Red de celdas

Una red de celdas o red celular es una red formada por celdas de radio (o simplemente celdas) cada una con su propio transmisor, conocidas como estación base. Estas celdas son usadas con el fin de cubrir diferentes áreas para proveer cobertura de radio sobre un área más grande que el de una celda. Las redes de celdas son inherentemente asimétricas con un conjunto fijo de transceptores principales, cada uno sirviendo una celda y un conjunto de transceptores distribuidos (generalmente, pero no siempre, móviles).

Estas redes ofrecen varias ventajas comparadas con soluciones alternativas:

El requerimiento principal de una red en el concepto celular es encontrar una manera de que cada estación distribuida distinga la señal de su propio transmisor de la señal de otros transmisores.

Hay dos soluciones a esto, acceso múltiple por división de frecuencias (FDMA, del inglés Frequency Division Multiple Access) y acceso múltiple por división de código (CDMA, del inglés Code Division Multiple Access).

FDMA funciona usando frecuencias diferentes entre celdas vecinas. Encontrando la frecuencia de la celda elegida las estaciones distribuidas pueden descartar las señales de las celdas vecinas.

CDMA consiste en la asignación de un código único para cada equipo terminal conectado a la red. La característica de estos códigos, es que son ortogonales entre sí, de manera que no se interfieren mutuamente. La estación base transceptora los descifra aplicando métodos de separación de códigos ortogonales, consiguiendo establecer comunicación unívoca con cada equipo terminal enganchado.

El acceso múltiple por división de tiempo (TDMA, del inglés Time Division Multiple Access), consiste en la división del continuo temporal en "ranuras de tiempo" (del inglés: time-slots). Por ejemplo, GSM emplea este esquema con ranuras de 125 ms, facilitando un total de 1 s / 125 ms = 8 canales por sector.

Pero, al igual que otros métodos disponibles de acceso al medio, como el acceso múltiple por división de polarización (PDMA del inglés Polarization Division Multiple Access), TDMA no puede ser usado para separar las señales de una celda con la de su vecina ya que sus efectos varían con la posición, y esto hace que la separación de la señal sea prácticamente imposible.

Sin embargo, TDMA es ampliamente usado en combinación con FDMA o CDMA (esquemas dúplex) en sistemas de comunicaciones móviles, con el objeto de otorgar múltiples canales en el área de cobertura de una sola celda.

Prácticamente todos los sistemas celulares tienen algún mecanismo de mensajes de difusión. Éste puede ser usado para distribuir información a muchos móviles, por ejemplo, en los sistemas de telefonía celular, el uso más importante de los mensajes de difusión es para configurar el canal para las comunicaciones uno a uno entre el transceptor móvil y la estación base. Esto es llamado paginación.

Los detalles del proceso de paginación varían de red a red, pero normalmente se conoce un número limitado de celdas donde el teléfono se encuentra (este grupo de celdas es llamado área de localización en los sistemas GSM o área de ruteo en los UMTS). La paginación comienza enviando mensajes de difusión en estas celdas. Los mensajes de paginación pueden ser usados para transferir información. Esto se usa, por ejemplo, en los sistemas CDMA para el envió de mensajes SMS.

El incremento en la capacidad de una red celular, comparando con una red con un solo transmisor, viene con el hecho de que la misma radiofrecuencia puede ser usada en un área diferente para una transmisión completamente diferente. Si hubiera un solo transmisor, solo una transmisión puede ser realizada en cualquier frecuencia dada. Desafortunadamente es inevitable cierto nivel de interferencia en la señal producida por las otras celdas que usan la misma frecuencia. Esto significa que en un sistema estándar FDMA habrá al menos un hueco entre celdas que utilicen la misma frecuencia.

El factor de reutilización de frecuencia es qué tan seguido se puede utilizar la misma frecuencia en una red. Esto es 1/n donde n es el número de celdas que no pueden utilizar una frecuencia para transmisión.

Los sistemas CDMA usan una banda de frecuencia mayor para alcanzar la misma tasa de transmisión que FDMA, pero compensan esto y que poseen un factor de reutilización de 1. En otras palabras, cada celda usa la misma frecuencia y los diferentes sistemas están separados por códigos en lugar de frecuencias.

El uso de múltiples celdas significa que, si los transceptores distribuidos son móviles y se mueven de un lugar a otro, pueden también cambiar de celda. El mecanismo para esto cambia dependiendo del tipo de red y las circunstancias del cambio. Por ejemplo, si hay una comunicación continua y no queremos que se interrumpa, entonces se deberá tener especial cuidado para evitar las interrupciones. En este caso debe haber una coordinación clara entre la estación base y la móvil. Generalmente estos sistemas usan algún tipo de acceso múltiple independiente en cada celda, así se anticipa un estado de traspaso y se reserva un nuevo canal para la estación móvil en la nueva estación base que le brindará ahora el servicio. El móvil entonces se mueve del canal en su estación base actual hacia el nuevo canal y desde ese punto la comunicación continúa.

Los detalles de los cambios de una estación base a otra varia considerablemente entre los distintos sistemas. Por ejemplo en todos los traspasos GSM y los traspasos entre frecuencias W-CDMA la estación móvil debe medir el canal que quiere empezar a utilizar antes de moverse a él. Una vez que el canal está confirmado, la red debe comandar al móvil para moverse al nuevo canal y al mismo tiempo iniciar una comunicación bidireccional lo que significa que no hay cortes en la transmisión. En CDMA2000 y en W-CDMA hay traspasos en la misma frecuencia, ambos canales son utilizados al mismo tiempo (esto es llamado un traspaso por soft).

La red celular ideal, mostrada en los libros, tiene celdas hexagonales. En la práctica la cobertura de la celda varía considerablemente dependiendo del terreno, la ubicación de la antena, las construcciones que pudieran interferir, puntos de medición y barreras.

El otro factor que interviene considerablemente en la cobertura es la frecuencia utilizada. Puesto simple, frecuencias bajas tienden a penetrar bien obstáculos, frecuencias altas suelen ser detenidas por objetos chicos. Por ejemplo, una pared de yeso de 5 milímetros detendrá completamente la luz, pero no tendrá ningún efecto sobre ondas de radio.

El efecto de la frecuencia en la cobertura significa que diferentes frecuencias sirven mejor a diferentes usos. Frecuencias bajas, como la de 450 MHz de NMT (en inglés), dan buena cobertura en áreas campestres. La de 900 MHz de GSM 900 es una solución apropiada para áreas urbanas pequeñas. GSM 1800 usa la banda de 1.8 GHz que ya comienza a ser limitada por paredes. Ésta es una desventaja cuando se habla de cobertura, pero es una ventaja cuando se habla de capacidad. Las pico celdas, por ejemplo, un piso de un edificio, son posibles y la misma frecuencia puede ser usada por celdas que son prácticamente vecinas. UMTS a 2.1 GHz es similar a GSM 1800 en cobertura. A 5 GHz las redes inalámbricas 802.11a tienen ya una muy limitada capacidad para penetrar paredes y suelen ser limitadas a una sola habitación en un edificio. Al mismo tiempo 5 GHz puede penetrar fácilmente ventanas y paredes finas, por lo que son usada en WLANs.

Si sobrepasamos estos rangos la capacidad general de la red incrementa (más ancho de banda está disponible) pero la cobertura comienza a ser limitada a la línea de visión. Los enlaces infrarrojos han sido considerados para uso en redes celulares, pero su uso sigue limitado a aplicaciones punto a punto.

El área de servicio de una celda puede también variar debido a la interferencia de sistemas transmitiendo dentro y alrededor. Esto es así especialmente en sistemas basados en CDMA. El receptor requiere cierto nivel de señal/ruido. Cuando el receptor se aleja del transmisor la señal transmitida se reduce. A medida que la interferencia (riudo) crece sobre la señal recibida y no se puede aumentar más el nivel en el transmisor, ésta se corrompe y eventualmente inusable. En los sistemas basados en CDMA el efecto de la interferencia de otro transmisor móvil en la misma celda es muy marcado y tiene un nombre especial, respiro de celda.

Para ver ejemplos reales de coberturas de celdas pueden buscarse mapas provistos por operadores reales en sus sitios webs; en ciertos casos pueden marcar el sitio de los transmisores, en otros se pueden notar los puntos más fuertes de cobertura.

El ejemplo más común de una red celular es la red de teléfonos móviles (o telefonía celular). Un teléfono móvil es un dispositivo portátil que recibe o realiza llamadas a través de una celda (estación base), o torre de transmisión. Se utilizan ondas de radio para transferir señales hacia y desde el teléfono celular. Grandes áreas geográficas (que representa la cobertura de un proveedor de servicio) son divididas en celdas pequeñas para lidiar con las pérdidas de las señales de línea de visión y el gran número de teléfonos activos en un área. Cada celda tiene un rango de.25 a 20 o más millas, típicos son los valores entre.5 y 5 millas, solapándose unas con otras. Todas las celdas están conectadas a conmutadores para comunicarse con líneas de la red de telefonía pública u otros conmutadores de otras compañías de telefonía móvil.

Cuando un usuario de telefonía móvil se mueve de una celda a otra, el conmutador automáticamente indica al dispositivo y a la celda con la señal más fuerte (indicada por el dispositivo) a trasladarse a un nuevo canal de radio (frecuencia). Cuando el dispositivo responde a través de la nueva celda, el conmutador de intercambio lo conecta a ésta.

Con CDMA el proceso es diferente. Múltiples dispositivos comparten un canal de radio específico; las señales son separadas usando un código de pseudoruido (código PN del inglés Pseudonoise Code) específico de cada teléfono. A medida que el usuario se mueve de una celda a otra el dispositivo se conecta con múltiples celdas (o sectores del mismo sitio) simultáneamente. Esto es conocido como traspaso por soft porque, al contrario de la telefonía celular tradicional, no hay un punto definido donde el dispositivo cambia hacia la nueva celda.

Los sistemas de telefonía móvil modernos utilizan celdas debido a que las frecuencias de radio son recursos limitados y compartidos. Las celdas y los dispositivos cambian de frecuencia bajo el control de computadoras y usan transmisores de baja potencia, así el número limitado de frecuencias puede ser utilizado por muchas llamadas con menos interferencia. Los dispositivos CDMA en particular, deben tener un control estricto de la potencia para evitar la interferencia entre sí. Un beneficio "accidental" de esto es que las baterías necesitan menos potencia y por ende tienen mayor duración entre recargas.

Ya que la mayoría de los teléfonos móviles utilizan tecnología celular, incluyendo GSM, CDMA y AMPS (analógico), el término "teléfono celular" es intercambiable con "teléfono móvil"; sin embargo, una excepción de teléfonos móviles que utilizan tecnología celular son los teléfonos satelitales.

Los sistemas anteriores al principio celular podrían seguir usándose en algunos lugares. El uso real más notable de estos se da en muchos operadores radio-aficionados que mantienen repetidores de VHF en sus clubes.

Hay un amplio abanico de tecnologías celulares digitales que incluyen: GSM, GPRS, CDMA, EV-DO, EDGE, 3GSM, DECT, AMPS digital, LTE y iDEN.i