Frequently Asked Questions - ¿Qué es el espectro electromagnético?

No existe una definición simple de espectro. Desde el punto de vista técnico, el espectro es el rango de ondas electromagnéticas que pueden utilizarse para transmitir información. Desde el punto de vista práctico, sin embargo, la gestión eficaz del espectro comprende no sólo las ondas electromagnéticas sino la tecnología utilizada para transmitir esas ondas, así como los aspectos económicos y políticos de lo que ahora es un valioso recurso nacional.

Nuestra comprensión del espectro ha cambiado mucho desde que Marconi cruzó el Atlántico por primera vez con su “mensaje de telegrafía sin hilos”. En 1902, utilizó todo el espectro disponible en ese momento para enviar unos pocos bits por segundo a través de miles de kilómetros cuadrados.

El transmisor de chispa utilizado para el telégrafo de Marconi ocupaba todas las frecuencias electromagnéticas a disposición de los receptores existentes. Como resultado, nadie podía usar la radio para comunicarse en 3.500 km a la redonda de la estación transmisora en Inglaterra.

Si otras personas querían enviar mensajes en esa zona debían coordinar sus transmisiones en diferentes “intervalos de tiempo” para poder compartir el medio. Esta técnica se conoce como Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA por su sigla en inglés).

Las personas que se encontraban a más de 3.500 km del transmisor de Marconi podían utilizar el espectro porque la potencia de las ondas de radio disminuye a medida que nos alejamos del transmisor. La reutilización del espectro en diferentes áreas geográficas se denomina Acceso Múltiple por División de Espacio (SDMA en inglés).

Más adelante, Marconi logró construir un transmisor que podía restringir las emisiones a sólo un rango de frecuencias y un receptor que podía “sintonizar” una determinada gama de frecuencias. Esto permitió que muchas personas pudieran transmitir en la misma zona (espacio) y al mismo tiempo. Este proceso de asignación de frecuencias diferentes a diversos usuarios se conoce como Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA en inglés). Con FDMA, la radio se convirtió en un medio de comunicación práctico y la única tecnología capaz de llegar a los buques en alta mar.

Se crearon organismos nacionales para coordinar la asignación de frecuencias a los diferentes usuarios. Sin embargo, dado que las fronteras nacionales no detienen las ondas de radio, también fue necesario elaborar acuerdos internacionales. La organización internacional que se había creado para regular la transmisión de telegramas entre distintos países recibió el encargo de asignar el uso del espectro electromagnético. Hoy en día, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) es la agencia más antigua de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) y hace recomendaciones para el uso de frecuencias a sus 193 estados miembros.

El uso del espectro para aplicaciones militares planteó nuevos problemas. Jamming se refiere a la interferencia intencional del espectro para impedir las comunicaciones. Para hacer más difícil esa interferencia intencional se desarrolló una nueva técnica mediante la cual la información a transmitir se combinaba con un código matemático especial. Sólo los receptores que conocían ese código particular podían interpretar la información. La señal codificada se transmitía a baja potencia pero utilizando un intervalo muy amplio de frecuencias. Esta técnica se adaptó luego a aplicaciones civiles y se llama Acceso Múltiple por División de Código (CDMA en inglés). Actualmente, CDMA es de uso extenso en los sistemas de comunicaciones modernos.

En resumen, el espectro se puede compartir entre muchas personas mediante la asignación de franjas horarias, diferentes intervalos de frecuencias, diferentes regiones del espacio, o códigos diferentes. Los últimos sistemas celulares utilizan una combinación de estos métodos.

Figura 1: Distribución celular de espectroFigura 1: Distribución celular de espectro

Además de las cuestiones relativas a la defensa de la soberanía nacional, existen intereses económicos y políticos muy fuertes que desempeñan un papel determinante en la gestión del espectro, en gran parte debido al rápido aumento de su valor económico. Las estrategias de gestión del espectro también deben actualizarse constantemente para estar en sintonía con los avances en el campo de las tecnologías de la comunicación.

Gracias al avance constante de las técnicas de modulación y codificación, la ingeniería en telecomunicaciones descubre formas cada vez más eficientes de transmitir información utilizando diversidad de tiempo, frecuencia y espacio. Su objetivo es aumentar la “eficiencia del espectro”, que se define como la cantidad de bits por segundo (bit/s) que puede transmitirse en cada Hertz (Hz) del espectro por kilómetro cuadrado de área.

Por ejemplo, los primeros intentos de prestación de servicios de telefonía móvil empleaban un transmisor potente situado en un lugar conveniente para dar cobertura a toda una ciudad. Este transmisor (llamado estación base, en este contexto) dividía la banda de frecuencias asignada en cierta cantidad de canales, digamos 30, de tal manera que se podían mantener sólo 30 conversaciones de forma simultánea en toda la ciudad. En consecuencia, el servicio era muy caro y sólo las personas muy ricas podían darse ese lujo.

Esta situación se mantuvo durante muchos años hasta que los avances en la tecnología electrónica permitieron la implementación de un plan para aprovechar la “diversidad del espacio”. En lugar de utilizar un único transmisor de gran alcance para cubrir toda la ciudad, el área de servicio se dividió en muchas “células”, cada una provista con un transmisor de baja potencia. Las células que están suficientemente separadas pueden utilizar los mismos canales sin interferencias. Esto se conoce como “reutilización de frecuencias”.

Con el plan celular, los primeros 10 canales usan la banda de frecuencia 1, los segundos 10 canales la banda de frecuencia 2 y los restantes 10 canales la banda de frecuencia 3. Esto se muestra en la figura 1, en donde los colores corresponden a las diferentes bandas de frecuencia. Vale la pena notar que los colores se repiten sólo a distancias suficientes como para evitar interferencias. Si dividimos la ciudad en 50 células, por ejemplo, podemos tener 10 × 50 = 500 usuarios/as simultáneos/as en la misma ciudad en lugar de 30. Por lo tanto, al agregar células más pequeñas (con una potencia de transmisión más baja) podemos aumentar el número de canales disponibles hasta llegar al límite que impone la interferencia.

El ejemplo anterior muestra que el uso inteligente de los recursos existentes puede aumentar drásticamente la eficiencia.

Figura 2: Un vehículo especial para el monitoreo del espectro radioeléctrico en Montevideo, UruguayFigura 2: Un vehículo especial para el monitoreo del espectro radioeléctrico en Montevideo, Uruguay

Aunque el uso principal del espectro es a los efectos de la comunicación, existen también otros usos como la cocción de alimentos en hornos de microondas, ciertas aplicaciones médicas, los abridores remotos de puertas de garaje, etc. Algunas bandas de frecuencia se asignan a estos fines en lo que se conoce como las bandas industriales, científicas y médicas (ICM). Este uso del espectro suele emplearse para aplicaciones de corta distancia.

En 1985 se produjo un gran avance cuando la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC en inglés), el organismo que supervisa el espectro en Estados Unidos, permitió el uso de este espectro para aplicaciones de comunicaciones, siempre que la potencia de transmisión se mantuviera en un nivel muy bajo para minimizar las interferencias. Las personas pudieron entonces usar libremente estas bandas “sin licencia” sin necesidad de solicitarla, siempre que los equipos utilizados estuvieran certificados por un laboratorio autorizado que garantizara el cumplimiento de las medidas de mitigación de interferencia. Es un error pensar que un espectro sin licencia equivale a libertad completa para todos, que no está regulado. Es precisamente la regulación técnica detallada de los dispositivos sin licencia lo que hace posible su coexistencia. Probablemente el factor más importante a este respecto es el hecho de que los dispositivos sin licencia están regulados para tener potencias de salida relativamente bajas para limitar su capacidad de interferir unos con otros.

Al habilitarse las bandas ICM sin licencia para la comunicación de datos, varios fabricantes aprovecharon la oportunidad para ofrecer equipos de computación que podían comunicarse entre sí sin necesidad de cables. Se construyeron redes inalámbricas para transmisión de datos que cubrían importantes áreas geográficas.

No obstante, el punto de inflexión llegó en 1997 cuando el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE en inglés) aprobó el estándar 802.11, la base de lo que ahora se conoce como WiFi.

La existencia de una norma que garantizaba la interoperabilidad de los equipos producidos por diferentes fabricantes propició un impresionante crecimiento del mercado que, a su vez, impulsó la competencia y condujo a una drástica disminución del costo de los equipos. En particular, la porción de la banda ICM entre 2400 y 2483 MHz hoy en día está disponible en la mayor parte del mundo sin necesidad de licencia y la utilizan ampliamente las computadoras portátiles, las tabletas, los teléfonos inteligentes e incluso las cámaras fotográficas.

El espectro sin licencia tuvo un papel destacado en el enorme éxito del acceso WiFi a internet de alta velocidad. Aeropuertos, hoteles y cafés de todo el mundo ofrecen acceso WiFi a internet en sus locales; se han construido redes comunitarias inalámbricas de bajo costo que cubren importantes áreas geográficas tanto en zonas rurales como en ciudades – todo gracias a la disponibilidad del espectro sin licencia.

Al principio, los operadores de telefonía móvil, que tienen que pagar un alto precio por las licencias de espectro, eran muy hostiles a esta aparente competencia desleal. Sin embargo, al dispararse la transmisión de datos gracias al crecimiento de la industria de telefonía inteligente, pronto se dieron cuenta de que la descarga de tráfico hacia WiFi jugaba a su favor ya que aliviaba el tráfico en su red de distribución (conocida como backhaul o red de retorno). Actualmente los operadores de telefonía móvil alientan a sus clientes a utilizar WiFi allí donde esté disponible y a utilizar el servicio – más caro – de telefonía celular sólo cuando se encuentren fuera del alcance de cualquier punto de acceso WiFi.

Esto demuestra el valor del espectro sin licencia, incluso para los operadores de telecomunicaciones tradicionales, que a menudo han hecho presión en su contra.

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