El futuro de la telefonía móvil: La Radio Cognitiva

Las primeras emisiones de radio realizadas por Guglielmo Marconi fueron enlaces punto a punto entre dos persona ubicadas en lugares remotos y alejados entre sí. Si lo comparamos con viajes aéreos podemos decir que se trató de una travesía individual protagonizada por un aviador intrépido a través del Océano Atlántico. Hoy, sin embargo, la cantidad de señales que conviven en el éter de manera simultánea no podrían compararse siquiera con la cantidad de personas que podrían viajar juntas en un Jumbo 747. La congestión y saturación del espectro radioeléctrico está complicando el escenario y alguien tiene la llave para destrabar estos problemas: La Radio Cognitiva.

En la actualidad, las nuevas tecnologías aplicadas a los enlaces radiales aparecen con una multiplicidad de nombres que cambian según la aplicación y el uso que se haga de ellas: Wi-Fi, WiMax, Bluetooth, ZigBee, GSM, Radiodifusión por satélite y muchas clases de sistemas de comunicación muy diferentes entre sí que están obligados a convivir en un medio común a todos: El Espectro Radioeléctrico. Cada uno de los sistemas enumerados utiliza un hardware dedicado y exclusivo acorde a su modo singular de enviar y recibir ondas de radio. Para minimizar las interferencias entre uno y otro modo de enlace, cada uno se limita a determinadas bandas del espectro y se dedica a operar dentro de los canales asignados utilizando métodos de codificación y modulación apropiados para un rendimiento óptimo. En este caso, si tratamos de imponer este tipo de régimen en el transporte por carretera, podríamos terminar con un sistema en el que los autobuses, los automóviles y los camiones tendrían cada uno un carril por separado.

Algunas de estas reglas pueden justificarse por el hecho de que ciertas aplicaciones funcionan mejor en determinados espacios (muy específicos) dentro del espectro radioeléctrico. Sin embargo, otras asignaciones de canales de frecuencias son producto de un legado de la historia de las telecomunicaciones. Durante mucho tiempo, las porciones de bandas asignadas a los diferentes servicios se realizaban “por orden de llegada”. Es decir, en función de los experimentos realizados en las despobladas frecuencias (VHF y UHF) de aquellos días, los científicos podían experimentar y definir qué tipos de bandas resultaban más favorables para sus aplicaciones. De este modo, la radio y la televisión ocuparon lugares privilegiados dentro del espectro. A pesar de que en casi todo el mundo las transmisiones de televisión por aire en las bandas bajas han sido eclipsadas por los canales de cable y las transmisiones directas por satélite, es muy probable que el escenario actual de asignaciones de bandas y frecuencias no se altere demasiado durante la próxima década.

Si las radios pudieran utilizar de alguna manera una porción del espectro de televisión sin provocar interferencias en este servicio, la telefonía móvil también podría explotar esas bandas. Con más espacio para operar, los servicios de telefonía móvil serían mucho más baratos, al igual que el acceso a internet móvil; además estos procesos (de acceso) se realizarían con mayor rapidez. Los operadores de telefonía de todo el mundo podrían ofrecer entretenimientos multimedia a muy bajo costo, incluyendo la “video-llamada” que sería una realidad masiva y económica en cualquier servicio de telefonía móvil. Para poder manejar todas estas posibilidades “soñadas”, los teléfonos móviles tendrían que ser capaces de cambiar su frecuencia de operación según la demanda sin la necesidad de demasiado hardware adicional al utilizado en la actualidad.

Los ingenieros de telecomunicaciones tienen un nombre para este objetivo inmediato: “Software Defined Radio”. El más visionario y soñador entre estos desarrolladores lo ve como un escalón más hacia un ideal lejano. La meta es un dispositivo inalámbrico que posea la inteligencia suficiente como para analizar el entorno de radio y decidir por sí mismo la mejor banda del espectro y el protocolo necesario que deba utilizar para llegar a cualquier estación base necesaria para la comunicación utilizando los más bajos consumos de energía. El nombre para este notable tipo de sistema sería "Radio Cognitiva", y algunos modelos experimentales ya están surgiendo desde los laboratorios para ser probados en situaciones prácticas por los militares de Estados Unidos, quienes están patrocinando las investigaciones en esta área de las futuras tecnologías de comunicaciones. Algunos analistas dicen que es sólo cuestión de tiempo antes de las radios cognitivas ingresen al terreno comercial, gracias a que las condiciones económicas actuales son convincentes y viables. De hecho, muchos expertos dicen que un teléfono móvil típico tendrá características cognitivas de aquí a una o dos décadas.

El motivo de esta afirmación es muy claro: el uso generalizado de este tipo de aparatos podría hacer un uso más eficiente del espectro radioeléctrico. La cantidad de tráfico dentro del espectro (la cantidad de frecuencias en uso respecto al total disponible) varía alrededor del 14% ocupado en un momento dado. Es decir, si se pudiera obtener una muestra instantánea del espacio utilizado por las transmisiones de ondas de radio, la cifra no superaría el 14% (cifra aproximada). Esto incluye a grandes porciones de espectro que están asignados a determinados servicios públicos o privados pero que no se utilizan plenamente. Las principales porciones de bandas deshabitadas son los rangos superiores de las bandas de TV, esto es, los canales 14 a 83, conocidos como banda de UHF por aire.

Según un estudio realizado en 2004 por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) de Ginebra, "muchas cadenas de televisión que poseen un canal asignado en esta banda no lo utilizan y esto perjudica a otros servicios que podrían hacer un uso muy eficiente (con alcance a muchas zonas geográficas) de esa frecuencia desierta”. Las técnicas de radios cognitivas parece ser un enfoque muy prometedor para el aprovechamiento del espectro radioeléctrico de manera más eficiente, evitando la interferencia con las operaciones en curso. No es de extrañar, entonces, que la posibilidad de utilizar tecnologías de radios súper-inteligentes (Supersmart) ha atraído la atención de los organismos gubernamentales de ambos lados del Atlántico. La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de Estados Unidos y su homóloga del Reino Unido, la Oficina de Comunicaciones (Ofcom), han puesto en marcha las revisiones técnicas de las tecnologías de radio cognitiva como una forma de administrar mejor el recurso escaso en el que se ha convertido el espectro radioeléctrico.

La decisión sobre qué porción del espectro utilizar (en cualquier momento dado) es sólo un aspecto de lo que una radio cognitiva podría hacer. Gracias al agregado de sensores de audio y vídeo, así como la capacidad de reconocimiento del habla y la visión, las radios cognitivas podrían “aprender” a utilizar el auricular de radio, por ejemplo, como una ayuda para la salud de los ancianos. "Se podrían detectar las palpitaciones del corazón si es necesario y se le podría preguntar al usuario ¿Se siente usted bien?, en caso de observar comportamientos anómalos”, dice Joseph Mitola III, consultor-científico de Mitre Corp., en Bedford, Massachussets. "Si se detecta la activación de un sensor de choque o vibraciones en el teléfono móvil, se puede procesar un aviso, por ejemplo si una persona cayó al suelo, llamando de manera automática al servicio de emergencias del *911 y pedir ayuda". Mitola tiene la distinción de haber acuñado el nombre de “software defined radio” y de radio cognitiva.

Una radio definida por software puede cambiar fácilmente entre múltiples protocolos inalámbricos o moverse a diferentes frecuencias, bandas, modos o aplicaciones, siendo el usuario quien deba introducirle los comandos necesarios para que el dispositivo lo haga. Volviendo a la analogía de transporte, las radios definidas por software son como los coches normales, que necesitan un conductor para decidir cuándo frenar, acelerar y cambiar de carril. La radio cognitiva, en cambio, es como tener el manejo del coche en forma autónoma, tomando todas las decisiones por sí mismo. Las radios cognitivas no sólo analizan el mejor punto de operación dentro del espectro libre de frecuencias sino que además determinan la mejor forma de interactuar con otros equipos, tomando decisiones acerca de cuál es la red de radio que mejor se puede utilizar en cada momento, en cada situación.

Los teléfonos móviles de la actualidad son maravillas de la miniaturización, pero fundamentalmente siguen siendo simplemente radios antiguas. Cuando el usuario habla, los sonidos analógicos se transforman en un flujo de bits que se transmiten por el aire como variaciones en la frecuencia, fase o amplitud de una onda portadora de transmisión. Hoy en día, los protocolos de acceso múltiple se utilizan para dividir una porción del espectro radioeléctrico y utilizarlo de la manera más eficiente. Algunos comparten una porción del espectro temporal canalizando, por ejemplo, tres llamadas telefónicas en una ranura de un tercio de espacio cada una y alternando posiciones entre ellas rápidamente. El modo GSM utiliza una versión sofisticada de esta idea.

Para saber si una banda no se utiliza suficientemente, la estación base cognitiva de radio debe tener un panorama general de la situación instantánea, cual si fuera un mariscal de campo de la zona de combate espectral desde el cual elaborar los planes complicados de ataque. Y a medida que más y más dispositivos sean capaces de movilizarse hacia arriba y abajo dentro del espectro, los planes serán cada vez más difíciles de llevar a cabo. Idealmente, la estación base también sabrá que las estaciones de televisión están transmitiendo más a las 8 p.m. que en cualquier otro momento, o que se hacen más llamadas telefónicas entre las 8:30 y las 9 a.m. o que se realizan más los lunes que los domingos (excepto para el Día de la Madre o el Padre).

En caso de que el auricular de la futura radio cognitiva sirva de apoyo al teléfono, por ejemplo, tendrá que determinar exactamente en qué parte del mundo está ubicado el aparato. Las reglamentaciones difieren de país a país, y no todos utilizan las mismas frecuencias para las mismas tecnologías. Un servicio de telefonía móvil GSM en los Estados Unidos opera en bandas diferentes de las utilizadas en Europa, por ejemplo. Así que las radios cognitivas móviles también tendrán que descifrar las señales de satélite de geolocalización (GPS) o las estaciones base de consulta para saber dónde están. Por su parte, la potencia de cálculo de los microprocesadores seguirá aumentando y las radios cognitivas sin duda comenzarán a aprender los hábitos de sus usuarios y hacer conjeturas sobre cuánto tiempo toma una llamada telefónica, si puede durar horas o tan sólo minutos, de acuerdo a los números utilizados con mayor frecuencia.

Los desafíos de los sistemas de telefonía móvil definidos por software, por no hablar de los plenamente cognitivos, son enormes. Lograr mayores resultados en el software paradójicamente necesitará mucho mejor hardware en concreto. Es decir, los procesadores tendrán que interpretar las señales provenientes de una franja más amplia del espectro y tendrán que hacer mucho más trabajo de codificación, decodificación y análisis de las señales. El procesamiento de señales a altas frecuencias (arriba de 1 Ghz) hace que la tarea sea aún más difícil. Por un lado, cuanto mayor sea la frecuencia de trabajo, más difícil será avanzar a través de paredes, árboles, cerros u otras barreras sólidas, haciendo la señal más difícil de encontrar entre el ruido. He aquí el concepto de la radio cognitiva según Agilent.

El software de la radio debe ser capaz de sentir el espectro y comprender lo que encuentra. Luego debe adaptarse, decidir el mejor curso de acción y ajustar en consecuencia. Por último, debe aprender, mediante la construcción de una base de datos de las anteriores acciones, que el medio ambiente cambiará de manera constante a cada uso. La radio cognitiva es sin dudas el desafío de este nuevo decenio que recién comienza.