Pocos avances tecnológicos en la historia de la humanidad han experimentado un desarrollo tan vertiginoso como el llevado a cabo por las tecnologías de comunicación inalámbricas, y más concretamente por la telefonía celular o móvil. De hecho, hasta hace tan sólo unos pocos años, los teléfonos móviles eran dispositivos electrónicos con un único modo de operación y cuya única funcionalidad era la transmisión de voz (llamados de primera generación o 1G), y mensajes cortos de texto o SMS (de “Short Message Service”), presentes en la segunda generación (2G), cuyas velocidades de transmisión de datos eran del orden de unos pocos de miles de bits por segundo (kb/s).

Con el desarrollo de la tercera generación (3G), los terminales móviles pasaron a ofrecer servicios multimedia y conexión a Internet de banda ancha con una velocidad de transferencia de datos de millones de bits por segundo (Mb/s). De hecho, esta tendencia continúa y recientemente ya disponemos de redes que operan con terminales móviles de cuarta generación (4G), que son dispositivos enormemente más complejos tecnológicamente que los teléfonos móviles de generaciones anteriores.

Estos terminales integran de forma eficiente los servicios de telefonía móvil ya existentes con nuevos estándares de acceso a redes inalámbricas, los cuales pueden llegar a alcanzar tasas de transferencia de datos de hasta miles de millones de bits (Gb/s), dependiendo de las condiciones de la red en la que se encuentre. Los teléfonos 4G incorporan, entre otros, el estándar celular LTE (de “Long-Term Evolution” o evolución a largo término), que permite acceder a Internet a velocidades de varias decenas de Mb/s, y que se ha hecho popular recientemente por ser la causa de la resintonización obligatoria de la Televisión Digital Terrestre o TDT, también llamado dividendo digital.

La forma actual en la que se incluyen nuevos estándares o modos de operación en los teléfonos de última generación o “smart phones”, supone casi siempre la incorporación de nuevo hardware, es decir, de nuevos chips específicos, que son diferentes para cada generación de terminales. Sin embargo, el ritmo creciente de incorporación de nuevas funcionalidades hace que este modelo de evolución — basado en la actualización de nuevo hardware – esté llegando a sus límites. Esto plantea la necesidad de redefinir el concepto de un teléfono móvil, desde una dispositivo electrónico esencialmente basado en hardware hacia un sistema que reparta o complemente sus prestaciones y funcionalidades entre su hardware y su software.

Actualizaciones del software

Este nuevo paradigma de las comunicaciones móviles recibe el nombre de radio definida por software o SDR (de “Software Defined Radio”), y permitirá en un futuro el desarrollo de teléfonos móviles universales – que podrán actualizarse a nuevos estándares a través de actualizaciones del software, en lugar del hardware como se ha hecho hasta ahora – siendo de este modo capaces de ser programados para operar en un amplio rango del espectro electromagnético.

Además de estas ventajas, los móviles basados en SDR permitirán implementar la tecnología conocida como radio cognitiva o CR (de “Cognitive Radio”), mediante la cual se podrá hacer un uso más eficiente del espectro electromagnético, modificando de una forma dinámica los parámetros de la señal transmitida, incluída la banda de frecuencias, en función de la información sensada del entorno – tecnología conocida como “spectrum-sensing” (o sensado del espectro).

Sin embargo, la situación de los “smart phones” que se comercializan actualmente, dista mucho – tanto en concepto como en su implementación física – del mencionado paradigma SDR/CR. Para poder llevarlo a cabo, se necesitaría realizar un procesado y acondicionamiento previo de las señales de Radio Frecuencia (RF) que se reciben en la antena de los dispositivos móviles. Como estas señales son analógicas, deben ser procesadas por un procesador analógico o ASP (de “Analog Signal Processor”), para luego poder digitalizarlas con un convertidor analógico-digital o ADC (de “Analog-to-Digital Converter”) y finalmente realizar todo el tratamiento de la señal en un procesador digital o DSP (de “Digital Signal Processor”).

Todos estos subsistemas deberían a su vez estar dotados de una alta capacidad de programabilidad y reconfigurabilidad, gracias al control digital – mediante software – de cada uno de sus componentes, como se ilustra conceptualmente en la Fig. 1.

La implementación eficiente – tanto en términos energéticos como de coste – de un sistema como el mostrado en la Fig. 1 supone un gran reto, dada la dificultad que encierra diseñar los bloques ASP y ADC con la precisión requerida y utilizando tecnologías integradas a escalas nanométricas, las cuales son generalmente más apropiadas para implementar microprocesadores digitales rápidos que circuitos analógicos precisos.

El camino hacia la realización real de terminales móviles SDR/CR requiere por tanto un esfuerzo significativo en I+D+I, como el que se está llevando a cabo en el Instituto de Microelectrónica de Sevilla, IMSE-CNM (CSIC / Universidad de Sevilla), y más específicamente por el grupo de investigación de Ingeniería de Circuitos y Sistemas Micro/Nanométricos. Entre otras muchas ventajas con respecto a los terminales actuales, los futuros teléfonos móviles basados en la tecnología SDR/CR permitirán hacer un uso mucho más eficiente del espectro electromagnético, evitando así problemas de congestión y de solapamiento de bandas de frecuencias, como el recientemente ocurrido con algunas emisoras de TDT y el dividendo digital

En el último fin de semana del pasado mes de octubre, la mayoría de las emisoras de televisión digital comenzaron a dejar de emitir en sus canales o frecuencias habituales. Por ese motivo, los distintos medios de comunicación –y muy especialmente las emisoras de televisión– se encargaron de “bombardearnos” con continuos avisos para que sintonizáramos de nuevo nuestros televisores, con el fin de poder volver a ver nuestros canales favoritos, dando cumplimiento así a un mandato de la Comisión Europea que han venido en llamar “liberación del dividendo digital”. Con esta expresión con tintes mercantiles, han querido expresar el proceso por el cual, algunas emisoras de televisión deben dejar su “sitio” o frecuencia de emisión a la cuarta generación (4G) de telefonía móvil.

A la vista de esta noticia, muchas personas se estarán preguntando qué tendrá que ver su teléfono móvil con que no pueda ver su programa de televisión habitual si no ha sintonizado de nuevo su televisor. Para poder responder a esta pregunta, debemos comprender el concepto de espectro electromagnético, el cual trataremos de explicar en este artículo de una forma simple.

Todos los sistemas de comunicaciones que transmiten la información de forma inalámbrica, es decir, sin cables, lo hacen a través de señales eléctricas que se propagan en forma de ondas electromagnéticas. Estas ondas pueden descomponerse a su vez en un conjunto de ondas más pequeñas, que repiten la información contenida en ellas de una forma cíclica o periódica. La longitud de esos ciclos de onda que se repiten de forma periódica se le denomina longitud de onda, y a su magnitud inversa, frecuencia de la onda, la cual se mide en ciclos por segundos o hercios (y se representa por Hz) en honor al físico alemán Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), quien descubrió la propagación de las ondas electromagnéticas.

Las ondas electromagneticas se suelen agrupar en lo que se conoce como bandas de frecuencia, que en el caso de la mayoría de los sistemas electrónicos de consumo, se encuentran dentro del rango de las denominadas bandas de RadioFrecuencias o RF. El uso u ocupación de dichas bandas está sujeto a una serie de normativas y estándares de funcionamiento de cada sistema o aplicación, y/o a la legislación vigente en cada país o región, donde dependiendo de cada caso, pueden licenciar el uso de unas bandas u otras para fines diferentes. Así, por ejemplo, en España, las emisoras de radio de Frecuencia Modulada (FM) transmiten dentro de una banda comprendida entre 87.5 millones de hercios (o MHz) y 108MHz y las emisoras de Televisión Digital Terrestre (TDT) lo hacen entre 470MHz y 862MHz.

La modificación de las licencias de uso de las bandas radioeléctricas

Los teléfonos móviles de última gama, que se basan en su mayoría en la denominada cuarta generación (4G) de comunicaciones celulares, utilizan un estándar o modo de comunicación denominado LTE (de “Long-Term Evolution” o evolución a largo plazo), el cual emplea distintas bandas de frecuencia dependiendo de la zona del planeta en que se encuentren los usuarios. En Europa, por ejemplo, el estándar LTE incluye –entre otras– la banda de 800MHz. Y es aquí donde nos hemos topado con el problema objeto de este artículo. La parte del espectro electromagnético ocupado por algunas emisoras de TDT, y más concretamente los canales que emiten en frecuencias comprendidas entre 790MHz y 862MHz, se solapan con los sistemas móviles 4G que funcionan con el estándar LTE, no pudiendo ambos sistemas (TDT y 4G) ocupar dichas frecuencias simultáneamente, ya que esto ocasionaría problemas severos de pérdida y distorsión en la transmisión de las señales correspondientes.

Todo ello ha llevado a las autoridades competentes (Comisión Europea y Ministerio de Industria, Energía y Turismo en nuestro caso) a tener que modificar las licencias de uso de las bandas radioeléctricas que se habían otorgado a determinadas emisoras de TDT, de forma que queden libres para que puedan ser utilizadas únicamente por la telefonía móvil 4G/LTE, como se ilustra en la Fig. 1. En cualquier caso, la solución adoptada no deja de ser un reajuste (valga la redundancia), para “despejar” la ya congestionada zona del espectro electromagnético en el que se encuentran la inmensa mayoría de los sistemas de comunicación modernos.

En este escenario problemático y con el fin de que no vuelvan a producirse problemas de esta naturaleza en el futuro, ya se está trabajando en nuevas generaciones de teléfonos móviles que funcionarán en un rango de frecuencias muy superiores a las actuales, ocupando bandas del espectro electromagnético que van desde los 10GHz hasta los 100GHz. Estas bandas de frecuencia se corresponden con longitudes de onda del orden del milímetro, por lo que también se les conoce por sus siglas en inglés “mm-waves” u ondas milimétricas. Estas ondas milimétricas permitirán disponer de anchos de banda muy superiores (en varios ordenes de magnitud) a los actuales, incrementando así tanto la velocidad de la transmisión de datos –hasta varios Gigabits/s (Gb/s)– como la cantidad de servicios y contenidos multimedia que pueden ofrecerse desde un terminal móvil.

Sin embargo, para poder hacer realidad todas estas aplicaciones y servicios, se necesitan desarrollar nuevas técnicas y tecnologías para diseñar chips analógicos que sean capaces de procesar las mencionadas ondas milimétricas (de naturaleza analógica), sin encarecer el producto final ni perjudicar sensiblemente el consumo de batería. Todo ello requiere invertir un gran esfuerzo de investigación y desarrollo que servirá en un futuro que evitará problemas y molestias a los usuarios, como las experimentadas recientemente con la resintonización de un gran número de canales de la televisión digital del que hablábamos al comienzo de este artículo.