Espectro Radioeléctrico, una perspectiva de la escasez actual

El Espectro Electromagnético es como se conoce al conjunto de todas las frecuencias conocidas por las cuales se propagan ondas electromagnéticas. Desde algunos cuantos hertz hasta las encontradas en procesos nucleares.

Aunque existe un conjunto enorme de estas frecuencias, solo algunas porciones de este espectro tienen comportamientos de propagación benéficas para el uso de comunicaciones inalámbricas, este subconjunto se conoce como Espectro Radioeléctrico.

Una propiedad conocida de la propagación a lo largo del espectro es que mientras menor sea la frecuencia central utiliza la onda transmitida se tiene una mayor capacidad de atravesar objetos, pero menor ancho de banda esta disponible. En el caso contrario, frecuencias altas son más absorbidas por los objetos pero existe la posibilidad de usar mas ancho de banda. Esto determina que servicios son asignados a las porciones de espectro que sean útiles para los mismos.

Las transmisiones de radio se encuentran en la porción del espectro radioeléctrico con menores frecuencias, cubren una área amplia. Y conexiones que requieren mayor transferencia como Wi-Fi o la red celular 4G se encuentran en las porciones mas altas, cubriendo áreas de cobertura de algunos metros.

El espectro radioeléctrico es administrado por los gobiernos de cada país. Estos junto con la Unión Internacional de Telecomunicaciones asignan bandas especificas para ciertos servicios de manera global o regional.

Esta administración del espectro es fija, y regulada mediante licencias de largo plazo. Aunque existen porciones del espectro que son utilizadas sin licencia (Wi-Fi), la gran mayoría se encuentra licenciado y es utilizado por un gran rango de tecnologías que operan con suficiente potencia para permitir que los servicios tengan coberturas de áreas relativamente amplias.

Los sistemas de comunicaciones celulares tienen una porción del espectro determinada, la cual es distribuida mediante un proceso subasta entre los operadores de estos servicios. Sin embargo, esta porción del espectro ha sido ampliamente explotada, y por lo cual es muy difícil para los operadores conseguir más.

Estos sistemas comenzaron con comunicaciones analógicas hace 40 años, y ofrecían servicios de voz unicamente. Con la evolución y digitalización de estos servicios, cada vez los sistemas obtuvieron mayores capacidades de transmisión. Hasta el punto en la actualidad donde existe una densidad de subscriptores del 96% con respecto a la población mundial.

Hoy en día las comunicaciones celulares son oblicuas y una parte fundamental nuestro día a día. Esta gran absorción del servicio ha incrementado la demanda a los sistemas, y con ello a los operadores. Además la tendencia de uso de internet de banda ancha con los sistemas celulares ha incrementado a un paso acelerado, de forma que se estima que para el 2020 existirá una congestión en los sistemas actuales.

La solución directa para el problema de la gran demanda del servicio es hacer uso de una porción mas grande de espectro, ya que con ello los operadores tienen más canales, y/o mayor ancho de banda. De esta forma los sistemas podrían atender a más usuarios y/o mayores velocidades de transmisión.

Sin embargo, dadá la asignación de espectro fija actual, esta solución no puede ser alcanzada, ya que no hay mas espectro designado para estas comunicaciones disponible para los operadores, ademas toma un tiempo bastante considerable el que parte del mismo se vuelva disponible. Por este motivo los operadores deben adoptar también nuevas tecnologías que ayudan al problema en un termino corto.

Existen múltiples enfoques que buscan atacar el problema de la escasez de espectro desde otro angulo distinto a conseguir mas del mismo. Los principales son listados a continuación:

  • Hacer un uso mas eficiente del espectro.
    • Asignación dinámica de recursos.
    • Densificación de las redes (HetNets)
  • Hacer un uso compartido del espectro, mediante radio cognitiva.

Durante las generaciones de tecnologías de transmisión celular 2G, 3G y 4G los sistemas utilizan métodos cada vez más eficientes de codificar la señal en ondas de radio para crear conexiones de datos más rápidas. Estas tecnologías que incrementan la eficiencia del uso del espectro, por lo que permiten transmitir más datos utilizando una cantidad fija de espectro.

De esta misma han surgido nuevas estrategias del uso del espectro que han empezado a ser utilizadas en los sistemas de 4ta Generación y que serán parte clave para los sistemas de la siguiente generación 5G.

La asignación dinámica de recursos, se conoce al proceso de asignar inteligentemente, los recursos disponibles de las estaciones base a los usuarios considerando las condiciones físicas en cada instante. Los recursos que son distribuidos son los canales, la potencia de los mismos, y el tiempo que son asignados a cada usuario.

Por otro lado la densificación de las redes, hace un uso conjunto de redes de menor tamaño en las celdas macro desplegadas tradicionalmente. Estas redes tienen áreas de cobertura mucho menores, por lo que atienden a usuarios a distancias mas cortas, con menor potencia y usualmente mayor velocidad de transmisión. Lo mejor de estos sistemas es que estas celdas reutilizan el mismo conjunto de frecuencias, por lo que se consigue un uso eficiente del espectro a costa de una no despreciable complexidad de las redes para evitar interferencia.

Espectro compartido es una alternativa al problema de las escasez de espectro. En esta propuesta dispositivos con capacidades cognitivas detectan oportunidades espectrales para transmitir sobre las mismas en bandas pertenecientes a otros sistemas licenciados, siempre y cuando no afecten la comunicación de estos sistemas. Esto es posible dado que mediciones recientes han demostrado que una gran parte del espectro licenciado es sub-utilizado la mayor parte del tiempo.

Si bien estas alternativas proponen una solución al problema de escasez agregan complejidad a las redes. Por lo que hay un gran esfuerzo en desarrollar algoritmos eficientes que puedan lidear con la complejidad agregada.

Espectro Radioeléctrico, una perspectiva de la escasez actual

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