Principios de
Oriol Sallent Roig
José Luis Valenzuela González
Ramon Agustí Comes
Principios de
Primera edición: setiembre 2003
Diseño de la cubierta: Manuel Andreu © Los autores, 2003
© Edicions UPC, 2003
Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona
Prólogo
La comunicación entre personas y la transmisión de información a larga distancia ha sido, desde siempre, una de las principales necesidades de la humanidad. Uno de los primeros intentos para conseguir dicha transmisión de información fue la maratón, en que una persona llevaba un mensaje de un sitio a otro corriendo a través de kilómetros de distancia. En este caso se utilizaba el código del lenguaje verbal o escrito, la transmisión de la información era fiable pero el tiempo hasta la recepción del mensaje era largo. Para reducir ese tiempo, se empleaban otras formas de transmisión de información, que tenían como soporte la acústica (telégrafos de tambor) o la óptica (personas que se situaban en sitios altos y transmitían la información a otros a través de gestos o bien mediante señales de humo ya desde la época de los romanos). En estos casos, el alcance estaba limitado por la línea de visión y para ampliarlo debía retransmitirse el mensaje con repetidores. Además, el código empleado debía ser simple para asegurar la correcta interpretación del mensaje.
Las telecomunicaciones modernas, tal y como las conocemos hoy en día, necesitaron en su momento la explotación comercial de la electricidad. Las radiocomunicaciones y las comunicaciones móviles en particular necesitan de la explotación comercial de la radio. La primera utilización de las ondas de radio para comunicarse se efectúa a finales del siglo XIX para la radiotelegrafía, y desde entonces la radio se ha convertido en una técnica ampliamente utilizada en comunicaciones: desde las primeras aplicaciones públicas de difusión, más sencillas ya que el terminal móvil es sólo un receptor, hasta los complejos sistemas de radiocomunicaciones móviles, que son posibles gracias a la integración a gran escala de dispositivos electrónicos y al desarrollo de los microprocesadores.
de los sistemas de comunicaciones móviles actuales y futuros, así como las técnicas que se emplean para lograr una calidad óptima para todos los usuarios.
En este contexto, el presente libro pretende presentar, de una manera didáctica y estructurada, los fundamentos de las radiocomunicaciones y las comunicaciones móviles. Se pretende dar al libro un enfoque altamente conceptual, acompañado de la formulación matemática suficiente para facilitar la comprensión de dichos conceptos. El objetivo es que este libro pueda constituirse en una herramienta básica de referencia, que proporcione al lector los conocimientos suficientes para poder abordar el estudio y la comprensión de un sistema estándar complejo, donde se integran muchos de los conceptos expuestos.
Índice
Prólogo………7
1 Contexto general de las comunicaciones móviles...13
1.1 Comunicaciones móviles en la sociedad de la información... 13
1.2 Espectro, estandarización y regulación... 14
1.2.1 Espectro ... 14
1.2.2 Estandarización... 16
1.2.3 Regulación ... 17
1.3 Tecnologías, servicios y aplicaciones... 19
1.3.1 Sistemas celulares digitales ... 19
1.3.2 Sistemas de trunking... 32
1.3.3 Sistemas WLL ... 34
1.3.4 WLAN ... 37
1.3.5 Bluetooth ... 41
1.4 Integración de redes heterogéneas y servicios personalizados ... 44
1.5 Bibliografía... 49
2 Propagación...51
2.1 Pérdidas de propagación ... 53
2.1.1 Modelo de Okumura-Hata ... 55
2.2 Desvanecimientos lentos ... 56
2.3 Desvanecimientos rápidos ... 57
2.3.1 Estadísticas de la envolvente de la señal recibida... 61
2.4 Efecto Doppler... 63
2.5 Banda estrecha y banda ancha ... 64
2.6.1 Entornos de exteriores urbanos y suburbanos... 68
2.6.2 Entornos exteriores rurales llanos... 69
2.6.3 Entornos exteriores montañosos ... 69
2.6.4 Entornos de interiores ... 69
2.7 Cobertura ... 69
2.8 Bibliografía... 73
3 Técnicas de ingeniería radio ...75
3.1 Modulación... 75
3.1.1 Modulación BPSK ... 77
3.1.2 Modulaciones multinivel ... 82
3.1.3 Modulaciones digitales de frecuencia FSK... 85
3.2 Codificación de canal ... 86
3.2.1 Códigos bloque ... 88
3.2.2 Códigos convolucionales ... 90
3.3 Entrelazado ... 92
3.4 Diversidad... 96
3.4.1 Combinación por conmutación... 100
3.4.2 Combinación por selección... 101
3.4.3 Combinación de máxima ganancia. ... 101
3.5 Duplexado... 103
3.5.1 Duplexado en frecuencia (FDD)... 103
3.5.2 Duplexado en tiempo (TDD) ... 104
3.6 Saltos de frecuencia ... 105
3.7 Acceso múltiple ... 106
3.7.1 Acceso múltiple por división en frecuencia (FDMA)... 106
3.7.2 Acceso múltiple por división en tiempo (TDMA) ... 109
3.7.3 Acceso múltiple por división en código (CDMA) ... 118
3.8 Técnicas avanzadas... 134
3.8.1 Detección CDMA multiusuario ... 134
3.8.2 MIMO... 136
3.9 Bibliografía... 137
4 Fiabilidad del enlace radio...139
4.1 Tasa de error en canal gaussiano ... 142
4.1.1 Modulación BPSK ... 144
4.1.2 Modulación QPSK... 146
4.1.3 Modulaciones M-QAM ... 147
4.1.4 Modulación GMSK ... 148
4.1.5 Comparación de prestaciones de las modulaciones ... 149
4.2 Tasa de error en canal Rayleigh... 149
4.3 Efecto de la diversidad... 152
4.3.1 Combinación por selección... 152
4.4 Efecto de la distorsión por ISI ... 155
4.5 Efecto de la ecualización de canal ... 160
4.6 Efecto de las no linealidades... 161
4.6.1 Compresión de señal y armónicos ... 162
4.6.2 Distorsión no lineal... 162
4.6.3 Desensibilización y productos de intermodulación... 164
4.7 Efecto de la codificación de canal ... 164
4.8 Tasa de error en CDMA ... 167
4.8.1 Transmisión CDMA con un único usuario ... 167
4.8.2 Transmisión CDMA con M usuarios síncronos y pulsos rectangulares ... 168
4.9 Bibliografía... 170
5 Sistemas celulares ...173
5.1 Necesidad de una estructura celular... 173
5.2 Arquitectura de red ... 178
5.3 Funciones generales... 184
5.3.1 Enganche ... 185
5.3.2 Acceso ... 186
5.3.3 Monitorización... 186
5.3.4 Movilidad local: Handover... 187
5.3.5 Movilidad global: bases de datos del sistema ... 196
5.3.6 Seguridad ... 196
5.4 Despliegue celular ... 197
5.4.1 Sistemas FDMA/TDMA... 198
5.4.2 Sistemas CDMA ... 203
5.5 Capacidad del interfaz radio ... 211
5.5.1 Sistemas FDMA/TDMA... 211
5.5.2 Sistemas CDMA ... 216
1
Contexto general de las comunicaciones móviles
1.1Comunicaciones móviles en la sociedad de la información
El término sociedad de la información suele utilizarse para designar el conjunto de transformaciones sociales desencadenadas por la generación de acceso a cualquier tipo de información. De manera continua y gradual vamos entendiendo y apreciando lo que significa vivir en la denominada sociedad de la información, ya que emerge cada día alrededor nuestro: la forma en que hacemos las compras o interactuamos con la banca, la manera en que funcionan las empresas y negocios, la manera en que se plantea el acceso a los servicios públicos, los procesos de aprendizaje en las escuelas, etc. Las tecnologías de la sociedad de la información afectan cada aspecto de cómo vivimos, trabajamos, jugamos y nos relacionamos entre nosotros.
Los cambios con respecto a unos pocos años atrás son inmensos. Miles de millones de ciudadanos en todo el mundo hacen uso de los teléfonos móviles, Internet y otras tecnologías innovadoras, como la TV digital, que traen consigo un amplio rango de servicios y opciones para los usuarios con un grado de interactividad y capacidad de elección nunca visto. Las empresas utilizan las tecnologías de la información y las comunicaciones para reestructurar sus procedimientos de operación y mejorar su competitividad en el mercado global resultante. Los emprendedores identifican nuevas posibilidades de negocio derivadas de la incorporación de las nuevas tecnologías. El ámbito de la investigación aprovecha las potentes aplicaciones posibles gracias a la incorporación de dichas tecnologías para afrontar problemas científicos complejos que en otro caso serían inabordables, como por ejemplo el genoma humano. Además, todo ello facilita que la información y el conocimiento sean más accesibles para todos.
dependerá de nuevas aproximaciones, como pueden ser las nanotecnologías, la bioinformática o la computación cuántica. En todo este contexto, las comunicaciones móviles han jugado, juegan y jugarán un papel muy relevante, ya que la movilidad en la comunicación y en la provisión de información es uno de los elementos clave en las necesidades de la población y proporciona un grado de libertad enorme que impacta de manera evidente y profunda en los planteamientos de vida a todos los niveles. Además, dicha movilidad puede permitir compatibilizar actividades que de otro modo serían excluyentes así como optimizar el uso del tiempo, el recurso quizá más escaso hoy en día en el marco de los países desarrollados.
1.2Espectro, estandarización y regulación
1.2.1Espectro
Según la legislación española el espectro radioeléctrico es un bien de dominio público de competencia estatal y corresponde al gobierno la reglamentación de las condiciones de su gestión así como la elaboración de los procedimientos de otorgamiento de sus derechos de uso.
La gestión del espectro radioeléctrico ha sido percibida tradicionalmente en nuestra sociedad como una labor muy tecnificada, supeditada a decisiones supranacionales e, indirectamente, con prácticamente nula percepción social de su importancia. Sin embargo, en los últimos años esta gestión del espectro se ha convertido en una herramienta crucial para el desarrollo del sector de las telecomunicaciones en general y, por ende, para el progreso de nuestra industria. El progresivo incremento del número de profesionales dedicados a tareas relativas a la regulación del espectro radioeléctrico en todo el mundo es una muestra de la creciente valoración de esta actividad por parte de las empresas y las administraciones públicas. La administración, con la previa audiencia a los actores interesados en la gestión del espectro radioeléctrico, debe asegurarse de que los distintos servicios de radiocomunicaciones que utilizan o puedan utilizar el espectro encuentran acomodo en el Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF) [CNAF]. El CNAF se refleja en el BOE tal y como es desarrollado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología. Este cuadro refleja la atribución de las diferentes bandas de frecuencias a los distintos servicios de radiocomunicaciones, especifica su uso y realiza previsiones de espectro sobre futuros usos potenciales. El CNAF es el marco fundamental del ordenamiento legal del espectro radioeléctrico y el marco técnico de referencia para la gestión de sus distintos usos. Debido a su contenido regulador y técnico, el CNAF requiere constantes actualizaciones. En general, estas actualizaciones se derivan de las actividades de los organismos internacionales con competencias en materia de planificación del espectro radioeléctrico, a los que España pertenece. Estos organismos regulan la armonización del uso del espectro en el ámbito internacional. Algunos de los que poseen competencias en esta materia son la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), la Conferencia Europea de Administraciones Postales y de Telecomunicación (CEPT), la Unión Europea (UE) y el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicación (ETSI).
radioeléctrico, lo que promueve economías de escala y constituye un mecanismo básico para el despliegue de redes de ámbito mundial como son los sistemas de satélites.
La planificación del espectro radioeléctrico tiene un gran componente de coordinación internacional y las atribuciones de frecuencias se establecen en las conferencias mundiales de radiocomunicaciones que se celebran cada tres años. En cualquier caso, la legislación española también promueve modificaciones de espectro para optimizar su uso en cada momento. Dichas modificaciones son, en gran medida, consecuencia de la evolución tecnológica, de los nuevos servicios y dispositivos que van surgiendo y de la sustitución por éstos de otros ya obsoletos. Por ejemplo, en el CNAF ya se incluyen las últimas recomendaciones internacionales para el uso de dispositivos de baja potencia como telemandos, telemedicina, aparatos de telemetría y otras aplicaciones de transmisión de datos por radio y de corto alcance. También se adaptan en este cuadro las diversas bandas de frecuencias para poder atender la demanda de espectro para las redes de acceso inalámbrico y para acceso a Internet de banda ancha. En particular, la banda de frecuencias 2400-2483,5 MHz se ha adecuado para aplicaciones y dispositivos de baja potencia, entre los que se encuentran los equipos con tecnología Bluetooth y las redes de área local por radio, debido al crecimiento de las aplicaciones y usos de los dispositivos que permiten conectar cualquier equipo portátil con sistemas fijos sin necesidad de cables. Asimismo, también se han previsto las bandas de frecuencia que utilizará el sistema europeo de localización por satélite Galileo, la alternativa tecnológica europea al sistema GPS americano. Este sistema otorgará a Europa independencia para el acceso a servicios de posicionamiento por satélite como la localización de vehículos, las búsquedas en caso de catástrofe o para el control de los barcos. Para ello, Galileo contará con 30 satélites en órbita y otros 8 en reserva. Además es el primer programa de gran escala que combina los esfuerzos de la Comisión Europea y de la Agencia Espacial Europea (ESA) y supone un proyecto estratégico para el sector espacial como infraestructura para el transporte y el desarrollo de la sociedad de la información. La denominación de las bandas de frecuencia, así como algunos ejemplos de asignaciones, se encuentran resumidos en las tablas 1.1 y 1.2 respectivamente.
Tabla 1.1 Bandas de frecuencia
VLF/LF 0 – 315 KHz Ondas miriamétricas y kilométricas
MF 315 KHz – 3230 KHz Ondas hectométricas
HF 3230 kHz - 27500 kHz Ondas decamétricas
VHF 27500 kHz - 322 MHz Ondas métricas
UHF 322 MHz - 3300 MHz Ondas decimétricas
SHF 3300 MHz - 31,8 GHz Ondas centimétricas
WHD 31,8 GHz - 1000 GHz Ondas milimétricas
Tabla 1.2 Ejemplos de asignaciones de bandas a servicios
325 – 405 kHz Radionavegación aeronáutica 1625 KHz – 1635 KHz Radiolocalización
87.5 MHz – 108 MHz Radiodifusión
890 MHz - 960 MHz Móvil
1.2.2Estandarización
En 1844 Morse envió el primer mensaje público a través de línea telegráfica. Unos diez años más tarde, la telegrafía estaba disponible a nivel intranacional como servicio al público en general. Puesto que cada país usaba un sistema diferente, los mensajes se debían transcribir al traspasar la frontera y retransmitirse mediante la red telegráfica del país vecino. La lentitud e incomodidad de este procedimiento enseguida hizo activar acuerdos para facilitar la interconexión de redes nacionales, lo que finalmente llevó a que en 1865 se firmara la Primera Convención Internacional de Telégrafos en París, con 20 miembros fundacionales que a la vez establecieron la International Telegraph Union (ITU) para facilitar el posterior desarrollo de estos acuerdos iniciales. A inicios del siglo XXI, 135 años después, las razones que llevaron a la fundación de la ITU todavía son vigentes, y los objetivos básicos de la organización permanecen prácticamente invariables. La ITU se define como una organización internacional imparcial dentro de la cual los gobiernos y el sector privado trabajan conjuntamente para coordinar la operación de las redes de telecomunicaciones y servicios y progresar en el desarrollo de las tecnologías de comunicaciones [ITU].
Con el nacimiento de las radiocomunicaciones, la ITU decidió ya por 1903 mantener una primera conferencia con el fin de estudiar los aspectos de la regulación internacional, seguida de la Primera Conferencia Internacional de Radiotelegrafía en 1906. Tras la Segunda Guerra Mundial, la ITU pasó a ser una agencia especializada dependiente de Naciones Unidas, con sede en Ginebra. Tras diversas estructuras organizativas, en 1992 se lleva a cabo una profunda remodelación que da lugar a la disposición de la ITU en tres sectores, correspondientes a sus tres principales áreas de actividad: Telecommunication Standardization (ITU-T), Radiocommunication (ITU-R) y Telecommunication Development (ITU-D). Las actividades de los tres sectores cubren todos los aspectos de las telecomunicaciones, incluido el establecimiento de estándares que facilitan la interconexión e interoperatibilidad de equipos y sistemas.
Más específicamente, la ITU-R define características técnicas de los servicios y sistemas radio terrestres o espaciales, y desarrolla los procedimientos operacionales. También lleva a cabo los estudios técnicos que sirven de base para las decisiones regulatorias en las conferencias de radiocomunicaciones. Las recomendaciones que se generan dentro de los diferentes grupos de estudio tienen la categoría de acuerdos voluntarios, no obligatorios.
La ITU-R mantiene un registro del uso internacional de frecuencias. La ITU-R es responsable de coordinar los esfuerzos para asegurar la coexistencia de los diferentes sistemas sin que se causen interferencia mutua. Uno de los principales papeles de ITU-R es facilitar las complicadas negociaciones intergubernamentales para el desarrollo de acuerdos legalmente obligatorios entre los distintos estados soberanos, que se recogen en las Radio Regulations (un conjunto de normas que sirven como tratado internacional obligatorio para el gobierno del uso del espectro para cerca de 40 servicios en todo el mundo) y en los planes regionales para la adopción de servicios móviles y de broadcast.
de acuerdo con las negociaciones entre las diferentes delegaciones nacionales, que pretenden conjugar la necesidad de mayor capacidad con la necesidad de protección de servicios ya existentes. La ITU-R se encarga de preparar los estudios técnicos necesarios para que puedan adoptarse las decisiones adecuadas.
Por otra parte, la ETSI (European Telecommunications Standards Institute) es una organización no lucrativa cuya misión es producir estándares de telecomunicaciones, realizar su mantenimiento y actualización de los estándares técnicos que requieren sus miembros para conseguir un mercado europeo amplio y unificado, a la vez que contribuye a la estandarización mundial para conseguir una armonización global [ETSI]. A finales de 2002 la ETSI tenía 912 miembros de 54 países distintos, que agrupaban representantes de las administraciones, operadores de redes, fabricantes, proveedores de servicios, institutos de investigación y usuarios. Son los propios miembros quienes determinan el plan de trabajo dentro de ETSI, lo que se garantiza que las actividades estén alineadas con las necesidades del mercado que expresan los miembros. La ETSI está reconocida oficialmente por la Comisión Europea, y se gobierna por sus propias directivas. Su ubicación central está en Sophia Antipolis (Francia).
Por otra parte, el denominado 3GPP (3rd Generation Partnership Project) es un acuerdo de colaboración establecido en diciembre de 1998, que agrupa a una serie de organismos de estandarización de telecomunicaciones (ARIB, CWTS, ETSI, T1, TTA y TTC) con el objetivo de producir las especificaciones técnicas globalmente aplicables para un sistema móvil de tercera generación, basado inicialmente en una evolución de la red troncal GSM y las tecnologías de acceso radio conocidas como UTRA-FDD y UTRA-TDD [3GPP]. Posteriormente el ámbito del 3GPP se amplió para incorporar el mantenimiento y desarrollo de las especificaciones técnicas de GSM y sus evoluciones (GPRS y EDGE). Para realizar un desarrollo consolidado de las especificaciones de acuerdo a los condicionantes del mercado se incorporan también en el 3GPP los representantes de la industria.
1.2.3Regulación
El planteamiento tradicional de la intervención pública de la producción de los servicios de telecomunicación y la propiedad de las redes en un modelo integrado de monopolio público ha llevado asociado en la historia reciente un debate sobre oportunidad. Los teóricos de la economía explicaban que el progreso técnico acelerado, el crecimiento exponencial de la demanda y la constatación de enormes ineficiencias asignativas asociadas a la gestión de los grandes monopolios públicos cuestionaban la opción del monopolio público integrado como instrumento de corrección del “fallo de mercado” justificativo de la intervención, y apostaban por mecanismos alternativos susceptibles de liberar importantes ganancias de bienestar. Todos ellos incorporan, en mayor o menor medida, el libre mercado como mecanismo de asignación de recursos.
giro sustancial en 1996, tras algunas medidas adoptadas en 1994 y 1995, con una apuesta por el inicio inmediato del proceso de liberalización del conjunto de los mercados de telecomunicaciones. En particular, las primeras medidas liberalizadoras de alcance general se adoptaron en la Ley 12/1997 de Liberalización de las Telecomunicaciones. Por su parte, la Ley 11/1998 General de Telecomunicaciones constituye la norma reguladora básica de los mercados de telecomunicaciones según el principio de la liberalización.
El proceso de liberalización se ha caracterizado por la necesidad de regular el mercado de las telecomunicaciones fijas de forma mucho más intensa que el mercado de las telecomunicaciones móviles. La razón estriba en la total dependencia del mercado de servicios fijos de la red de acceso del operador dominante y en la imposibilidad de desplegar redes de acceso alternativas en plazos reducidos. En el mercado de las telecomunicaciones móviles, la existencia de varios operadores cada uno con su propia red y con plazos de despliegue de red mucho más reducidos, plantea necesidades de regulación diferentes.
El espectro radioeléctrico es un bien de dominio público. Su propiedad pertenece al estado que, como propietario, es quien debe decidir sobre su asignación teniendo como único criterio la defensa del interés general. Por otro lado, como factor de producción escaso que es (los operadores no pueden producir servicios de telecomunicaciones sin el uso del espectro), su propietario está legitimado para decidir en qué condiciones está dispuesto a ceder el uso de dicho factor. A este respecto, subastas y concursos son los dos métodos alternativos de asignar este recurso escaso, en ambos casos de forma competitiva. La diferencia entre la subasta y el concurso es que, mientras que en la subasta sólo hay una variable relevante (el precio que el operador está dispuesto a pagar por el uso del espectro durante un determinado periodo de tiempo), en el concurso intervienen distintas variables (compromisos de inversión, compromisos de cobertura, precio que el operador está dispuesto a pagar por el uso del espectro, otros posibles compromisos, etc.) [GAR-01].
En el caso de las licencias UMTS, el método empleado incorporó los elementos clásicos del concurso incluyendo también como elemento complementario una tasa por reserva de uso de espectro de carácter anual. Su importe es variable y, de acuerdo con el marco legal aprobado en 1998, debe reflejar el valor económico de uso del espectro y la rentabilidad potencial que de su uso puedan obtener los concesionarios. En consecuencia, constituye un mandato del poder legislativo al poder ejecutivo la revisión de dicha tasa (al alza o a la baja) cuando se ponga de manifiesto una modificación en el valor económico del espectro. Ello es lo que llevó a elevar considerablemente el importe en 2000 y a reducirlo notablemente en 2001, con la controversia aparejada debido a la no definición de forma precisa de los criterios de determinación y revisión del importe de la tasa y la consiguiente inseguridad jurídica e inestabilidad para los concesionarios.
económico y social del país. Como entidad de derecho público la CMT está adscrita al Ministerio de Ciencia y Tecnología.
Entre las funciones y capacidades de la CMT puede citarse:
1. La CMT ostenta la condición de órgano consultivo especializado, asesorando al gobierno en cuantas ocasiones sea requerida para ello.
2. La CMT concede los títulos que habilitan para prestar servicios de telecomunicación, licencias y autorizaciones, a excepción de los servicios de autoprestación y de aquellos que deban concederse por el procedimiento de concurso, que serán otorgados por el Ministerio de Ciencia y Tecnología.
3. La CMT desarrolla las funciones de control y vigilancia permanentes que son necesarias en un entorno de plena competencia para permitir la comunicación global entre los usuarios de forma que las condiciones de prestación de los servicios sean equilibradas, ajustadas a costes y sin discriminaciones.
4. La CMT tiene atribuidas competencias para resolver los conflictos entre los agentes del sector, de forma ágil y en plazos breves, de acuerdo con la intensa dinámica en que el mercado se desenvuelve.
5. La CMT ejerce la potestad sancionadora respecto a los incumplimientos de las instrucciones o resoluciones que dicte en el ejercicio de sus competencias, instando, además, a la actuación inspectora y sancionadora del Ministerio de Ciencia y Tecnología por el incumplimiento de la legislación vigente en materia de telecomunicaciones.
1.3Tecnologías, servicios y aplicaciones
Como se ha dicho anteriormente, las telecomunicaciones han experimentado un considerable dinamismo en los últimos tiempos, que se ha traducido en cambios estructurales, organizativos y regulatorios de la dinámica del mercado. En este contexto, han surgido y surgen importantes oportunidades de crear y desarrollar nuevos mercados, apoyándose en la implantación de nuevas redes y servicios soportados por estas tecnologías, que tratan de materializar dichas oportunidades. Este movimiento se ve dirigido por tres fuerzas motrices: la política regulatoria, la de la oferta tecnológica y la del propio mercado, que es la que finalmente determinará la bondad de todas las acciones derivadas de las anteriores. Este hecho ha creado y crea ciertas incertidumbres sobre algunos de los desarrollos tecnológicos.
Centrándonos en la componente tecnológica y tomando las perspectiva europea, dada la multiplicidad y variedad de tecnologías disponibles, puede decirse que en el contexto de la UE se han desarrollado un conjunto de estándares que a la postre han resultado exitosos e incluso en algunos casos adoptados a nivel mundial. Los distintas tecnologías han alcanzando distintos niveles de madurez, revisándose sus características esenciales y sus ámbitos de aplicación a continuación.
1.3.1Sistemas celulares digitales
una serie de funcionalidades y procedimientos, cuyos principios de diseño se irán detallando a lo largo del presente libro. En todo caso, el contacto entre el usuario y la red se lleva a cabo vía radio con las denominadas estaciones base, que son todo el conjunto de elementos de red que tiene la capacidad física de transmitir y recibir las señales, tal y como muestra la figura 1.1.
El número, ubicación y configuración de estas estaciones base debe ser suficiente para proporcionar el servicio deseado en las zonas deseadas, la calidad deseada en las comunicaciones y la capacidad suficiente para el número de clientes que tenga el operador de red. De nuevo, estos aspectos se tratarán detalladamente a lo largo del presente libro.
Fig. 1.1 Ejemplo de despliegue celular en Barcelona centro
1.3.1.1GSM
En el inicio de los años 80 aparecieron en el mundo los primeros sistemas de comunicaciones celulares móviles. El aislamiento de los diferentes sistemas así como las proyecciones de saturación de su capacidad empezaron rápidamente a ser aspectos preocupantes. Por otro lado, los costes relacionados con la investigación y desarrollo de la tecnología móvil eran muy elevados, lo que incitó a los fabricantes y operadores a considerar sistemas globales, de forma a que se pudiesen crear economías de escala.
En este contexto, en 1982 la CEPT (Conférence des Administrations Européenes des Postes et Télécommunications) responde a estas cuestiones creando el Groupe Spéciale Mobile (GSM), y posteriormente rebautiza las siglas de Global System for Mobile Telecommunications, con el propósito de desarrollar especificaciones técnicas para una red europea de telecomunicaciones móviles capaz de soportar los millones de futuros clientes del nuevo servicio. Los principios básicos para la segunda generación de móviles eran la buena calidad de servicio, terminales y servicios baratos, roaming internacional, eficiencia espectral, compatibilidad RDSI, etc. [MOU-92].
En 1984 la Comisión Europea dio su apoyo formal al GSM y, en 1986, dictó una directiva que estableció las fundaciones políticas del GSM. La recomendación delineaba una introducción coordinada del GSM, con el lanzamiento limitado del servicio en 1991, seguido de la cobertura completa de las principales ciudades en 1993 y la unión de todas las áreas en 1995. La directiva citaba la obligación de reservar los bloques necesarios en la banda de 900 MHz para asegurar la implementación del sistema. El siguiente paso llevaba a que fuese necesario que los potenciales operadores se comprometiesen con el futuro sistema, lo cual se empezó a conseguir con la firma del Memoradum of Understanding (MoU) en 1987, rubricado por 15 signatarios, entre los cuales Telefónica, de un total de 13 países. A partir de ese momento comenzaron a ser probadas las soluciones tecnológicas posibles, culminando con la elección de la tecnología de acceso TDMA (Time Division Multiple Access) combinada con FDMA (Frequency Division Multiple Access) que se explicará en el apartado 3.7.
Pronto se vio que había más problemas de los previstos, por lo que se acordó que se efectuaría el desarrollo de la especificación en dos fases. Además la implantación en términos geográficos se vislumbró que debía realizarse en fases, empezando por ciudades importantes y aeropuertos y siguiendo con autopistas. Se calculó que se tardarían años en lograr un servicio completo a todo Europa.
variante del GSM, para aprovechar la oportunidad abierta en el mercado norteamericano. En noviembre de 1995 fue lanzado en EEUU el primer servicio PCS1900.
A principios del siglo XXI, los sistemas GSM900/1800/1900 son utilizados en 135 países, con 345 millones de usuarios diseminados por 366 redes. El lanzamiento de terminales tribanda (que operan en la frecuencia 900, 1800 y 1900 MHz) posibilita capacidades de roaming cada vez mayores, ya que los usuarios pueden utilizar las tres frecuencias disponibles en los cinco continentes. La aparición de GSM tuvo un impacto todavía mayor en las telecomunicaciones: la apertura de los mercados a operadoras privadas. Los nuevos actores trajeron consigo estrategias de marketing agresivas y una lógica comercial al sector.
En Europa la señal radio se envía en las frecuencias entre 810-915 MHz de móvil a base y entre 935-960 de base a móvil para la banda de 900 MHz. La separación entre portadoras es de 200 kHz. En la banda de 1800 MHz se emplean concretamente las frecuencias 1710-1785 MHz para la comunicación de móvil a base y 1805-1880 MHz de base a móvil.
En España, la historia de GSM empieza en 1992, cuando Telefónica realiza pruebas durante las Olimpiadas y la Expo. En 1995 Telefónica Servicios Móviles inicia la comercialización del sistema GSM con el nombre de Movistar, y tiene su primer millón de clientes en enero de 1996. En octubre de 1995 entra también en operación Airtel, para competir con el monopolio de Telefónica. En el mismo 1996 se lanza Movistar Prepago, el primer sistema en España que permite disponer de una tarjeta en el móvil con un saldo que se consume a medida que se habla. En marzo de 1997 se lanza Movistar Activa, con funcionalidades como la recarga. Estas estrategias comerciales contribuyeron enormemente al desarrollo del mercado, reflejado por ejemplo con la consecución en abril del 2000 de 18 millones de usuarios de telefonía móvil, con una tasa de penetración de mercado del 45 por ciento. No hay duda de que el servicio de voz ha sido el gran impulsor del mercado, y en definitiva en los últimos años la voz ha convertido las comunicaciones móviles en un mercado de masas. No obstante, las capacidades de GSM son más amplias, en particular, los servicios en una red GSM se dividen en dos grupos principales:
1. Servicios básicos.
a. Servicios portadores. La red únicamente presta como servicio la transmisión de datos, sin participar en su estructura interna o finalidad. Los servicios portadores proporcionan la capacidad de transferencia entre terminales conectados a la red GSM local (PLMN), así como con equipos conectados a otras redes. Servicios básicos portadores soportados por la red GSM son datos por conmutación de circuitos, a 300, 1.200, 2.400, 4.800 y 9.600 bit/s.
b. Teleservicios. Son aquellos servicios de telecomunicación que proporcionan plena capacidad de comunicación entre usuarios o terminales, de acuerdo con protocolos preestablecidos. Son aquellos en que el servicio completo se presta con participación de la red. Teleservicios soportados por la red GSM son telefonía (voz), llamadas de emergencia, servicio de mensajes cortos (SMS), fax automático grupo 3.
La utilización de un servicio básico o suplementario por parte del usuario requiere una contratación previa del mismo. Por norma general, cualquier operador GSM, al gestionar un alta, ofrece un paquete de servicios básicos y teleservicios por defecto, más una serie de opciones o servicios que requieren una contratación aparte.
En cuanto a los SMS, se ha producido también un éxito que ha desbordado las previsiones más optimistas. Mediante un SMS se puede transmitir un mensaje de hasta 160 caracteres. El fenómeno de los SMS ha tenido una enorme aceptación, inicialmente entre los más jóvenes, a pesar de que el interfaz con el usuario resulta poco cómodo (hay que ir introduciendo cada carácter con las teclas reducidas del terminal y visualizar el mensaje sobre una pantalla pequeña). A raíz del fuerte crecimiento que se ha ido produciendo (como ejemplo los más de 928 millones de mensajes enviados en España durante el mes de marzo de 2.002, con un 80% de los usuarios que los utiliza habitualmente) se han desarrollado multitud de aplicaciones interactivas, por ejemplo en programas de TV en que los teleespectadores pueden manifestar su opinión, votaciones en concursos o encuestas de TV, etc.
Los SMS constituyen también la base de toda una serie de aplicaciones profesionales que requieren transferencias de información limitadas y en las que se aprovechan las facilidades de las comunicaciones móviles, generándose también un mercado alrededor de ellas. En muchos casos se utilizan los módems GSM para crear aplicaciones específicas de control de dispositivos y transmisión de datos. El control del teléfono móvil a través del puerto serie se lleva a cabo mediante el conjunto de comandos AT especificados en la normativa GSM similares a los utilizados para el control de módems [GSM 03.40] [GSM 04.11] [GSM 07.07] [GSM 07.05]. Hay que destacar que, dependiendo del producto a realizar y del teléfono utilizado, únicamente son necesarios y/o están disponibles un subconjunto de éstos. Además, cada fabricante incluye comandos propios que permiten una extensión de las funcionalidades del terminal. También es importante resaltar que a pesar que las especificaciones de GSM definen los comandos que deben incluirse de forma obligatoria, la mayoría de terminales no las cumplen. Por tanto, en caso de que se deba realizar algún sistema que emplee estos comandos deberá estudiarse el terminal que se utilizará y remitirse a las especificaciones técnicas del mismo.
Ejemplo 1.1. Comandos de control de módem GSM
En la figura 1.2 se presenta una aplicación GSM que utiliza los mensajes SMS para transferir la información de anulaciones de denuncia desde un parquímetro de zona azul a un centro de control. En este caso, cuando el usuario paga el importe para que se le realice la anulación de denuncia, la máquina le pide que introduzca la matrícula del vehículo en un teclado disponible en el parquímetro. El microprocesador incorporado en el parquímetro captura la matrícula y seguidamente envía un SMS al centro de control con un formato prefijado, que el servidor del otro extremo es capaz de interpretar. Para ello el microprocesador de control del parquímetro está conectado al módem GSM a través de un puerto serie RS-232 y lo gobierna a través de los comandos AT definidos. En el centro servidor el módem está configurado de forma similar, de modo que cuando se recibe un mensaje éste pueda ser procesado por el ordenador central.
obstante, la realidad ha sido que, con respecto a las aplicaciones de datos en GSM, no se han explotado todas sus posibilidades. Las razones que pueden esgrimirse para ello son:
1. El sistema GSM está orientado a circuitos, de manera que cuando se establece una comunicación se asigna al usuario un recurso radio en exclusiva y, por lo tanto, la facturación va asociada al tiempo de comunicación. Las transmisiones de datos están inherentemente asociadas a la conmutación por paquetes, y de hecho ésta es la tendencia en las redes fijas, y por tanto GSM no constituye una solución adecuada y natural al problema.
2. La falta de aplicaciones plug and play estándares provoca que los usuarios de terminales móviles deban utilizar las soluciones propietarias proporcionadas por los operadores o desarrolladores de aplicaciones con un coste elevado y poca visibilidad comercial.
Fig. 1.2 Ejemplo de aplicación GSM vía SMS a través de módem GSM
En cuanto a la adecuación de GSM para proporcionar acceso a Internet, el otro gran campo de la TIC en los últimos años, de nuevo puede decirse que no es el soporte más adecuado debido a las características del tráfico que se genera y la conmutación de circuitos característica de GSM. La manera adecuada de soportar Internet es claramente en modo no orientado a conexión, puesto que la información se genera a ráfagas.
Para acceder de un modo sencillo, amigable y eficiente a los servicios de información contenida en la red Internet se creó WAP (Wireless Application Protocol) [WAP]. WAP proporciona una plataforma de acceso común a contenidos situados en Internet mediante terminales móviles. Para ello define una serie de protocolos que permiten optimizar la transferencia de información y definir una serie de formatos de contenidos estandarizados. Sin embargo, WAP no permite el acceso a los contenidos en formato HTML y sus applets que inundan los servidores de Internet, puesto que las pequeñas pantallas de los terminales móviles no permitirían su visualización. Por tanto, es necesario crear contenidos nuevos o adaptar los existentes al lenguaje de programación de contenidos creado por WAP, el formato WML (Wireless Markup Language). Para enviar la información WAP puede utilizar
Interfaz GSM
MÓDEM GSM
MÓDEM GSM
distintos servicios portadores, conmutación de circuitos, SMS pertenecientes al estándar GSM o incluso otros pertenecientes a otros estándares.
Desde el punto de vista de mercado WAP no colmó las expectativas que los operadores habían puesto en él en el momento de su lanzamiento, allá por el año 1998. La tardía puesta en marcha del servicio de datos en modo paquete mediante GPRS supone que la transmisión de datos en modo circuito tenga unos costes para el usuario muy poco atractivos. Además, en el momento de su lanzamiento los operadores dejaron en manos de las empresas creadoras de contenidos la adaptación o lanzamiento de nuevos contenidos sin posibilidad de obtener beneficios. A estos dos factores se debería añadir la baja calidad de los interfaces de usuarios, modo texto, en un mundo ya acostumbrado a los atractivos interfaces de los ordenadores personales.
Actualmente, los operadores intentan relanzar el servicio WAP ofreciendo contenidos propios y con el servicio portador GPRS que les permiten ofrecer una diferenciación de la competencia. Además, la aparición de terminales con pantalla en color, cámara fotográfica o de vídeo, terminales con reproductores de audio, y la incorporación de nuevas aplicaciones y nuevos lenguajes de programación como el multimedia message services, MMS o J2ME, están reactivando el negocio de los operadores y preparando a los usuarios para servicios de datos que permitan un introducción gradual y exitosa del sistema UMTS. Mediante estas tecnologías es posible crear aplicaciones que pueden ser descargadas a través de la red y ejecutarse en los terminales móviles tal y como se indica en la figura 1.3. Las aplicaciones iniciales son de correo electrónico, juegos, envío de fotografías, audio y comercio electrónico. Se espera que más adelante puedan ofrecerse servicios de vídeo, servicios de información georreferenciada, o incluso juegos interactivos.
Fig. 1.3 Esquema de aplicación de servicios avanzados
1.3.1.2GPRS
La poca adecuación de GSM para soportar aplicaciones de datos al estar orientada a modo circuito motivó que la ETSI definiera GPRS, una tecnología orientada a paquetes y por lo tanto más adecuada para las transmisiones de datos, en concordancia con los mecanismos empleados en las redes fijas. Las bases que se fijaron para el diseño de GPRS son fundamentalmente:
1. Eficiencia espectral, mediante la asignación de los recursos en el enlace de subida y en el enlace de bajada de forma separada, dadas las características asimétricas de muchos servicios de paquetes de datos.
SMS, MMS o GPRS Peticiones Respuestas
Aplicación cliente
Aplicación servidor
2. Bajo coste de implantación, mediante la reutilización de todo el hardware posible ya diseñado para el sistema GSM así como la capacidad para un canal de ser asignado dinámicamente a GSM o GPRS de acuerdo con los niveles relativos de tráfico ofrecido a cada caso.
3. Mejores prestaciones en cuanto a velocidad: aumento en el caso ideal la velocidad de transmisión hasta 21.4 kbits/s por slot, lo que permite utilizar idealmente hasta 8 ranuras temporales, quedando una velocidad de transmisión de pico teórica de 171kbits/s.
4. Calidad de servicio, con la capacidad de soportar varias clases de calidad de servicio en términos de caudal, retardos y prioridades, de manera que un conjunto grande de aplicaciones de un nivel más alto con diferentes requerimientos de funcionamiento puedan compartir el mismo medio de transmisión.
En una red GSM/GPRS pueden combinarse en paralelo los servicios convencionales de circuitos con los servicios de datos asociados a GPRS. A tal efecto, se definen 3 clases de terminales:
1. Clase A, que soporta GSM y GPRS simultáneamente.
2. Clase B, que puede estar registrado simultáneamente a GSM y GPRS, pero en un momento dado sólo puede utilizar los servicios de una u otra tecnología.
3. Clase C, que puede registrarse a GSM o a GPRS, pero no de forma simultánea (excepto los SMS que se pueden enviar o recibir en cualquier momento).
Dado el elevado coste asociado a los terminales de clase A, los modelos lanzados por los fabricantes en los primeros años de despliegue son únicamente de clase B. El número de canales depende de cada terminal y varían de 1 a 4 en el enlace descendente y de 1 a 2 para el enlace ascendente, aunque el estándar permite terminales de hasta 8 canales simultáneos en cada enlace. Ello implica que las velocidades máximas teóricas abarcan hasta 85.6 kbits/s de bajada y hasta 42.8 kbits/s de subida. Hay que tener muy presente el elevado consumo de energía y la consecuente disipación de potencia en el terminal en caso de plantear configuraciones que proporcionen elevadas velocidades de transmisión. En cuanto a los esquemas de codificación, los denominados CS-3 y CS-4, que son los que proporcionan mayores velocidades de transmisión, no es previsible que se lleguen a implantar.
Con todo lo anterior, en la práctica las primeras pruebas de campo realizadas proporcionaron caudales de datos realmente bajos, inferiores incluso a los 10 kbits/s. Tras un primer refinamiento, es razonable conseguir del orden de 20-30 kbits/s para unas condiciones de carga de la red adecuadas.
El cambio más relevante que introduce la red GPRS en la red GSM es la incorporación de dos nuevos nodos: el SGSN (Serving GPRS Support Node) y el GGSN (Gateway GPRS Support Node) para la gestión de movilidad y de mantenimiento del enlace lógico entre el móvil y la red, así como proporcionar el acceso a las redes de datos (Internet). A nivel radio, los cambios requeridos respecto a GSM son pocos, ligados únicamente a la introducción de una comunicación de paquetes sobre el interfaz aire, con la adición del PCU (Packet Control Unit), encargada de manejar la comunicación de paquetes. Las PCUs se añaden en las estaciones base centrales (BSC) y requieren la introducción de un nuevo software en las BTS.
tecnología, puede decirse que el desarrollo comercial de GPRS es limitado. Esto implica que desde el punto de vista de la infraestructura de la red, los operadores no tengan emplazamientos dedicados a GPRS sino compartidos con GSM y que se otorgue prioridad al tráfico de voz.
No obstante, parece haber bastante consenso sobre el hecho que los MMS (Multimedia Messaging Service) puedan jugar el papel de killer application para GPRS, a la vez que ser un elemento central del negocio 3G. En cierta manera, la transición de texto (SMS) a multimedia (MMS) puede resultar tan importante para el mercado móvil como en su día lo supuso el paso de DOS a Windows para el mundo de los PC. A título de ejemplo de las expectativas que de la mano de GPRS y los MMS parecen renovarse, Vodafone live! tenía un total de 380.000 usuarios a final del 2002 en 8 países (entre ellos España) en los que se realizó el lanzamiento en octubre de 2002.
En la práctica el tráfico GPRS es un tráfico cursado en modo best effort sin prioridad. Es decir, aunque la norma prevé la definición de factores de calidad, QoS, en el sentido de garantizar retardos y velocidades, esta circunstancia no se prevé que vaya a ser utilizada por los operadores. Esto es, el modo de acceso será best effort, es decir sin garantía de retardos y velocidades de transmisión. La velocidad final va a depender de lo cargada que esté la red, ya que incluso los usuarios GPRS van a tener que competir entre sí para poder acceder al uso del sistema.
GPRS se plantea como un servicio portador y no finalista; ello implica que los usuarios finales deberán tener preparadas sus aplicaciones para poder trabajar en un entorno altamente hostil como el entorno radio. Aplicaciones usuales que funcionan correctamente en el mundo Internet, no necesariamente lo harán en un entorno GPRS. La presencia, por ejemplo, de interrupciones originadas por el canal móvil por falta de cobertura así como los errores de transmisión, bajas velocidades y las consiguientes latencias implicadas en la entrega de datos, son responsables en la práctica de un deficiente funcionamiento de los típicos protocolos de comunicaciones tal como el familiar TCP usado en Internet.
1.3.1.3UMTS
A la vista del gran éxito que en su día supuso GSM, reflejado en que en la década de los 90 el tráfico generado superaba con creces las previsiones más optimistas, las expectativas del sector a más largo plazo se orientaron hacia un incremento substancial del tráfico de datos y la implantación masiva de servicios multimedia. A la vista de las limitaciones tecnológicas que presentaba GSM, y considerándose que la ampliación de capacidades proporcionada por GPRS resultaría insuficiente, se empezó a gestar el concepto de sistema móvil de tercera generación (3G), conocido en el entorno europeo como UMTS (Universal Mobile Telecommunications System); en el contexto mundial, auspiciado por la ITU, se le dio el nombre de IMT-2000 (International Mobile Telecommunications para el año 2000), indicando el horizonte de aplicabilidad de esta tecnología. Los principios iniciales sobre los que se fundamenta 3G eran:
1. Sistema de banda ancha con objetivos de velocidad de hasta 2 Mbit/s.
2. Sistema mundial con cobertura también mundial a través de una componente por satélite complementando la red terrestre.
3. Seguridad en las comunicaciones. 4. Capacidad de proporcionar QoS.
El objetivo de la ITU en cuanto a un sistema universal pronto se vio que no sería alcanzable, dados los diferentes intereses y necesidades de las distintas regiones (en particular Japón, Europa y EEUU), de manera que IMT-2000 más bien pasó a verse como una familia de sistemas que englobaría distintas soluciones tecnológicas que dieran satisfacción a los requisitos que la ITU asocia a 3G. En este sentido, UMTS puede decirse que es el “pariente” europeo dentro de IMT-2000; la solución de EEUU, conocida como CDMA-2000 es la otra gran tecnología dominante.
Una de las características más destacadas asociadas a los sistemas 3G es la predominancia de la técnica de acceso múltiple CDMA como tecnología de base, presente tanto en las soluciones adoptadas en Europa, Japón, EEUU, China, etc. Desde el punto de vista europeo esta elección tiene implicaciones especialmente relevantes, dado que la tecnología TDMA ha constituido la base de los sistemas 2G y 2.5G, de la mano de estándares como GSM, GPRS, DECT, TETRA, etc. Ello supone que tanto los fabricantes europeos, con larga experiencia en la fabricación de terminales e infraestructura TDMA, como los operadores europeos, con larga experiencia en la planificación y despliegue de redes TDMA, deberán afrontar el despliegue de la tecnología y las redes 3G como una experiencia especialmente retadora, al comportar un cambio tecnológico radical de la mano de CDMA.
El camino de la definición tecnológica de UMTS no ha sido simple, y arranca ya desde principios de la década de los años 90, cuando la Comisión Europea puso en marcha toda una serie de proyectos para determinar la base tecnológica para UMTS más adecuada. Se exploró la posibilidad basada en TDMA, CDMA y soluciones híbridas TDMA/CDMA. Finalmente se decidió que UMTS tendría dos modos de operación en cuanto a su acceso radio:
1. El llamado modo FDD (Frequency Division Duplex), con duplexado en frecuencia y acceso W-CDMA (Wideband CDMA).
2. El llamado modo TDD (Time Division Duplex), con duplexado en tiempo y acceso TD-CDMA (Time Division-TD-CDMA).
El espectro inicialmente disponible para UMTS suma un total de 155 MHz, de los cuales 60×2 MHz se dedican al modo FDD y los 35 MHz restantes al modo TDD. No obstante, diversos estudios de necesidad de espectro apuntan a que el actualmente disponible resultará insuficiente en el largo plazo, y para ello la WRC (World Radio Conference) ya ha empezado el proceso de identificación de nuevas bandas.
La evolución del mercado UMTS puede seguirse claramente a partir de diversas comunicaciones que ha efectuado la Comisión al Consejo, al Parlamento Europeo, al Comité Económico y Social y al Comité de las Regiones, tratando el tema de la introducción de las comunicaciones móviles de tercera generación en la UE, su situación actual y las perspectivas de futuro.
bastante más modestos (28% de los hogares conectados). En 2002 el mercado de las telecomunicaciones de la UE supuso un volumen de negocios de 224.000 millones de euros, con lo que se situó la aportación del sector móvil en torno al 40% [EITO-02]. La penetración de la telefonía móvil en la UE rebasa ya el 75% (lo que representa un crecimiento superior al 10% con respecto a 2001), habiéndose vendido en 2002 un total de 125 millones de terminales aproximadamente. Tras el descenso experimentado en los últimos años, los ingresos medios por usuario (ARPU) se han estabilizado en torno a los 30 euros mensuales.
Los sistemas de tercera generación abren las puertas para el acceso a servicios de Internet específicamente diseñados para su uso desde equipos móviles, a través de aplicaciones multimedia que permiten hacer uso de imagen, vídeo, sonido y voz. Por consiguiente, la convergencia intrínseca hacia los sistemas de tercera generación que ha caracterizado a las dos principales tendencias tecnológicas de los últimos años (Internet y comunicaciones móviles) habrá de resultar de gran importancia social y económica.
El éxito del GSM desencadenó un esfuerzo continuo por parte de todos los agentes implicados al objeto de preparar el despliegue coordinado y coherente de las nuevas redes y servicios de tercera generación en la UE. Este objetivo ha presidido el desarrollo de la plataforma tecnológica común UMTS, así como la armonización del espectro radioeléctrico y la elaboración de un marco reglamentario al respecto. Además, el dinamismo del mercado móvil de segunda generación ha favorecido la aparición de grandes operadores paneuropeos de redes y servicios, con capacidad para asumir un compromiso a gran escala en relación con la nueva tecnología.
Desde esta perspectiva, el despliegue de las redes y los servicios 3G constituye un objetivo importante que figura de manera prioritaria en la agenda de todas las partes interesadas. Son muchos los agentes implicados en este proceso, y los retos asociados a los próximos pasos son resultado de una compleja interacción de factores, de lo cuales no todos guardan relación directa con el sector móvil propiamente dicho. Además, la introducción de servicios 3G representa un avance importante que exige tiempo para acomodar las numerosas transformaciones que acarrea. Entre ellas figura la implantación técnica, el desarrollo de un nuevo mercado de servicios, la adaptación de las estructuras empresariales a una nueva cadena del valor y unas nuevas pautas de comportamiento de los consumidores.
El Consejo Europeo de Lisboa de marzo del 2000 fijó el objetivo estratégico de convertir Europa en la economía basada en el conocimiento más competitiva y dinámica del mundo para el 2010. En marzo de 2002, el Consejo Europeo de Barcelona reafirmó, en sus conclusiones, la importancia de las comunicaciones móviles de tercera generación para el progreso de la sociedad de la información. Al mismo tiempo, las grandes expectativas asociadas a la introducción de una nueva generación de servicios móviles, catapultadas, además, por la popularidad y el crecimiento continuo de la penetración de los móviles a lo largo del año transcurrido, contrastan significativamente con las dificultades que parece experimentar el sector y con el hecho de que, salvo contadas excepciones, la 3G no sea aún en 2003 una realidad comercial en Europa.
En el estadio actual, es preciso tener en cuenta cuatro factores que repercutirán de manera crucial en la evolución de la tecnología de tercera generación:
[DEC-99] de ámbito comunitario en la que se establecen las capacidades con que habrán de contar los nuevos servicios de tercera generación y también se hace un llamamiento a favor de una utilización armonizada del espectro. Las condiciones para la concesión de licencias que aplican los estados miembros varían enormemente, y recurren a diversos procedimientos de selección (subasta, selección comparativa o una mezcla de ambas). El número de licencias propuestas en cada país oscila entre 4 y 6, mientras que su coste normalizado en función de la población se sitúa en promedios de entre 0 y alrededor de 650 euros por habitante. La duración de las licencias varía y su entrada en vigor se produce en momentos distintos. Las condiciones de despliegue (requisitos legales de cobertura y condiciones de utilización compartida de las redes) también difieren considerablemente. La asignación de frecuencias a cada operador no está armonizada. Por último, las condiciones de acceso a las redes móviles de segunda generación (itinerancia nacional, por ejemplo) tampoco reciben el mismo tratamiento. Esta situación de fragmentación entrañará, inevitablemente, una distorsión de las modalidades de implantación de las redes y servicios de tercera generación en Europa. El desarrollo de cada mercado nacional podría verse afectado por las divergencias existentes entre las condiciones aplicadas por los estados miembros de la UE para la concesión de licencias, hasta el extremo de que los costes y calendarios asociados a la concesión de licencias en otros países podrían influir en los operadores paneuropeos a la hora de tomar la decisión de incorporarse a un determinado mercado nacional.
maneras de reducir los gastos de capital. Esta tendencia global del sector ha afectado igualmente a los planes de despliegue de la 3G de varias maneras. Por ejemplo, algunos operadores han dado más prioridad a la exploración de medios alternativos de incrementar su ARPU estudiando la posibilidad de ofrecer nuevos servicios en 2.5G, tales como los servicios basados en GPRS. La reducción de los gastos de inversión es otra prioridad de los operadores, según muestran los distintos ejemplos existentes de compartición de infraestructuras de red, expediente mediante el cual los operadores confían en reducir sensiblemente sus inversiones de capital iniciales. Para los fabricantes, las tensiones financieras han supuesto no solamente un aumento de la presión de los operadores sobre los precios de los equipos de redes, sino también un aumento del recurso a la financiación de los equipos por los vendedores, con el consiguiente impacto sobre los resultados empresariales de los fabricantes. Además, han disminuido las ventas de terminales a causa de la saturación del mercado y de la menor disposición de los operadores a subvencionarlos. Se observa también una tendencia al establecimiento de alianzas, e incluso a la firma de acuerdos de externalización, con respecto al desarrollo y la fabricación de los terminales 3G.
3. Adquisición de experiencia en el nuevo mercado: El mercado de nuevos servicios de tercera generación sigue estando en gran medida pendiente de confirmación hasta la fecha, si bien hay indicios de que los nuevos servicios móviles de datos podrían generar con rapidez una importante demanda en el mercado. Dan muestra de ello tanto la amplia aceptación que han suscitado en Japón los nuevos servicios inalámbricos de datos, como el crecimiento exponencial experimentado en Europa por los servicios SMS, que ya representan en la actualidad el 10% de los ingresos de algunos operadores de GSM. Es esencial que todas las partes interesadas (fabricantes de equipos, operadores, prestadores de servicios y consumidores) adquieran experiencia con las nuevas aplicaciones inalámbricas de transmisión de datos. En este sentido, cabe señalar que los operadores y los prestatarios de servicios europeos de GSM ya están haciendo uso del protocolo de aplicación inalámbrica (WAP) para poner en marcha una serie de servicios innovadores. Aunque la aceptación inicial de los servicios WAP no ha colmado las expectativas, ha proporcionado información muy útil para todo el sector en cuanto a la reacción de los consumidores, por lo que respecta tanto a las estrategias de comercialización, como a la creación de servicios y a aspectos de diseño. El lanzamiento de los servicios 2.5G puede constituir un paso crucial para la aceptación satisfactoria de los sistemas de tercera generación, en la medida en que hará posible el desarrollo progresivo del mercado y constituirá un amplio ensayo de aplicaciones “similares” a las de tercera generación, permitiendo con ello una previsión más fiable de la evolución del mercado que existirá para los servicios de tercera generación propiamente dichos, así como la constitución de una base inicial de clientes a través de inversiones relativamente reducidas para mejorar las redes de GSM ya existentes.
La aplicación actual del protocolo Internet (versión 4, IPv4) podría limitar, a largo plazo, el despliegue completo de los servicios de tercera generación. La nueva versión propuesta (IPv6) permitiría superar esta insuficiencia, así como incorporar prestaciones adicionales, en ámbitos como la seguridad y la garantía de calidad del servicio [IPV6]. La implantación de las redes móviles IPv6 también haría posible la interconexión inalámbrica máquina a máquina, lo que supondría un impulso considerable para la aplicación de sistemas de tercera generación. Cualquier retraso en la transición hacia redes que incorporen por completo la versión IPv6, objetivo este que requerirá varios años de esfuerzo, podría suponer un obstáculo para el ulterior despliegue de estas prestaciones avanzadas en los servicios de tercera generación.
Los sistemas de tercera generación también tendrán una repercusión importante en la creación de empleo a escala comunitaria. El sector GSM ha creado en Europa, desde 1996, 445.000 puestos de trabajo y el volumen acumulado de las inversiones de las que ha sido objeto hasta la fecha se sitúa en torno a los 70.000 millones de euros, según datos de la Asociación GSM en 2001. La introducción de los servicios de tercera generación también presenta un alto potencial de creación de empleo, que no se limita al sector móvil (proveedores de contenidos de Internet, comercio móvil, operaciones bancarias y servicios financieros a distancia, etc.).
En Japón se prestan servicios 3G comerciales desde octubre de 2001 en la zona de Tokio. A finales de abril de 2002, la 3G había atraído a unos 106.000 clientes de pago. Sin embargo, sólo podrán extraerse conclusiones consolidadas cuando exista cobertura en todas las zonas urbanas importantes y cuando los usuarios de la 3G hayan experimentado con la capacidad de itinerancia de la nueva oferta de servicio. Conviene señalar asimismo que en Japón las ofertas de servicios de datos que utilizan las redes de acceso 2.5G, por ejemplo para mensajería avanzada, incluida la transmisión de fotogramas utilizando terminales equipados de cámaras, parecen haber sido objeto de una acogida bastante positiva por parte de los consumidores, como demuestra el rápido crecimiento del número de usuarios de estos servicios.
1.3.2Sistemas de trunking
Los sistemas de trunking o de radiotelefonía móvil privada son sistemas que permiten ofrecer servicios de intercomunicación de voz y/o datos para grupos cerrados de usuarios mediante redes independientes de las redes públicas. Este tipo de redes ofrecen servicios a grupos de usuarios pertenecientes a cuerpos de servicios públicos, tales como policía, bomberos, etc., o grupos de usuarios que necesitan un tipo de intercomunicación específica como taxistas, flotas de transporte, etc. Estos usuarios generan un tipo de tráfico de corta duración con necesidad de crear subgrupos de intercomunicación, llamadas de grupo, prioridad de llamadas de emergencia, etc. Basándose en estas premisas, los sistemas de trunking se diseñan para utilizar de forma eficiente los recursos radio y proporcionar servicios específicos de grupos de usuarios.
demandas de recursos. La principal desventaja es la peor calidad frente a un sistema de telefonía pública, si bien esta pérdida de calidad es aceptable por los usuarios a los que está destinada.
Así pues, las características básicas de estos sistemas son [RAB-97]:
1. Cobertura nacional, local o regional. 2. Posibilidad de llamadas de móvil a móvil. 3. Llamadas frecuentes y de corta duración.
4. Deben poder realizarse llamaradas a grupos específicos de móviles y llamadas generales a todos los móviles.
5. Se deben poder crear grupos de usuarios para comunicaciones de grupo.
6. El concepto de redes PMR (Private Mobile Radio) hace que se entienda como no fundamental la facilidad de llamadas full duplex, de manera que se evita la necesidad de transmitir y recibir simultáneamente en dos radiocanales diferentes.
Actualmente las redes troncales son plenamente operativas, y existen tres modalidades básicas de explotación:
1. Sistemas de autoprestación. En los que la red es dimensionada y diseñada por la propia empresa que utilizará el servicio.
2. Sistema de abono. Donde una empresa alquila los recursos excedentarios de su propia red. 3. En régimen de operador. Donde una empresa legalmente constituida como operador instala
una red y ofrece sus servicios a grupos de usuarios.
Si bien las redes de trunking están especialmente diseñadas para las funcionalidades requeridas por flotas de vehículos o grupos de usuarios, parte del público objetivo de estos sistemas en ocasiones se ha desplazado hacia los sistemas celulares. No obstante, hay dos razones básicas que hacen que los sistemas de trunking dispongan de su propio mercado en:
1. Seguridad. Los cuerpos de policía, bomberos, etc., tienen unos requisitos de seguridad en las comunicaciones y disponibilidad de las mismas que requieren el despliegue de redes propias privadas y exclusivas. Precisamente, en situaciones de alarma, accidentes de tráfico, incendios, etc., se puede producir el colapso de las redes celulares públicas por el tráfico generado por las personas que se encuentran en aquel lugar.
2. Coste. Las flotas de vehículos o los grupos de usuarios generan multitud de pequeñas comunicaciones de despacho, indicaciones desde la central, etc., que supondrían un coste muy elevado si se realizaran a través de sistemas celulares, en los que ya se tarifica por el propio hecho del establecimiento de la comunicación.
En cuanto a la tecnología que utilizan actualmente este tipo de sistemas, existen sistemas analógicos, dentro de los que cabe destacar la norma MPT13XX desarrollada en el Reino Unido, y sistemas digitales, como el TETRA, desarrollado por diversas empresas a partir de las especificaciones de la ETSI y el sistema TETRAPOL [TETR].
El sistema TETRA es una estándar de radiotelefonía móvil privada digital (PMR) y de acceso público que se ha desarrollado en Europa para sistemas destinados a la seguridad pública y otros servicios públicos y privados de grupo cerrado. Las estructuras del estándar se basan en los sistemas analógicos de trunking anteriores y en el desarrollo del sistema GSM. Los trabajos de especificación comenzaron en 1990, y finalizaron en 1995. TETRA ofrece un rápido establecimiento de llamada, algo crítico en sistemas de emergencia, soporte para comunicaciones de grupo, operaciones en modo directo entre terminales, es decir sin necesidad de estación base, transmisión de datos en modo paquete y en modo conmutación de circuitos, y seguridad en las llamadas. La tecnología TETRA utiliza acceso TDMA con 4 canales en portadoras separadas 25 kHz. En España el sistema TETRA tiene una reserva de las bandas de frecuencia de alrededor de 400 MHz y 900 MHz [CNAF].
En nuestro país, tan sólo dos operadores cuentan con licencia para trabajar con TETRA: Dolphin Telecom y Telefónica Móviles. Dolphin opera en nuestro país a través de Teletrunk y ofrece sistemas de comunicaciones móviles digitales con tarifa plana y destinada a grupos cerrados. Por su parte, Telefónica Móviles ofrece este tipo de servicios con el nombre de Tetrastar y también a través del pago de una tarifa plana, de modo que los integrantes de un grupo determinado pueden comunicarse de manera ilimitada a un precio fijo.
Estos sistemas digitales como TETRA o TETRAPOL tienen capacidades de transmisión de datos a velocidades limitadas, pero que pueden resultar más que suficientes para el tipo de aplicaciones que se suelen requerir. En el caso de cuerpos de seguridad, las transmisiones de datos se emplean para realizar consultas a bases de datos sobre matrículas de vehículos, identidades de personas, etc., lo cual requiere volúmenes de transferencia bajos.
1.3.3Sistemas WLL
Los sistemas Wireless Local Loop (WLL), a veces llamados Radio In The Loop (RITL), Fixed-Radio Access o bucle de abonado inalámbrico, utilizan tecnología sin cable unida a interfaces de línea y otra circuitería necesaria para completar la comunicación en la “última milla”. Estos sistemas permiten la conexión a las redes públicas telefónicas fijas mediante señales radioeléctricas en lugar de utilizar cables de cobre, tal y como se muestra en la figura 1.4.
zonas de difícil acceso o de muy baja densidad de población donde WLL aparece como la clara opción a la hora de obtener enlace telefónico a coste asequible.
Fig. 1.4 Funcionamiento de WLL en ciudad
Así pues, las características básicas de estos sistemas son:
1. Rapidez tanto en el despliegue de nuevas redes de acceso como en el aumento de la capacidad de redes ya existentes.
2. Rapidez y facilidad para añadir nuevas líneas de abonado a servicios ya existentes. 3. Capacidad para proporcionar nuevos servicios de alta velocidad.
4. Facilidad de implantación y bajo coste necesario para añadir extensas áreas de cobertura a una red de acceso.
5. Facilidad para prestar servicios en áreas remotas, terrenos de difícil acceso o lugares con restricciones de cableado (por ejemplo centros históricos de ciudades).
6. Facilidad de reutilización de los equipos hardware de los abonados que causen baja proporcionando una seguridad de la inversión.
7. Forma natural de conseguir la concentración de enlaces (medio compartido).
8. Facilidad y eficiencia para realizar conexiones redundantes de seguridad mediante solapamiento de zonas de cobertura.
A partir de las ventajas enumeradas es posible describir las aplicaciones y entornos de instalación de los sistemas WLL y que pueden competir de forma ventajosa con los sistemas cableados, tal y como se indica en la figura 1.5. En primer lugar, las redes de acceso telefónico rural en las que el menor coste respecto a los sistemas cableados permiten que nuevos operadores puedan ofrecer servicios competitivos en poblaciones alejadas de las grandes ciudades. También pueden utilizarse los sistemas WLL como conexiones de alta velocidad para acceso a Internet y servicios multimedia tanto en zonas residenciales como en zonas de negocios. Finalmente, permite el acceso inalámbrico a las centrales de interconexión (POPs, Points of Presence). En este caso, el equipo se coloca en la central local del operador exmonopolístico para permitir el acceso desagregado (unbundled) al bucle local.
