Autor: José Manuel Huidobro, Ingeniero de Telecomunicación
La forma tradicional de construir una red de telefonía móvil celular es mediante la agregación de células grandes (macroceldas), lo que permite una buena cobertura de un área en particular y, conforme va aumentando el tráfico o el número de usuarios, se procede a una subdivisión celular, para así disponer de mayor capacidad, pero a costa de disminuir el área de cobertura de cada antena y, consecuentemente, aumentar el número de estaciones base necesarias.
Para el año 2014 se estima que el tráfico de datos móvil mensual superará a todo el que se produjo en el año 2008 y, por tanto, se requerirán nuevas tecnologías y topologías de red para hacer frente al mismo de una manera eficiente, sin degradar la calidad del servicio. Una solución a parte del problema pasa por las redes heterogéneas (HetNets), de las que las small cells son un elemento fundamental.
Crecimiento exponencial del tráfico
Al implementar una red de datos de banda ancha móvil es necesario tener en cuenta la capacidad de red, así como una cobertura rentable, consiguiendo un compromiso entre servicio y coste. Muy consciente de los problemas asociados con el actual crecimiento de usuarios y a la plétora de nuevas aplicaciones asociadas a los teléfonos inteligentes o smartphones y tablets, que se manifiesta en un crecimiento exponencial en el tráfico de datos, los operadores de redes móviles están elaborando estrategias para soluciones a corto y largo plazo para aliviar la carga de datos en sus redes, ya que de no hacerlo estas se verían saturadas y la calidad de servicio (QoS) se degradaría de tal forma que los usuarios se resentirían.
La solución tradicional para hacer frente a esta situación pasa por aumentar el número de celdas que dan servicio a un área determinada (proceso denominado subdivisión celular), pero, desafortunadamente, se han dado cuenta que tener más celdas dentro de una zona determinada se traduce en un rendimiento decreciente debido a la interferencia de las estaciones de radio, además de que es difícil y costoso construir más torres, y se requieren nuevos emplazamientos (sites), no siempre fáciles de conseguir. Por tanto, añadir más estaciones base no siempre es la respuesta en ciertas áreas urbanas, en las que la saturación ha alcanzado un grado tal que la separación entre ellas es menor de 100 metros, pues las interferencias son muy grandes y siguen quedando espacios sin cubrir. En estos casos la solución pasa por la denominadas small cells.
La solución pasa por las small cells
Las soluciones para hacer frente a una mayor demanda de las redes móviles, al aumentar el tráfico, pueden enfocarse en tres áreas diferentes: mayor disponibilidad de espectro, nuevas tecnologías que sean más eficientes para la transmisión, y nuevas topologías de red que proporcionen una mayor densidad de usuarios en una determinada zona y, si bien, pueden ser adoptadas de manera individual, lo común es que se aborden de forma conjunta para un mejor aprovechamiento, dependiendo de las circunstancias.
Así pues, las áreas de alto tráfico, como pueden ser zonas comerciales, estadios, estaciones, aeropuertos, zonas de ocio, etcétara, requieren flexibilidad de espacio para instalar nuevas antenas en más lugares, lo que no siempre sucede debido a las limitaciones urbanísticas, y sólo hay algunas áreas limitadas en las cuales poder instalar las nuevas estaciones base, en el caso de GSM, o nodosB en el caso de UMTS o LTE. La alternativa a las macroceldas para la ganancia de mayor capacidad es la instalación de una pequeña celda (small cell) para proporcionar la capacidad adicional necesaria en el lugar adecuado, que no requiere de una amplia concesión de permisos y gastos para adquirir e instalar, existiendo varias soluciones técnicas para ello.
Afortunadamente, una alternativa para descargar el tráfico de datos en áreas de alta densidad, de forma fiable, escalable y de bajo costo, y fácil de instalar, es mediante Wi-Fi. La instalación de puntos de acceso Wi-Fi en entornos densos es la solución más económica a corto plazo para el problema de capacidad al que se enfrentan los operadores de redes móviles y, de hecho, muchos de ellos ya están implementando este tipo de soluciones rentables con notable éxito. En Londres, con motivo de la celebración de los Juegos Olímpicos 2012, se han podido ver soluciones de este tipo, implementadas por varios der los operadores presentes en UK, entre ellos Telefónica O2, que combina 3G y 4G con Wi-Fi, en el mismo sitio, siendo lo habitual que estos elementos se sitúen sobre farolas, semáforos o las paredes de los edificios.
Wi-Fi no se descarta como la solución a largo plazo de las redes LTE para small cells y es previsible que las small cells Wi-Fi y LTE se complementen entre sí en el mismo lugar, para resolver los problemas de capacidad en entornos de alta densidad de tráfico, en combinación con la infraestructura de macroceldas. En comparación con las macroceldas, el despliegue de las small cells puede ser mucho más flexible y próximo a los puntos de acceso, facilitando la atención a altas demandas de tráfico en los denominados hot spots.
Los modernos estándares de datos inalámbricos: GPRS, EDGE, HSPA y LTE utilizan esquemas de modulación adaptativa, lo que significa que cuanto mejor sea la calidad de la señal, mayor será la velocidad de datos. Por lo tanto, una estación base es más eficiente cuando todos los usuarios de la celda están muy cerca, algo que es lógico, y que se manifiesta en un menor consumo de la batería de nuestro terminal. Además, los recursos de la celda son compartidos entre todos los usuarios de la misma, lo que significa que la experiencia del usuario (QoE) es mejor cuando hay un pequeño número de usuarios “enganchados” a ella.
Las small cells, pequeñas estaciones base celulares o células pequeñas, son puntos de acceso de radio de baja potencia que mejoran la cobertura de redes 3G y 4G, con el fin de aumentar la capacidad y el tráfico de red de retorno a un menor costo. Al emitir con menos potencia y, además, utilizar en algunos casos antenas inteligentes que permiten la conformación del haz (beamforming) se reducen las interferencias entre celdas próximas, a la vez que se aumenta la calidad de la señal transmitida/recibida, redundando en un menor consumo de las baterías.
Las redes heterogéneas
La solución de small cells, que puede consistir en femtoceldas (hogar), pico (empresas) y micro/metro celdas (urbano y rural), permite a los operadores móviles desplegar los dispositivos basados en IP utilizando la infraestructura IP existente, mientras que proporciona una evolución suave a IMS (IP Multimedia Subsystem). Hay muchos retos a los que se enfrentan los proveedores en relación con los problemas de capacidad 2G, 3G y 4G que las small cells pueden resolver. El intento de aumentar la capacidad de banda ancha inalámbrica y conseguir más cobertura se logra, conjuntamente mediante la utilización de small cells, espectro adicional, HSPA +, LTE y la descarga de tráfico hacia Wi-Fi (offload). Por lo tanto, con el fin de reducir el número de zonas de mala/baja cobertura y/o falta de capacidad, los operadores pueden desplegar un gran número de small cells, (típicamente entre 200 y 300 por cada celda macro) siendo ésta una de las posibles soluciones, tanto en el exterior (outdoor) –espacios públicos urbanos y zonas rurales– como en el interior (indoor) de edificios, y haciendo uso, bien de la estructura cableada de cobre o fibra óptica (ADSL. FTTH, FTTN) o de la propia inalámbrica, tanto para la conexión entre equipos (backhaul) como para la descarga de tráfico (offload).
Dada la esperada explosión del tráfico de datos, muchos operadores están considerando una estrategia complementaria, donde las small cells, como femtoceldas, microceldas y picoceldas, se añaden sobre las celdas macro, creando lo que la industria se denomina como una red heterogénea (HetNet) más compleja en términos de cobertura e interferencias, por lo que su planificación, gestión de canales radio y traspaso entre celdas (handover) resulta algo más complicada que en una red homogénea. Este enfoque puede, efectivamente, mejorar la eficiencia espectral mediante una operación en las bandas del espectro ya utilizadas por las células macro y, lo más importante, a través de técnicas efectivas de reducción de la interferencia y la coordinación entre las capas macro y small cells, la capacidad de la red puede ser mucho mejor. Así pues, Las redes heterogéneas constituyen un medio interesante para expandir la capacidad de la red móvil. Una HetNet, comúnmente, está formada por múltiples tecnologías de acceso de radio, arquitecturas superpuestas, soluciones de transmisión y estaciones base de diversas potencias de transmisión.
Este tipo de redes una estación base o nodoB se puede conectar a micro/pico/femtocells y unidades remotas de radio (remote radio heads) para disponer de una red sobrepuesta a la red macro. En el caso de LTE hacen uso de la tecnología SON (Self Organizing Network) para la optimización de los recursos –consecuentemente, con menores costes operacionales– que se requieren cuando se mezclan las macro estaciones base convencionales con small cells para mejorar la cobertura y prestaciones, tanto en interiores como en exteriores, facilitando al mismo tiempo la operación y mantenimiento de la red. Además, se mejoran las prestaciones/rendimiento en el borde de las celdas, con lo que con el despliegue de estas últimas los usuarios localizados en él dejarán de recibir un pobre servicio, como sucede ahora.
