La comunicación entre un celular celular y tu operadora es algo que parece magia no obstante tras eso hay mucho trabajo de ingeniería. Los clientes de a pie no tienen mucha idea de cómo es apto de un celular de adquirir msjes de Whatsapp, mirar tu Timeline de Twitter® o subir una fotografía(digital/análoga) a tu Instagram. Para ello se han necesitado muchos años de avances.
Es por eso que yo, como alumno de Ingeniería de las Telecomunicaciones, opté por contactar con un maestro para entrevistarlo y explicara de una forma fácil el funcionamiento de las comunicaciones móviles. En concreto, nos centramos en hablar sobre el renovado 4G, la tecnología que nos venden las marcas y las empresas móviles.
El maestro que aceptó vuestra entrevista fue Pablo Aguilera Bonet (@DrPabloAguilera), Medico Ingeniero de Telecomunicación, especializado en el tratamiento avanzado de señalizaciones con variable compleja, concretamente separación ciega de fuentes. Él nos explicará detalladamente cómo se interconecta un celular a vuestra operadora móvil, cómo podemos navegar por internet y también, todas las anécdotas que trae el 4G y por qué es más rápid
¿Cómo funcionan las comunicaciones móviles?
P: ¿Como se establece una comunicación entre celular y operador? Aunque eso parece magia, posee que funcionar de alguna forma
R: Tu aparato celular se interconecta a una estación base, las estaciones bases son esas cosas que se ven en los tejados de los edificios, que cada vez hay más y una vez llega allí la señal ya se transmite a red y llega a internet. No obstante lo importante es saber cómo se produce esa “magia” entre tu celular y la estación base. Al final tú tienes una serie de parámetros que definen esa comunicación y hay un diminuto diálogo al principio, siguiendo un protocolo, en el que estación base y celular dicen “Oye, vamos a utilizar estos parámetros porque son los más convenientes en este momento”.
El aparato celular codifica la info(datos). que puede ser sonido, audio, vídeo.. Codifica la info(datos). en bits, protege esos bits, los ajusta al canal y cuando está preparado y le han asignado una frecuencia, manda eso a través de una antena. Son antenas en tecnología planares, es decir, que no sobresalen como antes. Estas antenas radian las señalizaciones y se propagan por el espacio y llega a muchos sitios. Porque en inicio el celular no sabe donde está la antena, y si hay suerte, uno de esos sitios es la estación base.
P: ¿Y en el lado del receptor? ¿Funciona igual?
En el receptor se hace todo lo contrario, se recupera la señal, se quitan los bits de protección y se recupera la información. Y eso sucede en nanosegundos, eso va ya a la red y de vuelta al terminal. Lo atrayente es que cuando transmite del celular a la red tienes que cuidar mucho la resistencia porque si no te quedas sin batería. Entonces las modulaciones que se usan están orientadas en gastar muy escasa resistencia y cuando transmites de la red al celular cuando el celular descarga info(datos). la resistencia da un poco igual y lo importante es la velocidad. Por eso se usan modulaciones que premian la velocidad.
“Estas antenas radian las señalizaciones y se propagan por el espacio y llega a muchos sitios. Porque en inicio el celular no sabe donde está la antena, y si hay suerte, uno de esos sitios es la estación base“
P: Según dijo, la señal se posee que modular, pero.. ¿Qué es la modulación? Y de cara al 4G, ¿cómo se modula una señal 4G?
R: Modular en ingeniería es ajustar una señal a las politicas que tiene. Entonces, en comunicaciones teléfonos tenemos que ajustar vuestros bits que contienen info(datos). (imagen, sonido, un archivo de texto). Si tú pasas eso de forma directa a una antena, eso no se va a radiar. Llega a la antena, no obstante no posee propiedades electromagnéticas para radiarse al espacio. Aún así, sin embargo consiga radiarse, el canal radio es muy hostil para las señales. Hay interferencias, hay ruido, si pasa un coche por delante la señal te intercambia el canal completamente, el canal te va a destrozar la señal. Que si ya hubiera llegado débil, ahora menos.
“Modular en ingeniería es ajustar una señal a las politicas que tiene”
Modular representa adaptar tu info(datos). empleando otras señalizaciones auxiliares para que se propague correctamente. Primero para que se propague, luego para qu se propague por un medio que es muy hostil y tercero, para que muchos clientes puedan comunicarse a la vez. No es lo mismo que yo tenga habilitado todo el canal radio, a que yo tenga que ponerme de convenio con 10.000 teléfonos que estén ahora mismo en la ciudad de Sevilla queriendo comunicarse.
En 4G, hay dos ideas básicas. Para que se radie esa señal se usan modulaciones QAM adaptativas. Significa que esos bits se agrupan y se forma una señal eléctrica que esa ya sí llega la señal y se radia. Si no hubiéramos hecho eso, los bits llegan a la antena, rebotan, y se pierde. No obstante si hemos modulado bien con una señal QAM se radian y saltan al espacio. Y además, la clave es que es adaptativo. Según él vea cómo se va a hallar en canal, emplea una modulación más rápida o más lenta, que protege más o menos los datos.
La 2.ª idea clave del 4G es OFDM, modulación por división en frecuencia ortogonal. Es una idea que se tenía desde los años 90 no obstante hasta que no se ha abaratado la tecnología que lo permite, la electrónica necesaria, no se ha logrado implementar. Por eso sólo está en la 4G. La idea de OFDM es que todos queremos transmitir en una frecuencia que tenemos, porque son las que da el Estado, no hay más y asimismo todos queremos transmitir con mucha velocidad. OFDM a la vez es una modulación y digamos que hay dos planos: Uno es el que se usa la señal para que radie y otro en el que una vez la señal ha radiado tengo que ocuparme de que la rapidez sea máxima y que todos los clientes puedan ponerse de acuerdo.
Pues OFDM lleva características muy considerables y es que yo transmito mis datos en muchos canales de frecuencias muy estrechos y pegados, cada uno de ellos por separado son muy lentos no obstante como yo transmito en todos, al final suman una rapidez muy grande. Y esa es la clave de por qué es tan veloz el 4G.
“OFDM lleva características muy considerables y es que yo transmito mis datos en muchos canales de frecuencias muy estrechos y pegados, cada uno de ellos por separado son muy lentos no obstante como yo transmito en todos, al final suman una rapidez muy grande“
La idea es muy simple. ¿Por qué sirve ahora tan bien?, porque esos canales están elegidos de tal forma que sin embargo los pegues mucho no solapan. Al final son canales muy estrechos, canales de muy escasa velocidad, se llaman “subportadoras”, que se pueden juntar mucho y no se solapan. Por eso se llaman ortogonales, porque no solapan y no interfieren el uno al otro. De este modo teneis muchos canales a tu servicio para poder enviar la información.
En el receptor se hace todo lo contrario. Primero recupera la info(datos). de cada subportador y luego deshace la modulación QAM. Algo que es instantáneo casi.
Lo que nos venden las operadoras con el 4G
P: Pero, ¿qué es lo que nos están vendiendo las operadoras y los productores cuando me hablan de 4G?
R: 4G, sin embargo parezca mentira, posee una definición muy difusa, te explico. Se comienza a hablar de 4G en 2008, el 3G ha funcionado muy bien desde principios de siglo, no obstante 3G era crear apaños sobre lo que ya había. Aplicar tecnología, ir apilando, y eso llegaba un instante en el que no se podía dar más. El 3G está hecho sobre 2G, tenía que ser coincidente y es una solución intermedia. No obstante hay un instante en el que hay que romper con esto y meter tecnología renovada que ya sí son posibles.
“El 3G está hecho sobre 2G, tenía que ser coincidente y es una solución intermedia”
P: Vamos, lo que se intentaba era que los que ya tuviera un celular no se vieran obligados a renovar
R: Claro, de hecho se pasó por 2.5G, que es GPRS, de hecho en zonas de montaña, se continuan consiguiendo conexiones 2.5G, que es lentísimo no obstante te da para mandar un mensaje. Se pasó por 3.5G, 3.75G y demás. Hasta que hace poco la tecnología se abarata y a los teléfonos se les pueden meter una serie de características que hace que ahora sean tan rápidos.
Cuando contamos de 4G, en realidad la ITU que es la que define los estándares, definió una serie de características muy generales que eran: Se tienen que alcanzar en desplazamiento una rapidez de 100Mb/s, estar todo entró en IP, la latencia tenía que ser menor de 10ms, unas cosas muy genéricas, tenía que ser retrocompatible con lo previo y cosas así. Y llegó un instante en el que las mejoras que proponían los productores no cumplían eso. Entonces se llegó un convenio porque los productores a la vez participan en como se define un estándar. En el que dijeron que podían meter la etiqueta de 4G a sus productos sin embargo no cumplan exactamente con lo que se quería. Ya se irá cumpliendo con el tiempo.
Pero el 4G no sólo son comunicaciones teléfonos de teléfono, 4G es WiMax, una tecnología como WiFi no obstante mucho más veloz y que tú no tenías el router en tu casa sino que estaba por las ciudades(regiones) y así llegaba internet a tu casa. Eso se aprecia 4G no obstante es algo que está ya desfasado. Incluso las últimas versiones de 3G, hay multitud que dice que es 4G. De hecho no se ponen de convenio y hay hasta puristas que dicen que el 4G no se ha alcanzado aún. Que los requerimientos iniciales no se cumplen. No obstante como la ITU cedió y sin embargo no cumplan la norma, si se acercaban lo podían llamar cuarta generación porque implementan una renovada tecnología que es completamente distinta al 3G.
Lo que se reconoce como 4G en transmisiones teléfonos se reconoce en realidad como 4G LTE (Long Therm Evolution). Es como un mapa que pusieron los que estandarizan esto para declarar “los siguientes años tenemos que continuar esta evolución: más velocidad, más clientes por celdas, celdas más pequeñas, cada vez menos latencia, cada vez la arquitectura de la red posee que ser más plana para que si un nodo fall otro pueda coger el control”. No obstante hay otras tecnologías 4G no obstante que están en desuso.
4G al final es una tecnología de comunicaciones teléfonos que rompe con lo que había en 3G, con todos los apaños que se habían hecho, y que está inspirada en tres tecnologías principales, que son novedosas. Que no existían antes porque eran muy caras de hacer.
Los números del 4G
P: ¿Por qué el 4G es tan rápido? Estamos hablando de aceleraciones completamente dispares.
R: Aunque las especificaciones(detalles) de rapidez pico sean muy altas de decenas(10 o más) o cientos de megabits, 4G está ahora en 10Mb/s, no obstante agregando cosas se van a adquirir mejores velocidades. 4G ingresa tres tecnologías nuevas que cambian completamente lo anterior. De hecho estos móviles, si son compatibles con 3G, es porque tienen otro transmisor al lado. Esas tres tecnologías son: Modulación OFDM, MIMO y SAE.
Modulación OFDM son muchos canales que puedo pegar mucho y no se solapan. Cada uno de esos canales lleva info(datos). lenta no obstante sumando agrego mucha velocidad. Y lo bueno es que de forma adaptativa yo elijo qué modulación utilizo en cada canal y con qué resistencia utilizo cada canal.
Porque para eso tengo que echar un vistazo a cómo es el canal. Tengo que echar un vistazo a las politicas de propagación en ese momento. Y para eso envío unos símbolos, llamados “símbolos piloto”, que no es info(datos). del cliente ni nada, sino que son bits que no sirven para nada más que para decirle al emisor y receptor cómo está el canal en ese momento. Se transmiten de vez en cuando cuando se plantea que hay un cambio. Por ejemplo cuando entramos a un túnel, el canal intercambia casi completamente o dentro de un edificio. Por eso hay que cambiar la resistencia para adecuarme a esa transmisión. Y por eso a la vez es tan robusto. Las conexiones no se caen tanto. Si un canal deja de ser utilizable pues se anula en ese instante y su info(datos). va por otro lado. Se va adaptando todo.
Todo esto es porque el canal radio depende de muchas frecuencias. Por eso si yo tengo 20MHz para poder transmitir, y de esos 20MHz estoy conduciendo y 2MHz no son utilizables por lo que sea, pues no se transmite info(datos). por esa subportadora. Esto es un trabajo de ingeniería bastante importante.
P: ¿Es por eso que cuando la red es muy inestable, el celular tiende a gastar más batería? ¿Por qué está todo el rato hallar un canal bueno?
R: Yo continuamente doy un consejo y es que cuando tienen escasa cubierta y no quieren gastar batería, que apaguen el móvil. Porque si posee escasa cobertura, el celular está ahi desesperado buscando señal e tratando adaptarse. por eso consume la batería más rápido. Cuando la cubierta es mala o la red está muy saturada, si no deseas gastar batería y no vas a utilizarlo, apágalo. Porque sino el celular se pone a investigar soluciones. Adaptar la resistencia para este momento, hallar una red menos congestionada, etc.
Volviendo a las tecnologías de 4G. La 2.ª tencología es MIMO, sobre la que hice mi trabajo de término de grado, es un sistema multiantena. En el estándar de 4G hay 2X4 (tu celular posee 2(dos) antenas y la estación base 4) o 2X2 o 4X4. MIMO 4X4 encarece mucho el precio(costo) de un móvil. ¿Qué es lo bueno de tener más antenas? Que teneis un grado más de libertad. Antes tenías tres: Tiempo, frecuencia y código por ejemplo. Ahora teneis un 4.º más que es espacio. Cada antena está en un sitio del móvil y puedes utilizar para un montón de cosas. No obstante en general, teniendo un grado más de libertad metes una mayor info(datos). en la misma frecuencia, en el mismo tiempo y utilizando el mismo código. Y además, si las politicas de una antena de la estación base y una del móvil, se redirige todo el tráfico por otra de las antenas.
“…teniendo un grado más de libertad metes una mayor info(datos). en la misma frecuencia, en el mismo tiempo y utilizando el mismo código“
La 3.ª es más de telemática, se llama SAE. Al final es una renovada forma de redistribuir la red. Había un problema y es que como la redes teléfonos crecieron muy rápido, había algunos nodos de la red que eran demasiado importantes. Pues con esta renovada arquitectura algunas características secundarias se pasan a la periferia de la red. Entonces se descarga mucho la red, está mucho más ligera y asimismo es plana, en el sentido que no hay nodos que sean demasiado importantes y otros no tanto, todos los nodos tienen casi la misma importancia. Y eso es lo que ha mejorado mucho la latencia, uno de los requerimientos del 4G. Se reducen las colas en los routers, no hay muchas tablas de enrutamiento y está más sencillo.
Estas tecnologías hace unos años eran inviables y ahora, gracias a lo que se ha abaratado la tecnología, sí son posibles. Tenemos 4G gracias a OFDM, MIMO y SAE.
P: Las bandas 4G, dicen que hay bandas 4G que antes había problemas con el TDT, la banda 800 y que pueden haber interferencias por programas de TDT. No obstante es que dicen que la banda 800 es la mejor para llegar a los sitios más profundos. Por ejemplo, dicen que un edificio, gracias a la banda 800, se posee una mejor cubierta a la banda 800. Y ahora mismo están por la 1600 o cosa así.
R: Primero, el espectro electromagnético es muy carente y estamos peleándonos todos por explotarlo. Sólo hay uno y tenemos que ponernos de acuerdo. Por eso el Estado regula para que se usa cada banda. Las frecuencias más bajas son para radio aficionados, radio FM, TV analógica que ya no existe, TDT, WiFi, Bluetooth… Y el operador de telefonía celular compran zonas del espectro en diferentes zonas geográficas para utilizarlo en sus servicios. El canal radio es tremendamente sensible con la frecuencia. Lo que tú transmites excelentemente a una frecuencia, subes un poco y ya no. Por eso hay bandas muy buenas para unas cosas y otras no tan buenas para otras. Por ejemplo, en general cuanto mayor es la frecuencia, mejor contesta a transmisiones a muy larga distancia y viceversa.
Por eso la banda 800 sirve bien en ciudades(regiones) y edificios. Y las bandas superiores se usan para zonas rurales y tal. Ahora bien, eso es en general, después en cada caso hay que estudiarlo. No obstante bueno, como cada operador posee que seleccionar cada frecuencia, ellos eligen la que creen que es mejor. Eso es porque el campo electromagnético interactúa con los objetos según su dimensión de onda. Los objetos muy enormes interactúan con dimensiones de ondas grandes. En general, una vez han adquirido una zona de espectro para ellos, ahí meten a todos sus usuarios. No obstante esas frecuencias se reutilizan. La frecuencia que tú y yo estamos usando, te vas a 10(diez) kilómetros y la puede utilizar otra persona. No obstante la clave es esa, el canal radio depende mucho de la frecuencia a la que estás trabajando. Por eso se pelean por qué zonas usan y la banda 800 posee todas las papeletas para ser la que más se va a usar. 4G por ley usa a la vez 1800 (1,8GHz) y 2400 (2,4GHz).
“Por eso la banda 800 sirve bien en ciudades(regiones) y edificios. Y las bandas superiores se usan para zonas rurales y tal”
Importante, cuando te compras un celular teneis que mirar qué frecuencia usa, sobre todo cuando te compras un celular chino o americano. Si tu diseñas un celular y ahí se usan unas frecuencias, aquí en Europa(Continente) la ley es distinta y se usan otras. Por eso los teléfonos más caros procedentes de China(País) son los que tienen frecuencias europeas porque saben que se van a vender mejor. Si compras un celular chino muy barato es muy posible que no sea coincidente con las bandas europeas. Lo bueno es que se están poniendo todos de convenio para que todos usen las mismas frecuencias. Aunque tardará aún unos años.
El futuro: qué ocurre con el 5G
P: Para acabar, se está conversando mucho sobre el 5G y resulta que unas de las marcas que más se está esforzando en adquirir el 1.er certificado es Huawei
R: Se sabe, no obstante se sabe muy poco. Yo tuve que preparar un informe sobre 5G, el año(365 días) pasado, para un
P: ¿Es por eso por lo que no nos dura tanto?
R: Yo creo que la batería se está investigando mucho en mejorar. Se está investigando en producción de la batería y química.
P: Sí, como unas baterías azufre de Sony® que aumenta un 40%
R: Claro, cómo teléfonos que se cargan en 30 segundos. Mucha investigación sobre ello. No obstante no llegan, se sigue utilizando lo que ya tenemos.
Aumentar la autonomía de los teléfonos reduciendo el consumo de las transmisiones
P: Por eso se busca disminuir el consumo de transmisiones móviles, para aumentar la autonomía de algún modo.
R: Por eso se investigan en algoritmo y redes que consuman menos. Por eso está la adaptación. No te conté antes que OFDM y MIMO se usan en su máximo esplendor en el canal de bajada, de la red al móvil. En el uplink (canal de subida) se usa una versión-RC recortada porque lo que prima es el consumo. Y se usa una versión-RC que consume menos y es más lenta. Porque al final de subida tampoco necesitas tanta velocidad. Aunque eso está cambiando con las redes sociales. Lo importante bajar el consumo. Y en el uplink se usa una versión-RC recortada de todo eso que te he contado antes.
5G yo creo que hasta bien entrada entrada la década de 2020 no vamos a mirar nada de 5G. Eso si lo vemos, porque el 4G se pensó para que las evoluciones de futuro fueran suaves y continuas. Que no pasara como 3G que hubo que crear un corte, que todo lo de antes no vale, que es coincidente no obstante las tecnologías de antes ya no nos valen. Con 4G LTE® sí se quiere que sea continua. De hecho ya existe el LTE+ que es una transformación del 4G que es un poco mejor en algunas cosas porque ha añadido una serie de detalles.
P: Sí, en Estados Unidos ya se está comercializando algo con Verizon® o AT&T
R: Exacto, ellos son unos de los que más tiran del carro. Yo no sé si sera un cambio radical o una transformación de lo que ya hay. Para cumplir los requerimientos que se quieren se optarán por más antenas, lo que son microceldas, no habrá antenas en cada edificio sino que en cada planta de un edificio habrá una serie de antenas para dar servicio muy concreto a cada planta o en un parque donde habrá picoceldas o microceldas que se encargarán de dar cobertura. Creo que va todo más por ahí. Todos los artefactos conectados. Ahora mismo hay de media un aparato por persona.
P: ¿El internet de las cosas?
R: Ahí quería ir, tu casa repleta de sensores, pues todo eso es mucha más carga en la red. Aunque sean artefactos que no transmiten mucha información, las latencias poseerán que bajar mucho porque queremos todo al momento. Y yo me planteo, ¿para qué queremos más velocidad? Una vez lleguemos a 1Gb/s, ¿merece la tristeza continuar complicando las cosas?
P: Para el día(24hrs) a día(24hrs) no creo que sea indispensable más velocidad
R: Por eso yo tiraría por mejor calidad, mas fiabilidad y disminuir el consumo. La rapidez es fácil de mejorar. Colocas más antenas y ancho de banda y ya la tienes. Y las frecuencias a la vez subirán hasta los 5.000 MHz, sin embargo se tenga que remodelar todo porque el canal radio a estas frecuencias se comporta completamente distinto. Más frecuencia no sera porque contamos de la rapidez de la luz. Se sabe poco aún no obstante es que tampoco es que tengan mucha prisa.
P: Irá todo poco a poco, observaremos un 4.5G y un 4.75G donde veamos avances leves por el desarrollo suave
R: Yo creo que no tienen prisa, se cree que el año(365 días) que llega van a empezar los primeros analisis serios no obstante por ahora lo que hay son unas politicas sobre lo que nos encantaría conseguir. Como se hizo con el 4G, unos estándares a cumplir y todos se tienen que meter a trabajar. Porque en esta tecnologías todos colaboran mucho.
P: También les llega bien a las marcas una renovada tecnología para obligar al cliente a renovar de móvil.
R: Es que no es requerida tanta velocidad, facilmente es por gozar de algo nuevo. Que es completamente legítimo. No obstante es que las apps aún así no aprovechan aún el 4G. Tampoco necesitamos transmitir tanto, vemos páginas web, mandar mensajes, etc. Yo creo que la rapidez va a pasar a un 2.º plano y todo se centrará en el Internet de las Cosas, más fiabilidad y demás. Yo le echaría casi 10(diez) años para que tú y yo podamos tener un celular con 5G.
La entrada Cómo sirve el 4G y por qué es tan rápido aparece 1.º en El Androide Libre.
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