5.3: Comunicaciones celulares

Las comunicaciones celulares, como su nombre lo indica, se basan en el concepto de celdas en las que una unidad terminal se comunica con una estación base en el centro de una celda. Cada celda puede ser relativamente pequeña y una unidad terminal viaja sin problemas de celda a celda con una transferencia de conexión usando lo que se llama un proceso de transferencia. Para que funcione la comunicación en celdas poco espaciadas, se debe gestionar la interferencia de otras radios. Esto se facilita utilizando la capacidad de recuperación de errores disponibles con esquemas de corrección de errores y el uso de la tecnología de formación de haces de antena.

5.3.1 Concepto celular

El concepto celular fue esbozado en un memorándum técnico de los Laboratorios Bell de 1947 [4]. Describió un sistema de reutilización de frecuencias con celdas geográficas pequeñas, y este sigue siendo el concepto clave de la radio celular. Esto fue elaborado en dos artículos publicados en 1957 y 1960 [5, 6]. El primer sistema de radio celular extendido fue el Sistema Avanzado de Teléfonos Móviles (AMPS), uno de los muchos sistemas de radio celular 1G, y fue completamente descrito por Bell Laboratories en una presentación a la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de Estados Unidos y en una patente presentada el 21 de diciembre de 1970 [7]. Bell Labs solicitó a la FCC en 1958 una banda de frecuencia alrededor\(800\text{ MHz}\) para un sistema celular. El FCC, creyendo que era mejor destinar espectro para el bien público (como radio, televisión y servicios de emergencia) se mostró reacio a actuar sobre la petición. En 1968, la presión sobre la FCC se hizo demasiado grande y se llegó a un acuerdo en principio para poner a disposición las frecuencias. Así comenzó la investigación y desarrollo de sistemas celulares en Estados Unidos. En 1961, Ericsson se reorganizó para abordar la radio móvil, incluyendo los sistemas de radio celular. Nokia no comenzó a desarrollar sistemas celulares 1G hasta la década de 1970. NTT también estaba funcionando y comenzó a desarrollar sistemas de radio celular en 1967 [8]. En tanto, en enero de 1969, el Bell System lanzó un sistema de radio celular experimental que emplea por primera vez la reutilización de frecuencias para lograr un uso óptimo de un número limitado de canales de RF. El primer sistema celular comercial fue lanzado por la Bahrain Telephone Company en mayo de 1978 utilizando equipos Matsushita. A esto le siguió el lanzamiento de AMPS por parte de Illinois Bell y AT&T en Estados Unidos en julio de 1978.

En 1979 la Conferencia Mundial de Radio Administrativa (WARC) asignó la\(862–960\text{ MHz}\) banda para radio móvil, lo que llevó a que la FCC lanzara,\(40\text{ MHz}\) en 1981, en la\(800–900\text{ MHz}\) banda para “servicio de telefonía celular terrestre móvil”. El servicio, tal y como se define en los documentos originales, es (y esta sigue siendo la mejor definición de radio celular)

un sistema móvil terrestre de alta capacidad en el que el espectro asignado se divide en canales discretos que se asignan en grupos a celdas geográficas que cubren un área geográfica celular. Los canales discretos son capaces de ser reutilizados dentro del área de servicio.

Los atributos clave aquí son

Figura\(\PageIndex{1}\): Celdas dispuestas en racimos.

• Alta capacidad. Antes del sistema celular, los usuarios de radio móvil no siempre podían acceder a la red de radio y frecuentemente el acceso requería múltiples intentos.
• El concepto de células. La idea es dividir una gran área geográfica en celdas, mostradas como los hexágonos en la Figura\(\PageIndex{1}\). La forma real de las celdas está influenciada por obstrucciones como colinas y edificios, pero la forma hexagonal se utiliza para transmitir el concepto de células. Las celdas están dispuestas en clústeres y el número total de canales disponibles se divide entre las celdas de un clúster y el conjunto completo se repite en cada clúster. En la Figura\(\PageIndex{1}\), se muestran los clústeres\(3-,\: 7-,\) y\(12\) -celdas. Como se explicará más adelante, el número de celdas en un clúster afecta tanto a la capacidad (cuantas menos celdas mejor) como a la interferencia (cuantas más celdas por clúster, más separadas están las celdas que operan a la misma frecuencia, y por lo tanto la interferencia es menor).
• Reutilización de frecuencias. Las frecuencias utilizadas en una celda se reutilizan en la celda correspondiente en otro clúster. Como las celdas están relativamente cerca, es importante controlar dinámicamente la potencia radiada por cada radio, ya que las radios en una celda producirán interferencia en otros clústeres.

La forma de una celda depende de muchos factores. En un desierto plano el área de cobertura de cada estación base sería circular, de manera que con un racimo de celdas habría círculos de cobertura superpuestos. (Los niveles de potencia se ajustan para minimizar la superposición de estos círculos). Edificios, cerros, lagos, etc., afectan el tamaño de las celdas. En una ciudad, lo que se llama el efecto cañón urbano, o efecto guía de ondas urbano distorsiona en gran medida las células y crea estragos en el manejo de los sistemas celulares [9, 10, 11]. En el efecto cañón urbano, una buena cobertura se extiende por grandes distancias por una calle (ver la portada interior).

Lograr la máxima reutilización de frecuencias es esencial para lograr una alta capacidad. En un sistema inalámbrico convencional, ya sea broadcast o el servicio de telefonía móvil, las estaciones base están separadas por una distancia suficiente para que los niveles de señal caigan por debajo de un umbral de ruido antes de que se reutilicen las mismas frecuencias, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). Es evidente que existe un mal uso geográfico de la

Figura\(\PageIndex{2}\): Interferencia en un sistema de radio convencional. Los dos transmisores,\(\mathsf{1}\), están en los centros de los círculos de cobertura definidos por el umbral de ruido de fondo.

Figura\(\PageIndex{3}\): Interferencia en un sistema de radio celular.

espectro aquí. Las áreas geográficas podrían acercarse entre sí a expensas de introducir lo que se llama interferencia cocanal: un receptor podría captar transmisiones de dos o más estaciones base que operan a la misma frecuencia. Esto se evita estrictamente para que la interferencia en los sistemas de radio convencionales sea el resultado únicamente del ruido de fondo. En un sistema celular, hay una desviación radical en concepto de esto. Considere la interferencia en un sistema celular como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Las señales en las celdas correspondientes en diferentes clústeres interfieren entre sí y la interferencia es mucho mayor que la del ruido de fondo. Generalmente sólo en las zonas rurales y cuando las unidades móviles están cerca de los límites de las celdas será significativo el nivel de ruido de fondo. La interferencia también se puede controlar ajustando dinámicamente la estación base y las potencias de transmisión móvil al nivel mínimo aceptable. Tolerar la interferencia de clústeres vecinos es un concepto clave en la radio celular.

El sistema analógico 1G AMPS, que utiliza modulación de frecuencia, tiene una SIR mínima cualitativa de\(17\text{ dB}\) (aproximadamente un factor de\(50\)) que se determinó mediante pruebas subjetivas con un criterio que\(75\%\) de los oyentes clasificó la calidad de voz como buena o excelente. La agrupación de siete celdas que se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\)

Figura\(\PageIndex{4}\): Proceso de traspaso: (a) movimiento de una unidad móvil a través de celdas; (b) indicador de intensidad de señal recibida (RSSI) durante el movimiento de una unidad móvil a través de celdas; y (c) RSSI de una unidad móvil que muestra el evento desencadenante de traspaso.

no arroja este SIR mínimo requerido. Por lo que o bien se requiere un clúster\(12\) -cell o se utilizan antenas dirigidas, ya que éstas proporcionan suficiente SIR.

Los sistemas celulares digitales 2G y 3G utilizan codificación de corrección de errores y pueden tolerar altos niveles de interferencia y pueden reutilizar los canales de frecuencia de manera más eficiente. De hecho, en el sistema 3G CDMA la tolerancia a la interferencia es tan alta que no se requiere el concepto de agrupamiento y cada canal de frecuencia está disponible en cada celda.

En 4G y 5G la interferencia de radio celular debe ser baja para permitir que se utilice la modulación de alto orden. Las altas eficiencias de modulación compensa con creces la reutilización de frecuencia reducida.

5.3.2 Servicios de Comunicación Personal

El concepto de servicios de comunicación personal (PCS) se implementó a principios de la década de 1990 y fue un desarrollo en el pensamiento de las comunicaciones celulares. En PCS, el concepto es que la comunicación es de persona a persona, mientras que en la comunicación por radio celular como se concibió originalmente, era de terminal a terminal. La idea es que cuando se realiza una llamada, se está contactando a un individuo en lugar de una pieza de hardware. Una forma de lograr esto es mediante el uso de una tarjeta, un módulo de identificación de suscriptor (tarjeta SIM), para identificar al usuario. Un usuario puede insertar su tarjeta SIM en cualquier teléfono (apropiado) y el teléfono se personaliza. El término PCS no se usa comúnmente en la actualidad, ya que el concepto se ha incorporado en todos los sistemas celulares evolucionados.

5.3.3 Flujo de llamadas y traspaso

Se puede esperar que los usuarios móviles se muevan frecuentemente entre celdas y, por lo tanto, son necesarios procedimientos de transferencia para transferir conexiones de una celda a la siguiente. Los eventos desencadenantes que inician la transferencia se muestran en la Figura\(\PageIndex{4}\). El aspecto principal es el monitoreo de la intensidad de la señal, el indicador de intensidad de señal recibida (RSSI), tanto en el teléfono para la señal recibida de una estación base como en la estación base para la señal recibida de un teléfono. Si alguno de estos cae por debajo de un umbral, las computadoras en la estación base inician un procedimiento de traspaso sondeando estaciones base cercanas para el RSSI que tienen para el usuario. Si se encuentra un RSSI adecuado, el traspaso continúa y la otra estación base toma el control del enlace de RF al terminal móvil.

5.3.4 Interferencia cocanal

La señal mínima detectable en los sistemas inalámbricos convencionales está determinada por la SIR recibida. En los sistemas inalámbricos celulares la interferencia dominante se debe a otros transmisores en la celda y celdas adyacentes. El ruido que se produce en la banda de señal desde otros transmisores que operan a la misma frecuencia se denomina interferencia cocanal. El nivel de interferencia cocanal depende de la ubicación de la celda y el patrón de reutilización de frecuencia. El grado en que se puede controlar la interferencia cocanal tiene un gran efecto en la capacidad del sistema. El control de la interferencia cocanal se logra en gran medida controlando los niveles de potencia en la estación base y en las unidades móviles.