Introducción a las comunicaciones móviles: propagación de las ondas electromagnéticas
Cuando se va a empezar a trabajar en sistemas de telefonía móvil, es necesario antes tener unos conocimientos del origen de la misma, que es la radio móvil y lo primero que tenemos que conocer es qué es la frecuencia y la longitud de onda de una señal de radiofrecuencia.
La frecuencia de una señal radioeléctrica representa el número de veces por segundo que esa señal pasa por un máximo y un mínimo hasta que se empieza a repetir. Normalmente se visualiza en un osciloscopio y lo vamos a "contabilizar" por medio del período o tiempo que tarda la señal en repetirse.
Además del período de la señal podremos visualizar su amplitud máxima de pico y a partir de ella la amplitud eficaz y la de pico a pico; aunque a nosotros solo nos interesa conocer la frecuencia.
Aquí tenéis una imagen obtenida de internet en la que se puede apreciar el período y la frecuencia de la señal (la frecuencia es la inversa del período de la señal).
La longitud de onda representaría el espacio en metros recorrido por nuestra señal de radiofrecuencia y viajando a la velocidad de la luz. Conociendo la frecuencia obtenemos la longitud de onda.
Estos dos parámetros son en realidad uno solo, puesto que se obtienen uno a partir del otro, en base a la fórmula:
λ(longitud de onda) = c (velocidad de la luz en m/s)/F (frecuencia en Hz)
La longitud de onda se obtiene en metros, siempre y cuando la frecuencia se exprese en Hercios y la velocidad de la luz en m/s (300.000 Km/s equivalen a 3 108 m/s). Así, a modo de ejemplo práctico, si tenemos una frecuencia de 3 Ghz (3 109 Hz), y queremos calcular su longitud de onda, haremos el cálculo de su longitud de onda:
λ(m)= 3 108 m/s /3 109 m/s = 0,10 m o lo que es lo mismo, 10 cms.
PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
El conocer la longitud de onda nos es útil para conocer de qué manera se van a propagar las diferentes frecuencias según el medio por el que viajen. A las ondas de radio, por ser ondas electromagnéticas, le son de aplicación un conjunto de propiedades físicas que explican su comportamiento. Hay muchas páginas que las detallan, aquí solo se añade un resumen:
- Refracción. Esta propiedad se basa en el cambio de trayectoria de una onda electromagnética al cambiar de medio de transmisión de diferente índice de refracción. Un ejemplo similar lo podemos observar al introducir un palo recto en una superficie llena de agua: nuestros ojos aprecian como el palo "se dobla". En nuestro caso esto supone que cuando se formen conductos por el calor, las ondas de radio pueden alcanzar sitios impensables.
- Difracción. Esta propiedad permite que una onda de radio se "doble" alrededor de un obstáculo como puede ser una esquina de un edificio, de una torre, de un vehículo, además de en determinadas superficies (paredes, techos, cristales laminados, etc.)
- Reflexión. Una reflexión de una onda electromagnética supone un rebote o cambio de la dirección de la onda electrómagnética cuando choca contra un material que dependiendo de su composición la absorberá o la dejará pasar según composición. Un ejemplo fácil de entender es cuando en un estudio de de grabación queremos evitar reflexiones de sonidos que te puedan afectar a la grabación: colocamos materiales absorbentes del sonido que evitan que se produzcan reflexiones del sonido, a modo de cámara anecoica (aunque sin llegar estos extremos).
Estas propiedades de las ondas electromagnéticas explican en parte, el comportamiento de las diferentes frecuencias de radio dependiendo del medio en el que trabajen. Así, una frecuencia de 450 Mhz se comporta mucho mejor dentro de edificios a la hora de propagarse porque la longitud de onda de esa frecuencia es tal que las paredes, esquinas, ángulos del interior de los edificios permiten una mejor propagación de la onda electromagnética.
Evolución de redes móviles a telefonía móvil
Antes de que surgiera la telefonía móvil el medio de comunicación sin cables se basaba en los sistemas de radiocomunicación, que en un primer momento eran bastante rudimentarios y con el pasos de los años evolucionaron en sistemas complejos que permitían gestionar redes de usuarios que compartían los mismos equipos pero realizaban distintas actividades, las redes trunking (redes de radio móvil compartidas por diferentes clientes), que a su vez evolucionaron o convivieron con las redes de telefonía móvil analógica ETACS y todas las evoluciones posteriores.
Vamos a ver algunos de los elementos que intervienen en las comunicaciones vía radio, que son las mismas que en la telefonía móvil.
Los sistemas de radiocomunicación empezaron a desarrollarse cuando se descubrió que las ondas de radio se propagaban por el aire alcanzando distancias que no había forma de alcanzar por medio de instalaciones cableadas. La radio permitía comunicaciones de cientos de kilómetros que si se tenían que realizar por medio de medios guiados (cables), resultaban inviables.
A lo largo de muchos años de estudios teóricos y prácticos, se descubrió que las frecuencias de radio, dependiendo de la banda de frecuencia en la que estuviéramos trabajando, de las condiciones climáticas, del medio de transmisión en el que estuviéramos, se comportaban de distinta forma. Eran por así decirlo, impredecibles si no se analizaban todos estos parámetros y las propiedades de las ondas electromagnéticas.
Así, había frecuencias de 600 Khz que al modularlas permitían que la señal radioeléctrica llegara a varias decenas de kilómetros y frecuencias superiores, la banda ciudadana de 27 Mhz por ejemplo,permitían alcances de cientos o miles de kilómetros porque la señal radioeléctrica se reflejaba en la troposfera y permitía alcanzar semejantes distancias.
En una de las tablas de los documentos que se añaden figuran algunas de estas bandas de radio móvil privada y las características más importantes de cada una de ellas.
Cuando es necesario transmitir una señal por medios inalámbricos, es necesario disponer de un equipo de transmisión de radiofrecuencia, que tiene una serie de características medibles que lo diferencias de los demás:
- La frecuencia de transmisión o portadora es única: nadie puede transmitir con la frecuencia portadora con la que estoy trabajando (en las cercanías de donde transmito), puesto que en ese caso nos interferiríamos.
- La señal moduladora, que normalmente es una señal vocal, va a ser "transportada" a largas distancias por la señal portadora, si las combinamos ambas de una manera adecuada: podemos modular en Amplitud Modulada (AM), en Frecuencia Modulada (FM), en Modulación de Fase (PM) y con otras técnicas más o menos complejas de modulación (cuanta más complejidad, más difícil desencriptar la información transmitida): QAM, etc. La manera en que module la portadora, va a originar una profundidad de modulación en el caso de modulación en amplitud o una desviación de frecuencia, cuando trabajamos en FM.
- Esta señal modulada transmitida por la portadora se puede transmitir en Banda Lateral Única, en Doble Banda Lateral, Banda Lateral Vestigial, etc.
- Cuando transmito una señal de radio, ésta tiene una determinada potencia de emisión. Normalmente se mide con vatímetros y la unidad son los vatios, pero es muy frecuente, sobre todo cuando se trata de equipos de medida más o menos complejos, trabajar con unidades de medidas referenciadas a los decibelios; fundamentalmente el dBm, que está referenciado sobre una potencia de 1 mW. Cuando decimos "estoy transmitiendo 40 dBm", es lo mismo que decir: "estoy transmitiendo 10 W (104=10.000 mW).
Desde el punto de vista de la forma en que realizamos la transmisión, nos vamos a encontrar equipos de radio:
- Simplex: utilizan la misma frecuencia para emitir que para recibir, con lo que para que un interlocutor hable, el otro debe silenciar su señal.
- Semidúplex: utilizan una frecuencia de emisión y otra de recepción, pero no pueden utilizarse de forma simultánea (una emisora de radio móvil normal, cuando está transmitiendo no puede estar recibiendo puesto que se destruiría la etapa de recepción).
- Dúplex: utilizan una frecuencia de emisión y otra de recepción de forma simultánea, no produciéndose ningún tipo de interferencia al utilizar filtros duplexores que separan las dos frecuencias evitando interferencias. Este tipo de configuración dúplex es típica de las estaciones repetidoras de radio móvil.
Las diferentes frecuencias de radio tienen cada una de ellas una serie de características que, después de muchos años de investigación y uso de las mismas, como indiqué antes, son conocidas. Así, la banda de frecuencias que se denomina onda corta, tiene entre otras características particulares, que puede alcanzar la Troposfera y alcanzar grandes distancias con pequeñas potencias.
Las bandas en las que habitualmente vamos a utilizar equipos profesionales de Radio Móvil Privada analógica, se corresponden a las bandas de 80, 150 y 400-470 Mhz, que es el ámbito en el que voy a profundizar en los apuntes de esta página web; no quita que en el resto de bandas de frecuencias no haya servicios de radio móvil disponibles, pero son bandas en ocasiones reservadas para los Cuerpos y Fuerzas de Seguridad del Estado, Protección Civil, Servicios de Emergencias, etc, y en consecuencia no se mencionan por motivos obvios.
Lo que sí se incluye como anexo son las peculiaridades que tienen las bandas de PMR de 80, 150 y 400 Mhz en lo que respecta a la facilidad o dificultad de propagación en el espacio libre, espacios cerrados, sótanos, etc., que en muchas ocasiones facilitan la elección de una banda u otra por el lugar de uso de los equipos de radio.
En unos documentos adjuntos se trata de explicar en qué consiste la radio móvil, qué servicios prestaba, qué elementos integran una red de radio móvil (desde dos móviles que hablan directamente uno con otro, pasando por un móvil que habla con otro a mucha mayor distancia utilizando una estación repetidora, hasta un móvil hablando a través de un sistema de gestión con la red de telefonía móvil).
Algo que no detallo en estos documentos es que, debido a que hay multitud de empresas que prestan sus servicios utilizando equipo de radio móvil, el obtener una licencia de radio es complicado porque no hay espectro radioeléctrico para tantas solicitudes. Así, para mejorar este aprovechamiento radioeléctrico en España, el ancho de banda de los canales autorizados, al menos hasta el año 2000 era de unos 6,25 Khz, estando las portadoras separadas entre sí 12,5 Khz; con este ancho de banda se podían añadir muchos más canales de radio; en otros países podemos encontrarnos separación de 20 Khz o 25 Khz en los canales.
REDES TRUNKING MPT 1327 (redes compartidas)
Durante muchos años, los sistemas de radio móvil permitieron que pequeñas/medianas empresas dispusieran de un servicio de comunicaciones móviles, basados en el uso de estaciones de radio fijas o móviles (en el caso de una flota de vehículos, por ejemplo) y una serie de estaciones repetidoras, se podían comunicar entre sí sin usar la red de telefonía fija.
Cuando estas empresas instalaron redes más potentes, vieron que podían compartir los gastos de la infraestructura que habían realizado, si compartían las redes móviles cuando ellos no las estuvieran utilizando o utilizando otras frecuencias que tenían con poco uso. Surgió así la idea de redes móviles compartidas, en las que una empresa gestionaba toda la red y tarificaba a la empresa que compartía su red parte de los gastos; de ahí evolucionó a las redes trunking MPT1327 que se empezaron a desarrollar en España sobre 1991 aproximadamente.
Un ejemplo de estas redes podría ser la del Ayuntamiento de Madrid cuando por esas fechas instaló una red de repetidores trunking para comunicar todos sus servicios móviles. Así, desde esta red daban servicio a bomberos, ambulancias, policía municipal, servicios de limpieza, etc., pudiendo gestionar todos estos servicios desde un puesto centralizado, compartiendo emplazamientos.
Estas redes PMR, cuando se fue extendiendo su uso y aumentó la cantidad de usuarios que pretendían utilizar el espectro radioeléctrico, hizo que surgieran nuevos servicios. Así, por ejemplo, una empresa que tenía su red PMR sin utilizarla por la tarde o por la noche, ¿por qué no la podía compartir con otra empresa y compartir los gastos?.
Y si tengo la frecuencia asignada en una flota de camiones, ¿por qué no la comparto con otra flota que tiene la misma ruta y mismo horario?.
Esta y otras oportunidades de compartir gastos obligó a buscar como gestionar o controlar quién utilizaba, cuando y donde nuestra red, empezando a ser sustituida la red PMR por otra en en la que los equipos de radio eran más complejos, tenían códigos identificativos y utilizaban codificación digital, de forma que se podía gestionar quién, cuándo y cómo se utilizaba la red, distribuyendo así el coste de la infraestructura.
La banda de frecuencias que actualmente están asignadas en España a este y otros servicios móviles, aparecen referenciadas en el Cuadro Nacional de Asignación de Frecuencias, parte del cual se adjunta como fichero adjunto, pero que se puede consultar sin dificultad a través de Internet más actualizado.