Radio 4G: qué es, tecnología y usos

El incremento de las conexiones móviles en el mundo es cada vez mayor. A ello se suma que la penetración del número de smartphones es muy elevada -sobre todo en España-, y cada vez más personas realizan a través de este terminal tareas como consultar el correo, navegar por Internet, leer un libro, jugar en línea o ver vídeos.

Para que esto sea posible se necesita una red que lo permita sin interferencias y con calidad suficiente para que la experiencia de uso sea óptima en cualquier entorno. A día de hoy es la tecnología 4G la que lleva la voz cantante, aunque 5G le viene pisando los talones…

En este artículo analizamos qué se entiende por esta tecnología, sus componentes, características, ventajas y previsiones de futuro.

¿Qué es la tecnología de radio 4G?

La tecnología de radio 4G, también conocida como LTE (Long Term Evolution) -que, aunque no es técnicamente lo mismo, la evolución de este estándar se ha producido en esta generación de redes móviles-, es un protocolo de comunicación inalámbrica que trabaja en bandas no libres. Eso quiere decir que su uso implica el pago de la misma mediante un contrato con la operadora de telecomunicaciones.

Al ser una tecnología de radio, las conexiones se hacen por aire. Y las siglas 4G hacen referencia a Cuarta Generación ya que estas redes móviles han ido evolucionando desde 1979 cuando con 1G se iniciaron las llamadas de voz móvil.

Evolución de las redes móviles: de 3G a 4G

Tras la incorporación de los servicios de telefonía con 2G, allá por los años 90, generación que empleaba tecnología digital para la transmisión inalámbrica (GSM o sistema global para comunicación móvil), que además de voz admitía datos a través de los, por aquél entonces, populares SMS y MMS y que estrenó el roaming internacional permitiendo al usuario ir de un lugar a otro y seguir conectado; llegó la 3G o Universal Mobile Telecomunication System (UMTS).

Corría ya el año 2001 y su objetivo era el de brindar una mayor y alta capacidad de transmisión de voz y datos, así como dar soporte a diversas aplicaciones. De hecho, su verdadera innovación fue la incorporación de servicios de Internet de alta velocidad sentando las bases para los ecosistemas de aplicaciones y las videollamadas. Empezaba a toquetear con la TV móvil, la radio online y los correos electrónicos en los teléfonos. Para ello los datos se enviaban a través de la tecnología Packet Switching y las llamadas de voz se traducía mediante conmutación de circuitos. Las velocidades se movían entre 1 y 4 Megabit por segundo (Mbps)

Pero antes de dar el salto a 4G, hubo un 3.5G (denominado también 3G+) y un 3.75G o H+, a medio camino que ofrecía mejores velocidades gracias a innovaciones como HSDPA (Acceso a paquetes de enlace descendente de alta velocidad) y HSUPA (Acceso a paquetes de enlace ascendente de alta velocidad).

Fue 4G, sin embargo, la ha que hizo realidad las llamadas por Internet gracias a que la red móvil admitía una mayor tasa de datos y servicios multimedia. Esta generación – que comenzó su andadura por 2010, aunque ya la UIT-R había especificado los estándares para estos estos sistemas y que daba un brinco gigante hasta los 300 megas-, está basada totalmente en IP (Internet Protocol). De esta época son los avances como el sistema LTE (Long Term Evolution), que hace posible la transmisión simultánea de voz y datos, y WiMAX móvil.

Esta generación fue realmente disruptiva con propuestas como VoLTE (Voice over LTE) o VoWi-Fi (voz sobre Wi-Fi).

Características y beneficios de la tecnología de radio 4G

Por lo general, cada nueva generación añade mejoras respecto a la anterior. No obstante, 4G puede presumir de una serie de características específicas que han supuesto una serie de beneficios en el mundo de las comunicaciones inalámbricas.

Características de la tecnología de radio 4G

Según las especificaciones marcadas por la asociación de telecomunicaciones 3GPP, algunas de las características más relevantes de LTE (4G) son las siguientes:

• Velocidad de transmisión: en el enlace ascendente se pueden obtener hasta 100Mbps y 50Mbps en el enlace descendente para un ancho de banda de 20Mhz.
• Cobertura: el área de las celdas puede ir de 5Km hasta 100Km con una degradación después de los 30Km.
• Movilidad: soporta movilidad de hasta 500Km/h pero presenta mejores características para velocidades menores, de 0Km/h a 15Km/h.
• Latencia: menor a 50ms, lo cual proporciona una ventaja directa en el servicio para los entornos de aplicaciones tridimensionales y de gran interacción, como software de jugadores múltiples y comunicaciones multimedia.
• Capacidad del plano de control: mayor a 200 usuarios por celda para un ancho de banda de 5MHz.
• Eficiencia espectral: de 3 a 4 veces la de HSDPA en el enlace descendente y de 2 a 3 veces en el enlace ascendente.

Beneficios de la tecnología de radio 4G

Así, respecto a la generación anterior (3G), podemos decir que la tecnología 4G aumenta la velocidad y reduce los tiempos. No en vano, estos sistemas se diseñaron para mejorar la velocidad de descarga, alcanzando hasta 300 Mbps. Asimismo, permite una visualización de contenido por streaming con muchos menos cortes que la tecnología de tercera generación.

LTE tiene un algoritmo que puede enviar grandes cantidades de datos vía IP. Este enfoque agiliza el tráfico y reduce la latencia

A grandes rasgos podríamos resumir en cuatro las principales ventajas de 4G LTE:

1. La conectividad LTE está disponible casi universalmente en todo el mundo, tanto para aplicaciones de consumo como comerciales e industriales.
2. LTE proporciona una continuidad de la red a largo plazo, ya que las redes más antiguas, como la 2G y la 3G, están desapareciendo.
3. En las regiones en las que 5G no estará disponible durante algún tiempo, la tecnología 4G LTE, 4G LTE Advanced y 4G LTE Advanced Pro soportará las necesidades de migración desde el 2G/3G durante los próximos años.
4. LTE ofrece mayores velocidades, así como importantes ventajas para las aplicaciones de bajo consumo y los dispositivos más sencillos y de bajo coste, proporcionando una base tecnológica única para una gran variedad de casos de uso.

Arquitectura de la red 4G y sus componentes clave

La arquitectura LTE se compone de un equipo de usuario (User Equipment, UE) y de una infraestructura de red que se divide en una red troncal (Core Network, CN) y una de red de acceso (Access Network, AN).

• Equipo de usuario: Es el equipo que permite al usuario conectar a la red LTE. Contiene dos elementos básicos: un módulo de suscripción de usuario (SIN/USIM) y el terminal móvil (teléfono, tablet).
• Red de Acceso: E-UTRAN es la interfaz aérea de ruta de actualización de 3GPP-LTE para redes móviles, en otras palabras, la red de acceso específica para LTE. Esta es la interfaz que comunica los equipos de usuario y la red trocal EPC. Todas las funciones y protocolos que se necesitan para realizar el envío de datos y controlar la interfaz se implementan en la entidad de Red eNB (Nodo B Evolucionado). Un eNB se comunica con el resto de elementos del sistema mediante tres interfaces: E-UTRAN Uu, S1 y X2.
• Red Troncal: En la interfaz EPC o Red Troncal de Paquetes Evolucionada se encuentra:

MME (Mobility Mnagenment Entity): Contiene datos del suscriptor a través de la información almacenada en el HSS (Home Subscriber Server). El MME autentifica, autoriza y selecciona el PDN (Packet Data Networks) apropiado para establecer el enlace entre E-UTRAN a las redes o ejercicios externos.

S-GW (Serving Gateway): Puente del plano del usuario entre E-UTRAN y la troncal EPC. El S-GW también es un punto de monitoreo de las políticas de conexión y servicio en el PCRF (Policy and Charging Rules Funtion)

Estándares y tecnologías utilizadas en las redes 4G

La 4G está basada completamente en el protocolo IP, siendo un sistema y una red, que se alcanza gracias a la convergencia entre las redes de cable e inalámbrica. Las avanzadas características de la interfaz de radio en LTE resuelven varios inconvenientes que históricamente han disminuido la capacidad de las redes móviles, incluyendo las interferencias de multitrayecto y multiusuario.

Para ello LTE utiliza OFDMA (“Orthogonal Frequency Division Multiple Access”) y configuraciones de antenas MIMO (“Multiple Input Multiple Output”) en el enlace descendente lo cual elimina eficazmente las interferencias intracelulares de multiusuario y disminuye la interferencia intercelular de multiusuario, optimizando el funcionamiento.

Por otro lado, la transmisión de enlace ascendente utiliza una variante de FDMA denominada SC-FDMA que permite al dispositivo móvil transmitir señales de baja potencia sin necesidad de usar costosos amplificadores de potencia.

Velocidad y rendimiento en las redes de radio 4G

Como hemos comentado, el aumento de velocidad respecto a las redes 3G es una de las grandes ventajas de 4G. Pero, ¿cuál es la velocidad real que admite esta arquitectura? En la práctica, la velocidad real en 4G depende de múltiples factores (dispositivos conectados, conexión Wi-Fi o cable, tareas en segundo plano…), y suele oscilar entre 20 y 40 Mbps de bajada y entre 10 y 20 Mbps de subida. 4G+ es la evolución de 4G que permite alcanzar mayores velocidades de transferencia de datos.

Así, dada la evolución de esta tecnología, podemos decir que la velocidad máxima de bajada se sitúa en los 150 Mbps y la velocidad máxima de subida en 86 Mbps.

No obstante, gracias al estándar LTE que acompaña a esta cuarta generación de redes móviles, se aumentan considerablemente las velocidades de descarga hasta los 300 Mbps, haciendo posible disfrutar de un contenido en HD sin cortes, realizar videollamadas sin interrupciones, etc. Mejoras, pues en rendimiento.

Mejoras en la latencia y calidad de servicio de la tecnología 4G

Otro aspecto destacado de la tecnología 4G son las mejoras en latencia y calidad de servicio que proporciona.

Recordemos que la latencia es el parámetro que mide el tiempo que tarda la información en ir desde el terminal de usuario hasta su destino (por ejemplo, el tiempo desde que se pide el acceso a una página web hasta que la misma es descargada en el terminal). Se puede medir de forma unidireccional (solo ida o vuelta) o bidireccional (ida y vuelta, comúnmente denominado round-trip time) y se hace en milisegundos.

En el caso de 4G LTE se consigue una disminución significativa en el tiempo que tarda la información en atravesar la red a valores que están por debajo de los 20 milisegundos en el mejor de los casos, aunque la media es de 50 milisegundos. Estos valores, pese a que no representen un cambio significativo para los usuarios, si se nota en la descarga de archivos muy pesados.

De esta manera, la optimización en cuanto a la velocidad, el rendimiento y la latencia que aporta la tecnología móvil de cuarta generación repercute de manera directa en la calidad de servicio en la prestación de servicios de voz, vídeo y datos. Se puede compartir archivos multimedia, fue el origen de las llamadas por Internet y ha mejorado las comunicaciones librándolas de interferencias, además de hacer posible el consumo de contenido en streaming y los juegos en línea.

Aplicaciones y casos de uso de la radio 4G

Aunque ya hay en marcha varias generaciones posteriores a 4G -como 5G, 6G e, incluso, 7G-, lo cierto es que las redes LTE se extienden mayoritariamente por todo el planeta y su aplicación no se ciñe exclusivamente al sector consumo. Es decir, son más que una red que aporta velocidad para descarga de contenidos o subida de datos a redes sociales.

Las redes LTE privadas están ganando popularidad en las empresas

Esta tecnología puede ser usada en cualquier segmento que se precise alto consumo de datos y movilidad como la telemedicina o la teleducación. Pero hay un caso de uso que está ganando popularidad en el ámbito empresarial y es la construcción de redes LTE privadas. Una propuesta que ofrece seguridad y fiabilidad en las comunicaciones que la hacen idónea en segmentos como sanidad, fabricación, agricultura, educación, smar cities, retail, logística e industria.

Una red LTE privada utiliza pequeñas celdas o small cells (nodos de acceso de radio celular de baja potencia). El sistema de red inalámbrica es similar a los puntos de acceso Wi-Fi, para crear una red inalámbrica privada que puede cubrir decenas de miles de metros cuadrados, una versión a menor escala de una red móvil pública.

Despliegue y cobertura de las redes de radio 4G

A escala global hay más de 700 redes 4G LTE funcionando. En cuanto a despliegues comerciales de estas conexiones, Europa lleva la voz cantante con 165, seguida de África con 162, Asia con 141, Latinoamérica con 129, Oriente Medio con 51, Oceanía con 40 y Estados Unidos y Canadá con 17.

Sin embargo, existen muchas zonas del mundo, y de España en particular, donde la cobertura de datos móviles es muy deficiente. Por esta razón es importante consultar el mapa de cobertura de cada operadora, emplear plataformas externas que facilitan esta información o recurrir a los datos del Ministerio acerca de la posición de las antenas porque al ser una tecnología radio las señales se transmiten por aire y precisan de estos equipos para ofrecer conexión.

Sea como fuera, actualmente la red 4G es la más empleada en nuestro país y cubre las principales ciudades. Otro cantar son los pueblos o polígonos industriales separados de las urbes cuyas dificultades de conexión son acuciantes.

Perspectivas futuras: La evolución hacia las redes 5G

Aunque 4G continúa dominando el entorno de la banda ancha móvil, la quinta generación de redes celulares se va abriendo paso con más de 280 redes comerciales ya desplegadas en el mundo. Para 2026 se estima que habrá 4.800 millones de conexiones. Fueron los operadores móviles en China, Corea del Sur y Estados Unidos quienes comenzaron a implementar 5G en 2019.

Desde entonces, la velocidad de adopción de esta tecnología está siendo espectacular, la más rápida en comparación con las anteriores. Las conexiones a este tipo de infraestructuras se han ido duplicando cada año desde su introducción comercial a finales de 2018. De hecho, en Europa la adopción y expansión de 5G mantiene un ritmo de crecimiento interanual del 48% entre 2023 y 2027, por encima de la media global que se sitúa en el 37%. España se sitúa entre los países líderes de estas redes.

Los consumidores están siendo los grandes impulsores de este progreso, con el entretenimiento y los juegos como las dos grandes oportunidades de negocio que esta quinta generación ofrecerá a los operadores de telecomunicaciones. Pero 5G se ha ideado como una alternativa para los negocios con el desarrollo de aplicaciones empresariales nuevas y ahí es donde veremos su verdadera eclosión. Vehículo conectado, ciudades y hogares inteligentes, telemedicina, etc.

4G y 5G van a convivir durante muchos años como generaciones complementarias

En comparación con 4G, las redes móviles 5G admiten una tasa de datos de hasta 10 Gbps (de 10 a 100 veces mejor que 4G y 4.5G); la latencia es de 1 milisegundo; banda ancha 1.000 veces más rápida por unidad de área; hasta 100 dispositivos más conectados por unidad de área (respecto a 4G LTE); disponibilidad del 99,999%; y reducción del 90% en el consumo de energía de la red, entre otras ventajas.

Convivencia 4G y 5G

Pese a que la quinta generación va ganando terreno a buen ritmo, 4G y 5G van a convivir durante muchos años como generaciones complementarias: 4G como motor de la inclusión digital y 5G, al menos en sus primeros años, como un acelerador de los servicios de alta velocidad y las aplicaciones industriales, dedicadas a las empresas y al sector público. La arquitectura de red 5G permite aprovechar la inversión y plataformas ya disponibles para 4G, facilitando un desarrollo más rápido y eficiente.

Y es que, desde un punto de vista estrictamente tecnológico, existen dos opciones para desarrollar redes 5G: Non-Stand Alone (NSA) y Stand Alone (SA):

• 5G NSA utiliza una nueva tecnología de acceso de radio (5G New Radio o NR) junto con el núcleo de red 4G existente. Es considerada la primera etapa de 5G.
• 5G SA también utiliza la tecnología de acceso 5G NR, pero en conjunto con un también nuevo núcleo de red 5G. Es decir, se trata de una nueva red en sí misma independiente de la 4G: una red Stand Alone.

Ambos enfoques son vías aceptables para construir una red 5G. Sin embargo, muchas de las nuevas características más avanzadas y casos de uso innovadores de 5G requerirán redes 5G SA.

Sea como fuere, a la par, la industria ya ha iniciado sus pesquisas sobre 6G que se estima verá sus primeros despliegues comerciales en 2030.