Desde hace ya casi 20 años la comunicación de voz mediante telefonía móvil está resuelta de forma satisfactoria. A mediados de los años 80 del siglo XX comenzaron los primeros sistemas de telefonía móvil celular analógica (en España, el sistema comercial Moviline de Telefónica) y desde 1992, con el despliegue de la red GSM, que es un sistema celular digital de segunda generación (2G)
En la actualidad la transmisión de voz se realiza indistintamente por la red GSM, tanto en GSM 900 como en GSM 1800 y también con la telefonía de tercera generación (3G) o UMTS. En la siguiente tabla se muestran los diferentes sistemas de telefonía móvil que hay en la actualidad junto con los operadores que prestan servicio y el espectro de radiofrecuencia que tiene asignado cada uno de ellos en cada uno de los sistemas
Sin embargo, la transmisión de datos por estas redes de telefonía móvil se enfrenta a una gran dificultad técnica. Por un lado, el ya extinto sistema de telefonía móvil analógica (moviline) solo permitía transmitir datos a una velocidad de 1200 bps. GSM fue diseñado para permitir mayores velocidades de datos y permite hasta 9600 bps, velocidad apreciable en el momento del diseño de GSM pero claramente insuficiente hoy en día. GPRS es un sistema que, basándose en la red GSM ya existente, permite conseguir mayores velocidades de datos, hasta 171,2 kbps en condiciones óptimas, aunque en realidad los operadores nunca ofrecen hasta esa velocidad. En la siguiente tabla se muestran las características básicas de los sistemas GSM 900 y GSM 1800 (DCS 1800). Se aprecia que los radiocanales tienen un ancho de banda de 200 Khz y que son compartidos por 8 usuarios, cada uno en su “slot” o ranura de tiempo.
GPRS utiliza sistemas de codificación y modulación más avanzados que GSM, aunque al mismo tiempo mas vulnerables a errores. Además GPRS hace uso de varios “slot” de tiempo de cada canal de radiofrecuencia GSM, hasta un máximo de 8 slot. En la siguiente imagen se observa el sistema de asignación de “slot” de un canal radio que sigue GPRS. Obsérvese que GPRS es, en general, de tipo asimétrico, permitiendo los operadores mayor velocidad en bajada que en subida
En cada uno de estos slots, GPRS envia y recibe datos del usuario utilizando diferentes sistemas de codificación. Cuando el nivel de ruido o interferencia en el sistema es bajo se utilizan los sistemas de codificación que permiten mayor velocidad de datos en cada slot. En cambio, cuando el nivel de ruido o interferencia es alto, es mejor utilizar un sistema de codificación de menor velocidad pero más robusto ante dichas interferencias. Los sistemas de codificación utilizados son los indicados a continuación
Utilizando 8 slots a la máxima velocidad se puede obtener como máximo 21,4 x 8 = 171,2 Kbps, pero lamentablemente eso no siempre es posible, ya que cuando la relación señal a ruido empeora, las codificaciones más avanzadas como CS-3 y CS-4 dejan de ser las más eficientes, y se hace necesario acudir a codificaciones como CS-2 o incluso CS-1. En la siguiente figura se muestra el rendimiento de cada sistema de codificación respecto de la relación de señal a ruido ( C/I : Carrier / Interference )
UMTS utiliza un sistema radio totalmente diferente a GSM y GPRS. En UMTS todos los usuarios utilizan el mismo “canal radio” al mismo tiempo, mediante la técnica de espectro expandido. Gracias a ello, en UMTS cada usuario puede disponer de un ancho de banda elevado. Aunque técnicamente el sistema UMTS es muy complejo, se puede describir su funcionamiento básico mediante la siguiente figura.
En UMTS existen dos modos de funcionamiento, el modo TDD y el modo FDD, pero en ambos todos los usuarios utilizan el mismo ancho de banda de forma simultánea, distinguiéndose unos de otros por el código. En el modo TDD el enlace de subida y de bajada van multiplexados en el tiempo, necesitándose un mínimo de 5 Mhz para su funcionamiento. En el modo FDD el enlace de subida y el de bajada ocupan zonas del espectro diferentes, necesitándose al menos un ancho de banda de 5 + 5 Mhz. El espectro de UMTS está repartido en la actualidad entre cuatro operadores (Movistar, Vodafone, Orange y Yoigo) tal y como se muestra en la siguiente figura
Se observa que cada uno de los cuatro operadores dispone de 5 Mhz para TDD y 15+15 Mhz para FDD. El espectro comprendido entre 2010 y 2025 Mhz todavía no ha sido asignado a ningún operador. Como se ha indicado anteriormente, UMTS permite velocidades de datos mayores que GSM o GPRS, llegando hasta los 2 Mbps en el enlace de bajada en condiciones óptimas. En la siguiente tabla se muestra la diferencia de tiempos al manejar distinta información digital con RDSI, GSM, GPRS y UMTS
En la actualidad existe ya en funcionamiento una tecnología que mejora las prestaciones de UMTS. Se denomina HSPA (High Speed Packet Access – acceso por paquetes de alta velocidad) y es la evolución natural de UMTS de la misma forma que GPRS fue en su momento la evolución de GSM. HSPA se denomina también 3.5 G y existe en dos variantes, HSDPA (D = downlink) y HSUPA (U = uplink). Como su nombre indica HSDPA mejora las prestaciones del enlace de bajada y HSUPA las del enlace de subida. HSDPA puede llegar hasta 14,4 Mbps en bajada y HSUPA puede llegar hasta 5,76 Mbps en subida. En la siguiente figura se muestran las velocidades de datos que se pueden obtener con estos sistemas junto con los novedosos sistemas de HSPA+ y LTE
Vemos pues que, de forma inevitable, si se desea conseguir altas velocidades de datos es necesario utilizar cada vez un ancho de banda mayor y, al mismo tiempo, conseguir que el ruido o interferencias afecten lo menos posible a la señal de datos, es decir, trabajar en todo momento con un nivel óptimo de señal a ruido. Esto es, ni más ni menos, lo que demostró matemáticamente Claude E. Shannon en 1948, en su famoso teorema de Shannon, también conocido por “Teorema fundamental de las comunicaciones”.