Tecnología 16/08/2019

La nueva tecnología TVWS en el contexto del uso eficiente del espectro

Por Roberto H. Iglesias

La TVWS, que representa una sistematización del uso de frecuencias vacantes a un grado no ensayado hasta ahora, ofrece aplicaciones comerciales o de interés social que ninguna técnica similar brindaba hasta el momento

La nueva tecnología TVWS en el contexto del uso eficiente del espectro

La tecnología TVWS, consistente en el aprovechamiento de canales “vacíos” de televisión, es la expresión más elaborada en la actualidad del llamado “uso dinámico del espectro”, tal como lo define la coalición internacional de empresas e instituciones que promueve esta modalidad, la Dynamic Spectrum Alliance (DSA). Pero, ¿qué es exactamente el espectro radioeléctrico? ¿Qué sería un “uso dinámico”?

El espectro radioeléctrico es el medio fundamental por el cual viajan las señales electromagnéticas (ondas) que no utilizan conductores físicos. Es decir, las correspondientes a la radio y TV abierta, las radiocomunicaciones (incluida la telefonía celular) y los distintos equipos inalámbricos.

En otras palabras, el espectro funciona como una escala definida por el número de ondas que un transmisor emite por segundo (o que sintoniza un receptor). Para entender el concepto de esas ondas un buen símil son las ondas circulares concéntricas que se forman cuando se arroja una piedra a una superficie de agua.

Las ondas radioeléctricas equivalen a las oscilaciones o ciclos por segundo que genera el transmisor. Sus múltiplos son los kilohertz (kHz) y los megahertz (MHz) (antes “kilociclos” y “megaciclos”). Y hay también gigahertz (GHz). En todos estos casos, estamos refiriéndonos a la frecuencia.

La distancia entre cada onda es la llamada longitud de onda: a mayor frecuencia, menor longitud de onda y viceversa. Por eso se habla, por ejemplo, de muy alta frecuencia (VHF por sus siglas en inglés), que es lo mismo que ondas métricas. O de ultra alta frecuencia (UHF) y ondas decimétricas. O de las ondas milimétricas que empleará la telefonía celular 5G, que es lo mismo que decir extra alta frecuencia (EHF), la porción de espectro que va de 30 a 300 GHz.

Cabe señalar que la banda de radio AM está designada por un modo de transmisión analógico de banda angosta (amplitud modulada), pero en verdad es la banda de frecuencias medias (MF) u “onda media”, ondas hectométricas.

La banda de radio de FM ha sido llamada de esa forma también por un modo de transmisión analógico: la frecuencia modulada, que permite reproducir sonidos en “alta fidelidad” (HiFi se decía hace años recurriendo al inglés; de esta sigla se derivó el moderno WiFi, que significa algo tan distinto como una conexión inalámbrica local de banda ancha). Pero es una región del espectro cercana a la de los canales bajos de TV VHF: es decir que la banda de FM es en realidad la banda VHF de radio por ondas métricas.

La TV ofrece designaciones más apropiadas: los canales 2 al 13 son VHF (ondas métricas) y los que van del 14 al 51 —en Argentina- corresponden a la banda UHF (ondas decimétricas).

En alguna época se usaba intensamente el espectro de alta frecuencia o HF, más popularmente conocido como “onda corta”. Era la radio internacional: cuando no había cable ni TV satelital con ciertos receptores se escuchaban emisoras de todo el mundo, algunas con programas en varios idiomas. Muchos conocen o quizás recuerden, de chicos, cuando en la guerra de Malvinas se buscaba afanosamente sintonizar a la BBC de Londres en “onda corta” para saber qué decían sobre el conflicto. (La primera ministro Margaret Thatcher acusó a la emisora británica de ¡pro argentina! por brindar ambas versiones del conflicto, incluso siendo una emisora pública.)

Tratándose de emisiones de largo alcance, ¿por qué “onda corta”? Porque se la nombraba en oposición a la onda media (es decir, la usada para transmitir localmente, en AM). Y era “onda corta” porque las longitudes de onda eran más cortas que las de AM. Dicho de otra manera: son frecuencias más altas que las de MF/AM/onda media, aunque no tan altas como las VHF o UHF.

Si todo esto parece confuso o muy técnico, podemos limitarnos a decir que el espectro se compone de las diferentes frecuencias y bandas donde operan los transmisores y receptores.

Por ejemplo, Radio Rivadavia emite en 630 kHz, FM 100 lo hace en 99.9 MHz, los aeropuertos en 121.5 MHz y los barcos alrededor de los 160 MHz. La señal de video de Telefe está en 199.25 MHz (canal 11), la policía funciona por debajo de los 470 MHz, un teléfono 4G en 1800 MHz, el WiFi de nuestra casa en la banda de 2.4 GHz, un enlace de microonda digital de Telefónica de Argentina SA irradia en los 4/6 GHz, un canal de DirecTV en 12 GHz y la futura 5G quizás utilice los 20 GHz. (Las ondas electromagnéticas son formas de energía y cuando se avanza en las frecuencias se llega a la “ventana visible” de luz: el color rojo es en realidad una emisión de 430.000 GHz. Si seguimos aumentando la frecuencia —o disminuyendo la longitud de onda— las ondas se convierten en rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma.)

El uso del espectro no sólo requiere una administración eficiente para evitar perturbaciones e interferencias de las distintas fuentes. Su gestión debe tener en cuenta que es un recurso finito, es decir, no hay manera de crear nuevo espectro, de la misma forma que no puede crearse nueva superficie terrestre o más atmósfera.

Cada canal (frecuencia) debe ser asignado por una autoridad para ser usado en una zona geográfica (cobertura definida por la potencia de emisión) y en un tiempo determinado (horario de operación). Si estos tres parámetros se superponen existirá en principio interferencia perjudicial.

Se discute desde siempre la ficción jurídica de si las frecuencias “son propiedad” del Estado y puede hacer lo que quiera con ellas o bien si ese Estado debe “administrarlas” y cederlas a interesados de acuerdo a normas de transparencia y equidad.

También se debate acerca de cómo deben adjudicarse, comprarse, subastarse o transferirse, lo que admite respuestas muy distintas según los casos y las ideologías de cada analista. Los supuestos cambian también si se habla o no de servicios de radiodifusión, en los que se involucran temas de libertad de expresión o de “derecho a la comunicación”.

Sin embargo, y como también ocurre con la tierra, hay maneras de sacarle el mayor provecho posible al espectro existente, el cual -además- no presenta cualidades uniformes: las distintas bandas ofrecen frecuencias con mayores o menores alcances, con mayor o menor degradación o bien con mayor o menor sensibilidad a condiciones atmosféricas o ruidos parásitos. Cada parte del espectro, por lo demás, requiere el empleo de antenas diferentes.

El uso eficiente del espectro implica también recurrir a técnicas de “modulación” perfeccionadas: enviar el máximo de información en el mínimo de tiempo utilizando el menor ancho de banda posible. De este modo se logra ubicar más señales en la cantidad limitada total de espectro. Sin embargo, estos principios no son absolutos y algunos pueden sacrificarse en función de distintos objetivos.

De la modulación analógica (que varía sus características de acuerdo a la información transmitida) se pasó a la digital (que reduce toda la información a un código de impulsos de dos elementos, el cual ofrece robustez, resistencia a la interferencia y al ruido, amplia posibilidad de estandarización; en última instancia, es el lenguaje utilizado por las computadoras).

Luego se desarrollaron otras técnicas: asignar a distintos usuarios el uso de un mismo canal pero por breves periodos de tiempo (milisegundos) de modo tal que ninguno de ellos lo notara pero con la capacidad de mantenerse varias comunicaciones. Esta tecnología fue llamada TDMA.

Otro método era emitir una señal que fuera variando de frecuencia también en fracciones de segundo y a través de una porción amplia de espectro (no una frecuencia fija), utilizándose una secuencia sólo conocida por el transmisor y el receptor. Al seguirse recíprocamente ambas terminales en esos desplazamientos de frecuencia, la comunicación entre ellas será constante. Pero un observador externo causal sólo podrá notar la señal apenas en una milésima de segundo, sin conocer en qué frecuencia aparecerá a continuación.

Esta tecnología, llamada CDMA o espectro ensanchado, se practicó con fines militares en forma limitada desde hace varias décadas y tuvo por objeto antes que nada preservar el secreto de la comunicación: no ya usando la codificación lógica de la información (cifrados, claves) sino ocultando la propia existencia de la señal (al minimizar sus probabilidades de detección debido a los desplazamientos de frecuencia a velocidades ultrarrápidas).

Sin embargo, mucho después se cayó en la cuenta que las modalidades CDMA también permitían acomodar en una porción determinada de espectro (un “canal” muy ensanchado) a múltiples usuarios, muchos más que si se asignaran a cada uno de ellos frecuencias fijas de uso continuo o aún en tiempo compartido. Esto ocurrirá porque los desplazamientos y saltos de frecuencia de las emisiones de cada usuario sólo se interferirán entre sí por periodos imperceptibles.

Constituye un hecho insólito que el principio de la CDMA fuera diseñado durante la Segunda Guerra Mundial por la actriz austriaca Hedy Lamarr y su amigo, un músico de esa nacionalidad.

Ambos pensaron que una señal podía descomponerse de un modo similar al funcionamiento de una cinta de pianola (que activa distintas teclas de ese instrumento musical mecánico). Siendo la actriz y el músico decididos antinazis, ofrecieron su idea a los Aliados para que pudieran teledirigrse torpedos, evitándose la intercepción de la señal-guía por parte del alto mando alemán.

La TDMA y la CDMA dieron origen a los dos grandes estándares de telefonía celular: la primera a la GSM (usada en toda Europa y en partes del continente americano) y la otra al estándar llamado igualmente CDMA (empleado por algunas compañías de los Estados Unidos). Hoy día, la telefonía móvil 4G y la futura 5G utilizan otros estándares de extrema complejidad (OFDM y SCMA), los que son englobados bajo la denominación LTE, que suponen tanto una combinación como superación de los protocolos anteriores.

Como se llega a los “espacios en blanco” del TVWS

La DSA reconoce que la conectividad a Internet es “clave para la inclusión y transformación digital” y que esta última es igualmente crucial para “el crecimiento económico y el desarrollo social”.

Sin embargo, casi la mitad de la población mundial no está conectada y, además, la cobertura es desigual: la “brecha digital” no sólo existe entre  diferentes regiones del mundo, sino también entre las ciudades y las áreas rurales

¿Cómo hacer para cerrar esa brecha? Si hay algún campo en el que parece funcionar plenamente el viejo adagio de los economistas según el cual “las necesidades son ilimitadas y los recursos son escasos” es el del espectro radioeléctrico. La evolución tecnológica, con el uso de dispositivos que crece en progresión geométrica (IoT, telecontrol de vehículos, telemetría, telesalud, 5G), requiere cada vez más y más frecuencias.

La DSA expresa que los “canales en blanco” de TV UHF que nadie utiliza “pueden aprovecharse para proveer Internet banda ancha a bajo costo y conectividad para el IoT, promoviendo la inclusión digital”.

Se trata de ubicar frecuencias libres, pero también de encontrarlas en porciones de espectro que puedan utilizarse en forma económica para lograr los resultados deseados.

Y es que las frecuencias no son todas iguales y tienen distintas características de propagación: esto lo sabe un radioescucha o televidente casual de señales abiertas (si bien los milennials son cada vez más ajenos a ese mundo), quien constata que en la banda de AM a la noche puede sintonizar emisoras de países limítrofes, cosa que no es posible en FM o en TV, a menos que estamos situados en la misma frontera.

Un equipo que use ciertas frecuencias puede ser más barato de construir, instalar u operar que otros. Un sistema celular en 700 MHz requiere menos antenas o potencia de emisión que otro en 20 GHz y, por lo tanto, sus precios de adquisición o costos de uso pueden ser sustancialmente diferentes.

Si se las compara con bandas más altas, las frecuencias de UHF son especialmente adecuadas para la telefonía celular y dispositivos inalámbricos de banda ancha. Ofrecen un mayor alcance y un área de cobertura más extensa, así como una mejor penetración de obstáculos en terrenos difíciles. Es posible también operar sin línea de vista entre transmisor y receptores.

Sin embargo, tales bandas estuvieron atribuidas por acuerdos internacionales esencialmente a la televisión.  En América Latina, el uso del segmento UHF para TV abierta ha sido históricamente escaso en comparación con otros países. Aún con el “apagón analógico” y la conversión a la TV digital terrestre  -que sólo usa la banda UHF- quedarán canales vacantes fuera de las grandes ciudades (La TV analógica exigía dejar un canal libre “de guarda” entre dos situados en una misma ciudad; así, en Buenos Aires se usaron históricamente los números 7, 9, 11 y 13. La única excepción eran los canales 4 y 5, que sí se pueden acomodar en forma contigua, como ocurre en Montevideo. En cambio, en TV digital pueden colocarse todos los canales en forma corrida en una misma localidad, por ejemplo, 22, 23, 24 y 25, lo que puede dejar más canales vacantes en zonas poco pobladas.)

La banda de UHF se inició en los años 50 con 69 canales (14-83), en los 80 se la redujo a 55 canales (14-69), posteriormente en algunos lugares se le sacaron los canales inferiores y se achicó a 48 canales (21-69). Finalmente quedó en varios países americanos con una extensión de 30 canales (21-51).

Estos “rebanamientos” sucesivos buscaban atribuir frecuencias a otros servicios, especialmente la telefonía móvil. En realidad, en todos los casos se trata de un canal menos, ya que el 37 se reserva mundialmente para observaciones radioastronómicas.

Recién en la década del 90 aparecieron en forma generalizada canales de UHF en la región latinoamericana. Hoy día, aun con tales reducciones, es raro encontrar fuera de las grandes ciudades más de media docena de canales abiertos. Esto ocurre tanto por limitaciones de mercado como por razones técnicas, con lo cual existe espectro que claramente se desaprovecha.

La implementación del “uso dinámico del espectro” en su versión TVWS, señala la DSA, permite además “economías de escala mundial, ya que la banda de TV está armonizada a nivel global”.

Sin embargo, persisten algunos obstáculos regulatorios. Desde hace un siglo, los acuerdos internacionales han establecido un sistema de atribución relativamente rígido del espectro. La Unión Internacional de las Telecomunicaciones (UIT) divide al espectro en bandas que están reservadas a distintos servicios: radiodifusión, aeronáuticos, marítimos, móviles terrestres (hoy esencialmente telefonía celular), aplicaciones industriales/científicas/médicas (usadas intensivamente en la actualidad para el WiFi) y varios otros.

Generalmente, en una banda donde funciona un servicio no se puede inmiscuir otro. Pero hay excepciones limitadas, ya que la propia UIT ha desarrollado el concepto de atribuciones primarias y secundarias. Algunos países, por su parte, han formulado reservas a esos acuerdos internacionales para desarrollar usos especiales de algunas bandas.

Es cierto que varias veces se ha modificado el uso de una banda de un servicio en favor de otro (ya vimos cómo se recortó la TV UHF para permitir la telefonía celular; en la propia Argentina se desarrolló hace tres años el llamado refarming de bandas para posibilitar el 4G en bandas originalmente atribuidas a otros servicios).

Sin embargo, hasta ahora es muy raro que se admita una compartición de servicios radicalmente diferentes, no obstante que en países como Rusia y China —a contramano de las normas de la UIT— los oyentes pueden toparse con señales Morse de radiofaros aeronáuticos mientras buscan una radiodifusora con noticias o música.

Pero a la luz de conceptos como el “uso dinámico del espectro” puede ser que rusos y chinos tuvieran razón. La UIT debería cambiar el criterio histórico que tendía a limitar la compartición de servicios distintos en una misma banda para que se puedan llevar adelante plenamente tecnologías como la TVWS.

Por las dudas, la DSA aclara que la tecnología TVWS puede ser implementada ya mismo “si es consistente con el Reglamento de Radiocomunicaciones” de la UIT, que es revisado usualmente cada 3 o 4 años.

En términos operacionales, la clave para el funcionamiento de la TVWS reside en una base de datos actualizada y automatizada que reciba la información de geolocalización de un dispositivo y que asigne la frecuencia en la que éste último debe transmitir en cada caso. En dicha base de datos figurarán desde los operadores de TV abierta hasta las bandas locales de micrófonos inalámbricos, de modo tal que los canales correspondientes no sean asignados y, por lo tanto, se eviten interferencias o interacciones perjudiciales entre transmisores y equipos.

Sin embargo, como se señaló anteriormente, algunos países han logrado implantar el sistema sin contar con una base de datos “automatizada” de registros de frecuencia.

Incluso en ciertas naciones del tercer mundo, donde los registros de frecuencia están desactualizados o hay una intensa actividad no autorizada, la existencia de grandes porciones de espectro “en blanco” facilita por el momento un uso “manual” del sistema, aún sin la información adecuada. Es claro que en las zonas rurales de Mozambique o Burkina Faso no existe una veintena de canales abiertos de TV UHF, como en Nueva York o Los Angeles.

Para la DSA la tecnología TVWS “está probada” en distintas naciones, con marcos regulatorios vigentes, estándares establecidos, equipos disponibles y homologados y varias implementaciones comerciales en marcha.

Como usos prácticos, la DSA menciona sistemas de banda ancha rural, redes comunitarias,  un “súper WiFi” (redes MAN), comunicaciones de emergencia y desarrollos de IoT. Esto permite promover “modelos de negocio innovadores”, según la DSA, a lo que puede agregarse que tales modelos no tienen por qué estar reñidos con usos sociales o comunitarios.

En realidad las técnicas de uso de “espectro en blanco” como las que plantea la TVWS no son estrictamente nuevas. El ya comentado CDMA podría considerase una especie de antecedente, ya que no requiere el empleo de una frecuencia precisa (aunque use rangos-límites).

Los subtítulos ocultos o close caption de la televisión (implementados en los Estados Unidos a partir de los años 70 y en la Argentina desde hace dos décadas y todavía de manera deficiente) utilizan una tecnología de nombre similar: el vertical blanking interval, datos que se insertan en “blancos” (de tiempo) en la portadora de video.

Los primeros micrófonos sin cables operaban en frecuencias de FM cuando esa banda estaba menos poblada y las principales radiodifusoras operaban en AM (algunos de esos micrófonos emplean aun frecuencias de TV UHF).

Habrá quienes recuerden aun los primeros teléfonos (fijos) inalámbricos, que emitían sin encriptación en la porción superior de ¡AM! (hasta 1700-1800 kHz), lo que daba lugar a escuchar descargas atmosféricas en el auricular del aparato cuando había tormentas. Y mucho peor era cuando exponían conversaciones privadas a vecinos indiscretos que oían radio en esa banda.

Desde hace años, asimismo, existe un método de comunicación militar denominado Automatic Link Establishment (ALE).

Dos equipos inteligentes en lugares distantes exploran todas las frecuencias hasta encontrar ambos —en forma coincidente— un canal libre y que ofrezca condiciones adecuadas de propagación, generándose así el correspondiente enlace.

De todas maneras, la TVWS representa una sistematización del concepto de uso de frecuencias vacantes a un grado no ensayado hasta ahora. Y que ofrece aplicaciones comerciales o de interés social que ninguna técnica similar brindaba hasta el momento.