Dispositivos móviles celulares: evolución de sus tecnologías

Abstract—Nowadays the mobile devices are gaining strength and have become an essential part of our daily life, due to its various functionalities allow various activities regardless of the place in which we find ourselves. In addition to giving us the opportunity to be communicated constantly. But for all this possible these devices has had to go through different generations which are improving over time. This paper aims to analyze the mobile generation by generation understanding their main features and functionality, in addition to the impact on society. The document will allow extensive information on the evolution of technology in mobile devices from its beginnings to the future scope to which it is intended to reach.

Index Terms—Dispositivos, tecnología, avance.

Introducción

Como ya es de conocimiento, en la actualidad contamos con un sin número de dispositivos móviles; cada uno

usa diversa tecnología y un sistema operativo para el desenvolvimiento diario de todo tipo de actividades, en cuanto se refiere a las comunicaciones inalámbricas. Según la WEARESOCIAL el 93% de la población en el mundo entero posee algún dispositivo móvil [1]. En la encuesta realizada en el año 2013, según Juan Carlos Mejía (Consultor y Speaker en Marketing Digital y Social Media) plantea la existencia de 4000 millones de dispositivos móviles. Dicha cifra a incrementada conforme aumenta la población mundial [1].

En América Latina con el transcurso del tiempo la utilización de dichos dispositivos se ha incrementado en un 61.5% según estudios realizados en el 2014 por el portal GuíaLocal.com [2]. Ecuador sorprendió dicha encuesta mostrando un gran incremento en el uso de los dispositivos móviles ubicándose en la 5ta posición a nivel de Latino América. [2] Los dispositivos móviles tuvieron sus inicios en la década de los 70 los cuales se transmitían como ondas de radio, y en ese entonces solo funcionaban las llamadas de voz, dichos dispositivos pueden definirse como tecnologías o implementos con diversas capacidades de procesamientos y multivariados ya que su función principal es la de mantener a la sociedad en contacto y aún más con la posibilidad de poseer una mayor fuente de información y, a su vez mantenerse actualizados [3].

La importancia del estudio de dichos dispositivos abarca principalmente en dos aspectos: La evolución de su sistema operativo y su tecnología móvil, ya que ambos aspectos evolucionan conjuntamente y, se debe analizar su impacto tanto social, económico y físico tanto a nivel mundial como local. En el avance de la tecnología de estos dispositivos móviles se debe tener en consideración los efectos de las radiaciones de ondas electromagnéticas de radio frecuencia, ya que genera varias alteraciones en la salud de los seres humanos debido a sus efectos de calefacción y pueden causar daño biológico a las células [4]. La mayoría de las personas han informado de que si utilizan teléfonos móviles durante largo tiempo presentan efectos colaterales como pérdida de audición, entre otros.

Análisis de dispositivos móviles

A lo largo del tiempo, la búsqueda de obtener mayor facilidad de información e implementación de nuevas aplicaciones para mejorar el desempeño de las personas, ha desembocado en el diseño de nuevas tecnologías y generaciones de dispositivos móviles, los cuales sean capaces de soportar e innovar la vida cotidiana de las personas.

• A. Comunicaciones Inalámbricas

Fig. 1. Serie de Comuncaciones Inalámbricas [Fuente: Depositphotos]

Las comunicaciones inalámbricas tienen su origen a partir de la gran aportación realizada por Hertz, Popov y Marcanoni por el siglo XX. [10]. En 1921 en Estados Unidos se instaló el primer sistema de telefonía llamado en ese entonces sistema de radio de telefonía móvil, dicho sistema operaba con un ancho de banda de 2MHz, con el pasar del tiempo se adquirieron mayores conocimientos científicos y tecnológicos lo que permitió que en el año 1982 tanto en Europa como en Estados Unidos sea posible la aparición de la primera generación de dispositivos móviles (1G). [1] [10] La aparición de estos sistemas fue un gran avance ya que superaron limitaciones y deficiencias presentes en la convencional radiotelefonía.[10] Existen tres principios fundamentales que permiten las nuevas características de los dispositivos móviles o celulares:

• Reuso de Frecuencia: El cual emplea el mismo espectro de frecuencia en territorios próximos.

• Subdivisión Celular: Permite al sistema adaptarse a los diferentes incrementos celulares.

• Transferencia de Llamada: Permite que los dispositivos móviles viajen por los diversos canales de radio de un sistema celular. Es factible sólo si se realizan las conexiones o convenios adecuados.

Los dispositivos móviles han tenido una gran acogida por las personas, que se a vuelto un sistema muy popular e importante tanto para negocios, trabajos u otras actividades particulares. [1].

Lo que conlleva a que el número de suscriptores haya incrementado de una manera incomparable en los últimos años.

Fig. 2. Incremento del número de Suscriptores [Fuente:Telecomunicaciones,mercados y tecnologías]

• B. Dispositivos y Tecnologías Móviles Celulares

Las tecnologías celulares fueron implementadas en las últimas décadas. Debido a la sobredemanda de celulares, por parte de sus usuarios, ya que éstas no se diseñaron para cargas altas, por lo tanto, su inestabilidad era común y se notaba claramente en las llamadas, en base a ello se empieza a reemplazar los sistemas analógicos por sistemas digitales, ya que por su gran eficiencia, es comprimida y requiere menos ancho de banda. Los sistemas digitales comenzaron a efectuarse en enero de 1989, el cual tenía simultáneamente la capacidad analógica; pero a pesar de esta digitalización, las redes empesaron nuevamente a presentar inconvenientes para el incremento de usuarios. El número de usuarios rondaba los 2 millones en 1988, y a más de 16 millones para 1993 (Pearson Education, Inc., 2009). Era necesaria una mejor tecnología para solucionar estos inconvenietes. [11].

En Europa, en la década de los 80, decidieron implementar un sistema digital debido a las dificultades de la radiotelefonía convencional, dicha implementación se convirtió en un estándar para la mayor parte del mundo. A principios del siglo XXI los celulares prestaban diversos servicios como descarga de tonos de llamada, envío de imágenes, mensajería de texto, juegos, correo electrónico, y hasta votaciones. Cabe recalcar, también los dispositivos han evolucionado en cuanto a sus características, los cuales han reducido de tamaño, implementación de cámaras en los equipos, considerada una de las mejoras más importantes desde su primer lanzamiento en el año 2000. [11]

Fig. 3. Evolución de la Radiotelefonía [Fuente:Keith(2004a), Farley(2005)]

Evolución de las tecnologías en los dispositivos móviles

Como se mencionó previamente los dispositivos móviles debieron generar modificaciones y adaptarse a las necesidades de las personas, tratando de tener una gran eficiencia y acogida por las mismas. En esta sección abarcaremos cada una de esas evoluciones en su tecnología dando a conocer algunas características y la forma en que operaba cada una de ellas. Además daremos a conocer las futuras tecnologías que se prevee alcanzar.

Fig. 4. Evolución de las Tecnologías Móviles [Fuente:Slider Player/Desarrollo de la Banda Ancha Móvil América Latina & Caribe]

• A. Primera Generación (1G)

La primera generación de redes móviles fue introducida en los años 1970. Dicho sistema se lo conocía como «cellular» en inglés. Dentro de estos, su señal estaba basada en sistemas de transmisión analógica de frecuencia modulada, lo cual le permitía prestar solo servicios de voz, apesar de que todo su sistema de control era digital. Esta generación utilizó circuitos conmutados para los enlaces entre los usuarios. La duración de su batería no tenía acogida ya que era demasiado corta, la calidad de los enlaces de voz muy baja, la transferencia de celdas demasiado imprecisa, tenía baja capacidad, su velocidad era de 1.9 kbps y no existía seguridad alguna. Pero apesar de todas estas falencias este servicio alcanzó cerca de los 20 millones de usuarios en 1990 incrementando el mercado entre un 30% y 50% anuálmente.

Estos equipos presentaron un gran inconveniente, debido a la explotación de muchos estándares, semejantes que contenían diminusculas diferencias las cuales las volvían imcompatibles, en otros palabras al viajar de una ciudad a otra si el sistema es diferente, impide la comunicación con el dispositivo. Dado esto se creó en 1982, en Europa el comité GSM (Group Special Mobile) el cual trataba de diseñar un estándar digital para toda la comunidad europea. [1][10][12] Dentro de esta generación los sistemas más importantes fueron:

• AMPS (American Advanced Mobile Phone Service) creado en América del Norte. Introducido en 1987, ayudo a impulsar la tecnología celular, pero presentó varios problemas graves para los estándares modernos.

• NMT (Nordic Mobile Telephone) para los países nórdicos. Introducidos en 1979.

• TACS (British Total Access Communication Systems) en Inglaterra. Introducido en 1983. El costo para realizar el dispostivo fue de 100 millones de dólares y le llevó casi una década para comercializarse.Tenía un tiempo de conversación de media hora y demoraba en cargarse 10 horas, a pesar de ello su demanda fue excelente.

• NAMTS (Nippon Advanced Mobile Telephone Systems) en Japón.Introducidos en el año 1981 en base a NMT.

Fig. 5. Primera Generación de Dispositivos Móviles [Fuente: wordpress.com/redes-celulares-analogicas-1g/]

• B. Segunda Generación (2G)

La segunda generación de sistemas para dispositivos móviles tuvo lugar alrededor del año 1990, la cual se presentó de una manera digitalizada por completo. También era conocido como sistema 2G o GSM(Global Systems for Mobile) el cual prestó sus servicios en primera instancia en Europa, para con el tiempo convertirse en el sistema estándar más ocupado en todo el mundo. Conjuntamente con ellos apareció el roaming que es la interconexión de las redes y la posibilidad que conectarse a las mismas desde un mismo terminal. GSM utiliza una banda de entre los 890-915 MHz para los enlaces ascendentes y un ancho de banda entre 935-960 MHz para los enlaces descendentes. [10][13] Los sistemas 2G soportaban velocidades de información más ligeras para voz, ofertaba servicios adicionales como: fax, mensajería de texto, correo electrónico, su batería poseía mucha mayor duración que la del sistema anterior , mayor seguridad y una gran definición en el sonido. Este sistema tambien se basó en la conmutación de circuitos y los esquemas de modulación fija, los cuales presentaban alta tolerancia al ruido pero baja eficiencia espectral. Su velocidad de transmisión se limitaba a 9.6kbps. [13] Una de las características principales del estándar GSM es el Módulo de Identidad del Suscriptor, conocida comúnmente como tarjeta SIM. La cual era una tarjeta inteligente que contiene la información del usuario, parámetros de red y Directorio telefónico. Esto permite al usuario mantener su información después de cambiar su teléfono. [14] Una de sus mayores problemáticas fue el fenómeno de multitrayectorias, donde la señal recibida es una mezcla de varias señales procedentes de diferentes trayectorias con igual información, pero diferentes características lo cual producia una degradación. [10][12]

Fig. 6. Fenómeno de Multitrayectorias [10]

Sus tecnologías predominantes fueron:

• GSM (Global System por Mobile Communications), utilizado principalmente en Europa.

• IS-136 (conocido también como TIA/EIA136 o ANSI136),utilizado en EEUU.

• CDMA (Code Division Multiple Access) y PDC (Personal Digital Communications), utilizado en Japón.

• C. Segunda Generación y Media (2.5G 2.75G)

Pero la demanda enorme de servicios de INTERNET, pusieron al sistema 2G a encontrar soluciones para una transmisión de datos más rápida, modificando sus redes sin que estas sean complejas o caras. Esta generación brindó características más extendidas, por motivo de la implementación de capacidades adicionales como:

• GPRS(General Packet Radio System): El cual es una tecnología basada en la distribución de datos, este incorporó servicios como: WAP(Wireless Application Protocol), SMS (Mensajes Cortos), MMS (Servicio Multimedia) e Intenet. Sus usuarios eran favorecidos por su alta velocidad y su menor tiempo de acceso, ofrecía una velocidad de transmisión entre los 40 a 50 kbps. La incorporación de GPRS permitió una conexión mas amplia de redes de informacion pública y privada. Además transmite datos encapsulados en paquetes cortos los cuales siguen rutas hasta llegar a su destino. [12][13]

• EDGE (Enhanced Data for Global Evolution): O también conocida como EGPRS , tecnología que actuaba como puente entre la segunda y tercera generación. Funcionaba

con cualquier red GSM. Aumentó la velocidad de transmisión hasta los 480 kbps, modificó su eficiencia espectral, facilitó nuevas aplicaciones y aumentó su capacidad móvil. Esta tecnología fue catalogada como 2.75G, la cual era una evolución de GPRS, sus estructuras eran similares sólo que EDGE implementó la actualización de software y EDGE TRU (Unidad Transceptora EDGE) el cual era su cambio más notorio ya que utilizó la modulación y decodificación. [13][14]

Fig. 7. Comparación entre dispositivos móviles 2G y 2.5G [Fuente: Blogspot/GeneracionesMoviles/Pablo Gomez Leal]

• D. Tercera Generación (3G)

La tercera generación comenzó a correr a partir de Octubre del 2001 en Tokio y en Japón. Se caracteriza por juntar las tecnologías anteriores con las nuevas tecnologías. Esta generación está basado en los UTMS (Universal Mobile Telecommunications System). Dicha tecnología se caracteriza por la convergencia de la voz y datos con acceso inalámbrico a Internet, las aplicaciones multimedias y su alta transmisión de datos. Sus protocolos fueron más allá de aplicaciones para voz, tales como audio (MP3), video en movimiento, video conferencias, acceso rápido a internet, videojuegos en tiempo real, entre muchas otras. Este sistema 3G alcanzaba velocidad de transmisión de hasta 2Mbps para lo cual se empleo un esquema de Acceso Múltiple por División en Códigos (CDMA), el cual presentaba mayor oponencia al fenómeno de multitrayectorias. Además integró servicios de conmutación de circuitos y conmutación de paquete, empleando la tecnología AMT (Asynchonous Transfer Mode). [10][12] [15][16] La Conferencia Administrativa Mundial de Radiocomunicaciones de 1992 fijó 230MHz de ancho de banda pertenecientes para el sistema 3G, incluyendo 60MHz para satelites. Este sistema 3G pretendió relacionar componentes terrestres y satelitales, con el fin de que en zonas con bajo nivel de desarrollo se usen satélites para su servicios y que a medida que el desarrollo aumente este se pase de forma paulatina a un modo terrestre. [10] A diferencia de las demás redes, UMTS 3G es una red, en la cual los servicios no están limitados por la tecnología de acceso de radio o de la red. Pero la generación 3G sufrió retrasos en su despliegue esto fue por 2 factores fundamentales, el primero de carácter económico ya que en esos momentos la economía afectaba severamente a las Telecomunicaciones y la segunda su técnica porque su eficiencia espectral era baja y los servicios que tenían, requerían tasas elevadas y estas eran demasiadas costosas. También 3G se vio limita en sus inicios ya que al ser un nuevo servicio, no prestaba cobertura en todos los extremos, y sus servicios en algunos países era muy costoso.[10][12][16]

• E. Tercera Generación y Media (3.5G 3.75 G)

Según pasó el tiempo la tecnología 3G sufrió algunas modificaciones, entre las más importantes está la modificación de la tecnología UMTS, ahora llamada HDSPA (High-Speed Downlink Packet Access) permitiendo que su velocidad de transmisión llegue a los 14Mbps, esta generación también se la conocia como 3G+. Y por lo general la mayoría de generaciones 3G se las llegó a conocer como redes 3.5G. [15] [16] Aún modificando más su sistema, se obtuvo una nueva generación conocida como 3.75G o 3.9G la que tenía mayor potenciado que la tenología 3.5G, y su nueva tecnología usada se llamó HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) la cual aumentaba la velocidad de subida de los paquetes hasta los 5.76Mbits/s. Las compañias Samsung y LG fueron los primeros pioneros de dicha tecnologia. [15] [16] Estas dos generaciones sirvieron como puente entre la generación 3G y la generación 4G que se estaba desarrollando en ese entonces.

Fig. 8. Comparación de velocidades de subida de datos [16]

• F. Cuarta Generación (4G)

Así mismo la demanda de usuarios y la necesidad de generar nuevos avances tecnológicos , permitieron crear nuevos estándares superiores a las demás generaciones. Es ahí donde nace la cuarta generación 4G. Esta tecnología empezó a desplegarse a partir del año 2010, el cual esperaba incrementar notablemente la eficiencia espectral, de manera que pueda soportar servicios con mayor ancho de banda, mayor velocidad de transmisión y a un menor costo. Quizá uno de sus mayores enfoques fué el lograr acceso ilimitado a la información sin importar el tamaño del archivo, asi como disfrutar de un video en alta definición. La tecnologia 4G se basó en la tecnología 3G y su sistema IP. [10][15][17] Long Term Evolution (LTE) es reconocida como 4G y mejoró los sistemas de redes basados en UTMS (Universal Mobile Telecomunicaciones System), LTE utiliza Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), el cual le brinda grandes ventajas como velocidades de descarga de hasta 60Mbps y envíos de paquetes de información de hasta 40Mbps. Las empresas telefonicas competían por los servicios adicionales para que se les proporcionace mayores velocidades de las que dichas usaban. [17] Su característica principale sería su interfáz radioeléctrica basada en OFDMA (Orthogonal Frecuencia División Múltiple Access), la cual transmite datos empleando portadores de banda estrecha, permite que haya selección por frecuencia en el enlace y la modulación y codificación adaptiva hasta 64SAM. [10][17] La velocidad de LTE es muy alta dado que, su tasa de transferencia de datos presenta picos y aprovechan su tiempo de subida y de bajada para la transmisión.

La primera implementación comercial realizada fué en Estolcolmo en el 2009, aunque no ha sido implementada y brinda sus beneficios a todos los sectores del mundo, se produjo una gran acojida y los usuarios que reciben este servicio demuestran gran conformidad y asprian mayores cambios. [10][17] Esta tecnología 4G (LTE) está actualmente en uso en la mayoria del mundo y brinda sus serviciosa toda la comunidad con su diversidad de aplicaciones como: Videoconferencias y otras que en la actualidad se han vuelto fundamentales, así para los niños se ha implementando juegos en linea aumentando así ampliamente la interaccion entre el usuario y el dispositivo.

Fig. 9. Convergencia de la tecnología más alla de 3G [17]

Generaciones futuras

Como es de esperar a pesar de ya contar con la tecnología 4G, estas con el pasar de los años irán evolucionando siendo motivo de más estudio, en un futuro se prevee tener las siguientes tecnologías

• A. Quinta Generación (5G)

La quinta generación conocida también como Real Wireless World System, propone integrar diferentes sistemas inalámbricos como Wi-Fi, redes celulares, sistemas de corto alcance con redes de sensores inalámbricos (WSN), comunicaciones de máquina a máquina (M2M) y generando el llamado Internet de Las Cosas (IoT) o interconexión digital de objetos cotidianos con Internet. Dicha generación sera soportada por LAS-CDMA, OFDMA,OFDM, MC-CDMA, UWB, NetworkLMDS e Ipv6 este ultimo siendo un protocolo básico para correr en 4G y 5G. Además dicha generación se empezará a implementar en el 2016 y se prevee que para el 2020 esté circulando en la mayoría del mundo. [18][19] [20] El problema es que 5G está diseñado para World Wide Wireless Web, esto causará una pérdida de recursos de red inalámbrica 5G y el Ipv6 que trabaja dificultosamente en www. [20]

Fig. 10. Esquema de las comunicaciones 5G [Fuente:Ericsson (2013)]

• B. Sexta Generación (6G)

La sexta generación implementará los sistemas satelitáles con la quinta generación y, así poder conseguir una covertura global. Este sistema satelital consiste en redes satelitales de navegación para la posición global, redes salelitales de telecomunicación para la telefonia, videollamadas y conectividad y redes satelitales de toma de imágenes terrestres para el monitoreo e información geografica. La 6G pretende integrar estos sistemas satelitales. Cinco países anunciaron desarrollar sus Sistemas Satelitales de Navegación Global (GNSS). Militares de EEUU han utilizado Sistemas de Posicionamiento Global (GPS) durante muchos años. Posiblemente haya cuatro tecnologías, redes y sistemas en 6G. [19][21]

Fig. 11. 6G con Redes Satelitales [19]

Conclusiones

Comparado con la actualidad los sistemas celulares han ido evolucionando rápidamanete y tan solo en una década se han convertido en el sistema de comunicación más importante a nivel mundial. Estas evoluciones han tenido como objetivo principal satisfacer todas las necesidades demandadas por los usuarios, los cuales exigen cada vez mayores servicios, para lo cuale se requiere mayore ancho de banda, mayor calidad pero sin dejar de lado los bajos costos.

Las generaciones futuras 5G y 6G integrarán redes celulares y redes satelitales para dar cobertura global. Lo cuál suministrará internet móvil a los usuarios ilimitadamente. Se prentende que dicha tecnología estará implementada alrededor del año 2030.

Cabe recalcar que con el avance tecnológico y las nuevas generaciónes de celulares también no obstante evolucionarán sus sistemas operativos, los cuales deben ir mejorándose y actualizándose de igual manera a las nuevas tendencias y la acogida de los usuarios para brindar un servicio óptimo. También no debemos dejar de lado el estudio que se debe realizar para minimizar la radiación emitida por los dispositivos móviles y, tratar de reducirla al mínimo ya que estas radiaciones causaran muchos problemas físicos a los usuarios.

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Paúl Alexander Daga López (1995-07-15). Born in Loja-Ecuador, he finished his high school studies at school "Celina Vivar Espinosa". He is a student at the Universidad Politécnica Salesiana in the program Degree in Electrical Engineering. It is studying the subject of Analog Electronic, among others.

Johnny Xavier Pachar Sari (1996-03-24). Born in Cuenca-Ecuador, he finished his high school studies at school Guillermo Mensi. He is a student at the Universidad Politécnica Salesiana in the program Degree in Electrical Engineering. It is studying the subject of Analog Electronic, among others.

Autor:

Paúl Daga.

pdaga[arroba]est.ups.ec and Johnny Pachar.

jpachars[arroba]est.ups.edu.ec