Fundamentos de Redes Celulares: Cobertura, Interferencia y Tecnologías de Acceso

Sistema Celular

Un sistema celular conecta un terminal móvil con otro usuario (móvil o fijo) a través de la red telefónica pública conmutada (PSTN) u otras redes.

Conceptos Fundamentales

El área de servicio se divide en pequeñas zonas de cobertura denominadas células. A cada célula se le asignan ciertas frecuencias (canales). El tamaño de las células varía según la densidad del tráfico. Las frecuencias utilizadas en células adyacentes son diferentes para minimizar posibles interferencias.

Un Sistema Móvil Celular (SMC) está formado por tres componentes principales:

• Estación Base (EB o BTS): Incluye antenas y equipos de radiofrecuencia (EBRF) para comunicarse con los móviles en su célula.
• Central de Conmutación y Control (CCC o MSC): Gestiona las llamadas, la movilidad de los usuarios y la conexión con otras redes (como la PSTN).
• Estación Móvil (EM): El terminal del usuario (teléfono móvil).

La propagación de la señal es más uniforme en terrenos amplios y sin obstáculos. Sin embargo, edificios, desniveles del terreno, árboles y otras obstrucciones pueden crear zonas sin cobertura o con señal débil.

Forma Geométrica y Reutilización de Frecuencias

Idealmente, el diseño busca que no existan zonas sin señal ni solapamientos excesivos entre células en los bordes. La cobertura se divide en células permitiendo una reutilización intensiva de las frecuencias. Las células se agrupan en patrones llamados clústeres, donde cada célula del clúster utiliza un conjunto diferente de frecuencias. El mismo conjunto de frecuencias se reutiliza en otros clústeres lo suficientemente alejados.

Interferencia Cocanal

Al reutilizar frecuencias en células no adyacentes, se produce la interferencia cocanal (interferencia en el mismo canal). Esta interferencia es generada por el propio sistema y, aunque se puede controlar hasta cierto punto (mediante la distancia de reutilización y la planificación celular), es un parámetro fundamental que limita la capacidad del sistema.

Control de Potencia

El control de potencia busca garantizar que las señales de todos los móviles lleguen a la estación base con una potencia similar (ni muy alta ni muy baja). Esto contribuye al ahorro de batería en los terminales móviles y a la reducción de la interferencia general en el sistema (tanto cocanal como de canal adyacente).

Técnicas de Acceso Múltiple

Las técnicas de acceso múltiple permiten que varios usuarios compartan el espectro radioeléctrico disponible de forma eficiente. Implican procedimientos para la asignación de canales (que pueden ser fijos o dinámicos). Las técnicas más usadas históricamente incluyen:

• FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia)

  Segmenta la banda de frecuencia disponible en múltiples radio-canales más estrechos. A cada usuario se le asigna un canal de forma exclusiva durante su conexión. Cada usuario transmite continuamente durante todo el tiempo, usando siempre el mismo canal asignado.

  Características: Compatible con modulación y señales tanto analógicas como digitales. Relativa sencillez de implementación. Presenta dificultades para la inserción dinámica de canales y cierta rigidez en la gestión del espectro. Es poco adecuado para la conmutación de paquetes. Sobrevive principalmente en sistemas mixtos como FDMA/TDMA.

• TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo)

  Los usuarios comparten la misma frecuencia, pero transmiten en diferentes intervalos de tiempo (time slots). A cada usuario se le asigna uno o varios intervalos temporales de forma periódica. Se utiliza fundamentalmente con modulación digital, lo que requiere digitalizar la información (voz, datos).

  Características: Implementación relativamente sencilla (un solo equipo transceptor por frecuencia). Permite acomodar flujos de datos variables asignando más o menos ráfagas (intervalos) a un usuario. Adecuado para conmutación de paquetes. Facilita la inserción de canales de señalización. Permite la transmisión dúplex (TDD o FDD combinado con TDMA). Requiere una estricta sincronización temporal entre los usuarios y la estación base.

Características Comunes Adicionales

Además de las técnicas de acceso, los sistemas celulares comparten características clave como:

• Reutilización de frecuencias: Como ya se mencionó, es fundamental para la eficiencia espectral.
• Transferencia entre celdas (Handover o Handoff): Proceso que permite a un usuario móvil pasar de una célula a otra sin interrumpir la comunicación activa.

Evolución de los Sistemas Celulares

Las generaciones de telefonía móvil han evolucionado significativamente:

• 1G: Sistemas analógicos, principalmente para voz (ej. AMPS, NMT).
• 2G: Sistemas digitales, centrados en voz pero con capacidad limitada de datos (SMS, GPRS) (ej. GSM, D-AMPS).
• 2.5G: Mejora sobre 2G con mayor capacidad de acceso a redes de datos (ej. EDGE).
• 3G: Sistemas digitales diseñados para ofrecer servicios multimedia y mayor velocidad de datos (ej. UMTS, HSPA).
• 4G: Sistemas basados completamente en el protocolo IP (Todo IP), enfocados en banda ancha móvil de alta velocidad (ej. LTE, LTE-Advanced).
• 5G: Evolución para ofrecer velocidades aún mayores (eMBB), latencia ultra baja (URLLC), conectividad masiva de dispositivos (mMTC) y habilitar nuevas aplicaciones como IoT avanzado, vehículos conectados y realidad virtual/aumentada (ej. NR).