Cómo funciona el 4G y por qué es tan rápido

Manuel J. Gutiérrez el 29/12/2015 a las 18:40

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La comunicación entre un teléfono móvil y tu operadora es algo que parece magia pero tras eso hay mucho trabajo de ingeniería. Los usuarios de a pie no tienen mucha idea de cómo es capaz de un smartphone de recibir mensajes de Whatsapp, ver tu Timeline de Twitter o subir una fotografía a tu Instagram. Para ello se han necesitado muchos años de avances.

Es por eso que yo, como estudiante de Ingeniería de las Telecomunicaciones, opté por contactar con un profesor para entrevistarlo y explicara de una forma fácil el funcionamiento de las comunicaciones móviles. En concreto, nos centramos en hablar sobre el nuevo 4G, la tecnología que nos venden las marcas y las compañías móviles.

El profesor que aceptó nuestra entrevista fue Pablo Aguilera Bonet (@DrPabloAguilera), Doctor Ingeniero de Telecomunicación, especializado en el tratamiento avanzado de señales con variable compleja, concretamente separación ciega de fuentes. Él nos explicará detalladamente cómo se conecta un smartphone a nuestra operadora móvil, cómo podemos navegar por internet y también, todas las novedades que trae el 4G y por qué es más rápid

¿Cómo funcionan las comunicaciones móviles?

entrevista 4g

P: ¿Como se establece una comunicación entre móvil y operador? Aunque eso parece magia, tiene que funcionar de alguna forma

R: Tu terminal móvil se conecta a una estación base, las estaciones bases son esas cosas que se ven en los tejados de los edificios, que cada vez hay más y una vez llega allí la señal ya se transmite a red y llega a internet. Pero lo importante es saber cómo se produce esa “magia” entre tu móvil y la estación base. Al final tú tienes una serie de parámetros que definen esa comunicación y hay un pequeño diálogo al principio, siguiendo un protocolo, en el que estación base y móvil dicen “Oye, vamos a usar estos parámetros porque son los más convenientes en este momento”.

El terminal móvil codifica la información que puede ser sonido, audio, vídeo.. Codifica la información en bits, protege esos bits, los adapta al canal y cuando está preparado y le han asignado una frecuencia, manda eso a través de una antena. Son antenas en tecnología planares, es decir, que no sobresalen como antes. Estas antenas radian las señales y se propagan por el espacio y llega a muchos sitios. Porque en principio el móvil no sabe donde está la antena, y si hay suerte, uno de esos sitios es la estación base.

P: ¿Y en el lado del receptor? ¿Funciona igual?

“Estas antenas radian las señales y se propagan por el espacio y llega a muchos sitios. Porque en principio el móvil no sabe donde está la antena, y si hay suerte, uno de esos sitios es la estación base”

En el receptor se hace todo lo contrario, se recupera la señal, se quitan los bits de protección y se recupera la información. Y eso sucede en nanosegundos, eso va ya a la red y de vuelta al terminal. Lo interesante es que cuando transmite del móvil a la red tienes que cuidar mucho la potencia porque si no te quedas sin batería. Entonces las modulaciones que se usan están orientadas en gastar muy poca potencia y cuando transmites de la red al móvil cuando el móvil descarga información la potencia da un poco igual y lo importante es la velocidad. Por eso se usan modulaciones que premian la velocidad.

P: Según dijo, la señal se tiene que modular, pero.. ¿Qué es la modulación? Y de cara al 4G, ¿cómo se modula una señal 4G?

R: Modular en ingeniería es adaptar una señal a las condiciones que tiene. Entonces, en comunicaciones móviles tenemos que adaptar nuestros bits que contienen información (imagen, sonido, un archivo de texto). Si tú pasas eso directamente a una antena, eso no se va a radiar. Llega a la antena, pero no tiene propiedades electromagnéticas para radiarse al espacio. Aún así, aunque consiga radiarse, el canal radio es muy hostil para las señales. Hay interferencias, hay ruido, si pasa un coche por delante la señal te cambia el canal completamente, el canal te va a destrozar la señal. Que si ya hubiera llegado débil, ahora menos.

“Modular en ingeniería es adaptar una señal a las condiciones que tiene”

Modular significa adaptar tu información utilizando otras señales auxiliares para que se propague correctamente. Primero para que se propague, luego para qu se propague por un medio que es muy hostil y tercero, para que varios usuarios puedan comunicarse a la vez. No es lo mismo que yo tenga disponible todo el canal radio, a que yo tenga que ponerme de acuerdo con 10.000 móviles que estén ahora mismo en la ciudad de Sevilla queriendo comunicarse.

En 4G, hay dos ideas básicas. Para que se radie esa señal se utilizan modulaciones QAM adaptativas. Significa que esos bits se agrupan y se forma una señal eléctrica que esa ya sí llega la señal y se radia. Si no hubiéramos hecho eso, los bits llegan a la antena, rebotan, y se pierde. Pero si hemos modulado bien con una señal QAM se radian y saltan al espacio. Y además, la clave es que es adaptativo. Según él vea cómo se va a encontrar en canal, utiliza una modulación más rápida o más lenta, que protege más o menos los datos.

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La segunda idea clave del 4G es OFDM, modulación por división en frecuencia ortogonal. Es una idea que se tenía desde los años 90 pero hasta que no se ha abaratado la tecnología que lo permite, la electrónica necesaria, no se ha podido implementar. Por eso sólo está en la 4G. La idea de OFDM es que todos queremos transmitir en una frecuencia que tenemos, porque son las que da el Estado, no hay más y además todos queremos transmitir con mucha velocidad. OFDM también es una modulación y digamos que hay dos planos: Uno es el que se usa la señal para que radie y otro en el que una vez la señal ha radiado tengo que ocuparme de que la velocidad sea máxima y que todos los usuarios puedan ponerse de acuerdo.

Pues OFDM lleva características muy importantes y es que yo transmito mis datos en muchos canales de frecuencias muy estrechos y pegados, cada uno de ellos por separado son muy lentos pero como yo transmito en todos, al final suman una velocidad muy grande. Y esa es la clave de por qué es tan rápido el 4G.

 

La idea es muy simple. ¿Por qué funciona ahora tan bien?, porque esos canales están elegidos de tal forma que aunque los pegues mucho no solapan. Al final son canales muy estrechos, canales de muy baja velocidad, se llaman “subportadoras”, que se pueden juntar mucho y no se solapan. Por eso se llaman ortogonales, porque no solapan y no interfieren el uno al otro. De este modo tienes varios canales a tu servicio para poder enviar la información.

En el receptor se hace todo lo contrario. Primero recupera la información de cada subportador y luego deshace la modulación QAM. Algo que es instantáneo casi.

Lo que nos venden las operadoras con el 4G

P: Pero, ¿qué es lo que nos están vendiendo las operadoras y los fabricantes cuando me hablan de 4G?

R: 4G, aunque parezca mentira, tiene una definición muy difusa, te explico. Se empieza a hablar de 4G en 2008, el 3G ha funcionado muy bien desde principios de siglo, pero 3G era hacer apaños sobre lo que ya había. Aplicar tecnología, ir apilando, y eso llegaba un momento en el que no se podía dar más. El 3G está hecho sobre 2G, tenía que ser compatible y es una solución intermedia. Pero hay un momento en el que hay que romper con esto y meter tecnología nueva que ya sí son posibles.

“El 3G está hecho sobre 2G, tenía que ser compatible y es una solución intermedia”

P: Vamos, lo que se intentaba era que los que ya tuviera un móvil no se vieran obligados a renovar

R: Claro, de hecho se pasó por 2.5G, que es GPRS, de hecho en zonas de montaña, se siguen consiguiendo conexiones 2.5G, que es lentísimo pero te da para mandar un mensaje. Se pasó por 3.5G, 3.75G y demás. Hasta que hace poco la tecnología se abarata y a los móviles se les pueden meter una serie de características que hace que ahora sean tan rápidos.

Cuando hablamos de 4G, en realidad la ITU que es la que define los estándares, definió una serie de características muy generales que eran: Se tienen que alcanzar en movimiento una velocidad de 100Mb/s, estar todo basado en IP, la latencia tenía que ser menor de 10ms, unas cosas muy genéricas, tenía que ser retrocompatible con lo anterior y cosas así. Y llegó un momento en el que las mejoras que proponían los fabricantes no cumplían eso. Entonces se llegó un acuerdo porque los fabricantes también participan en como se define un estándar. En el que dijeron que podían poner la etiqueta de 4G a sus productos aunque no cumplan exactamente con lo que se quería. Ya se irá cumpliendo con el tiempo.

Pero el 4G no sólo son comunicaciones móviles de teléfono, 4G es WiMax, una tecnología como WiFi pero mucho más rápido y que tú no tenías el router en tu casa sino que estaba por las ciudades y así llegaba internet a tu casa. Eso se considera 4G pero es algo que está ya desfasado. Incluso las últimas versiones de 3G, hay gente que dice que es 4G. De hecho no se ponen de acuerdo y hay hasta puristas que dicen que el 4G no se ha alcanzado aún. Que los requisitos iniciales no se cumplen. Pero como la ITU cedió y aunque no cumplan la norma, si se acercaban lo podían llamar cuarta generación porque implementan una nueva tecnología que es completamente distinta al 3G.

Lo que se conoce como 4G en transmisiones móviles se conoce en realidad como 4G LTE (Long Therm Evolution). Es como un mapa que pusieron los que estandarizan esto para decir “los próximos años tenemos que seguir esta evolución: más velocidad, más usuarios por celdas, celdas más pequeñas, cada vez menos latencia, cada vez la arquitectura de la red tiene que ser más plana para que si un nodo fall otro pueda coger el control”. Pero hay otras tecnologías 4G pero que están en desuso.

4G al final es una tecnología de comunicaciones móviles que rompe con lo que había en 3G, con todos los apaños que se habían hecho, y que está basada en tres tecnologías principales, que son novedosas. Que no existían antes porque eran muy caras de hacer.

Los números del 4G

P: ¿Por qué el 4G es tan rápido? Estamos hablando de velocidades completamente dispares.

R: Aunque las especificaciones de velocidad pico sean muy altas de decenas o cientos de megabits, 4G está ahora en 10Mb/s, pero añadiendo cosas se van a conseguir mejores velocidades. 4G introduce tres tecnologías nuevas que cambian completamente lo anterior. De hecho estos móviles, si son compatibles con 3G, es porque tienen otro transmisor al lado. Esas tres tecnologías son: Modulación OFDM, MIMO y SAE.

Modulación OFDM son muchos canales que puedo pegar mucho y no se solapan. Cada uno de esos canales lleva información lenta pero sumando agrego mucha velocidad. Y lo bueno es que de forma adaptativa yo elijo qué modulación utilizo en cada canal y con qué potencia utilizo cada canal.

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Porque para eso tengo que echar un vistazo a cómo es el canal. Tengo que echar un vistazo a las condiciones de propagación en ese momento. Y para eso envío unos símbolos, llamados “símbolos piloto”, que no es información del usuario ni nada, sino que son bits que no sirven para nada más que para decirle al emisor y receptor cómo está el canal en ese momento. Se transmiten de vez en cuando cuando se plantea que hay un cambio. Por ejemplo cuando entramos a un túnel, el canal cambia casi completamente o dentro de un edificio. Por eso hay que cambiar la potencia para adecuarme a esa transmisión. Y por eso también es tan robusto. Las conexiones no se caen tanto. Si un canal deja de ser utilizable pues se anula en ese momento y su información va por otro lado. Se va adaptando todo.

Todo esto es porque el canal radio depende de muchas frecuencias. Por eso si yo tengo 20MHz para poder transmitir, y de esos 20MHz estoy conduciendo y 2MHz no son utilizables por lo que sea, pues no se transmite información por esa subportadora. Esto es un trabajo de ingeniería bastante importante.

P: ¿Es por eso que cuando la red es muy inestable, el móvil tiende a gastar más batería? ¿Por qué está todo el rato encontrar un canal bueno?

R: Yo siempre doy un consejo y es que cuando tienen poca cobertura y no quieren gastar batería, que apaguen el móvil. Porque si tiene poca cobertura, el móvil está ahi desesperado buscando señal e intentando adaptarse. por eso consume la batería más rápido. Cuando la cobertura es mala o la red está muy saturada, si no quieres gastar batería y no vas a utilizarlo, apágalo. Porque sino el móvil se pone a buscar soluciones. Adaptar la potencia para este momento, encontrar una red menos congestionada, etc.

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Volviendo a las tecnologías de 4G. La segunda tencología es MIMO, sobre la que hice mi trabajo de fin de grado, es un sistema multiantena. En el estándar de 4G hay 2X4 (tu móvil tiene 2 antenas y la estación base 4) o 2X2 o 4X4. MIMO 4X4 encarece mucho el precio de un móvil. ¿Qué es lo bueno de tener más antenas? Que tienes un grado más de libertad. Antes tenías tres: Tiempo, frecuencia y código por ejemplo. Ahora tienes un cuarto más que es espacio. Cada antena está en un sitio del móvil y puedes utilizar para un montón de cosas. Pero en general, teniendo un grado más de libertad metes una mayor información en la misma frecuencia, en el mismo tiempo y usando el mismo código. Y además, si las condiciones de una antena de la estación base y una del móvil, se redirige todo el tráfico por otra de las antenas.

“…teniendo un grado más de libertad metes una mayor información en la misma frecuencia, en el mismo tiempo y usando el mismo código”

La tercera es más de telemática, se llama SAE. Al final es una nueva forma de redistribuir la red. Había un problema y es que como la redes móviles crecieron muy rápido, había algunos nodos de la red que eran demasiado importantes. Pues con esta nueva arquitectura algunas funciones secundarias se pasan a la periferia de la red. Entonces se descarga mucho la red, está mucho más ligera y además es plana, en el sentido que no hay nodos que sean demasiado importantes y otros no tanto, todos los nodos tienen casi la misma importancia. Y eso es lo que ha mejorado mucho la latencia, uno de los requisitos del 4G. Se reducen las colas en los routers, no hay tantas tablas de enrutamiento y está más sencillo.

Estas tecnologías hace unos años eran inviables y ahora, gracias a lo que se ha abaratado la tecnología, sí son posibles. Tenemos 4G gracias a OFDM, MIMO y SAE.

P: Las bandas 4G, dicen que hay bandas 4G que antes había problemas con el TDT, la banda 800 y que pueden haber interferencias por programas de TDT. Pero es que dicen que la banda 800 es la mejor para llegar a los sitios más profundos. Por ejemplo, dicen que un edificio, gracias a la banda 800, se tiene una mejor cobertura a la banda 800. Y ahora mismo están por la 1600 o cosa así.

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R: Primero, el espectro electromagnético es muy escaso y estamos peleándonos todos por explotarlo. Sólo hay uno y tenemos que ponernos de acuerdo. Por eso el Estado regula para que se usa cada banda. Las frecuencias más bajas son para radio aficionados, radio FM, televisión analógica que ya no existe, TDT, WiFi, Bluetooth… Y el operador de telefonía móvil compran zonas del espectro en distintas zonas geográficas para utilizarlo en sus servicios. El canal radio es tremendamente sensible con la frecuencia. Lo que tú transmites perfectamente a una frecuencia, subes un poco y ya no. Por eso hay bandas muy buenas para unas cosas y otras no tan buenas para otras. Por ejemplo, en general cuanto mayor es la frecuencia, mejor responde a transmisiones a muy larga distancia y viceversa.

Por eso la banda 800 funciona bien en ciudades y edificios. Y las bandas superiores se usan para zonas rurales y tal. Ahora bien, eso es en general, después en cada caso hay que estudiarlo. Pero bueno, como cada operador tiene que elegir cada frecuencia, ellos eligen la que creen que es mejor. Eso es porque el campo electromagnético interactúa con los objetos según su longitud de onda. Los objetos muy grandes interactúan con longitudes de ondas grandes. En general, una vez han comprado una zona de espectro para ellos, ahí meten a todos sus usuarios. Pero esas frecuencias se reutilizan. La frecuencia que tú y yo estamos usando, te vas a 10 kilómetros y la puede usar otra persona. Pero la clave es esa, el canal radio depende mucho de la frecuencia a la que estás trabajando. Por eso se pelean por qué zonas usan y la banda 800 tiene todas las papeletas para ser la que más se va a usar. 4G por ley usa también 1800 (1,8GHz) y 2400 (2,4GHz).

“Por eso la banda 800 funciona bien en ciudades y edificios. Y las bandas superiores se usan para zonas rurales y tal”

Importante, cuando te compras un móvil tienes que ver qué frecuencia usa, sobre todo cuando te compras un móvil chino o americano. Si tu diseñas un móvil y ahí se usan unas frecuencias, aquí en Europa la ley es distinta y se usan otras. Por eso los móviles más caros procedentes de China son los que tienen frecuencias europeas porque saben que se van a vender mejor. Si compras un móvil chino muy barato es muy probable que no sea compatible con las bandas europeas. Lo bueno es que se están poniendo todos de acuerdo para que todos usen las mismas frecuencias. Aunque tardará aún unos años.

El futuro: qué ocurre con el 5G

P: Para acabar, se está hablando mucho sobre el 5G y resulta que unas de las marcas que más se está esforzando en obtener el primer certificado es Huawei

R: Se sabe, pero se sabe muy poco. Yo tuve que preparar un informe sobre 5G, el año pasado, para un proyecto europeo y encontré muy poca información, de hecho el documento en el que me basé es de Huawei, que se llama WhitePaper, que es un artículo genérico diciendo lo que ellos esperaban de la tecnología. Pero básicamente lo que propone es unos desafíos que las empresas, los institutos de investigación y los gobiernos van a tener que afrontar todos juntos para conseguirlo. Por ejemplo, 10Gb/s de transferencia, latencia de 1ms, todo retrocompatible con lo anterior, fiabilidad de que sólo falle una vez por cada millón y sobre todo consumo de batería reducido en un 80-90%. Vamos, que te duré la batería de verdad una semana.

P: ¿Es por eso por lo que no nos dura tanto?

R: Yo creo que la batería se está investigando mucho en mejorar. Se está investigando en fabricación de la batería y química.

P: Sí, como unas baterías azufre de Sony que aumenta un 40%

R: Claro, cómo móviles que se cargan en 30 segundos. Mucha investigación sobre ello. Pero no llegan, se sigue usando lo que ya tenemos.

Aumentar la autonomía de los móviles reduciendo el consumo de las transmisiones

P: Por eso se busca reducir el consumo de transmisiones móviles, para aumentar la autonomía de algún modo.

R: Por eso se investigan en algoritmo y redes que consuman menos. Por eso está la adaptación. No te conté antes que OFDM y MIMO se utilizan en su máximo esplendor en el canal de bajada, de la red al móvil. En el uplink (canal de subida) se usa una versión recortada porque lo que prima es el consumo. Y se usa una versión que consume menos y es más lenta. Porque al final de subida tampoco necesitas tanta velocidad. Aunque eso está cambiando con las redes sociales. Lo importante bajar el consumo. Y en el uplink se usa una versión recortada de todo eso que te he contado antes.

5G yo creo que hasta bien entrada entrada la década de 2020 no vamos a ver nada de 5G. Eso si lo vemos, porque el 4G se pensó para que las evoluciones de futuro fueran suaves y continuas. Que no pasara como 3G que hubo que hacer un corte, que todo lo de antes no vale, que es compatible pero las tecnologías de antes ya no nos valen. Con 4G LTE sí se quiere que sea continua. De hecho ya existe el LTE+ que es una evolución del 4G que es un poco mejor en algunas cosas porque ha añadido una serie de detalles.

P: Sí, en Estados Unidos ya se está comercializando algo con Verizon o AT&T

R: Exacto, ellos son unos de los que más tiran del carro. Yo no sé si será un cambio radical o una evolución de lo que ya hay. Para cumplir los requisitos que se quieren se optarán por más antenas, lo que son microceldas, no habrá antenas en cada edificio sino que en cada planta de un edificio habrá una serie de antenas para dar servicio muy concreto a cada planta o en un parque donde habrá picoceldas o microceldas que se encargarán de dar cobertura. Creo que va todo más por ahí. Todos los dispositivos conectados. Ahora mismo hay de media un dispositivo por persona.

P: ¿El internet de las cosas?

R: Ahí quería ir, tu casa llena de sensores, pues todo eso es mucha más carga en la red. Aunque sean aparatos que no transmiten mucha información, las latencias tendrán que bajar mucho porque queremos todo al momento. Y yo me planteo, ¿para qué queremos más velocidad? Una vez lleguemos a 1Gb/s, ¿merece la pena seguir complicando las cosas?

P: Para el día a día no creo que sea necesario más velocidad

R: Por eso yo tiraría por mejor calidad, mas fiabilidad y reducir el consumo. La velocidad es fácil de mejorar. Colocas más antenas y ancho de banda y ya la tienes. Y las frecuencias también subirán hasta los 5.000 MHz, aunque se tenga que remodelar todo porque el canal radio a estas frecuencias se comporta completamente distinto. Más frecuencia no será porque hablamos de la velocidad de la luz. Se sabe poco aún pero es que tampoco es que tengan mucha prisa.

P: Irá todo poco a poco, veremos un 4.5G y un 4.75G donde veamos mejoras leves por el crecimiento suave

R: Yo creo que no tienen prisa, se supone que el año que viene van a empezar los primeros estudios serios pero por ahora lo que hay son unas condiciones sobre lo que nos gustaría conseguir. Como se hizo con el 4G, unos estándares a cumplir y todos se tienen que poner a trabajar. Porque en esta tecnologías todos colaboran mucho.

P: También les viene bien a las marcas una nueva tecnología para obligar al usuario a renovar de móvil.

R: Es que no es necesaria tanta velocidad, simplemente es por disfrutar de algo nuevo. Que es completamente legítimo. Pero es que las aplicaciones aún así no aprovechan todavía el 4G. Tampoco necesitamos transmitir tanto, vemos páginas web, mandar mensajes, etc. Yo creo que la velocidad va a pasar a un segundo plano y todo se centrará en el Internet de las Cosas, más fiabilidad y demás. Yo le echaría casi 10 años para que tú y yo podamos tener un móvil con 5G.

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            Servido! Gracias por su compra vuelva pronto!

  • Mit

    Justo ayer una señora me preguntaba que era el 4g, le hubiera explicado el articulo seguramente le da embolea cerebral.

    Muy buena lectura, de pasaron con la entrevista.

  • Carlos

    los que se quejan del nivel de los artículos de EAL, seguro que este ni se lo han leído… jajaja

  • Doble R

    Es lógico que la demanda de artículos por día reduzca la calidad de artículos. No me quejo de ningún artículo pero este ha sido de los pocos que me tomado más de 3 horas leerlo para entenderlo a un 70% (creo). Gracias Manuel J. Gutierrez por la información, me ha sido de gran ayuda

  • Julio

    Gracias por subir el nivel de vez en cuando.

    Podríais haberla grabado y subido al Youtube

  • Joshua

    Genial.
    Viva la ESI de Sevilla!

    ;)

    #no #matenme #quieroacabarlacarrera

  • ϻike

    Felicidades, que gran articulo!! por favor sigan haciendo más entrevista con este nivel técnico

    Saludos desde Mx

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