Cómo funciona 4G

Estás perdido en una ciudad de 6 millones de habitantes. Es medianoche, estás en un vecindario aterrador y necesitas desesperadamente indicaciones para llegar a tu hotel. No hay problema. Simplemente saque su teléfono inteligente, que lo sacará de esta situación complicada al proporcionarle mapas detallados e interactivos.

Solo hay un problema: la conexión de datos de tu teléfono es extremadamente lenta. Tan lento, de hecho, que finalmente te das por vencido con tu maldito teléfono. Y luego compras un mapa en una gasolinera.

Sin una conexión de datos rápida, su teléfono inteligente parece bastante tonto. No importa qué tan caro o elegante sea su teléfono, todavía depende de una red inalámbrica para entregar los bienes: los datos, ese elemento vital de todo lo digital. Y la generación actual de redes 3G (tercera generación), si bien son rápidas, a menudo no pueden brindar una experiencia de Internet móvil confiable.

Lo que realmente necesita su teléfono inteligente que sufre es el tipo de servicio de Internet de banda ancha (alta velocidad) que utiliza en la computadora de su hogar. Necesitas banda ancha móvil . Necesitas 4G. Y lo mismo ocurre con todos los demás.

En 2009, por primera vez, el tráfico de red de banda ancha móvil superó el tráfico de llamadas de voz [fuente: Ericsson ]. Y la demanda de datos será 33 veces mayor para 2020 [fuente: 3GPP ]. A medida que más y más personas compran dispositivos móviles que requieren una gran cantidad de datos, las redes deben mantenerse al día.

Para hacer eso, los proveedores de servicios (llamados portadores u operadores según su ubicación) están invirtiendo mucho en sus infraestructuras, es decir, el hardware y el software que hacen posible las comunicaciones celulares. Según algunas estimaciones, gastarán hasta $ 53 mil millones solo en los Estados Unidos, en gran parte para respaldar la expansión de redes más rápidas, a menudo denominadas 4G (cuarta generación) [fuente: Fool.com ].

Pero, ¿qué son exactamente las redes 4G? ¿Y por qué son el tema de tantos comerciales ruidosos y descarados? ¿Qué las diferencia de las redes 2G de la vieja escuela, que funcionaban principalmente para llamadas de voz? ¿Y cómo diferenciar una red 4G de una 3G?

Las respuestas no siempre son tan claras como nos gustaría que fueran. En cierto sentido, el mundo de 4G es tan desorientador como estar perdido en una megalópolis sin tu colección de mapas en línea.

Pero no tengas miedo. Lo guiaremos a través de los acrónimos y las circunvoluciones de marketing y lo guiaremos más allá de los rascacielos del techno mumbo-jumbo. En el camino, le mostraremos cómo la velocidad 4G dividida en minutos podría impulsar Internet móvil a una nueva era.

1. Evolución sin fin de Wireless
2. 4G es todo IP
3. La receta completa de 4G
4. El lugar de la interfaz aérea
5. La Red Viviente que Respira
6. El campo de batalla de la banda ancha móvil
7. Impacto y futuro de 4G
8. Cómo funciona 4G: Nota del autor

Las redes inalámbricas son una mezcolanza de tecnologías diversas y superpuestas. No importa cuán intrincados sean los acrónimos, siempre se reduce a esto: las redes inalámbricas son sistemas de radio. Puede leer sobre los conceptos básicos de la tecnología de teléfonos celulares en Cómo funcionan los teléfonos celulares y Cómo funcionan los teléfonos inteligentes .

No importa qué tecnología inalámbrica domine su parte del mundo, usted tiene algo en común con el resto del planeta: es parte de la explosión inalámbrica. Hay casi 6 mil millones de suscripciones de telefonía celular activas en el mundo [Fuente: 4G Americas ], y los teléfonos móviles son cada vez más populares.

Para mantenerse al día con las demandas de miles de millones de clientes de teléfonos inalámbricos, las redes deben cambiar y adaptarse para manejar más usuarios y más datos. Cada salto en el rendimiento o la capacidad de la red se denota (a menudo vagamente) como una llamada nueva generación.

Las redes 1G (primera generación) de la vieja escuela , construidas en la década de 1980, eran analógicas y solo transmitían llamadas de voz. A principios de la década de 1990, el 2G digital (segunda generación) comenzó su ascenso, lo que permitió servicios de datos básicos como mensajes de texto y correo electrónico.

Las redes 3G comenzaron a extenderse a principios de la década de 2000 y, con ellas, también lo hizo el concepto de Internet móvil. Con una conexión rápida, podías navegar por la web, reproducir audio, aunque la experiencia a veces era lenta y arrojaba obscenidades.

Luego, los consumidores comenzaron a clamar por capacidades móviles aún más fabulosas y centradas en la Web. Los dispositivos móviles con capacidades avanzadas y ávidas de datos se dispararon en número. Mientras tanto, las infraestructuras de red comenzaron a crujir bajo el peso de la inmensa demanda de datos.

3G necesitaba más empuje. Era hora de que las redes inalámbricas evolucionaran una vez más, esta vez para brindar un servicio de banda ancha móvil más rápido. Ese momento es ahora.

En estos días, las líneas generacionales de la red son un poco más confusas. No existe un estándar universalmente reconocido para 4G.

Por lo tanto, los sistemas más rápidos que 3G a menudo se denominan 3.5G o 3.9G, o simplemente 3G+. Sin embargo, las campañas de marketing de los principales operadores, que siempre buscan una ventaja competitiva, se refieren a estas redes como 4G. En resumen, 4G es simplemente un término de marketing. Solo significa que una red es más rápida que 3G. Eso es todo.

Pero hay diferentes sabores de 4G o banda ancha móvil. En la página siguiente, verá en qué se diferencia 4G de sus antepasados ​​inalámbricos y luego profundizará en los detalles de lo que lo hace mucho más rápido que los primeros sistemas 3G.

Ya sabes que 4G es solo un sistema de radio avanzado . El desafío para los ingenieros y programadores es empaquetar la mayor cantidad de datos digitales en cada señal de radio, maximizando así la velocidad y la eficiencia de la red en su conjunto.

Al igual que 3G, las redes 4G se basan en IP (protocolo de Internet), lo que significa que utiliza un protocolo de comunicaciones estándar para enviar y recibir datos en paquetes . Sin embargo, a diferencia de 3G, 4G usa IP incluso para datos de voz. Es un estándar todo-IP .

Con estos paquetes estandarizados, sus datos pueden atravesar todo tipo de redes sin que se codifiquen ni se corrompan. Para enviar y recibir paquetes, primero su teléfono debe comunicarse con una estación base. Una estación base es solo el lenguaje de la industria para esas torres de telefonía celular altas fijadas con todo tipo de equipos de antena; una estación base transmite datos hacia y desde Internet y su dispositivo móvil.

Hay muchos métodos diferentes (llamados interfaces aéreas ) para establecer un enlace entre la estación base y el teléfono. Puede leer más sobre las interfaces aéreas más antiguas y su maraña de siglas aquí en Cómo funcionan los teléfonos celulares . Hablaremos de las nuevas interfaces aéreas 4G más adelante.

No lo cegaremos aquí con las definiciones de cada acrónimo, pero las interfaces 3G comunes incluyen CDMA2000, HSPA, 3G LTE, EV-DO Revisión B, DO Advanced y Mobile WiMAX, por mencionar solo algunas. Cada una de estas interfaces transfiere datos de diferentes maneras a través de ondas de radio en un espectro determinado. Puede revisar rápidamente esas tecnologías más antiguas aquí .

Actualmente, los sistemas 4G no son realmente todo IP, simplemente porque todavía hay mucha superposición entre las redes 3G e incluso 2G ​​en varios países y en todo el mundo. Pero a medida que avanza la infraestructura 4G, el sistema de entrega de datos totalmente IP se realizará de manera más completa.

Esta idea de tecnología inalámbrica basada en IP es solo un factor que define a 4G. En la página siguiente, verá que se incluyen muchos más ingredientes en la receta para lograr un rendimiento 4G delicioso.

4G no es revolucionario. Es solo una evolución que mejora enormemente la experiencia de Internet 3G. En comparación con las redes 3G, 4G tiene algunas ventajas específicas.

La mejora de la velocidad es el factor que más le puede importar. Con 3G, los teléfonos inteligentes generalmente ven velocidades de descarga de hasta alrededor de 2 Mbps (megabits por segundo). En comparación, 4G podría acelerar las cosas, alrededor de 3 a 5 Mbps; esa es aproximadamente la velocidad que muchas computadoras domésticas reciben a través de módem por cable o DSL .

Las velocidades 4G posiblemente podrían ser mucho más rápidas, pero por ahora puede ignorar esas velocidades de 100 Mbps que se venden en Intertubes. Esas son tasas de datos teóricas que no sucederán en el mundo real en el corto plazo.

Mark Murphy, líder de innovación en Ericsson, dice que más allá de la velocidad, 4G tiene otros rasgos definitorios que lo diferencian de las tecnologías más antiguas.

4G tiene mayor capacidad , lo que significa que puede admitir una mayor cantidad de usuarios en un momento dado. Tiene velocidades de datos más altas , por lo que las aplicaciones multimedia, como las videollamadas o los clips de YouTube, funcionan con mayor fluidez. Con una torre 3G, entre 60 y 100 personas pueden compartir la señal y obtener un servicio rápido y confiable. Una torre 4G LTE (Long Term Evolution), sin embargo, puede atender a unas 300 o 400 personas.

Y 4G cuenta con latencia reducida. Con menos latencia o demora, verá una respuesta más inmediata a sus comandos, lo que es especialmente útil cuando juega juegos en línea de ritmo rápido o controla de forma remota un automóvil o robot. Una red que califica como velocidad en tiempo real tiene una latencia de 50 ms (milisegundos) o menos; 4G LTE tiene una latencia de solo alrededor de 20 a 40 ms. La baja latencia también significa que las llamadas de voz no tienen retraso ni eco, eco, eco.

4G es más eficiente espectralmente que 3G. Piense en el espectro de radio como una tubería de cierto diámetro; solo una cierta cantidad de datos pueden pasar por esa tubería a la vez. Pero 4G utiliza esquemas de codificación inteligentes para aumentar drásticamente la cantidad de datos que se precipitan a través del espectro. En última instancia, ofrece más bits por hercio que 3G.

Pero, ¿qué tiene 4G que realmente impulsa estas mejoras? Sigue leyendo y verás cómo 4G obtiene su potencia real.

Probablemente no se haya detenido a considerar qué idioma habla su teléfono. Ese llamado lenguaje es la interfaz aérea, el protocolo de comunicaciones estandarizado que utiliza su dispositivo móvil para comunicarse con una estación base.

If you've ever seen a smartphone commercial (commence scoffing), you've seen the acronyms for various air interfaces, such as 4G LTE, WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), HSPA+ (High Speed Packet Access) and more. Air interfaces have one major element in common – they all coordinate network traffic, telling devices when to send and receive data. But they differ in how they accomplish this task.

The WiMAX system is similar to your home or office WiFi protocol. It's largely fallen by the wayside as carriers choose other interfaces like LTE and HSPA+.

With LTE, devices can transmit and receive simultaneously because they use different frequencies for these tasks. LTE uses OFDM (orthogonal frequency division multiplexing), which divides a signal into parallel data streams that travel radio sub-channels. That signal is pieced together by processors at the other end.

LTE (and HSPA+) also employs another method called MIMO (multiple input multiple output). MIMO relies on multiple antennas and transmitters in both the phone and base station and enables simultaneous up- and download transmission.

HSPA+ is backwards-compatible with older 3G systems. LTE is not. But HSPA+ isn't the way of the future. Rather, it's a method for squeezing more life from existing infrastructure.

LTE, however, will be around for a while. LTE networks are called long-term evolution because carriers want to stick with this technology for a long time, rather than blow scads of cash to upgrade infrastructure every few years. LTE is considered a good long-term option because it's easier to scale up for greater capacity and performance.

Right now you won't find much in the way of pure 4G LTE networks. Instead, networks everywhere are still a hodgepodge of 3G and 4G, and even 2G technologies and air interfaces. In many areas, 2G, 3G, and 4G coverage overlap. You can see an overview of coverage with the interactive maps at OpenSignalMaps. As a result, even so-called 4G phones actually come with 3G chips so that they can access 3G and 3G+ networks.

Tighten your grip on your cell phone. On the next page, you'll see why your phone -- and your network --is getting faster and scary smart.

4G LTE trumps many of 3G's limitations and adds a whole range of synapse-snapping capabilities. Be advised – if the "Terminator" and "Matrix" films frightened you, consider skipping ahead to the next page.

Archaic 1G and 2G networks are stupid, technologically speaking. But 4G networks are, in a sense, intelligent machines. For example, they're better equipped to deal with unexpected congestion caused by random world events, such as traffic jams. When thousands of people are suddenly stuck on a highway, they start using their phones , which causes a major spike in demand for data services in that area.

In this situation, 3G systems balk and stumble, leaving users frustrated. The more sophisticated, self-organizing and self-configuring 4G systems, however, can compensate on the fly and provide faster service for more people. Similarly, power outages and equipment failures often cripple 3G systems. But thanks to sensors and advanced software, a 4G system has self-healing capabilities that let it route traffic through other towers until repairs are made.

The startling part is that 4G networks can perform such workarounds without human intervention. In a sense, says Wojtek Felendzer, technical solutions marketing manager at Nokia Siemens Networks, these systems are the biggest machines that humankind has ever built, stretching from coast to coast and across the world. And for the first time, they are getting smart enough to fix themselves.

In spite of all of this, 4G really isn't a radical new technology. In fact, "People in this industry sometimes say that nothing new has been invented in the past 100 years," said Felendzer. It's just a new way of combining established knowledge with more powerful processing equipment. Take your smartphone as evidence. Many such phones now have dual-core processors, which equates to computing power unheard of just a few years ago.

So if you've ever feared a tech takeover, it may soon be time to head for your bunker in the wilderness. Until then, keep reading and you'll see how you can watch a war of a different sort, between the network operators.

More 3G Lowdown

3G networks reserve the same amount of spectrum for both sending and receiving data. But smartphones and other devices receive far more data than they send, which is why 4G networks assign far spectrum for receiving, and as result, achieve better overall speed.

Everywhere you go, you see those brash, frenetic ads for both smartphones and wireless broadband. In this bloodthirsty, cutthroat industry, carriers are desperate to lure subscribers. To win more subscribers, carriers try to build the fastest networks with the greatest geographical and population coverage.

To build those networks, they need spectrum. Other than capital for building infrastructure, spectrum is the single most vital resource for carriers. It is, in business parlance, what's called a constraining resource.

Spectrum is the range of radio frequencies that government agencies auction to carriers, and in each area there's only so much spectrum to go around. Carriers go to battle with each other for that limited spectrum. Those with spectrum access can provide the best reception for their customers, and thus haul in more subscribers and revenue.

Spectrum is extravagantly expensive. For example, in a bid to expand its 4G network, AT&T paid nearly $2 billion for a block of 700 MHz spectrum that covers roughly 300 million people in the United States [source: Apple Insider].

With older technologies, carriers needed a contiguous block of spectrum in order to provide service. Advanced air interfaces, such as LTE, can use a lot of different frequencies, such as 700 MHz, 900 MHz, 1.7 GHz, 2.1 GHz and dozens more. Not all frequencies are equal, though.

Lower frequencies such as 700MHz are the most desirable, because they settle, much like a dense fog, and they're capable of penetrating obstructions like buildings. By contrast, higher frequencies work in a line-of-sight fashion and they're more easily scattered by random objects and other interference. Thus, carriers that want to provide the more reliable and speedy service lust after spectrum in lower frequencies.

Once a carrier has the spectrum, it can begin upgrading subnets of its networks, piece by piece. The hardware that's replaced generally isn't the cell tower equipment that you see by the highway or on tall buildings. Instead, engineers start by replacing routers and servers to new versions that will scale up easily as more capacity is required in the future.

And the future is always, always on the minds of wireless experts. Keep reading for glimpses into the next era of cell communications, beyond even today's freaky-fast 4G.

3G By Any Other Name

All carriers in the U.S. offer service that's faster than the 3G standard. They call these networks 4G even though there's no agreed-upon 4G definition. HSPA and CDMA/EV-DO are two types of networks with very fast, albeit 3G, speeds.

"Ubiquitous 4G will be a game-changer," says Richard Karpinksi, senior mobility analyst at Yankee Group. "It will impact business, education, retail and much more."But carriers and their data-loving users should be realistic about the speeds 4G promises. "Once any network begins to become fully-loaded with users it begins to slow down." That's why he says that if a large number of mobile users are able to see download speeds between 10 to 20Mbps in the next couple of years, it will be a significant accomplishment.

Although you likely won't see stream HD video anytime in the next few years, 4G will enable glitch-free video calls, YouTube videos, and more. That's of course if you're willing to pay for them. Data plans on 4G networks will be pricy compared to 3G, and you may face data caps that hamper the fun.

That's why you'll see carriers offering more on-demand quality of service upgrades. For example, imagine that you're waiting for the kids to finish their shopping at the mall and you want to watch a football game on your phone. You've already reached your data limit; plus, there are so many people at the mall that the system is slow. But you can authorize a one-time charge to your account, receive a temporary upgrade in service and speed, and watch the game in real-time.

Of course, that's all provided that your battery isn't dead. Because 4G signals are sparser than 3G, phones expend more power searching for 4G reception, meaning you might not even get a single full day out of your phone. Plus, the phones themselves are getting more powerful features that also kill batteries in a hurry. These devices will need beefing up in order to keep pace with their own capabilities.

The Web continues to sprawl across our world, both virtually and in the hardware and software that makes it work. No matter where you live, you can expect that faster, more powerful 4G networks will eventually arrive, heralding a new era of mobile Internet access. If you're a tech and gadget lover, you'll rejoice at the expanding reach of these wireless technologies – the Internet , and the world, will soon be at your fingertips like never before.

And Then, LTE Advanced

It won't be long before you start to hear more about carriers upgrading their LTE networks to LTE Advanced. Still under development, this standard could make your current 3G smartphone 100 times faster.

Famously anti-social, I waited longer than any of my friends to buy a cell phone. The idea of phone calls ringing in my pants pocket while I was out fishing or camping was positively horrifying. No one, I thought, needs to be able to call me whenever they feel like it, even my insistent friends.

Eventually, I caved. I bought a brick-sized model and carried it far into the flip-model age, at which point my "friends" once again began mocking my technological deficiencies. I ignored the catcalls and kept the phone for six long years; it was still working just fine when another friend forcibly dragged me to a shop and made me buy a shiny blue flip phone with fancy texting features.This was the beginning of the end of my stubborn resistance to cell phone culture.

But it's not the calling or communications capabilities that hooked me. It's the fact that these devices are now wildly powerful, pocket-sized computers that can serve up critical (or just trivial) information of every kind no matter where you happen to be. With 3G networks, this kind of ubiquitous data is often spotty and exasperating to use. 4G, however, will realize the mobile Internet dream. Camping in the wilderness and you forgot to buy Tom Petty concert tickets? No problem. With 3G you might have been out of luck, but 4G will help you get those first-row seats

4G won't change everything. You still won't catch me fielding phone calls while I'm trying to catch largemouth bass. But you can bet that I'll be using 4G to keep an eye on the weather radar, check satellite maps for hidden fishing holes and locate remote camping spots so that I can disconnect for a while and just enjoy the solitude. Even with 4G, my smartphone still has an Off button.

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Sources