Cómo funcionan las torres celulares para mantenerlo conectado

Las torres celulares constan de varios componentes, como antenas, estaciones base de transceptor, mástiles y equipos terrestres, lo que permite una comunicación celular eficiente al administrar las señales de los dispositivos móviles. La diferencia entre las torres 4G y 5G radica en la velocidad, la capacidad y la latencia mejoradas que proporciona la tecnología 5G. Las pruebas exhaustivas garantizan un rendimiento y una fiabilidad óptimos de estas torres.

NI está ayudando a construir una red inalámbrica confiable
Infraestructura

Nuestro mundo está más conectado que nunca, y se necesitan una gran cantidad de recursos para mantener estables las redes en las que todos confiamos. Las torres celulares, también conocidas comúnmente como sitios de celdas o estaciones base de transceptor, son componentes cruciales de los sistemas de telecomunicaciones modernos. La estructura física aloja el equipo necesario para la transmisión y recepción de señales de radio para una "celda" o área específica, de ahí el nombre. Las torres celulares facilitan la comunicación inalámbrica entre los dispositivos móviles y la red. Estas estructuras juegan un papel indispensable en el ecosistema de comunicación inalámbrica, permitiéndonos hacer llamadas, enviar mensajes de texto y acceder a Internet desde nuestros dispositivos móviles, y requieren pruebas intensivas.

Al proporcionar soluciones flexibles, escalables y rentables para probar tecnologías nuevas y complejas, NI contribuye significativamente en la construcción de infraestructuras inalámbricas confiables. A medida que las tecnologías inalámbricas evolucionan y se vuelven más complejas, particularmente relevante con la llegada de 6G, las soluciones innovadoras ayudarán a los ingenieros de pruebas a desarrollar una comprensión avanzada del diseño de la red y la tecnología de pruebas necesarias para mantener el tiempo de funcionamiento de la torre celular.

Componentes de la torre celular

Si escanea el horizonte, es casi seguro que verá una torre celular, incluso si no la reconoce de inmediato. Las estaciones base de transceptor vienen en una amplia variedad de tamaños, desde torres altas familiares hasta unidades pequeñas no más grandes que un detector de humo. Todo depende de la cobertura necesaria y la densidad del tráfico en el área.

Pero, ¿cómo se ve una torre celular? Las torres celulares se asemejan a mástiles altos y verticales adornados con conjuntos de antenas, generalmente segmentadas en tres o cuatro direcciones, lo que les da una silueta distinta y reconocible. Sin embargo, no todas las torres celulares se distinguen tan claramente. Las torres invisibles son más encubiertas, camufladas dentro de su entorno, discretamente incorporadas en estructuras existentes como techos o incluso campanarios de iglesias. Ya sea que se reconozcan de inmediato o se mezclen sutilmente con su entorno, estas imponentes estructuras están repletas de una variedad de equipos críticos que garantizan una conectividad celular perfecta en toda el área a la que sirven.

Si bien cada torre celular puede ser ligeramente diferente, según las necesidades de la red y el área específica a la que sirve, estos componentes suelen estar presentes en la mayoría de las instalaciones:

• Antenas—son cruciales para transmitir y recibir señales hacia y desde dispositivos móviles dentro de una celda específica. Vienen en dos tipos principales de antenas de torre celular:
  • Antenas de panel—Son dispositivos planos y rectangulares que sirven a un área amplia. Son versátiles y se pueden organizar en varias configuraciones para lograr la cobertura y la capacidad deseadas. Pueden usar la tecnología MIMO (entrada múltiple, salida múltiple), que aumenta la capacidad al transmitir varios flujos de datos en el mismo canal.
  • Antenas sectoriales—A menudo agrupadas en tres o cuatro en una torre, las antenas sectoriales están diseñadas para proporcionar cobertura en una dirección específica o "sector". Esta segmentación amplía de manera efectiva el área de cobertura general y reduce la interferencia entre las señales. A menudo se organizan en una configuración geométrica, proporcionando una cobertura de 360 grados.
• Estación base de transceptor (BTS)—La BTS aloja los transceptores de radio que reciben y transmiten señales de RF. Cada transceptor o canal soporta un cierto número de llamadas concurrentes. El BTS también incluye equipos para cifrar y descifrar comunicaciones, herramientas de filtrado espectral, duplexores y amplificadores.
• Torre o mástil— Esta estructura física alta mantiene las antenas en alto y generalmente está hecha de acero. Su altura es estratégica: cuanto más altas son las antenas, más amplia es el área que pueden cubrir. La estructura también debe ser capaz de soportar factores ambientales estresantes como el viento y la carga del peso del equipo.
• Equipo basado en tierra —Esto incluye cubiertas o shelters que albergan varios sistemas auxiliares, como sistemas de energía de torre de telefonía celular (a menudo, respaldos de batería para mayor fiabilidad), sistemas HVAC para control de temperatura y receptores de banda base utilizados para procesar datos de llamadas.
• Antenas de microondas—Para las torres celulares no conectadas con cable físico a la red de telecomunicaciones (generalmente en ubicaciones remotas), las antenas de microondas se utilizan para las conexiones de backhaul. Estos platos facilitan la comunicación punto a punto con otras torres o un nodo de red. A menudo se ven en los lados de la torre y son particularmente útiles en áreas donde no es práctico tender cables.
• Cableado—El cableado conecta todos los componentes de la torre celular, lo que les permite comunicarse entre sí. El cableado puede incluir varios tipos, como cables coaxiales, guías de onda para transmisión de microondas y cables de fibra óptica. Los cables de RF van desde el BTS hasta las antenas y los cables de red para la transmisión de datos.

La orquestación perfecta de estos componentes de torre celular sustenta la columna vertebral de las redes de comunicaciones inalámbricas.

¿Cómo funcionan las torres celulares?

Las torres celulares sirven como intermediarios entre los dispositivos móviles y la red de telecomunicaciones. En términos sencillos, las torres celulares funcionan recibiendo señales de su dispositivo móvil, convirtiendo estas señales a un formato digital y luego enviándolas a su destino, ya sea a otro teléfono o a Internet. Para llamadas entrantes o datos, el proceso se invierte. Ese proceso puede parecer simple, pero tiene muchos pasos y equipos. Entremos en detalles.

El proceso de comunicación comienza cuando un dispositivo móvil, como un teléfono celular, envía una señal. Esta señal es una onda electromagnética, específicamente una onda de RF, que es esencialmente una versión modulada de la voz o los datos del usuario. La señal es captada por una de las antenas montadas en el mástil. Estas antenas pueden usar tecnología MIMO, transmitiendo múltiples flujos de datos en el mismo canal para aumentar la capacidad.

Después de que la antena recibe la señal, se pasa a través de una serie de cables coaxiales de alta frecuencia o guías de onda al BTS alojado en la base de la torre. El BTS convierte la señal de RF en un formato digital que puede ser procesado por la red. La señal procesada se envía al centro de conmutación móvil (MSC) a través de conexiones backhaul. Dependiendo de la ubicación y la infraestructura, esta conexión podría ser física, a través de cables de fibra óptica (para áreas urbanas o suburbanas) o enlaces inalámbricos como microondas (para áreas remotas).

El MSC, el centro neurálgico de una red celular, enruta la llamada o los datos al destino correcto, que podría ser otro dispositivo móvil o un servidor en Internet. Para una llamada entrante o datos, el proceso es básicamente inverso. El MSC envía la señal al BTS, que luego la convierte nuevamente en una señal de RF. Esta señal de RF se transmite por las antenas de la torre al dispositivo móvil previsto.

¿Hasta dónde llegan las señales de la torre celular?

Una torre celular puede enviar señales a teléfonos a hasta 20 millas de distancia en áreas rurales. En ciudades densamente pobladas con muchas obstrucciones físicas como edificios, el alcance puede reducirse a una o dos millas. Las torres celulares pueden manejar miles de llamadas o conexiones a Internet al mismo tiempo.

Al observar hasta dónde llegan las torres celulares, el rango, técnicamente conocido como el radio de la celda, puede verse afectado significativamente por varios factores. Las señales de alta frecuencia, como las que generalmente se usan en redes 5G, tienden a tener rangos más cortos pero capacidades más altas, mientras que las frecuencias más bajas, que a menudo se usan en áreas rurales para 4G LTE, pueden viajar más lejos pero transportar menos datos. La altura y el tipo de antena también juegan un papel importante al determinar la cobertura. Las antenas más altas pueden superar las obstrucciones y cubrir un área más grande. Los tipos de antena, como las antenas sectoriales, se pueden utilizar para proporcionar una cobertura específica en direcciones específicas, mientras que las antenas de panel ofrecen una cobertura amplia. Beamforming, una técnica utilizada en configuraciones avanzadas de MIMO, también se puede emplear para enfocar la señal hacia usuarios específicos para ampliar el rango y mejorar la calidad de la señal.

Para cubrir miles de solicitudes simultáneas, las torres celulares modernas emplean tecnologías sofisticadas para maximizar el número de llamadas simultáneas o sesiones de datos. MIMO permite la transmisión y recepción simultáneas de múltiples flujos de datos, multiplicando efectivamente la capacidad sin requerir ancho de banda adicional. También se emplean técnicas avanzadas de eficiencia espectral, como modulación de amplitud en cuadratura (QAM), para transmitir más bits por Hz de ancho de banda. La tecnología específica utilizada cambia la capacidad. La tecnología de onda milimétrica ofrece espacio para anchos de banda más altos que a su vez pueden aumentar significativamente la capacidad. Además, el rango de frecuencias asignado para el uso de celdas en un área específica, también conocido como la cantidad de espectro disponible, puede afectar la capacidad.

Línea de visión en comunicación inalámbrica

En la comunicación inalámbrica, la línea de visión se refiere a la trayectoria directa y sin obstrucciones que recorren las ondas de radio desde la antena transmisora, como una torre celular, hasta la antena receptora, que podría ser algo así como un teléfono inteligente.

Para una intensidad y calidad de señal óptimas, es importante una línea de visión clara entre el transmisor y el receptor. Las obstrucciones como edificios, árboles, colinas o incluso las condiciones atmosféricas pueden causar atenuación o debilidad de la señal y propagación de múltiples trayectorias, donde las señales rebotan en las superficies y llegan al receptor en diferentes momentos, causando interferencia y rendimiento degradado.

La línea de visión se vuelve especialmente importante en bandas de frecuencia más altas, como las que se utilizan en las redes 5G, que tienen longitudes de onda más cortas y son más propensas a ser absorbidas o reflejadas por los obstáculos. La visibilidad directa es la razón por la que a menudo se ven torres celulares ubicadas muy por encima del nivel del suelo y por qué se utilizan tecnologías como beamforming para enfocar la señal de radio en una dirección específica hacia el receptor.

Tipos de torres celulares

Las torres celulares varían según su construcción, ubicación y el tipo de tecnología que utilizan. Los tipos más comunes de torres incluyen torres celulares monopolares, torres de celosía, torres arriostrada, torres invisibles, torres de techo y torres celulares pequeñas.

Torre monopolar

El tipo más simple de torre celular es también el que se usa más comúnmente, particularmente en áreas urbanas. Una torre monopolar es un poste único e independiente que generalmente mide entre 50 y 200 pies de altura. Las antenas generalmente se ubican en la parte superior dentro de un recipiente o se montan en el exterior.

Torre de celosía

Estas torres a menudo se ven en el campo o a lo largo de las carreteras. Más fuertes que las torres monopolares, pueden soportar más equipos y alcanzar mayores alturas. Las torres de celosía son independientes y cuentan con un framework de varillas horizontales y diagonales que crean un efecto de celosía. 

Torre arriostrada

Las torres arriostradas utilizan cables de sujeción para estabilización. Estas torres son las torres celulares más livianas y rentables para construir, pero requieren una gran cantidad de espacio ya que los cables de sujeción se extienden desde la torre hasta el suelo a una distancia considerable. Las torres arriostradas generalmente se utilizan en áreas rurales donde el espacio es una preocupación menor.

Torre invisible

Como su nombre lo indica, las torres ocultas o sigilosas se construyen para mezclarse con su entorno. Pueden ser diseñadas para parecerse a árboles (a menudo llamados "monopinos"), torres de reloj, astas de bandera, campanarios de iglesias o incluso incorporarse a estructuras existentes como edificios o señalización.

Torre en la azotea

En áreas urbanas densamente pobladas, puede no ser práctico o posible construir una torre independiente. En estos casos, las antenas pueden instalarse en los techos de edificios u otras estructuras existentes. Estas instalaciones pueden tener una altura mucho menor que las torres tradicionales, pero a menudo deben colocarse de manera más densa para proporcionar una cobertura suficiente.

Torres de celdas pequeñas

Con el advenimiento de la tecnología 5G, las pequeñas torres celulares se están volviendo cada vez más comunes. Estas celdas pequeñas llamadas micro, pico o femto-celdas tienen un rango más corto pero pueden transmitir rápidamente grandes cantidades de datos. Las torres de telefonía celular pequeñas a menudo se conectan a farolas, postes de servicios públicos o edificios en áreas de alta densidad.

Estos diferentes tipos de torres celulares tienen el mismo propósito básico: transmitir y recibir señales desde dispositivos móviles. El tipo exacto de torre utilizada depende de una variedad de factores, como la geografía, la densidad de población y los requisitos específicos de la red móvil.

Torres celulares 4G vs 5G

Las principales diferencias entre las torres celulares 4G y 5G es que giran en torno a los cambios en la tecnología que afectan la velocidad, la capacidad y la latencia de la red inalámbrica. Las redes 4G generalmente operan en bandas de frecuencia más bajas, hasta 2.5 GHz, mientras que la tecnología 5G está diseñada para emplear un espectro más amplio, incorporando bandas de frecuencia más altas hasta 100 GHz. El uso de estas frecuencias más altas, particularmente las bandas de onda milimétrica por encima de 24 GHz, puede permitir una transmisión de red más rápida, pero con menor alcance.

Una de las diferencias más notables son las velocidades de transferencia de datos. Las torres celulares 5G pueden ofrecer velocidades de datos significativamente más altas que sus contrapartes 4G. Para poner esto en perspectiva, mientras que las redes 4G LTE pueden proporcionar velocidades máximas de alrededor de 100 Mbps, teóricamente las redes 5G tienen el potencial de ofrecer velocidades de hasta 10 Gbps, un aumento de cien veces.

La latencia, o el retraso en la transferencia de datos después de una instrucción para su transferencia, es otra área en la que 5G sobresale. En comparación con la latencia típica de alrededor de 50 milisegundos en las redes 4G, 5G tiene como objetivo reducir esto a solo unos pocos milisegundos, lo cual es particularmente importante para aplicaciones en tiempo real, como vehículos autónomos. La tecnología 5G requiere una mayor densidad de torres celulares, especialmente en áreas de alta densidad de población o para cobertura en interiores, debido al rango más corto de las frecuencias más altas. Para resolver este desafío, se utilizan pequeñas torres celulares para aumentar la cobertura y la capacidad.

En comparación con las torres 4G, las 5G incorporan muchas más antenas en una sola torre, conocidas como MIMO Masivo (entrada múltiple, salida múltiple), para mejorar la capacidad y la eficiencia de la red. También utilizan una técnica llamada beamforming, que enfoca la señal inalámbrica en una dirección específica en lugar de transmitir indiscriminadamente en todas las direcciones como las torres celulares 4G. Este enfoque ayuda a mejorar la intensidad de la señal de la torre celular y a disminuir la interferencia.

A pesar de sus diferencias, vale la pena señalar que las tecnologías 4G y 5G no son mutuamente excluyentes. La mayoría de las redes 5G comparten su backhaul y toda la estructura de la red con 4G, y difieren únicamente en la interfaz inalámbrica. Estos tipos de implementaciones generalmente se conocen como redes NSA (no autónomas). La popularidad de las redes NSA se debe en gran parte a que todos los componentes, excepto la estación base, se pueden reutilizar, lo que reduce el costo de construcción de la red. También existen redes autónomas o SA, que podrían ofrecer una mejor capacidad, pero requieren construir desde cero todos los componentes de la red, lo que las hace significativamente más costosas de construir. Como tal, la mayoría de los dispositivos pueden cambiar entre 4G y 5G según lo requieran las redes NSA.

Pruebas de torre celular e infraestructura inalámbrica

La prueba es fundamental para la fiabilidad de la infraestructura de la torre celular, ya que permite la identificación y la rectificación de posibles problemas, lo que garantiza un rendimiento óptimo, un tiempo de funcionamiento continuo y la provisión de una conectividad inalámbrica robusta y sin problemas para los usuarios. La prueba O-RAN, que evalúa el rendimiento y la interoperabilidad de los componentes de la red de acceso de radio abierta, es especialmente crucial para garantizar el funcionamiento perfecto de las redes celulares avanzadas. 

NI en las pruebas de los componentes de la torre celular, ofreciendo soluciones flexibles, escalables y rentables. A medida que las tecnologías inalámbricas avanzan y se vuelven más complejas, particularmente con la aparición de 6G, existe una mayor demanda de soluciones de pruebas innovadoras. NI responde a esta necesidad combinando medidas de RF de alta calidad con su amplia experiencia en pruebas de comunicaciones inalámbricas.

En los últimos tiempos, el cambio de protocolos propietarios a interfaces estándares en la desagregación de los componentes de la estación base ha requerido pruebas y emulaciones especializadas en el ciclo. NI responde a esta demanda ofreciendo estas pruebas especializadas, facilitadas por medidas de RF de alta calidad. Colaborar con NI garantiza soluciones de pruebas robustas basadas en décadas de experiencia en la industria inalámbrica. Aprenda más sobre el desarrollo de infraestructura inalámbrica rápida y conectada.