Cómo la IA está liberando espacio en el espectro radioeléctrico en ondas saturadas

El reparto dinámico del espectro permite que distintas tecnologías compartan frecuencias sin interferirse. Ahora, la inteligencia artificial podría hacer ese sistema mucho más eficiente. El espectro radioeléctrico está detrás de casi todas nuestras comunicaciones inalámbricas. Cada vez que haces una llamada, ves un video o te conectas al Wi-Fi, tu dispositivo manda y recibe señales invisibles por el aire. Lo mismo hacen el monitor del bebé, el control del portón, el GPS y los satélites que vigilan el clima. También lo utilizan los radares que mantienen a los aviones separados. Todos dependen del mismo recurso invisible: el espectro radioeléctrico.

La demanda de datos inalámbricos, empujada por los smartphones y la conectividad móvil, el video en streaming y miles de millones de dispositivos conectados, no deja de crecer. Eso vuelve cada vez más escaso el espectro disponible. Pero no tiene por qué seguir así. Como ingeniera eléctrica dedicada a las comunicaciones inalámbricas, formo parte de un campo de investigación que trabaja justo en ese cuello de botella.

La solución que ingenieros y reguladores han venido desarrollando se llama reparto dinámico del espectro. La idea de fondo es simple: en lugar de reservar una porción del espectro en exclusiva para un solo usuario para siempre, varios pueden compartir las mismas frecuencias. Para hacerlo, necesitan reglas claras que eviten que sus señales se interfieran.

Cómo funciona el espectro radioeléctrico

El espectro radioeléctrico forma parte del espectro electromagnético y comprende las ondas de radio, incluidas las microondas. Según la Unión Internacional de Telecomunicaciones, las ondas radioeléctricas son ondas electromagnéticas con frecuencias inferiores a 3,000 GHz que se propagan por el espacio sin una guía artificial. Puedes imaginarlo como una enorme colección de carreteras invisibles. Cada una corre a una frecuencia diferente y lleva señales por el aire. La televisión, el control de tráfico aéreo, los celulares y la observación de estrellas lejanas utilizan distintas partes de esa misma red de caminos. Esas carreteras abarcan un rango enorme. Van desde frecuencias muy bajas usadas para comunicación con submarinos hasta bandas extremadamente altas cercanas al infrarrojo.

Las frecuencias más altas suelen permitir canales más anchos y transportar más datos. Sin embargo, generalmente cubren distancias menores y tienen más dificultades para atravesar obstáculos. Como por pura física hay una cantidad limitada de espectro, los gobiernos lo han administrado históricamente mediante licencias exclusivas. Es decir, dedican ciertas carreteras a determinados usuarios y mantienen al resto fuera. El sistema funcionó bastante bien durante décadas, sobre todo porque la red alcanzaba para la demanda. Pero investigaciones sobre el uso real del espectro encontraron algo importante: algunas bandas licenciadas pueden permanecer ociosas dependiendo del lugar y el momento. Un sistema de radar militar, por ejemplo, puede operar solo en ciertos lugares y durante determinados periodos. La demanda creciente ha dejado algunos de esos caminos embotellados mientras otros, justo al lado, están prácticamente vacíos.

Control de tráfico para las ondas

Para que el reparto dinámico funcione se necesitan radios más flexibles que los aparatos de frecuencia fija del pasado. Los smartphones y dispositivos inalámbricos de hoy se construyen cada vez más sobre tecnología de radio definida por software, lo que significa que las frecuencias en las que operan pueden ajustarse mediante software en lugar de quedar clavadas en el hardware. Piénsalo como un coche que puede cambiarse de carril automáticamente en vez de quedarse atrapado en uno para siempre.

Los primeros investigadores llamaron a esa visión radio cognitiva: la idea de un radio capaz de percibir su entorno y adaptarse. Esa flexibilidad abre la puerta a un esquema de capas. En lo más alto de la jerarquía están los usuarios primarios ya establecidos, los que tienen derechos sobre una frecuencia, como los militares o los concesionarios de radiodifusión. Debajo, otros usuarios secundarios pueden entrar al mismo espectro cuando y donde los primarios no lo estén usando, y hacerse a un lado automáticamente en el momento en que el primario regrese.

Una versión más cotidiana de este reparto ya existe en las frecuencias de Wi-Fi que usas en casa. Varios aparatos , tu laptop, tu teléfono, tu tele, comparten el mismo espectro sin que una autoridad central le asigne a cada uno un lugar fijo. Lo hacen detectando brevemente si el canal está ocupado antes de transmitir y ajustando su funcionamiento según qué tan saturado esté todo. El protocolo se parece a unos conductores en un cruce de cuatro altos: reglas que funcionan casi siempre sin que nadie dirija personalmente el tráfico.

Un ejemplo importante de reparto dinámico en Estados Unidos es el Citizens Broadband Radio Service (CBRS), que opera en la banda de 3.5 GHz. La Comisión Federal de Comunicaciones creó un sistema de acceso de tres niveles para compartir esta banda. Los usuarios preexistentes, principalmente sistemas de radar del Departamento de Defensa, están hasta arriba. Las empresas y organizaciones con licencias de acceso prioritario están en medio. Y los usuarios de acceso general pueden utilizar el espectro disponible bajo las reglas del sistema.

Un sistema automatizado de cómputo, conocido como Spectrum Access System (SAS), funciona como controlador de tráfico: coordina el acceso a las frecuencias y protege a los usuarios prioritarios. Sensores especializados pueden detectar la actividad de los radares y hacer que el sistema modifique automáticamente el acceso de otros dispositivos para evitar interferencias. NTIA explica aquí cómo funciona este sistema de detección y coordinación.

Cuando las frecuencias no están siendo utilizadas por las operaciones protegidas en una zona, hospitales, fábricas, almacenes, campus y otros usuarios pueden aprovecharlas para sus propias redes inalámbricas.

El modelo ya opera a una escala considerable. A finales de 2023, más de 1,000 operadores utilizaban alrededor de 370,000 transmisores CBRS activos en Estados Unidos, según datos de la National Telecommunications and Information Administration (NTIA).

Cómo esquivar la interferencia

El mayor obstáculo técnico del reparto de espectro es la interferencia: lo que pasa cuando dos señales se enciman y se revuelven, como dos personas gritándote cosas distintas al oído al mismo tiempo. Conforme más dispositivos se amontonan en el aire, cada uno con niveles de potencia y necesidades de ancho de banda distintos, evitar que las señales choquen se vuelve cada vez más complejo. Mi laboratorio y otros grupos de investigación estamos recurriendo ahora a la inteligencia artificial aplicada a las telecomunicaciones.

La IA puede aprender de la experiencia y adaptarse en tiempo real a condiciones cambiantes, decidiendo quién transmite, cuándo y a qué potencia, de maneras que los sistemas basados únicamente en reglas no podían. Investigaciones recientes sobre IA y aprendizaje automático en redes inalámbricas exploran precisamente su uso para optimizar recursos, gestionar interferencias y hacer más eficiente el acceso dinámico al espectro. Al mismo tiempo están apareciendo nuevos retos, como el de los satélites y las nuevas redes de internet espacial que cada vez más necesitan compartir frecuencias con redes terrestres.

La forma en que se administra el espectro radioeléctrico puede no parecer un tema de sobremesa, pero moldea todo: desde qué tan rápido carga un video en tu teléfono hasta si una fábrica puede automatizar su piso de producción o qué tan confiable es el internet de una escuela rural. Las tecnologías inalámbricas del futuro, incluidas las que conectan coches autónomos y hacen posible la cirugía a distancia, van a depender de tener suficiente espectro. El reparto dinámico es una forma de hacerle lugar a todo eso sin desmantelar los sistemas que ya existen. Las ondas son finitas. Pero con una administración más inteligente pueden dar mucho más de lo que alguna vez se creyó posible.