Telefonía y telefonía celular
La red telefónica fue durante un siglo un par de cobre por abonado hasta una central. La telefonía celular resolvió un problema aparentemente imposible —dar servicio a millones de usuarios con unos pocos canales de radio— con una idea sencilla: dividir el territorio en celdas y reusar las frecuencias.
01La red telefónica fija
| Elemento | Función |
|---|---|
| Par de abonado | Dos hilos de cobre desde la casa hasta la central. Lleva la voz y la alimentación: la central entrega 48 V, y por eso el teléfono de línea funcionaba durante un corte de luz. |
| Señalización | Descolgar cierra el bucle y pide tono; el DTMF envía cada dígito como la suma de dos tonos, uno de fila y uno de columna; el timbre son 75 V de corriente alterna a 25 Hz. |
| Central | Conmuta la llamada. De las electromecánicas a las digitales y hoy a servidores que manejan voz sobre IP. |
| Ancho de banda | El canal telefónico ocupa 300 a 3400 Hz. Alcanza para entender la voz y para reconocer a quien habla, pero no para música. |
| Digitalización | La voz se muestrea a 8 kHz con 8 bits por muestra: 64 kbit/s por canal. Es la base de toda la red digital, y de ahí salen los múltiplex de 30 canales. |
El muestreo a 8 kHz para una señal limitada a 3400 Hz es aplicación directa del teorema del muestreo —ver señales y análisis de Fourier— y la cuantificación de 8 bits, la misma que se estudia en conversores A/D y D/A.
02La idea de la celda
Un solo transmisor potente cubriendo una ciudad entera sólo puede atender tantas llamadas simultáneas como canales tenga. Bajando la potencia y poniendo muchas antenas chicas, el mismo grupo de frecuencias se puede usar de nuevo unas cuadras más allá sin interferirse.
- Capacidad ajustable: donde hace falta más tráfico se ponen celdas más chicas. En el centro de una ciudad hay antenas cada pocas cuadras; en la ruta, cada varios kilómetros.
- Potencia baja: un celular transmite entre 0,1 y 2 W, y en general mucho menos gracias al control de potencia.
- Movilidad: la red sigue al usuario. El handover traspasa la llamada a la celda vecina; el roaming permite usar la red de otro operador.
- Sectorización: cada sitio suele tener tres antenas panel de 120°, y cada sector es una celda distinta: se triplica la capacidad con la misma torre.
- Terminal con su SIM, que guarda la identidad del abonado y las claves. El equipo tiene su propio identificador, el IMEI.
- Estación base: antenas, radios, alimentación y respaldo. Es el punto que se ve desde la calle.
- Controladora: administra varias estaciones base, los handover y los recursos de radio.
- Red central: conmuta llamadas y datos, autentica, tarifica y conecta con las otras redes.
03Cómo comparten el aire
Dentro de una celda, muchos usuarios tienen que convivir en el mismo espectro. Las técnicas de acceso múltiple resuelven ese reparto, y cada generación usó una distinta.
| Método | Cómo reparte | Dónde se usó |
|---|---|---|
| FDMA | Cada usuario, una frecuencia propia durante toda la llamada. | 1G analógico. Simple y muy poco eficiente. |
| TDMA | Varios usuarios comparten una frecuencia, cada uno en su intervalo de tiempo. Ocho por portadora en GSM. | 2G / GSM. |
| CDMA | Todos transmiten al mismo tiempo en la misma banda, cada uno con un código distinto que el receptor usa para separarlo. | 3G / UMTS. |
| OFDMA | El espectro se divide en miles de subportadoras y se asignan bloques de subportadoras y de tiempo a cada usuario, según lo que necesite. | 4G / LTE y 5G. Es también la técnica del WiFi moderno. |
Porque asigna recursos de a bloques y en tiempo real: quien está descargando un archivo recibe muchas subportadoras, quien sólo tiene la mensajería abierta recibe unas pocas. Además, al partir el canal en subportadoras angostas, cada una ve un canal casi plano, y eso hace mucho más simple corregir las distorsiones del multitrayecto.
04De 1G a 5G
| Gen. | Qué introdujo | Velocidad típica |
|---|---|---|
| 1G | Voz analógica con modulación de frecuencia. Sin cifrado: cualquiera con un receptor podía escuchar. | — |
| 2G | Voz digital, cifrado, SMS, la tarjeta SIM. Después GPRS y EDGE agregaron datos. | 9,6 a 384 kbit/s |
| 3G | Datos pensados desde el diseño: internet móvil, videollamada. | 0,4 a 42 Mbit/s |
| 4G | Todo IP, incluida la voz. OFDMA y múltiples antenas (MIMO). | 10 a 300 Mbit/s |
| 5G | Más capacidad, latencia muy baja y densidad de dispositivos: pensada también para industria y sensores. | 100 Mbit/s a 1 Gbit/s |
- Bandas en Argentina: 700 MHz, 850 MHz, 900 MHz, 1900 MHz, 2100 MHz, 2600 MHz y 3,5 GHz para 5G. Las bandas bajas penetran mejor en edificios y cubren más lejos; las altas llevan más datos pero llegan menos.
- Control de potencia: la red le ordena al móvil transmitir lo mínimo necesario. Cerca de la antena transmite microwatts; en el borde de la celda, cerca del máximo. Esto ahorra batería, reduce interferencia y aumenta la capacidad.
- Duplexación: FDD usa dos frecuencias, una para cada sentido; TDD usa la misma alternando en el tiempo.
- MIMO: varias antenas en cada extremo, transmitiendo flujos distintos en la misma frecuencia. Es la razón principal del salto de velocidad en 4G y 5G.
Suena al revés pero es exacto: en una zona de mala cobertura el control de potencia le exige al móvil transmitir al máximo y reintentar más veces. Por eso el celular se calienta y la batería cae rápido justo donde hay poca señal, y no donde hay mucha.
05En el laboratorio
Con una aplicación que muestre el nivel de señal en dBm y la celda a la que está conectado el equipo, recorrer un trayecto anotando nivel y posición. Graficar. Se ven los saltos de nivel al cambiar de celda, y se identifica dónde está la antena que da servicio a cada tramo.
Durante una llamada, recorrer una distancia larga anotando el identificador de celda. Registrar en qué puntos ocurre el traspaso y qué nivel de señal había en ese momento. Es la forma directa de ver el mecanismo que hace posible hablar en movimiento.
Medir el nivel de señal afuera, adentro del aula, en un subsuelo y dentro de un ascensor. Comparar una banda baja con una alta si el equipo permite forzarlas. La caída dentro de estructuras metálicas muestra el efecto jaula de Faraday con números propios.
Grabar los tonos del teclado de un teléfono y analizarlos con un programa de espectro. Identificar los dos tonos de cada dígito y armar la tabla completa de filas y columnas. Es la aplicación más directa del análisis espectral visto en el eje anterior.
06Errores frecuentes y confusiones
| Idea equivocada | Lo que ocurre en realidad |
|---|---|
| «Las rayitas indican la velocidad de datos» | Indican nivel de señal. Con señal excelente y la celda saturada, la velocidad puede ser pésima. |
| «Cuanta más antena cerca, más radiación recibo» | Al revés: con la antena cerca el móvil transmite mucho menos, y es el móvil el que está pegado a la cabeza. |
| «5G y 5 GHz de WiFi son lo mismo» | No tienen relación: uno es una generación de telefonía, el otro una banda de frecuencia. |
| «El IMEI y el número están en la SIM» | El número y las claves están en la SIM; el IMEI identifica al equipo. |
| «Con más potencia en el móvil habría más cobertura» | El enlace está limitado también en el otro sentido y por la interferencia entre celdas: subir la potencia degradaría la red. |
| «La celda es un hexágono» | El hexágono es un modelo de dibujo. La cobertura real depende del terreno, los edificios y la altura de la antena. |
07Autoevaluación
¿Cuál es la idea central del sistema celular?
Reutilizar las frecuencias: dividir el territorio en celdas de baja potencia y volver a usar el mismo grupo de canales en celdas no vecinas. Así unos pocos canales atienden a millones de usuarios.
¿Qué es el handover?
El traspaso de una llamada o sesión de datos de una celda a la vecina cuando el usuario se mueve, sin que el servicio se interrumpa.
Diferencia entre handover y roaming.
El handover es un cambio de celda dentro de la misma red. El roaming es usar la red de otro operador, típicamente en otro país.
¿Por qué el canal telefónico se limita a 3400 Hz?
Porque alcanza para que la voz sea inteligible y reconocible, y limitar el ancho de banda permite multiplexar muchos más canales por el mismo medio.
¿De dónde salen los 64 kbit/s de un canal de voz digital?
De muestrear a 8000 muestras por segundo con 8 bits cada una: 8000 × 8 = 64 000 bit/s.
¿En qué se diferencian TDMA y CDMA?
TDMA reparte el tiempo: cada usuario tiene su intervalo en la misma frecuencia. CDMA deja transmitir a todos a la vez en la misma banda, separándolos por códigos.
¿Por qué OFDMA es más eficiente?
Porque asigna dinámicamente bloques de subportadoras y de tiempo según lo que cada usuario necesita, y porque las subportadoras angostas simplifican el tratamiento del multitrayecto.
¿Qué ventaja tienen las bandas bajas frente a las altas?
Penetran mejor en los edificios y cubren más superficie con la misma potencia. A cambio, ofrecen menos capacidad de datos.
¿Para qué sirve el control de potencia?
Para que cada móvil transmita lo mínimo necesario: ahorra batería, reduce la interferencia hacia las otras celdas y aumenta la capacidad total del sistema.
¿Por qué la batería dura menos donde hay poca señal?
Porque el móvil transmite a potencia máxima y repite intentos. El consumo de la etapa de transmisión es lo que domina el gasto en esas condiciones.