El uso de Internet o hacer llamadas telefónicas desde cualquier lugar es posible gracias a las ondas electromagnéticas invisibles que los teléfonos móviles emiten o reciben. Sin embargo, ¿Sabías que este rango o espectro de frecuencia electromagnética es un recurso altamente precioso? En 2008, el gobierno de los Estados Unidos obtuvo la sorprendente cifra de 19 mil millones de dólares a través de una subasta de espectro. En este artículo, exploraremos las razones científicas por las que este espectro electromagnético invisible es un recurso tan valioso.
La comunicación celular y el espectro de frecuencia
Cuando utilizas tu teléfono, ya sea para navegar por Internet o hacer una llamada, envías o recibes información utilizando ondas electromagnéticas invisibles. Estas ondas electromagnéticas son capturadas por tu torre de celular, transmitidas hacia la torre de destino y finalmente llegan al usuario final. En la comunicación celular, las áreas geográficas se dividen en diferentes celdas. Sin embargo, la dificultad radica en que si hay cinco usuarios en una celda, se deben utilizar cinco frecuencias diferentes para transmitir sus señales.
Para entender por qué, consideremos un ejemplo. Supongamos que se lanzan bolas de tres colores diferentes desde una fuente de agua. La bola roja debe llegar a la taza roja, la bola azul a la taza azul, etc. En esta disposición, no hay garantía de que se cumpla esta condición en algún momento.
Sin embargo, si asignamos un tamaño particular a cada color, esta condición se puede cumplir fácilmente. Esto es exactamente lo que hacemos en la comunicación celular. La torre de celular toma el lugar de la fuente de agua y los usuarios toman el lugar de las tazas. De manera similar al tener bolas de diferentes tamaños, nos aseguramos de que la frecuencia de cada usuario sea única.
De esta manera, tu teléfono móvil solo aceptará la señal que tenga asignada tu frecuencia. Todas las demás señales de frecuencia serán rechazadas por el circuito de filtrado de tu dispositivo. Esto también significa que cada usuario activo en el mundo debe tener una frecuencia única; de lo contrario, escucharás la señal de otra persona.
**Sin embargo, para ser precisos, deberíamos haber utilizado las palabras «rango de frecuencia» en lugar de «frecuencia».** Las antenas son capaces de transmitir señales en un rango o banda de frecuencia. Además, necesitamos una técnica de modulación para transmitir cualquier señal.
Si utilizamos modulación de frecuencia, se requieren dos frecuencias para transmitir señales; la frecuencia superior puede representar uno y la frecuencia inferior puede representar cero. Esto podría plantear algunas preguntas sobre la privacidad.
¿Qué sucede si un hacker establece nuestra frecuencia en su dispositivo e intenta acceder a ella? Sin embargo, no es tan simple. Las señales enviadas a través de la frecuencia están protegidas mediante encriptación, lo que significa que solo tu dispositivo podrá descifrarlas.
El espectro electromagnético y sus limitaciones
En total, hay aproximadamente cinco mil millones de usuarios de teléfonos móviles en el mundo. Dado que todo el rango de frecuencia del espectro electromagnético no es útil para las comunicaciones celulares por diversas razones, asignar un rango de frecuencia único a cada usuario es una tarea imposible. Veamos las razones por las que el espectro de frecuencia es limitado y cómo estamos superando este problema utilizando tecnología moderna.
El espectro electromagnético abarca desde ondas de radio hasta rayos gamma. Las frecuencias más altas de radiación electromagnética tienen las peores capacidades de penetración, por lo que no las utilizamos para la comunicación celular. Las frecuencias más bajas del espectro electromagnético tienen una menor energía, lo que requeriría una antena más grande para la transmisión, lo cual es prácticamente imposible de diseñar.
En la siguiente porción del espectro electromagnético, la propagación depende de las propiedades de la capa de la ionosfera. Debido a todas estas limitaciones, solo queda una pequeña porción del espectro electromagnético.
Estas ranuras de frecuencia también se utilizan para varios otros propósitos, lo que reduce aún más la parte utilizada por las tecnologías celulares. El espectro es uno de los recursos que normalmente es administrado por un organismo gubernamental.
En la mayoría de los países, el gobierno obtiene ganancias al distribuir diferentes porciones del espectro entre las compañías mediante un sistema de subastas o lotería. En los Estados Unidos, dos agencias, la FCC y la NTIA, regulan el espectro de radio, mientras que en Europa, la CPT se encarga de esta tarea. A nivel mundial, la UIT, Unión Internacional de Telecomunicaciones, gestiona todo lo relacionado con el espectro.
La modulación de frecuencia que explicamos al principio ya está obsoleta. Se utilizaba en la 1G, en forma análoga. En la cuarta generación, se utiliza una técnica llamada QAM, en la cual podemos enviar más bits a la vez.
Veamos cómo funciona. En QAM, se realizan variaciones en la amplitud y la fase para generar diferentes señales digitales. Aquí se muestra un ejemplo de esto. Por lo tanto, vemos que hay rangos de frecuencia limitados disponibles para la comunicación celular, por lo que es necesario utilizarlos de manera eficiente.
El sistema celular y las técnicas de acceso múltiple
Para lograr esto, el sistema celular divide el rango disponible en una serie de ranuras de frecuencia, que se distribuyen entre varias torres. Esta distribución tiene la ventaja de utilizar la misma ranura de frecuencia para diferentes torres celulares. Sin embargo, hay un detalle: las torres celulares vecinas no pueden utilizar la misma ranura de frecuencia. Esto se hace para evitar que tu teléfono reciba señales destinadas a las torres celulares vecinas.
Asignar una ranura de frecuencia diferente para diferentes áreas celulares se conoce como distribución de ranuras de frecuencia. Durante una llamada, si te mueves a una celda vecina, se te asignará una frecuencia diferente de la torre celular vecina sin que se interrumpa la llamada.
El siguiente desafío es gestionar a todos los usuarios activos dentro de un área celular al mismo tiempo. Aquí, la frecuencia de la torre celular debe compartirse entre varios usuarios. Este desafío se resuelve mediante el uso de técnicas de acceso múltiple. Estas técnicas de acceso múltiple se pueden entender mediante una analogía.
Piensa en cómo 100 músicos pueden grabar una canción: pueden grabar en diferentes habitaciones, en diferentes momentos o en diferentes idiomas. De manera similar, en la comunicación celular, la torre celular y los múltiples usuarios pueden compartir información en una ranura de frecuencia diferente, en una ranura de tiempo diferente o utilizando diferentes técnicas de codificación.
En cada generación de la comunicación celular, se han introducido diferentes técnicas de acceso múltiple. El enfoque principal de estas técnicas ha sido utilizar el espectro disponible de manera eficiente. Por ejemplo, en la 4G, se utilizó OFDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal), en la cual el rango disponible se divide en un gran número de subportadoras más pequeñas. Estas subportadoras son matemáticamente ortogonales entre sí y cada una de ellas se modula individualmente.
Desde nuestra web Mesic 2023
Esperamos que este artículo te haya dado una comprensión más clara de qué es el espectro y cómo los gobiernos pueden generar enormes ingresos al actuar como organismos reguladores.
¡Gracias!
