Tecnología y Sociedad Sobre la "eficacia" y la "eficiencia en la utilización del espectro radioeléctrico -------------------------------------------------------------------------------- 1.- La Ley General de Telecomunicaciones y algunas disposiciones de desarrollo de la misma aprobadas en España el pasado año, se refieren en algunos apartados al uso "eficaz" del espectro radioeléctrico, en otros al uso "eficiente" del mismo, no faltando alguno en que ambos términos aparecen unidos Tal es el caso de la O.M. 22-09-98 en la que se dice que, para determinadas condiciones especificas a imponer a los titulares de licencias individuales, se valorará "e/ uso eficaz y eficiente del espectro radioeléctrico". Además de la citada, existen otras referencias en estas disposiciones en las que seria muy deseable la precisión del término utilizado para calificar el uso del espectro, ya que afectan a elementos muy concretos del interés del público. Por ejemplo, a la valoración de uno de los parámetros (C4) que se utilizan para fijar el importe de la tasa anual por reserva del dominio público radioeléctrico (O.M. citada, Anexo 11). Allí se dice que se favorecerán "las tecnologías o sistemas que hacen un uso más eficaz del espectro respecto a otras tecnologías", añadiendo después aclaraciones relativas a diferentes métodos de modulación y acceso (aclaraciones que, en nuestra opinión, como después se verá, corresponden más al concepto "eficiencia" que al de "eficacia"). En las versiones en idioma español de los textos de la U.l.T., comenzando por su propia Constitución (n 196) y continuando por el Reglamento de Radiocomunicaciones y las Recomendaciones del Sector UIT-R (antes CCIR), se utiliza el término "eficaz" ("effcient’, en idioma inglés), tanto cuando se hace referencia a la utilización del espectro como cuando se trata de calificar una buena gestión del mismo. En cambio, la versión española del "Libro verde sobre politice en materia de espectro radioeléctrico", publicado recientemente por la Comisión de las Comunidades Europeas, se refiere frecuentemente a la "utilización eficiente de las radiofrecuencias", a "las tecnologías más eficientes", etc. No utiliza el término "eficaz" y reconoce que el concepto "uso eficiente" admite diversas interpretaciones. 2.- De lo expuesto en el punto anterior parece deducirse que los términos "eficacia" y "eficiencia", o sus correspondientes adjetivos "eficaz" y "eficiente", son considerados como equivalentes en el idioma español, cuando se utilizan en este campo de las comunicaciones radioeléctricas. En nuestra opinión, sin embargo, el concepto de "eficacia" de una acción, de un proceso, de una actividad, de un sistema, etc., se refiere al grado en que se consiguen los objetivos perseguidos, mientras que el concepto y término "eficiencia" se refiere al grado en que los medios utilizados en tal proceso son aprovechados para obtener de ellos el mayor rendimiento posible. Aplicado al campo de las radiocomunicaciones, el término "eficaz" se acomoda bien para aplicarlo a los casos en los que el enlace cumple con lo deseado. No pueden ser "eficaces", por ejemplo: la aplicación de HF para transmisiones de TV o para el servicio móvil terrestre en ambiente urbano ruidoso, el uso de ondas milimétricas para radioenlaces entre puntos fijos situados a cientos de kilómetros, la utilización de frecuencias compartidas con servicios móviles para servicios de radioastronomía, etc. Las características técnicas de las diferentes bandas determinan el grado de adecuación para los servicios y sistemas de radio. Será eficaz - aunque puede no ser eficiente - la utilización de una sola frecuencia, en un sistema radiotelefónico operando en simplex, que permita a todos los vehículos de una flota de un servicio de seguridad, escuchar todos los mensajes que se cursen1. El término "eficaz" también es aplicable correctamente para calificar las actividades de gestión del espectro de manera que la expresión "gestión eficaz" del espectro se utilizará para alabar los buenos resultados de tal gestión. En el idioma español, el término "eficiencia" como sinónimo de "rendimiento", deberla haberse utilizado ya en los primeros textos de la UIT, cuando se manifestó por primera vez la escasez de espectro, es decir, cuando el número posible de comunicaciones en una banda de frecuencias atribuida al correspondiente servicio, resultó menor que el deseado por la demanda social. Un ejemplo ilustrativo se dio en el servicio móvil marítimo radiotelefónico. La duplicación del número de canales que se obtenla simplemente al reducir a la mitad la anchura de cada uno de ellos (pasando de DBL a BLU), se consiguió al cabo de un periodo de varios años, periodo necesario para la adaptación de los equipos instalados en los miles de barcos afectados. Un proceso parecido tuvo lugar más tarde en los enlaces radioeléctricos del servicio móvil terrestre en FM. La anchura de canal - separación entre portadoras de canales adyacentes - pasó de 50 kHz., a 25 kHz., a 12’5 kHz...obteniéndose así un número de canales superior dentro de la banda atribuida al servicio. La eficiencia en el uso del espectro aumentó, mejoró. También se iniciaron procesos semejantes en otros servicios - por ejemplo, probando los efectos sobre la recepción de las emisiones de radiodifusión sonora con modulación de amplitud en BLU en onda media -, aunque el desarrollo de la tecnología, en este caso las emisiones en FM en VHF, más eficaces para transmitir música de calidad, frenaron y paralizaron tal iniciativa, que conllevaba un alto coste económico-social. Pero estaba así consolidándose ya mundialmente, la importancia de la "eficiencia" en la administración, gestión y uso del espectro y el valor económico de este recurso natural escaso. 3.- Cuando ahora, al finalizar el siglo XX, las radiocomunicaciones han mostrado su enorme valor para desarrollar nuevas modalidades de servicios y para ayudar en la implantación de escenarios de competitividad entre operadores de servicios de Telecomunicación, la eficiencia de nuevas tecnologías, de nuevos productos, sistemas, redes radioeléctricas, etc. es objeto de propaganda comercial directa o de análisis, a veces no imparciales, en revistas técnicas. Es frecuente ver el interés en destacar la gran eficiencia de un producto, a veces referenciada como superior capacidad de circuitos o de abonados. Menos clara suele aparecer la descripción del escenario en que tal eficiencia o capacidad aparece, sobre todo si se trata de comparar entre si diferentes tecnologías, tipos de modulación o de acceso, características geográficas o demográficas de la zona, distribución de los usuarios o abonados, etc. El defensor de un producto, naturalmente, suele elegir el escenario más favorable a sus intereses. Según antes se ha dicho, se entiende aquí por eficiencia en el uso del espectro, de una manera general, el rendimiento o grado de aprovechamiento que se obtiene al utilizar dicho recurso. Es decir, la relación entre la cantidad de información transferida y la porción de espectro utilizada. En las aproximaciones técnicas a la cuestión, que se van a exponer a continuación, se deja fuera del análisis la valoración económico-social del contenido de la información. Eso forma parte, quizás, del proceso de "atribución" de bandas a los servicios. Sin duda, y así lo reconoce el Libro Verde de la U.E., la "eficiencia" en el uso del espectro en su acepción más amplia, deberla tener en cuenta el valor del contenido de la información, de forma que a cada servicio, a cada utilización, le sea atribuida la porción de espectro justa y apropiada a su valor económico, social o incluso politice, variable con la época y circunstancias, intentando que la oferta y la demanda de espectro resulten equilibradas. Así ha sido y sigue siendo en el proceso de actualización del cuadro internacional de atribución de frecuencias. En dicho proceso, valorar la "eficiencia" en la utilización del espectro equivale a tratar de "aprovechar" este recurso de una manera racional para satisfacer necesidades de la sociedad humana: La cesión de bandas, por parte de otros servicios, a favor del desarrollo de los servicios móviles, las atribuciones para el futuro sistema universal (IMT-2000) la previsible ampliación de la banda DECT en Europa, la redistribución y reubicación de usuarios, incluidos los ajenos a los operadores públicos - Defensa, seguridad, investigación, etc. -, son ejemplos de esta actualización de los cuadros de atribución de frecuencias, cuyo objetivo es la mejora de la "eficiencia social" del espectro. 4.- Limitando pues aquí la cuestión a sus aspectos técnicos, se intenta precisar el concepto de eficiencia y la manera objetiva de medirlo, cuando ello sea posible. 4.1.- Eficiencia espectral en la modulación. Se llamará así al rendimiento obtenido en el proceso de modificar alguna de las características técnicas de una portadora, de acuerdo a las características de la señal que representa la información. En el caso de modulaciones analógicas, tal rendimiento se medirá por la relación entre la anchura de banda de la señal moduladora (DBm) y la anchura de banda de la señal modulada (DBr), es decir, relación entre información transmitida y espectro radioeléctrico utilizado: h = DBm / DBr. Es obvio que esta expresión tiene como valor máximo la unidad, que corresponde al caso de modulación BLU. En las modulaciones digitales la eficiencia del proceso habrá de medirse en unidades diferentes tal como la relación (bit/seg.) / (DBr). En este tipo de modulación el valor de h depende, entre otros factores, del número de estados significativos que se utilicen en la señal modulada (n) ya que el factor log2n aparece como determinante, de modo que la eficiencia así definida puede llegar a valores de varias unidades, cuando n sea un número grande, por ejemplo, 256. Naturalmente, cuando la información base es analógica, tal como en el caso de señales de TV, esta información ha de ser previamente digitalizada y la conversión analógico/digital, además de los procesos que se realicen con la señal, termina por originar una relación en DBm/DBr que variará grandemente según el tratamiento que se de en el proceso A/D y la calidad que se exija a la transmisión. Como ejemplo anecdótico, pero ilustrativo, en las transmisiones vía radioenlaces digitales de TV de los Juegos Olímpicos de Barcelona 1992, se comenzó la transmisión de señales TV a través de radioenlaces a 34 Mbit/s. La calidad exigida, en especial en aquellos deportes en los que la definición de imagen era muy rigurosa, obligó al segundo día de las competiciones a cambiar la velocidad de transmisión para pasar a la entonces ya consolidada de 140 Mbit/s. Es un ejemplo en el que la "eficacia" (ª suficientemente buena calidad final en los receptores de TV) obligó a sacrificar la "eficiencia" (ªnúmero de programas transmitidos en un radiocanal de anchura de banda fijada). 4.2.- Eficiencia espectral en el acceso. En aquellas utilizaciones en que, bien uno o varios canales radioeléctricos, bien la portadora más anchura de banda asociada, bien los intervalos de tiempo correspondientes a un enlace, etc. han de ser compartidos por varios usuarios que "acceden" a esos canales compartiéndolos con otros, aparece claro el concepto de eficiencia como equivalente al de capacidad, es decir, número de utilizadores que pueden compartirlos. Obviamente, el riesgo de encontrar ocupados todos los canales del sistema (bloqueo) es un precio que ha de pagarse, una vez que se ha fijado y aceptado su valor. Así surgieron los sistemas troncales (concentración de enlaces) en las redes radiotelefónicas privadas del servicio móvil, extendiendo así al campo de la radio, conceptos clásicos en la telecomunicación por cables. Asimismo, los sistemas de acceso múltiple en el servicio fijo por satélite y en los radioenlaces del servicio fijo. En todos ellos, sea la frecuencia, el tiempo o una codificación (CDMA) lo que califica el enlace, el acceso múltiple permite elevar la capacidad por ancho de banda (eficiencia en el uso del espectro), dado que el tráfico total que la banda utilizada es capaz de evacuar es muy superior al que en el caso de que cada enlace estuviera asociado aun canal de manera exclusiva y fija. La fórmulas Erlang B y C, según el tipo de operación que se fije, establecen matemáticamente el tráfico asociado a un número determinado de canales cuando se fija la probabilidad de bloqueo (GOS o grado de servicio del sistema). Dicho tráfico está relacionado directamente con el número de usuarios o abonados cuando se sabe el tráfico de cada uno de ellos. De forma resumida, la eficiencia espectral en el acceso de un sistema de concentración de enlaces puede medirse y expresarse como la relación entre el tráfico evacuado y el ancho de banda consumido. El tráfico viene dado por la fórmula B-1, ó C-1 (N,p) y la eficiencia espectral por la expresión B-1 ó C-1 (N,p) / DB, en la que DB es la medida del espectro utilizado (anchura de banda), siendo B-1, ó C-1 las fórmulas Erlang inversas (según se trate de sistemas de llamadas en espera o de llamadas perdidas); N = n de canales que se ofrecen a todos los usuarios y p la probabilidad de bloqueo (grado de servicio). Esta misma teoría es aplicable al caso de radioenlaces del servicio fijo puntomultipunto destinados a concentrar, por ejemplo, el tráfico de abonados al servicio telefónico básico con bucle radioeléctrico, en un sistema de acceso múltiple por división en el tiempo, compartiendo, por ejemplo, los 2 Mbit/s (o los 2 MHz de ancho de banda ocupados), divididos en 32 canales vocales que ofrecen los sistemas TDMA disponibles hoy comercialmente. 4.3.- Eficiencia espectral en sistemas celulares. El principio de los sistemas celulares es la reutilización de las frecuencias, en diversos emplazamientos, a la hora de cubrir una zona geográfica determinada. Cada estación base tiene una zona de cobertura (celda) y un conjunto de estas celdas da lugar a una agrupación o racimo. Las frecuencias de que se dispone en la planificación de la red, se utilizan todas en un racimo, distribuidas en grupos, uno por cada celda. Las frecuencias utilizadas en una determinada celda se reutilizan en otra celda situada a la distancia apropiada para que la relación portadora deseada a portadora cocanal de la celda que la reutiliza sea aceptable. En una red como la descrita, el valor de la eficiencia espectral es la relación tráfico total en la red a espectro ocupado en la zona y puede expresarse como número de abonados partido por unidades de reserva radioeléctricas consumidas, es decir: N abonados / (S•DB), donde S es la superficie de la zona de servicio (que suponemos igual a la zona de cobertura de la red) y DB la anchura total de la banda de frecuencias concedida a la red. Si se llama c a la superficie geográfica de cada celda y n al número de celdas por racimo, se comprueban las siguientes relaciones: factor de repetición de las frecuencias = n de veces que se reutiliza una frecuencia = n de agrupaciones en la zona = superficie total de la zona / superficie de la agrupación = S/(n•c). Es claro que la eficiencia en el uso del espectro aumentará con el factor de reutilización, es decir, al disminuir c (tamaño de la celda) o al disminuir n (n de celdas en la estructura de la agrupación: 3, 7, 12...). Conviene, pues, para aumentar la eficiencia, disminuir el tamaño de la celda o admitir una relación de protección cocanal menor, consecuencia natural si se disminuye n. Estas ideas elementales se desarrollan cada día más, en los sistemas y redes comerciales, perfeccionando en la práctica los diferentes factores involucrados: tipos de modulación que permiten menores relaciones señal deseada-señal interferente, estructuras de las estaciones bases diferentes, con antenas con directividad adaptativa, técnicas de acceso combinadas con técnicas de modulación, etc., todo lo cual - en conjunto - permite una utilización del espectro cada vez más eficiente. 5.- De los puntos anteriores, se desprende fácilmente que la valoración objetiva de la eficiencia en el uso del espectro ha de hacerse en términos de comparación entre tecnologías, sistemas o servicios que sean similares. De conformidad con el actual estado de la cuestión, en los trabajos de la UIT (Rec. ITU-R SM 856-1, Rec. ITU-R SM 1046-1 y otras), el concepto de eficiencia relativa permite comparar directamente la eficiencia espectral de dos tipos similares de sistemas de radio que suministren el mismo servicio2. Confiamos en que estos comentarios puedan ser de utilidad para los interesados, ya sea en una eventual posición española ante las ideas que sobre politice en materia de espectro se incluyen en el Libro Verde de la (en especial las relativas al valor económico del espectro, formas de administrarlo frente a concesionarios de licencias, etc.), ya sea en la valoración que, según las disposiciones vigentes actualmente en España, ha de hacerse de la eficiencia en el uso del espectro, tanto a la hora de atender solicitudes de licencias radioeléctricas, como de fijar y actualizar el importe de las tasas por uso de este recurso natural, considerado en nuestro país como dominio público. -------------------------------------------------------------------------------- 1La menor eficiencia frente a la operación a dos frecuencias, procede de las limitaciones que implica la utilización de la misma frecuencia por la estación base y los móviles. 2Se entiende por eficiencia espectral relativa el resultado de comparar la eficiencia de un sistema real con la de un modelo estándar fiado -------------------------------------------------------------------------------- Juan de la Calle García Doctor Ingeniero de Telecomunicación Profesor Ad Honorem de la Universidad Politécnica de Madrid Dpto. SSR de la ETSIT
