El 5G y la Historia de la Telefonía Móvil

El 5G ha sido novedad en los últimos meses, y no precisamente por las ventajas o aplicaciones que trae consigo en lo que a telefonía móvil se refiere, sino por su relación con el coronavirus y su vinculación a una supuesta teoría conspirativa. Nada más lejos de la realidad, la denominación 5G simplemente son las siglas que representan a la Quinta Generación de comunicaciones móvil. Las redes 5G pretenden ofrecer una mayor cobertura, velocidad de conexión a internet, seguridad en los dispositivos y calidad de usuario con respecto a las previas generaciones. Para entender mejor sus objetivos y metas (y por qué no, desmentir falsas conspiraciones), es interesante echar la vista atrás y observar con detalle la evolución de los sistemas comerciales de telefonía móvil desde sus inicios.

Primera Generación (1G)

La historia reciente de la telefonía móvil comercial se remonta a no más de 40 años atrás [1,2]. La primera generación (1G) de comunicaciones móviles (de solo voz) surge a inicios de los años 80, primero de la mano del estándar NMT (Nordic Mobile Telephone) en los países nórdicos y poco después con el estándar AMPS (Advanced Mobile Phone System) en los Estados Unidos. Otras regiones europeas como el Reino Unido, implantaron el estándar estadounidense bajo el nombre TACS (Total Access Communications System). Cabe destacar en este punto que las comunicaciones y los sistemas asociados a ellas eran puramente analógicas. Además, cada red implementada hace uso de unos protocolos de comunicación distintos, lo cual dificulta la interconexión de terminales que operan en distintas redes.

Segunda Generación (2G) 

Se implementa a inicios de los años 90. Incorpora la primera estandarización de los protocolos de comunicaciones móviles (GSM o Global System for Mobile Communications) en Europa, desarrollado por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones, más conocido por sus siglas en inglés ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Esto permite la fácil interconexión de terminales de distintas operadoras que operan en distintas redes. La introducción de la 2G supone una revolución en la historia de la telefonía móvil, ya que las comunicaciones analógicas características de 1G son sustituidos por comunicaciones digitales basadas principalmente en la técnica TDMA (acceso múltiple por división en el tiempo). Como breve pincelada, la técnica TDMA permite a varios usuarios ocupar un mismo canal físico sin interferirse entre ellos, ya que cada usuario transmite y recibe en un intervalo distinto de tiempo. En general, los sistemas digitales ofrecen grandes ventajas frente a los sistemas analógicos, en lo que a comunicaciones móviles se refiere: mayor robustez en las comunicaciones, mejor calidad de voz en la llamada, y menor interferencia entre usuarios. En Europa, las redes 2G pertenecientes al estándar GSM operan fundamentalmente a las frecuencias de 900 MHz (GSM900) y 1800 MHz (GSM1800).

GPRS (2.5G)

La popularización de internet a mediados de los años 90 conlleva a una adaptación y consecuente mejora de los servicios iniciales, de solo voz, pertenecientes a las redes 2G. Con ello, bajo el estándar GPRS (Global Packet Radio Service) surge la primera tecnología basada en el uso de paquetes. Esto permite, por primera vez, la conexión a internet de terminales móviles, aunque con baja velocidad de conexión (hasta 56 kbps). Paralelamente, se integran los servicios de mensajería instantánea (SMS) y multimedia (MMS).

Tercera Generación (3G)

Las primeras redes de tercera generación (3G) se implementan a inicios del nuevo milenio, bajo el amparo del estándar global UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). A diferencia de los anteriores despliegues, las redes 3G se basan completamente en la conmutación de paquetes e implementan el uso de la técnica CDMA (acceso múltiple por división en el código). A diferencia de la multiplexación temporal o TDMA, la multiplexación en el código aplica técnicas de espectro expandido (basadas en modulaciones digitales de la señal) y cada usuario opera con un código único ortogonal. Se dice que dos códigos son ortogonales si su producto bit a bit es cero. En resumen, aunque varios usuarios ocupen un mismo canal físico y mismo rango de frecuencias, sus terminales no interfieren entre sí. Todo esto conllevó a un aumento significativo del número de usuarios conectados a la misma red y a un aumento de las prestaciones: mejor calidad de la llamada y velocidad de conexión a internet (hasta 2 Mbps ahora, 30 veces superior a la velocidad de las redes GPRS). Las principales bandas de frecuencia donde se emplazan las redes 3G en Europa son 900 MHz y 2100 MHz.

HSDPA (3.5G) 

La tecnología HSDPA es una actualización del estándar UMTS que surge sobre el año 2006. Por este motivo, se le suele conocer coloquialmente como 3.5G. Su principal objetivo es el de mejorar las prestaciones de las redes 3G. Así, esta tecnología permite alcanzar velocidades de conexión a internet de hasta 10 Mbps.

Cuarta Generación (4G)

Los primeros despliegues de redes 4G surgen a inicios de la década de 2010 en Europa. Concretamente, a partir de 2013 en España de la mano de la compañía Vodafone.  Se desarrolla bajo el estándar LTE (Long Term Evolution) y posteriormente su versión optimizada LTE-A (LTE Advanced). Estas tecnologías están fundamentalmente basadas en el uso del protocolo IP (Internet Protocol), unos de los protocolos dominantes y más ampliamente usados en internet. Entre los hitos tecnológicos de los sistemas 4G, se encuentran el alcance de velocidades máximas de transmisión de datos de 1000 Mbps en escenarios de baja movilidad y 100 Mbps en escenarios de alta movilidad (vehículos y usuarios en movimiento). Se abandona el uso de CDMA y W-CDMA (una variante de banda ancha de CDMA), para centrarse en el uso de técnicas radio como OFDM (multiplexación por división de frecuencias ortogonales) y MIMO (Multiple Input Multiple Output Systems) [3]. En OFDM, el ancho de banda total del canal se divide en subcanales de frecuencia, ortogonales entre sí, de menor ancho de banda. Cada subcanal se modula digitalmente con las técnicas PSK (modulación de fase) o QAM (modulación de amplitud en cuadratura). Por otro lado, la técnica MIMO consiste en colocar varias antenas transmisoras y receptoras, con el objetivo de aumentar las velocidades de transmisión al aprovechar la propagación multitrayecto. En Europa, los despliegues 4G suele ocupar las bandas de frecuencia de 700/800 MHz, 1500 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz.

LTE-A Pro (4G+/4.5G)

Implementada sobre el año 2017 en España. Se trata de una versión mejorada del estándar LTE-A que incorpora ya algunos elementos asociados a redes 5G, como la modulación 256-QAM o MIMO masivo, con el objetivo de suavizar la transición en la adaptación del estándar 4G al despliegue de redes 5G. Su principal característica es la implementación de la técnica carrier agregation (agregación de portadoras), la cual duplica la velocidad de conexión con respecto a las redes 4G primigenias. Resumiendo, al usuario le son asignados dos o más bloques (bandas) de frecuencia, que pueden ser contiguos o no, aumentando el ancho de banda de la comunicación y por tanto, la velocidad de descarga de datos. Puede visitar el siguiente blog para más información [4].

Símbolos de Red en el Teléfono Móvil

Seguramente hayas observado en la pantalla de tu teléfono móvil unos símbolos (G,E,H,H+,4G,4G+) ubicados al lado del icono que muestra la cobertura del dispositivo [5]. Estos símbolos indican a qué tipo de red se encuentra conectado el terminal. Estos son G-> GPRS (2.5G), E-> EDGE (2.75G, versión mejorada de 2.5G), H->HSPA(3.5G+), H+->HSPA+(3.5G++, versión mejorada de HSPA), 4G, 4G+ (4.5G, versión mejorada de 4G). Conviene destacar que HSPA es el sucesor del estándar HSDPA (3.5G) y que HSPA+, también conocido coloquialmente como 3.8G, es una versión avanzada de HSPA.

Espectro radio (de 1G a 4G)

Las bandas de frecuencia donde operan las redes 1G-4G se han mantenido más o menos estables a lo largo de los años, salvo contados cambios para evitar el solape con otras aplicaciones comerciales como la televisión digital terrestre (TDT). La Figura 1 muestra una captura real del espectro radio, medida en la Universidad Politécnica de Madrid, a fecha de 2018 [6]. Los distintos picos que se observan en la imagen muestran los niveles de potencia captados en las distintas frecuencias. Se pueden identificar fácilmente las contribuciones de potencia que destacan

Figura 1. Espectro radio (medido a fecha de 2018) mostrando diferentes bandas de frecuencia ocupadas por telefonía móvil y otras aplicaciones comerciales como la radio FM, la televisión TDT y la banda WIFI. Fuente: [6].

frente al nivel del fondo de ruido. Tal y como se ha comentado anteriormente, las redes 2G operan principalmente en las bandas de 900 MHz y 1800 MHz, las redes 3G en las bandas de 900 MHz y 2100 MHz y las redes 4G a 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz. También se pueden observan las contribuciones de potencia asociadas a la radio FM (de 80 a 100 MHz) y a los distintos canales de televisión TDT (de unos 400 MHz a 750 MHz). Debido a la saturación visible del espectro radio, muy recientemente (junio de 2020) se realizó en España el apagado definitivo de las bandas de 700 MHz de la televisión digital, todo con el objetivo de liberar esta banda para ser ocupada por los futuros despliegues de redes 5G.

Quinta Generación (5G)

El desarrollo y despliegue de la quinta generación (5G) de redes de telefonía móvil es un proceso que se encuentra activo a día de hoy y que se espera que se extienda en los próximos 5 o 10 años. A mediados de 2020, tan sólo unas 20 ciudades en España contaban con cobertura 5G. De acuerdo al plan de asignación de frecuencias del Ministerio de Asuntos Económicos y Transformación Digital (MINECO) [7], las bandas asignadas a las redes 5G serán 700 MHz, 3500 MHz y 26 GHz (26000 MHz). Entre los requisitos técnicos de las redes 5G se encuentran la mejora de la velocidad de conexión (en escenarios de alta y baja movilidad), seguridad de conexión, calidad de servicio del usuario, y cobertura con respecto a las previas generaciones [8]. También busca mejorar la eficiencia espectral de la red, es decir, reducir considerablemente la cantidad de energía necesaria para dar cobertura a los usuarios. Para todo ello, se pretenden explorar nuevos rangos de frecuencia nunca antes utilizados por redes de previas generaciones, en lo que se conoce como frecuencias milimétricas. Ejemplo de ello es la asignación de la banda de 26 GHz al despliegue 5G. En general, a mayor frecuencia, mayor es el ancho de banda disponible y por tanto mayor la velocidad de conexión. Sin embargo, no todo esto es tan sencillo, ya que las pérdidas de propagación y reflexión por obstáculos (paredes, ventanas, etc.) aumentan considerablemente al incrementar la frecuencia. Además, el tamaño de los dispositivos transmisores/receptores es cada vez menor, por lo que su fabricación puede suponer en muchas ocasiones un reto tecnológico. Las pérdidas de propagación se pueden compensar sustituyendo, en ciertos escenarios, las antenas tradicionales omnidireccionales o sectoriales por antenas muy directivas (concentran la radiación en una única dirección del espacio) reconfigurables mediante la técnica de beamforming. Es por ello que se están dedicando grandes esfuerzos en ingeniería al desarrollo de antenas directivas que aplican novedosas tecnologías con el objetivo de reducir pérdidas y abaratar costes de fabricación. Además. para mejorar la velocidad de conexión y reducir la latencia del usuario, se integran distintos tipos de celdas de menor tamaño (micro/femto celdas) que puedan dar cobertura en entornos locales (reducido rango de distancias, de unos 10 a 50 metros) y descongestionar el tráfico soportado por las estaciones base (macroceldas). Dentro del grupo SWAT de la Universidad de Granada, desarrollamos prototipos de antenas con alta directividad y técnicas de optimización de tráfico, latencia y señalización orientados a la mejora de las prestaciones de las redes 5G [9,10].

¿Y qué pinta el coronavirus en todo este conglomerado de redes de telefonía móvil? Pues absolutamente nada, para desgracia de los amantes de la conspiración. El 5G es simplemente la quinta generación de tecnologías de comunicación móvil, y sus objetivos van en la única dirección de mejorar las prestaciones de los servicios de telefonía móvil existentes para que el usuario pueda disfrutar de un nivel de seguridad, velocidad de conexión y conectividad nunca visto hasta la fecha. 

Antonio Alex Amor,

 Investigador del grupo SWAT de la Universidad de Granada

 

AGRADECIMIENTOS:

Gracias a Juan F. Valenzuela Valdés, Pablo Padilla y Alejandro Ramírez Arroyo por los comentarios aportados.

 

REFERENCIAS:

[1] J. A. del Peral-Rosado, R. Raulefs, J. A. López-Salcedo and G. Seco-Granados, “Survey of Cellular Mobile Radio Localization Methods: From 1G to 5G,” IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 20, no. 2, pp. 1124-1148, 2018

[2] Lluís Llurba, “Historia del teléfono móvil: su evolución desde la 2ª guerra mundial”

http://alphr.es/tecnologia/historia-del-telefono-movil-evolucion-desde-la-segunda-guerra-mundial/

[3] J. F. Valenzuela-Valdes, M. A. Garcia-Fernandez, A. M. Martinez-Gonzalez and D. A. Sanchez-Hernandez, "Evaluation of True Polarization Diversity for MIMO Systems," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 57, no. 9, pp. 2746-2755, Sept. 2009

[4] Andrea Dieguez, “La tecnología del futuro ya está aquí. Conoce el 4G+,”

 https://roams.es/companias-telefonicas/blog/telefonia/cobertura-4g/

[5] J. Román Hernández Martín, “¿Qué significa G, E, 3G, H/3G+, H+, 4G?”

https://www.emezeta.com/articulos/tecnologias-moviles-g-e-3g-h-4g

[6] A. Alex-Amor et al, “RF Energy Harvesting System Based on an Archimedean Spiral Antenna for Low-Power Sensor Applications,” Sensors, vol. 19, no. 6, 2019.

[7] Plan Nacional 5G 2018-2020, Ministerio de Energía, Turismo y Agenda Digital.

https://avancedigital.mineco.gob.es/5G/Documents/plan_nacional_5g.pdf

[8] Ted Kritsonis, “Five big challenges facing 5G”

https://www.futurithmic.com/2020/07/02/five-biggest-challenges-facing-5g/

[9] Á. Palomares-Caballero, A. Alex-Amor, J. Valenzuela-Valdés and P. Padilla, "Millimeter-Wave 3-D-Printed Antenna Array Based on Gap-Waveguide Technology and Split E-Plane Waveguide," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 69, no. 1, pp. 164-172, Jan. 2021

[10] A. Ramírez-Arroyo, P. H. Zapata-Cano, Á. Palomares-Caballero, J. Carmona-Murillo, F. Luna-Valero and J. F. Valenzuela-Valdés, "Multilayer Network Optimization for 5G & 6G," IEEE Access, vol. 8, pp. 204295-204308, 2020