramos
con:
·
Macrocélulas: Presentes en zonas rurales, urbanas,
suburbanas y carreteras. Ofrecen decenas de kilometros de cobertura. En este
caso, las antenas suelen tener cobertura omnidireccional.
·
Microcélulas: Ubicadas en zonas urbanas.
Proporcionan hasta 1 km de cobertura. Con las microcélulas se utiliza la
técnica de trisectorización, consistente en dividir la célula en tres zonas,
denominadas sectores, que a efectos prácticos funcionan como células
independientes. Las antenas emiten con un rango de 120º.
Ejemplo de representación de la trisectorización en
telefonía móvil.
·
Picocélulas: Se intalan en aeropuertos o centros
comerciales para dar 100 metros de cobertura.
·
Femtocélulas: Pueden ubicarse en hogares o
negocios. Extienden la cobertura en interiores. Se conectan a la red de banda
ancha.
Ejemplo de tipos de antenas de telefonía móvil GSM.
La arquitectura GSM se componente básicamente de
tres elementos:
·
MS: Mobile Station.
·
BSS: Base Station Sybsystem.
·
NSS: Network & Switching Subsystem.
Elementos de una arquitectura GSM.
A continuación se explica en detalle cada uno de
ellos.
Mobile Station
Las estación móvil se corresponde con el
dispositivo móvil en sí, donde nos encontramos la tarjeta SIM. La tarjeta SIM almacena
información específica de la red usada para autentificar e identificar al
cliente, entre otros parámetros:
·
Número IMSI (International Mobile
Suscriber Identity), que sirve para identificar al abonado en todo el mundo.
Este número es el que permite el roaming.
·
Asimismo, nos encontramos con el número ICCID (Integrated
Circuit Card ID), que es el número de serie de la tarjeta. Haciendo una
analogía con redes TCP/IP, este número sería equivalente a la dirección MAC de
una tarjeta de red de un dispositivo.
Número ICCID de una tarjeta SIM.
·
Clave de autentificación única ki que
se asigna por el operador en el momento de personalización de la tarjeta.
·
Identificador de árealocal LAI (Location
Area Identity). Este identificador está relacionado con las celdas y la
ubicación geográfica en la que se encuentra el dispositivo móvil y su la
tarjeta en ese momento. Cuando el terminal móvil cambia de ubicación de un área
local a otra almacena su nuevo LAI en la tarjeta SIM y la envía al operador
para informar a la red de esta nueva localización.
Conjunto de estaciones dentro de un código local de
área.
El número IMSI, de acuerdo al estándar ITU E.212
está formado por:
·
MCC:
Código del país (3 dígitos).
·
MNC:
Código de la red móvil (2 o 3 dígitos).
·
MSIN:
Número de 9 ó 10 dígitos como máximo que contiene la identificación de la
estación móvil (MS o Mobile Station).
Siguiendo con la analogía con redes TCP/IP, el
número ICCID sería el equivalente a la dirección IP asocida a un dispositivo
cuando entra en una red de datos.
El formato de la tarjeta SIM del sistema GSM ha
evolucionado rápidamente, reduciendo su tamaño hasta el último conocido como
nanoSIM.
Ejemplo de la reducción de tamaño de la tarjeta SIM
de los dispositivos móviles. De izquierda a derecha: Stardard SIM, Mini SIM,
Micro SIM y Nano SIM.
Por último, asociado a la compañia telefónica nos
encontramos con la numeración MSISDN (Mobile Station
Integrated Services Digital Network) que es nuestro número de telefono móvil
que fácilmente recordadmos. Está compuesto por 15 dígitos como máximo
(recomendación de la ITU-T, norma E.164) dividos en CC (country code), NDC
(National Destination Code) y SN (Subscriber Number). En el caso de España
tenemos CC = 34, NDC vendría determinado por operador y dentro de éstos habría
varios. Por ejemplo, 607 sería un NDC de un número original de Vodafone.
Después del NDC tendríamos 6 dígitos.
Cuando un abonado de telefonía móvil cambia de
operador mediante portabilidad, cambiará de número IMSI, pero conservará su
número MSISDN. Este número MSISDN se comportará como un nombre de dominio (en
una analogía con redes TCP/IP).
Base Station Sybsystem
Aqui nos encontramos con dos elementos importantes
que son la estación base BTS (Base Transceiver Station) y el
controlador de la estación base BSC (Base Station Controller).
BTS
Las estaciones BTS son visibles para los usuarios
pues se corresponde con la llamativa antena que permite la conexión física con
el dispositivo móvil. Estas BTS se encargan de varias funciones dentro de la
red de telefonía móvil:
·
Ofrecen un canal de broadcast que los terminales de
abonado utilizan para medir el grado de cobertura disponible y tratar de
cambiar a otra BTS si es preciso (handover).
·
Ofrecen canales de tráfico para el establecimiento
de llamadas telefónicas desde/hacia los terminales de abonado.
·
Disponen de conexiones alámbricas o inalámbricas
hacia las centrales telefónicas BSC, desde donde se pueden encaminar las
llamadas hacia otras zonas de la red.
Las BTS son capaces de prestar servicio a un número
limitado de abonados dentro del área geográfica determinada por su cobertura
radioeléctrica. Es decir, disponen de un número acotado de canales de tráfico
disponibles para el establecimiento de llamadas telefónicas. Si todos esos
canales están ocupados, ningún otro abonado podrá establecer una llamada hasta
que quede algún canal libre, situación que se conoce con el nombre de
saturación.
En general un BTS tradicional de tecnología 2G GSM
es capaz de mantener simultáneamente 3 ó 5 portadoras de radio, permitiendo entre
20 y 40 comunicaciones simultáneas.
BSC
El controlador de la estación base o BSC es el
equipo que controla un determinado número de BTSs de un area. Todas las BTSs
del area se conectan a la BSC y, a través de ella, pasa todo el flujo de
comunicaciones. El elemento BSC se encarga del correcto funcionamiento de las
BTSs conectadas, maneja la configuración de cada una de ellas e incluso
participa activamente cuando un usuario móvil pasa de una BTS a otra (traspaso
más conocido como handover). Con las generaciones 2.5 y 2.75 el elemento BSC
diferencia el tráfico de voz y de datos ya que, a partir de ella, siguen
caminos separados.
·
Ejemplo de BSC. Controlador Nokia BSC-2i.
Network & Switching Subsystem
El subsistema de red y conmutación se corresponde
con la central de telefonía móvil. Este sistema puede dar servicio a un área
bastante extensa (50, 100, 200Km...) y está en continua comunicación con los
controladores de las estaciones base (BSC).
El subsistema de red y conmutación cuenta con
varios elementos importantes:
·
Centro de conmutación móvil MSC (mobile switch
center).
·
Bases de datos de control (HLR, VLR, EIR, AUC).
MSC
El centro de conmutación móvil se encarga del
encaminamiento de las llamadas y de gestionar los abonados móviles (registro,
autenticación, traspaso…) en colaboración con otras entidades de la propia red
(bases de datos). Además realiza una importante tarea de interconexión,
conectando la red móvil a la red fija.
Imagen de un MSC con tecnología de Lucent.
Bases de datos de control
Entre las diferentes bases de datos de control,
encontramos los siguientes elementos clave:
·
HLR: Registro de localización base. Se trata de la
base de datos relacionada con el abonado y su información de localización.
·
VLR: Registro de localización del visitante. Es la
base de datos de los abonados de la zona.
·
EIR: Registro de indentidad del equipo. Almacena
los datos de los equipos móviles. IMEI válidos e inválidos.
·
AUC: Centro de autenticación. Se corresponde con la
base de datos de los números secretos de autenticación contenidos en la SIM.
Gestión de movilidad
Las gestión de movilidad, traspaso o hadover
consiste en el cambio de BTS para un equipo móvil. Cuando una estación base
detecta que le llega muy poca intensidad de señal procedente de un dispositivo
móvil avisa al móvil para que busque alternativas. Esto suele ocurrir en las
zonas de solapamiento entre celdas.
El móvil debe buscar otras estaciones base cercanas
a las que se pueda conectar. El proceso conlleva una serie de pasos:
·
Relizar un barrido en el resto de frecuencias (para
buscar otras estaciones base).
·
Seleccionar la estación base más adecuada entre las
disponibles.
·
Cambiar de frecuencia y cortar la conexión con la
anterior estación.
... y todo esto sin que se corte la llamada.
Esquema de representación del handover para un
dispositivo móvil.
Sistema GPRS (2.5G)
Las redes GSM tienen ciertas limitaciones para la
transmisión de datos:
·
Velocidad de transferencia de 9,6 Kbps.
·
Pago por tiempo de conexión.
·
Problemas para mantener la conectividad en
itinerancia (Roaming).
La baja velocidad de transferencia limita la
cantidad de servicios que Internet ofrece. Por ejemplo, a 9,6 Kbps no se puede
navegar por Internet de una manera satisfactoria. Si tenemos en cuenta que
estamos pagando por tiempo de conexión, los costos se disparan.
GPRS son las siglas de Global Packet Radio System.
Se trata de una nueva tecnología que comparte el rango de frecuencias de la red
GSM utilizando una transmisión de datos por medio de 'paquetes'. Por tanto,
GPRS no sustitye a la red original GSM sino que la complementa, para ello que
se requiere que añadan nuevos nodos de red denominados SGSN (nodos
de soporte GPRS) ubicados en una red de transporte:
·
El router SGSN (Nodo de soporte de servicio GPRS)
gestiona las direcciones de las terminales de la celda y proporciona la
transferencia de la interfaz de paquetes con la pasarela GGSN.
·
La pasarela GGSN (Nodo de soporte de pasarela GPRS)
se conecta con otras redes de datos (Internet). En particular, GGSN debe
proporcionar una dirección IP a las terminales móviles durante toda la
conexión.
Aquitectura GSM incorporando GPRS y EGPRS.
Con el GPRS la velocidad de transmisión de datos se
ve aumentada hasta un mínimo 40 Kbps y un máximo de 115 Kbps. GPRS además
integra el concepto de calidad de servicio (abreviado QoS), que representa la
capacidad de adaptar el servicio a las necesidades de una aplicación.
Una mejora del servicio GPRS es el E-EDGE, que se
corresponde con Enhanced Data Rates for GSM Evolution (Tasas de Datos Mejoradas
para la evolución de GSM). Es una tecnología de la telefonía móvil celular, que
actúa como puente entre las redes 2G y 3G.
EDGE es un método para aumentar las velocidades de
datos sobre el enlace de radio de GSM. Básicamente, EDGE sólo introduce una
nueva técnica de modulación (8PSK) y una nueva codificación de canal. EDGE, por
lo tanto, es un agregado a GPRS.
EDGE puede alcanzar una velocidad de transmisión de
384 Kbps en modo de paquetes, con lo cual cumple los requisitos de la ITU para
una red 3G,
Frecuencias de telefonía móvil en España
Las frecuencias de telefonía móvil utilizadas en
España son las siguientes:
·
2G: 900 y 1800 MHz.
·
3G: 900 (desde septiembre de 2011) y 2100 MHz.
·
4G: 800 (desde abril de 2015), 1800 MHz y 2600Mhz.
Espectro de frecuencias.
Banda de 800 Mhz
Se conoce como dividendo digital, y representa a la
zona más alta de frecuencias de la TV, recientemente liberada para el uso de
telefonía móvil de cuarta generación. Los operadores Movistar, Vodafone y
Orange poseen ya frecuencias en esta banda.
Banda de 900 Mhz
La telefonía móvil 2G en España nació y creció en
esta banda. Los dos operadores Movistar y Airtel (Vodafone) siempre tuvieron
frencuencias en esta banda, lo que mejoraba la cobertura en su día frente al
nuevo competidor Amena (Orange). Esta situación cambió unos años atrás cuando
Orange pudo hacer uso de esta banda.
Banda de 1800 Mhz
Empleada para telefonía 3G y actualmente también
para 4G. El operador Yoigo no posee frecuencias en bandas inferiores, empleando
los 1800Mhz para GSM, lo cual debilita su cobertura frente a la compentencia.
Banda de 2100 Mhz
Las cuatro operadoras españolas con red propia
emplean esta banda para 3G.
Banda de 2600 Mhz
Sólo las tres grandes operadoras (Movistar,
Vodafone y Orange) poseen frencuencias en esta banda. Yoigo no se presentó al
consurso para la adquisición de espectro en esta banda. Se emplea para 4G en
nucleos urbanos donde no es posible ofrecer cobertura en 1800Mhz por saturación
de banda.
Operadores móviles virtuales
Un operador móvil virtual u OMV (en inglés: Mobile
Virtual Network Operator) es una compañía de telefonía móvil que no posee una concesión
de espectro de frecuencia.
Ningún OMV posee infraestructura de emisión en el
medio y, por lo tanto, no dispone de estaciones base propias. Sin embargo, en
cuanto al resto de infraestructura las cosas pueden ser distintas. En este
sentido, se pueden defierenciar dos tipos de operadores virtuales:
·
OMV light: no poseen nada de infraestructura.
·
OMV completos: poseen sus propios sistemas de
facturación, localización (HLR) e incluso pueden llegar a contar con MSCs.
A los operadores virtuales "light"
también se les conoce como revendedores pues sólo se encargan de tareas
comerciales y de atención al cliente.Las operadoras pueden cambiar a OMV
completos en función de su plan de negocio.
Los OMV se han hecho muy populares en España,
contabilizando un saldo positivo de clientes mes a mes, superando en su
conjunto al cuarto operador real (Yoigo) en cuanto a número de clientes.
Actualmente suponen más del 15% de la cuota de mercado móvil.
Cuota de mercado de los operadores móviles en
España a diciembre de 2014.
