Optimización de redes de comunicación por cable, un enfoque multiobjetivo

El sector de las telecomunicaciones

DINAMICA DE EVOLUCIÓN DEL

SECTOR

EL MARCO REGULATORIO

LA EVOLUCIÓN DE LOS ÚLTIMOS

AÑOS

Las telecomunicaciones han experimentado en la década analizada cambios notables hacia una situación de mercado y competencia. Las reestructuraciones de la industria y de los agentes básicos no siempre han sido fáciles.

Cuando se habla del sector de las telecomunicaciones cada día es más difícil diferenciar el objeto que se encuentra detrás de este concepto. La delimitación conceptual se hace por momentos difusa debido a que este sector se encuentra inmerso en uno de los campos más dinámicos de la sociedad actual como es todo lo relacionado con las tecnologías para la información, concepto en el que se engloban todas aquellas actividades económicas y sociales que tienen que ver con el uso e intercambio de información. Es el llamado hipersector de la información.

Dentro de este hipersector, el sector de las telecomunicaciones tiene sus propias pautas de comportamiento y unas características diferenciadoras con el resto de las actividades económicas y sociales. Es, sin lugar a dudas, la herramienta que ha permitido que los avances de la informática hayan adquirido un carácter de ubicuidad y juntos nos planteen un futuro que será multimedia o no será. Sin embargo, la confluencia con los otros dos sectores, informática y audiovisual, y el hecho de que se trata de un sector emergente en proceso de reconfiguración, no impiden que se pueda diferenciar un conjunto de agentes que conforman una suerte de modelo general del sector que puede permitir analizar de forma más ordenada las leyes que rigen la dinámica de su evolución (1).

Se pueden destacar cinco agentes principales, agrupados en dos niveles diferenciados entre sí: regulación y operación. Este doble nivel es, como veremos más adelante, uno de los principales argumentos de los cambios regulatorios operados en el sector. Los cinco agentes son, pues, los siguientes: 1) Operadores de red; 2) Industria de equipos, terminales y soporte lógico; 3) Proveedores de servicios; 4) Usuarios; y 5) Instituciones reguladoras.

Antes, la industria de equipos y terminales se relacionaba casi exclusivamente con los operadores de red, y éstos actuaban como proveedores de servicios que eran los que finalmente se relacionaban con los usuarios. Para ser más claros, en el caso de España, hasta hace poco Telefónica, por su situación de monopolio, era la propietaria de la red y la que comercializaba los servicios, el servicio telefónico fundamentalmente. De igual forma, el Ministerio de Transportes comercializaba y operaba el servicio télex. Los suministros de equipos para las redes provenían en su mayoría de una industria con fuertes lazos empresariales con el operador, Telefónica. Esta situación globalmente definía una estructura en la que la fuerza impulsora era la capacidad de la oferta para extender los servicios frente a las demandas de los mismos. Era, en definitiva, un sistema que se caracterizaba -y esto es válido a nivel mundial- por monopolios en la explotación de los servicios, mercados cautivos en la provisión de equipos, y la consideración como un todo de la red, los servicios y los terminales necesarios para el acceso a los mismos.

La situación ha cambiando muy rápidamente y el crecimiento de actividades y del número de participantes establece distintos ámbitos de actuación para instituciones de carácter público y privado, locales, regionales y nacionales y crea oportunidades industriales con potencialidad para conseguir importantes impactos socioeconómicos en cualquier ámbito geográfico. Todos los elementos anteriores configuran un sector radicalmente distinto de épocas anteriores, en el que los servicios de telecomunicación forman un elemento indispensable para la integración comarcal, el tejido económico y social, la productividad y competitividad de una economía determinada, y en definitiva para la cohesión social y la calidad de vida del hombre de finales del siglo XX.

Ahora prácticamente se dan todas las relaciones posibles, incrementándose de manera notable el número de agentes que se relacionan con los usuarios. Asimismo, por la misma evolución del sector, seguramente en unos años los papeles de operadores, proveedores de servicios e industria de equipos se vean intercambiados o redistribuidos. Lo que está claro es que el gran reto de cara al futuro de las telecomunicaciones consiste en conseguir la perfecta adaptación entre el proceso de cambio del sector, con todas sus implicaciones, y las demandas de sus agentes. En cómo sintonizar estos dos procesos se encuentran la mayor parte de las controversias que están afectando al sector en la actualidad en todo el mundo.

DINAMICA DE EVOLUCIÓN DEL SECTOR

Uno de los fenómenos más característicos de la evolución del sector de las telecomunicaciones en los últimos años es lo que se denomina frecuentemente «expansión del sector». Detrás de este concepto se encuentra la mayoría de las causas que están motivando los cambios recientes, y originando que en la actualidad el sector constituya uno de los soportes básicos de la sociedad futura, como veremos más adelante. El concepto de expansión del sector surge por un proceso de convergencia de múltiples factores económicos, tecnológicos, institucionales y sociales que, sin embargo, se pueden concretar en tres fundamentales:

– La internacionalización de la economía.

– La evolución tecnológica.

– Los procesos de desregulación acometidos en los principales mercados.

En primer lugar, el creciente uso de la información en cualquier actividad económica como un factor de producción más y el aumento de la interconexión entre los agentes y países han hecho que las estrategias en los mercados tengan una consideración de globalidad con límites geográficos de orden internacional. Dentro de este contexto las nuevas actividades empresariales necesitan estar fuertemente apoyadas en los servicios de telecomunicación y éstos a su vez potencian la posibilidad de los agentes económicos para mejorar su competitividad dentro de la sociedad de la información. Es un proceso que se realimenta y que está produciendo la constante actualización del equilibrio entre demanda y oferta de los servicios.

Por otro lado, la evolución tecnológica ha jugado un papel fundamental para que tanto la informática como las telecomunicaciones hayan avanzado a ritmos vertiginosos y casi incontrolados. Los servicios y sus medios de transporte se han ido superando en progresión geométrica desde la creación de la telegrafía. Hasta los primeros años 80 se manifiesta el predominio de los servicios tradicionales, la propia telegrafía, el télex y la telefonía básica, con una clara adecuación de las redes al tipo de servicio soportado. Quizás se pueda hablar como paradigma de la separación entre las redes y los servicios la aparición del facsímil, que, aunque conocido desde mucho antes, su verdadero crecimiento se produce en los años 80.

Algunos expertos sitúan en 1979, con la celebración de la tercera edición de la Exposición Mundial de Telecomunicaciones (TELECOM’79) en Ginebra,el punto de inflexión para el establecimiento de la aplicabilidad de unas tecnologías hasta ese momento lejanas a los usuarios. Entre los principales factores tecnológicos de este proceso evolutivo cabe señalar:

– La microelectrónica, que ha permitido la reducción de costes, tamaños y consumo de energía a la vez que la capacidad de almacenamiento y tratamiento de la información han aumentado exponencialmente.

– La digitalización (2) de las señales a transmitir ha permitido aprovechar los avances de la microelectrónica y conseguir con ello transmitir y recibir mayor cantidad de información, mejorar las calidades y reducir los tiempos de respuesta.

– La utilización de nuevos medios y soportes de transmisión en los equipos y redes, como la fibra óptica (3), los satélites (4) y las comunicaciones por radio, han supuesto importantes ventajas como la capacidad de transmitir más señales a la vez, mejor calidad y mejores condiciones de costes.

– Todo lo anterior ha permitido el aumento de la inteligencia de las redes y equipos y, con ello, la capacidad de gestión, optimización de los recursos y la posibilidad de ofrecer más y mejores servicios.

En tercer lugar, lo que hace no muchos años era un sector muy estable en el que las reglas del juego estaban fijadas prácticamente desde principios de siglo, y pocas eran las novedades, se ha convertido en un efervescente y continuo proceso de adaptación reglamentaria. Efectivamente, la organización del sector seguía un esquema rígido, con escasas diferencias entre los diferentes países. La existencia de monopolios en la prestación del servicio se justificaban por la consideración de este sector como un monopolio natural, es decir, un sector con costes marginales decrecientes con el aumento del output y con economías de escala importantes por la necesidad de acometer cuantiosas inversiones en inmovilizado material, es decir, en las redes necesarias para prestar el servicio. A estos aspectos habría que añadirles el estar considerado como un servicio público básico con lo que ello conlleva a la hora de valorar el cumplimiento de las leyes del mercado.

Sin embargo, la transformación radical producida por los dos fenómenos anteriores, la internacionalización y los desarrollos tecnológicos, provocó que en los primeros años 80 se plantearan reorganizaciones del sector en los mercados más avanzados, como es el caso de los Estados Unidos, que dieran respuesta al incremento de actividades y, a fin de cuentas, a la expansión del sector. A todo este proceso, que habría que llamar de re-regulación, se le dedica más adelante una atención especial por su trascendencia para comprender mejor la evolución reciente del sector.

La consecuencia del proceso de expansión del sector de las telecomunicaciones es que actualmente su dinámica de evolución va asimilándose cada vez más a la de cualquier sector de actividad económica. Es decir, existirá un conjunto de fuerzas que definirán la competencia dentro del sector. Para su análisis puede ser válido seguir el enfoque de M. Porter con una adaptación a las especiales características del sector de las telecomunicaciones (5). Como es bien conocido, según Porter, el estado de la competencia en un mercado depende de cinco fuerzas. A estas cinco fuerzas habría que añadir una sexta constituida por la acción de las instituciones reguladoras, fundamental dentro de este sector, y algunas consideraciones sobre la concepción del sector como un mercado global, lo que constituiría una séptima fuerza.

Brevemente, las siete fuerzas definidas, y algunas apreciaciones que servirán para la mejor comprensión de los párrafos posteriores son las siguientes:

– Amenaza de nuevos competidores.

– Poder negociador de los usuarios.

– Poder negociador de la industria de equipos y los proveedores de servicios.

– Amenaza de productos o servicios alternativos.

– Grado de diversidad y competencia interna.

– Presión reguladora.

– Características globales.

EL MARCO REGULATORIO

La transformación del sector de las telecomunicaciones ocurrida en los primeros años 80 tuvo su primer hito importante en 1984 cuando el ya famoso juez Greene propició la disgregación de la AT&T (American Telephone and Telegraph). Hasta ese momento, como en todos los demás países, en Estados Unidos la prestación de los servicios telefónico y telegráfico estaban organizados en estructura de monopolio, aunque en este caso el servicio no era prestado por parte del Estado. AT&T era una empresa privada sujeta a reglamentación (6) que en este año de 1984 daba servicio a cuatro quintas partes de los abonados de EEUU, siendo la quinta parte restante atendida por empresas independientes, por ejemplo GTE (General Telephone and Electronics) (7).

Con estos antecedentes, la Comisión de la UE publicó el 30 de junio de 1987 el Libro Verde sobre el desarrollo del mercado común de los servicios y equipos de telecomunicación con la intención de abrir un debate entre todas la partes interesadas.

El proceso desencadenado por el Libro Verde supuso un largo periodo de avances, críticas y discusiones y posicionamientos encontrados que han dejado en el camino múltiples directivas, resoluciones, recomendaciones en las que aquí no se va a entrar, únicamente recordar, por ejemplo, las correspondientes a la que abría a la competencia el mercado de los terminales (8), la Directiva del Consejo sobre la oferta de red abierta (ONP) para el acceso a las redes de forma homogénea (9), la Directiva de Servicios (10), etc.

Como uno de los últimos hitos en este proceso (11), es necesario hacer referencia a la resolución del Consejo de la UE de julio de 1993 en la que, reconociendo como factor clave la independencia de los organismos de telecomunicación para la determinación de la política comercial y la necesidad de que los organismos de telecomunicación puedan dar respuesta al incremento de la competencia en el mercado global, se consideran una serie de objetivos importantes.

El documento termina haciendo un llamamiento y respaldando la intención de la Comisión de:

– Publicar, antes del 1 de enero de 1994, un Libro Verde sobre comunicaciones móviles y personales (12);

– Publicar, antes del 1 de enero de 1995, un Libro Verde sobre la futura política de infraestructura de las telecomunicaciones y las redes de televisión por cable (13);

– Preparar, antes del 1 de enero de 1996, las necesarias modificaciones del marco normativo comunitario a fin de realizar plenamente la liberalización de todos los servicios de telefonía vocal pública antes del 1 de enero de 1998. Para los Estados miembros con redes menos desarrolladas, España, Irlanda, Grecia y Portugal, se concede un periodo transitorio adicional de cinco años como máximo. Para las redes muy pequeñas, caso de Luxemburgo, se concedía la posibilidad de un periodo de dos años como máximo.

En el caso de España el debate es igualmente intenso. Aunque hay una plena coincidencia en que hay que liberalizar el sector pero la cuestión es cómo, cómo hacer compatible los efectos positivos que tiene la competencia, que sin duda los tiene, con las exigencias de preservar servicios públicos de carácter universal. Así, el primer paso se dio en 1985 cuando se creó la Secretaría General de Comunicaciones (SGC) y la Dirección General de Telecomunicaciones (DGTel) (14) para llevar a cabo el desarrollo legislativo y reglamentario basado en la Ley de Ordenación de las Telecomunicaciones (LOT), y desarrollado posteriormente con el Plan Nacional de las Telecomunicaciones (PNT) y el nuevo Contrato del Estado con Telefónica.

La LOT se publicó por primera vez en 1987 pero se vio rápidamente sobrepasado por la evolución de las normas comunitarias y publicada nuevamente por la Ley de Modificación de la LOT en 1992. Esta Ley creó el Consejo Asesor de Telecomunicaciones como máximo órgano asesor del Gobierno sobre esta materia con representación de las Administraciones Central, Autonómica y Local, la industria fabricante, los usuarios, sindicatos, etc. El Consejo Asesor quedó constituido en octubre de 1991 en una sesión en que se presentaron la propuesta de modificación de la LOT y el borrador del PNT. Respecto al PNT hay que señalar que es el instrumento básico por el que se orienta el desarrollo y evolución de los servicios de telecomunicación y de las infraestructuras asociadas a ellos.

Por último, el nuevo Contrato del Estado con Telefónica de España se firmó el 26 de diciembre de 1991 para regular las relaciones de este operador de red durante los siguientes 30 años. En él se fijan unos objetivos de extensión del servicio telefónico básico y el cumplimiento de unos niveles de calidad que deberán ser marcados en lo sucesivo por el PNT, como así ha ocurrido. Este contrato posiblemente deberá ir revisándose de acuerdo con los acontecimientos a nivel comunitario, pues en él se concede a Telefónica la prestación de algunos servicios que en el futuro serán liberalizados.

Después de todo el proceso de adaptación del sector, todavía en marcha, en el momento de publicar el informe, la situación se podía resumir brevemente en varios rasgos definitorios. En primer lugar, el mercado de equipos terminales estaba completamente liberalizado y se había establecido para ello un procedimiento de homologación y aceptación técnica. El monopolio del servicio telefónico básico, como ya se ha comentado, terminará en una fecha anterior al 2003 dependiendo de factores como la reforma de las tarifas, la consecución del servicio universal y su consiguiente financiación.

Otro elemento importante son los servicios móviles. Existían tres operadores del servicio radiobúsqueda de carácter nacional y cerca de sesenta licencias de carácter local. Había miles de licencias de telefonía móvil de autoprestación de carácter privado y en el trunking estaba en esos momentos en marcha un concurso para un máximo de 24 licencias (15).

En los servicios de valor añadido existe una situación de liberalización, con proveedores, por ejemplo, de servicios videotex, o de servicios de valor añadido para la red inteligente (servicios novecientos) y había cinco licencias de conmutación de datos concedidas. En el campo de los servicios de comunicación por satélite existe una liberalización parcial, a la espera de que existan directivas comunitarias más concretas. También hay que señalar, por su importancia en el desarrollo futuro de las telecomunicaciones, la normativa sobre comunicaciones por cable que en la actualidad sigue en proceso de discusión.

Este tema será probablemente el motivo de discusión prioritario en el corto plazo por su importancia en el salto cualitativo que suponen las comunicaciones de banda ancha y la instalación masiva de fibras ópticas.

LA EVOLUCIÓN DE LOS ÚLTIMOS AÑOS

En el año 1982 hablar de telecomunicaciones en España era prácticamente hablar del servicio telefónico y por tanto de Telefónica. Y si se echa una mirada a las Memorias de Telefónica de la última década, entendida grosso modo desde 1982, se pueden deducir algunos rasgos significativos de estos años pasados. Como decía su presidente, Luis Solana, en 1982, se trataba de un «año-puente» en el que Telefónica, y por tanto las telecomunicaciones, se enfrentaban a tres retos principales: la marea de nuevas tecnologías, inventos y aplicaciones, y el consiguiente impacto en la Compañía,la demanda de la sociedad para el cumplimiento de los compromisos de servicio público y, por último, la estabilidad financiera de la Compañía.

Asimismo, en la Memoria se especificaba que la Telefónica, siguiendo las directrices del Plan Electrónico Nacional (PEN) asumiría la coordinación de la política tecnológica y que «a través de sus compras e inversiones sirva de impulso y desarrollo del sector electrónico». Para ello, se trazaban como objetivos prioritarios la realización de una política sectorial que atiendiera simultáneamente a la extensión y la calidad del servicio, a la generación de tecnología, al mantenimiento de la capacidad productiva y el empleo en el sector electrónico. Es decir, se pretendía convertir a la Compañía en el motor de desarrollo de los servicios, la industria y las tecnologías punta.

Dentro de los datos ofrecidos en la Memoria, se concede importancia destacada a la extensión del servicio en el medio rural y a la mejora de la gestión y atención a los abonados mediante el acceso centralizado y de forma mecanizada a la información que permitiera reducir los plazos de atención. En concreto, en ese año se automatizaron 108 centrales que eran manuales, con lo que se alcanzó el 98,6 por ciento de automatización de las líneas urbanas.

El Mundial de Fútbol supuso un impulso importante por la utilización en el uso de las comunicaciones por satélite de la red INTELSAT y sirvió para hacer la primera experiencia real del servicio videotex (comercializado con el nombre de Ibertex) que en aquellos momentos iniciaba su andadura en España. Con respecto a otros servicios, al margen del servicio telefónico, el servicio mensafónico contaba en 1982 con 9.518 abonados, y la telefonía móvil automática estaba implantada en Madrid y Barcelona con un total de 618 abonados. De forma incipiente se presentaba la red IBERPAC con la incorporación de los protocolos internacionalmente normalizados, contando por aquel entonces con 12.606 conexiones. Todas ellas cifras muy modestas para lo que hoy día se ha alcanzado.

La situación de partida en este año 1982 es por tanto de expectación, con algunos ligeros síntomas de los problemas estructurales que se manifestarían más adelante. Si se resumen en unos pocos trazos lo que han supuesto los años que transcurren hasta el año 94, se puede señalar brevemente lo siguiente.

La entrada del gobierno socialista a finales de 1982 supuso la aplicación de una política de modernización general del país y de reformas estructurales que tuvieron como primer frente la reconversión de algunos sectores industriales obsoletos. Estas y otras prioridades tuvieron como contrapartida la menor atención al sector de las telecomunicaciones, que por aquella época quizás no manifestara los síntomas de expansión que luego se producirían.

Una de las actuaciones más reseñables fue la política de atracción de empresas multinacionales, aunque a la postre no se obtuvieron los resultados esperados. Después de la aplicación por Telefónica de su propia política industrial, actuando como locomotora del sector mediante su poder de compra, a mediados de la década se dio un cambio importante de estrategia con el concepto de holding circulante. Por estas fechas se mantiene un nivel de inversiones bajo por cuestiones económicas.

En 1985 se crea la Secretaría General de Comunicaciones y la Dirección General de Telecomunicaciones para llevar a cabo el desarrollo legislativo y reglamentario, con tres objetivos prioritarios: La Ley de Ordenación de las Telecomunicaciones (LOT), el Plan Nacional de las Telecomunicaciones (PNT) y el nuevo contrato del Estado con Telefónica, de lo que ya se han dado datos anteriormente.

En 1986 se inicia un proceso de reactivación económica mundial cuyas repercusiones en España son el crecimiento de la demanda, que coincide además con la entrada de España en la Unión Europea. La apertura de mercados que esto produce se realiza acudiendo a la importación debido a la debilidad de la industria española. No sólo esto, sino que la necesaria modernización de las infraestructuras de cara a la creciente competencia del mercado supone la necesidad de incrementar las inversiones acudiendo a suministradores foráneos, como es el caso de AT&T Network Systems, que entra como tercer operador.

En este contexto se produce entre los años 87-88 el abandono por Telefónica de sus participaciones en los principales fabricantes, Alcatel e Intelsa y las fusiones de Eria-Entel, Inisel-Amper, Inisel-Ceselsa, etc. Se trataba de las primeras remodelaciones de las estructuras empresariales de cara al mercado europeo.

El comienzo de la década de los 90 viene asociado a un período de depresión económica, todavía en vigor, en el que brillan por su ausencia las ayudas al sector, primando las ayudas horizontales, fruto también de las directrices emanadas desde la UE. A finales de 1992 se presenta un panorama de recesión de la demanda y de problemas en las empresas del sector que en estos momentos no parecen vislumbrar su final.

La situación a finales de 1993 (16) y las principales estadísticas de estos años se resumen en los párrafos siguientes.

1. En el servicio telefónico se produce una reducción muy importante de la lista de espera y un aumento de la calidad de las llamadas.

2. Se aumentó el grado de digitalización de las redes y de las prestaciones ofrecidas por estas redes mediante la instalación masiva de fibras ópticas.

3. Se incrementó la diversidad en los servicios ofrecidos por Telefónica y otros operadores (Retevisión, Hispasat, etc.). Las grandes novedades son la aparición de las líneas IBERCOM, RDSI, GSM, servicios de inteligencia de red, la fibra óptica, líneas multiservicio, redes privadas virtuales, etc.

4. Se ha producido una importante reducción de los desequilibrios territoriales manifestado en la extensión del servicio en las zonas rurales, en las que se ha introducido la telefonía rural de acceso celular, el crecimiento del servicio en términos porcentuales entre estos años y en el incremento del servicio en los hogares de los municipios más pequeños.

5. Por parte de Telefónica se instalan casi tantas líneas como las que había (el aumento de las líneas se ha producido fundamentalmente en el sector residencial. Además, el 22 por ciento de las líneas del sector empresarial representan el 54 por ciento de la factura telefónica). Se produce un incremento del 77,9 por ciento de líneas en servicio.

6. Se consolida la presencia internacional, tanto en la gestión directa en operadoras de ocho países de Europa y América como en la presencia de organismos internacionales. Empezando por la gestión de Telefónica de Argentina, después vendrían Startel, Movistar y Páginas Doradas en Argentina,CTC, Publiguías y Entel en Chile, CANTV de Venezuela, Telefónica Larga Distacia de Puerto Rico, Telefónica Romania, Contactel en Portugal, Telefonía Móvil de Uruguay y su participación en Infonet para la transmisión internacional de datos. La licencia para móviles en Uruguay y Colombia o el acuerdo con Unisource son las últimas actuaciones.

7. Se produce un acercamiento a los parámetros de los países de la UE aunque todavía persistan diferencias significativas: las líneas en servicio por 100 habitantes pasan de 21,3 a 36,5 desde 1982 a 1992, y el porcentaje de hogares con teléfono pasa del 50,7 por ciento al 80,0 por ciento en el mismo periodo.

8. Se está produciendo un incremento notable en los servicios telemáticos y móviles, en el que la apertura de los mercados es un factor clave.

(1) Ricardo GAITAN/Mª Ascensión ESCARIO/Mª del Rosario LOPEZ, Las telecomunicaciones españolas ante el mercado único. Consecuencias en la industria y los servicios. Fundesco, 1992.

(2) La digitalización de las redes, antes analógicas, permite la transmisión de cualquier tipo de información, voz, datos, imágenes, textos, como secuencias de unidades binarias (bit) completamente independientes de la red soporte. Además permite reducir el tamaño de los equipos, el abaratamiento de las comunicaciones y mejorar su calidad.

(3) La fibra óptica permite la transmisión por medios ópticos, es decir rayos de luz, cuyo espectro de frecuencias más amplio hace posible el envío de mayores cantidades de información, a la vez que mejora la calidad de las comunicaciones y la compartición de éstas por múltiples servicios.

(4) Los satélites, al igual que la fibra óptica, permiten la optimización de las redes y su mejora en cuanto a potencia, espectro de frecuencias utilizadas y el aumento de la vida útil constituyen una importante alternativa a las transmisiones a larga distancia.

(5) Para profundizar en este desarrollo ver GAITAN, ESCARIO y LOPEZ, op. cit.

(6) El mercado de telecomunicaciones en Estados Unidos ha estado regulado desde la Communication Act 1934 por la Federal Communications Commission (FCC) con amplios poderes que cubren las tarifas, los métodos de financiación, distribución de beneficios, etc.

(7) Sobre este tema se puede profundizar en La crisis de las telecomunicaciones, Diego López Garrido, Fundesco, 1989.

(8) Directiva de la Comisión, 88/301/CEE, de 16 de mayo de 1988, relativa a la competencia en los mercados de terminales de telecomunicaciones.

(9) Directiva del Consejo, 90/387/CEE, de 28 de junio de 1990, relativa al establecimiento del mercado interior de los servicios de telecomunicaciones mediante la realización de la oferta de una red abierta de telecomunicaciones.

(10) Directiva de la Comisión, 90/388/CEE, de 28 de junio de 1990, relativa a la competencia en los mercados de servicios de telecomunicaciones.

(11) Después de la redacción del Informe FOESSA se han producido hitos importantes que es necesario resaltar, como son la publicación del Libro Blanco de Delors sobre Crecimiento, competitividad, empleo, retos y pistas para entrar en el siglo XXI, el Informe Bangemann, la comunicación de la Comisión en respuesta a este informe Europe’s way to the information society, an action plan, o la última conferencia del G-7 sobre la Sociedad global de la información.

(12) Publicado en abril de 1994.

(13) De este Libro Verde existen ya dos partes publicadas que se encuentran en estos momentos en proceso de análisis.

(14) La Secretaría General de Comunicaciones fue creada con rango de Subsecretaría por Real Decreto 1209/85 y la DGTel fue creada por Real Decreto 1289/85.

(15) Recientemente el Ministerio concedió por concurso dos licencias de servicio móvil paneuropeo GSM, la primera a Telefónica y la segunda a Airtel, un consorcio participado entre otros por los bancos BCH y Santander y el socio tecnológico AirTouch.

(16) Cuando se publicó el Informe FOESSA.

Estudio de la tecnología MIMO y su aplicación en las telecomunicaciones

January 2011 · Electronics Letters

and receive ends. MIMO antennas are being widely researched at the moment as they enable the use of the spatial degree of freedom in a wireless multipath channel, and they form a key technology for future wireless communication systems such as 3GPP, LTE, WiMAX 802.16, IEEE 802.20 and IMT-Advanced. At the moment MIMO antennas are only adopted in some large static base stations. This is because in these space-separated antenna arrays, nearly half of the wavelength is needed to achieve acceptable isolation; about 15 dB for most situations. In modern communication systems, the space is limited in both the base stations and the mobile terminals, and as the antennas shrink in size, the mutual coupling between the elements increasingly restricts the performance. The design of antennas for a space-limited MIMO system is therefore still a challenge.

Researchers at Tsinghua University have taken a 3D approach to MIMO antennas and have built a 2.4 GHz MIMO antenna for WLAN applications that is much smaller than previous designs but still has high isolation and good omnidirectional coverage. The spectrum efficiency and transmission quality of wireless communication systems are improved through the use of multiple antennas at both the transmit ... [Show full abstract]

Optimización de redes de comunicación por cable, un enfoque multiobjetivo

ARTÍCULO CIENTÍFICO / RESEARCH ARTICLE

Optimización de redes de comunicación

por cable, un enfoque multiobjetivo

Combinatorial optimization for cable

communication network design, a

multi objective approach

Luís Fernando Galindres G*, Antonio H. Escobar Z**, Ramón A. Gallego Rendón R.***

Universidad Tecnológica de Pereira (Colombia)

* Ingeniero de Sistemas, M. Sc. (c) Universidad Tecnológica de Pereira. Pereira, Colombia.

** Ingeniero Electricista, Ph. D. Profesor de la Universidad Tecnológica de Pereira.

*** Ingeniero Electricista, Ph. D. Profesor de la Universidad Tecnológica de Pereira.

Correspondencia: Universidad Tecnológica de Pereira, vereda la Julita, Pereira (Colombia). Tel.: 313-7122, Ext. 105.

Fecha de recepción: 23 de noviembre de 2009

Fecha de aceptación: 8 de octubre de 2010

Resumen

Este artículo resuelve el problema de la optimización de redes de comunicaciones por cable usando optimización multiobjetivo. El método usado en la solución del modelo matemático es un algoritmo especializado basado en el método Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA II). El modelo matemático planteado utiliza dos funciones objetivo: el costo de inversión y un indicador relacionado con la operación de la red. En la solución del problema son obtenidos frentes dominantes que proporcionan información al diseñador de la red acerca de cómo debe ser la configuración de mínimo costo y que cumpla con los requerimientos mínimos de señal en los nodos de conexión de los usuarios. Para esto se usa un sistema de prueba de la vida real.

Palabras clave: algoritmos evolutivos, optimización combinatorial, optimización multiobjetivo, redes de comunicación por cable.

Abstract

This paper solves the optimization problem of communication networks by cable using a multi objective algorithm. The mathematical model is solved using a methodology based on the Non-dominated Sorting Algorithm (NSGAII). The mathematical model uses two objective functions, one is the investment costs and the other is an indicator related to the network operation. The problem solution is a Pareto front that consider information about the network design, showing a set of network configuration with minimum cost and minimum requirements of signal levels in the costumer connection nodes. For that, a real life test system is used.

Key words: Cable communication Network, Combinatorial Optimization, Evolutive Algorithms, Multiobjective Optimization, Optimization Methods. Propylene.

1. INTRODUCCIÓN

El diseño de redes de comunicación por cable está asociado a la solución de un problema de optimización a través del cual se busca determinar la topología radial óptima de la red, con uno o varios objetivos definidos. Encontrar la topología óptima requiere evaluar implícita y/o explícitamente todas las topologías radiales posibles del sistema. Una forma de caracterizar el problema consiste en encontrar un árbol del grafo asociado a la red, que minimice la inversión, y el sobrante dé señal en los nodos y/o maximice la confiabilidad y que, además, satisfaga restricciones de operación como, por ejemplo, las asociadas a nivel de señal, capacidad de los circuitos y relaciones físicas que debe satisfacer la señal. Dado que la solución del problema debe ser un árbol del grafo, por causa de la exigencia de radialidad la configuración final contendrá solo aquellos caminos de conexión candidatos que permitan satisfacer todas las condiciones del problema al tiempo que representan la alternativa de más bajo costo de inversión. En este trabajo se explora la posibilidad de determinar un conjunto de soluciones usando un enfoque multiobjetivo, que garantiza que la señal se encuentra dentro de los niveles permitidos, al mismo tiempo que minimiza el nivel de señal sobrante en los nodos, respecto al nivel mínimo exigido.

El modelo matemático asociado al problema de optimización resultante hace parte de la categoría de problemas de programación no lineal enteros-mixtos (PNLEM), que se caracterizan por ser no lineales, poseer variables enteras y continuas, y en los cuales aparece el denominado fenómeno de "explosión combinatorial" [1] cuando aumenta el tamaño del sistema. Para un número grande de alternativas resulta prohibitiva su solución a través de técnicas de optimización exactas, porque en estos casos se convierte en un problema NP-completo, es decir, un problema que no puede resolverse en tiempos de cómputo polinomiales. La exigencia de radialidad es un factor adicional en el proceso de solución del problema. Para un número grande de alternativas y de nodos se requiere el uso de técnicas metaheurísticas para encontrar soluciones subóptimas de buena calidad. Debe tenerse en cuenta que las técnicas metaheurísticas no garantizan la solución óptima global, aunque eventualmente pueden encontrarla, según el tipo de problema analizado.

Tradicionalmente, el problema de redes de comunicación por cable se ha resuelto usando técnicas de optimización monoobjetivo, donde el único objetivo es la minimización de los costos de inversión [2], [3]. Por otro lado, el problema de optimización de la red de comunicaciones de la vida real es un problema que busca la maximización o minimización simultánea de varios objetivos, por lo que se constituye en un problema multiobjetivo [4], donde generalmente los objetivos se encuentran en conflicto. Dentro de los objetivos más comunes se encuentran: minimizar el costo de inversión, maximizar aspectos relacionados con la calidad de la señal y maximizar la confiabilidad del sistema. La optimización multiobjetivo es adecuada para resolver problemas con objetivos en conflicto, como cuando se desea simultáneamente minimizar el costo de inversión y maximizar la confiabilidad del sistema, ya que mejorar la confiabilidad implica una mayor inversión y reducir la inversión está asociada a una menor confiabilidad. Algo similar ocurre entre el costo de inversión y la calidad de la señal, ya que una topología de bajo costo, que conecte a todos los nodos, operará cerca de sus mínimos operativos, suministrando a los usuarios señales suficientes pero cerca al límite inferior. De otro lado, una señal de alta calidad en todos los nodos estará asociada a un mayor nivel de inversión.

En este trabajo se implementa una solución basada en el algoritmo multiobjetivo denominado NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II). Una descripción detallada de este algoritmo puede ser encontrada en la referencia [5]. Como sistemas de prueba se utilizan los escenarios reportados en la referencia [2].

2. FORMULACIÓN MATEMÁTICA DEL PROBLEMA

Se plantean dos objetivos: el primero hace referencia a costos de inversión y el segundo, al nivel de señal sobrante en los nodos respecto al nivel mínimo exigido. Al incluir este nivel de señal excedente en el problema de optimización se direcciona el proceso de búsqueda hacia regiones donde se minimiza este excedente y en que pueden existir soluciones de menor costo de inversión.

Función objetivo asociada al costo de inversión: este objetivo busca determinar la cantidad mínima de cable coaxial y de elementos para división de señal (acopladores direccionales y divisores de señal) que permitan conectar todos los nodos de la red a un punto donde se encuentra disponible la señal, cumpliendo con el requerimiento de radialidad. Esta función objetivo será denominada FO 1 , y su formulación matemática es la siguiente:

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i

a

Función objetivo asociada a nivel de señal: este objetivo determina la diferencia entre el nivel de señal existente en la entrada de los amplificadores y el nivel de señal mínimo permitido. El nivel de señal se calcula considerando los diferentes parámetros de diseño de redes de banda ancha que lleva en cuenta la atenuación en los tramos y el efecto de los divisores y acopladores sobre el nivel de señal. El flujo de señal se basa en un método de barrido que parte del nodo fuente hasta llegar a los nodos finales, ver referencia [7]. Se determina la cantidad de señal a la entrada de cada amplificador (nodo) y se minimiza la diferencia entre el nivel de señal existente y el nivel mínimo permitido. Esta función objetivo denominada FO 2 , es formulada como la minimización de la señal sobrante, en decibeles, respecto al mínimo requerido. La función matemática que resulta de plantear este objetivo es la siguiente:

Donde r i corresponde a la cantidad de señal (en decibeles) que existe en el nodo i, por encima del nivel de señal mínimo requerido en dicho nodo. FO 2 es el valor acumulado de señal sobrante en los n nodos del sistema.

Modelo de optimización propuesto: en la optimización multiobjetivo se procesan las funciones objetivo directamente con sus respectivas unidades y no son necesarios los parámetros de conversión y unificación de unidades ni los factores de peso que son necesarios en la optimización monoobjetivo cuando se intenta combinar varios objetivos en una única función. Otra característica de la optimización multiobjetivo es que, a diferencia de la optimización monoobjetivo, no existe una única solución que minimice y maximice simultáneamente todos los objetivos si se trata de analizar los que están en conflicto. En este artículo, la inclusión del segundo objetivo tiene como propósito direccionar el proceso de búsqueda hacia regiones de mejor calidad en cuanto involucra un factor que no está siendo evaluado explícitamente en la optimización monoobjetivo. A través de la optimización multiobjetivo se determina un conjunto de soluciones no dominadas con respecto a cualquier otra alternativa del conjunto de solución. Estas soluciones son definidas en el contexto de la optimización multiobjetivo como soluciones no dominadas o soluciones Pareto-óptimas. La selección de una solución particular de este conjunto depende de las características del problema y es tomada por un decisor [6] con base en criterios técnicos, económicos o subjetivos. En la práctica, en problemas tipo NP-completos se recurre al uso de técnicas metaheurísticas multiobjetivo para generar el conjunto de soluciones Pareto-óptimas, o un conjunto de soluciones cercanas a las soluciones Pareto-óptimas.

Un problema de optimización multiobjetivo consiste en encontrar un vector de variables de decisión (solución) que satisface un conjunto de restricciones de igualdad y/o desigualdad, y optimiza una función vectorial cuyos elementos representan las funciones objetivo. Estas funciones corresponden a los criterios de optimalidad, usualmente en conflicto. El problema multiobjetivo de optimización de redes de comunicación por cable que se analiza en este trabajo se define matemáticamente de la siguiente forma:

Para el problema anterior, (5) representa la restricción del número máximo de divisores permitidos por nodo. En es caso solo se considera la posibilidad de colocar un divisor por nodo.

En forma similar, (6) representa la restricción del número máximo de acopladores permitidos por nodo. En este caso solo se considera la posibilidad de colocar un acoplador por nodo. En un mismo nodo puede existir un divisor y un acoplador. k 1 y k 2 representan los tipos de divisor y acoplador definidos antes de resolver el problema.

La restricción (7) se refiere a que cada configuración debe ser radial; no deben existir lazos ni tampoco deben existir nodos sin conectar, lo que se logra definiendo F caminos o trayectorias. El concepto anterior se amplía en [7].

La restricción (8) corresponde a n-1 ecuaciones que describen el problema de flujo de señal. La restricción (9) corresponde a n inecuaciones de la forma (db i ≥ 0), cantidad de decibeles en el nodo i.

En la restricción (10), f min representa la frecuencia mínima de operación, f max representa la frecuencia máxima de operación), f oper representa la frecuencia de trabajo, la restricción (11) muestra que en el nodo i debe existir una cantidad mínima de señal con la que se garantiza su calidad.

En la restricción (12), r i representa el sobrante de señal en el nodo i.

3. CODIFICACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DEL MÉTODO DE SOLUCIÓN

En la representación de una solución candidata se utiliza codificación binaria. Los nodos representan el punto de entrada a cada amplificador o a un elemento de división de señal, las ramas representan el trayecto entre dos nodos. Cada solución se identifica por un arreglo de unos y ceros, donde uno (1) en la posición i del arreglo significa que la rama i está conectada y hace parte del árbol; por el contrario, (0) en la misma posición significa que la i-ésima rama está desconectada. La figura 1 muestra un sistema típico de 8 nodos y 10 ramas. El vector que se presenta a continuación representa una propuesta topológica para el sistema mostrado en la figura 1 y es el siguiente: [ 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 ]

El flujo de señal y el estado de las señales se evalúa usando un algoritmo de flujo de señal. La población inicial tiene en cuenta la condición de radialidad y se genera mediante un algoritmo aleatorio. La descripción completa de este algoritmo puede ser observada en [8]. El algoritmo NSGA-II se fundamenta en el tradicional método de algoritmos genéticos así como en el concepto de dominancia y elitismo. Una visión más detallada de estos aspectos puede ser observada en [9].

Para la recombinación se implementó una forma especializada que se denomina tipo II y descrita en [7]. Con lo anterior se garantiza radialidad de las configuraciones candidatas (individuos). Finalmente, la mutación utiliza una estrategia conservando la radialidad de las configuraciones tal como es propuesta en [7], [8].

4. TÉCNICA DE SOLUCIÓN

La optimización multiobjetivo está asociada a un alto costo computacional, en el caso de problemas NP-completos, por lo que la utilización de las denominadas técnicas exactas se hace compleja sobre todo cuando el espacio de soluciones crece [10]. Por lo anterior se plantean las soluciones heurísticas estocásticas que alcanzan buenas soluciones en tiempos de computación razonables, en las que se incluyen los algoritmos evolutivos (AE). Una extensión de estos algoritmos surge como una excelente alternativa para la solución de los problemas multiobjetivo, y se les denomina MOEAs. En este trabajo se utiliza el algoritmo NSGA-II.

La optimización multiobjetivo deberá cumplir dos características que son esenciales para su buen desempeño: la primera, obtener un frente aproximado al frente Pareto-óptimo al final del proceso y, la segunda, mantener la diversidad de la población en el espacio objetivo durante el proceso [11].

El algoritmo NSGA-II muestra un buen comportamiento con respecto a estas dos características: presenta un frente de Pareto de muy alta calidad, que se distribuye adecuadamente en el espacio de solución de las funciones objetivo [12]. La solución en la optimización multiobjetivo se presenta como el mejor conjunto de soluciones x i no dominadas, lo que se denomina frente óptimo de Pareto FP* como se describe en [13].

El algoritmo NSGA-II (Non-Dominated Sorted Genetic Algorithm versión II) fue mostrado por Deb como una versión mejorada del algoritmo NSGA presentado por Srinivas y Deb [9].

5. PRUEBAS Y RESULTADOS

Para verificar el desempeño del algoritmo NSGA II se utilizó un sistema real correspondiente a la ciudad de Pereira (Colombia), cuyos datos aparecen en [7]. Los parámetros usados en el algoritmo fueron los siguientes:

La figura 2 muestra el frente de Pareto obtenido usando el algoritmo NSGA-II en las generaciones 50 y 200, respectivamente.

Una de las características del algoritmo NSGA II es permitir que en cada generación más individuos hagan parte del frente de Pareto. En la generación 1000 hacen parte del frente 145 de los 200 individuos de la población. En la figura 3 se muestra el frente de Pareto para la generación 1000 y el frente de Pareto final que se obtiene en la generación 1160.

La metodología propuesta establece un conjunto de soluciones de calidad con información, que incluye el costo de la solución y la calidad de la señal, a fin de que el diseñador de este tipo de redes tome la mejor decisión.

En la optimización multiobjetivo se utilizan diferentes métricas que miden la calidad del frente obtenido, y que se clasifican según varias características:

- ¿Qué tan cerca está el frente obtenido con respecto al óptimo global (supone que se conoce el óptimo global)?

- ¿Cómo es la distribución de las soluciones en todo el frente?

- Métricas que combinan los dos factores anteriores.

En este artículo se utiliza la métrica correspondiente al segundo punto, llamada espacio cubierto, que determina el tamaño del conjunto global en el espacio de las funciones objetivo. En las referencias [14] y [15] se encuentra información detallada sobre métricas en optimización multiobjetivo.

En la tabla 2 se muestra la variación de esta métrica a través de las diferentes generaciones.

En el problema propuesto se observa que en la medida en que se avanza en el número de generaciones, el frente se distribuye adecuadamente tal como se puede observar en las figuras 2 y 3. También se observa cómo el número de individuos de soluciones no dominadas se incrementan. El espacio cubierto se incrementó con el número de generaciones, lo que refleja una mayor cobertura en el espacio de solución.

6. CONCLUSIONES

Fue resuelto el problema de redes de comunicación por cable usando una técnica de optimización multiobjetivo denominada NSGA II. La implementación del multiobjetivo ofrece resultados que cumplen con los objetivos propuestos, es decir, mínima inversión y niveles adecuados de señal para los usuarios de la red.

La metodología propuesta es una herramienta de gran utilidad en el diseño de las redes de comunicación por cable, pues identifica configuraciones de mínimo costo con niveles de señal apropiados para el usuario.

Se encontró que el uso del algoritmo NSGA II cumple con los dos objetivos principales de una optimización multiobjetivo: encontrar un conjunto de soluciones de buena calidad y mantener la diversidad de la población tanto como sea posible. El algoritmo NSGA II permite hallar un amplio frente de Pareto final con muy buenas soluciones derivadas de los conjuntos de soluciones no dominadas y del factor de elitismo que posee este algoritmo.

La metodología propuesta presenta un comportamiento que puede ser considerado satisfactorio para el problema planteado, ya que se obtiene un frente con muchas soluciones, diversificadas y de calidad adecuada.

En este trabajo se propone una metodología con base en el algoritmo multiobjetivo NSGA II; en futuros desarrollos recomienda el estudio de otros objetivos como la disponibilidad del servicio la realización de análisis comparativos con otros algoritmos multiobjetivo.

Referencias

[1] R.A. Gallego, A.H. Escobar y E.M. Toro, Técnicas Metaheurísticas de Optimización. Pereira, Colombia: Universidad Tecnológica de Pereira, 2008, pp. 1-360. [ Links ]

[2] L.F. Galindres, R.A. Gallego y A.H. Escobar, "Técnica de optimización combinatorial aplicada al diseño de redes de comunicación por cable", Scientia Et Technica, n.° 39, pp. 332 - 337, 2008. [ Links ]

[3] H. Chou, G. Premkumar and Chao-HsienChu, "Genetic Algorithms for Communications Network Desing - An Empirical Study of the Factors that Influence Performance", IEEE Transaction on Evolutionary Computation, vol. 5 no.3, pp. 236-249, 2001. [ Links ]

[4] C. Coello. (2003). Evolutionary Multiobjective Optimization: Current and Future Challenges. [Online]. Disponible: [Acceso: Marzo 2009]. [ Links ]

[5] K. Deb, Multi-Objective Optimization using Evolutionary Algorithms, vol. I. Kanpur: Wiley, 2001, pp. 179-183. [ Links ]

[6] K. Miettinen, Nonlinear Multiobjective Optimization, vol. I. Jyvaskyla: Kluwer Academic Publishers, 1999, pp. 14-15. [ Links ]

[7] L.F. Galindres y E. Toro, "Optimización de redes de Comunicación utilizando Algoritmos Genéticos". Tesis de grado, Universidad Tecnológica de Pereira, 2003. [Online]. Disponible: pp. 114-139 [Acceso: Marzo 2009]. [ Links ]

[8] J.C. Jaramillo, J.A. Orozco, R.A. Gallego and R.A. Romero, "Modified Genetic Algorithm for Network Reconfiguration in Distribution System", Memorias del IV Induscon 2000, Porto Alegre, Brasil, pp. 386 - 391, 2000. [ Links ]

[9] K. Deb, Multi-Objective Optimization using Evolutionary Algorithms, vol. I. Kanpur: Wiley, 2001, pp. 209-218. [ Links ]

[10] M.T. Jensen, "Reducing the run-time complexity of Multiobjective EAs: The NSGA-II and other algorithms", IEEE Transactions on Evolutionary Computation, vol. 7, pp. 503-515, 2003. [ Links ]

[11] M. Laumanns, L. Thiele, K. Deb and E. Zitzler. (2008, jun.). Combining Convergence and Diversity in Evolutionary Multi-Objective Optimization, [Online]. Disponible: [Acceso: Marzo, 2009] [ Links ]

[12] K. Miettinen, Nonlinear Multiobjective Optimization, vol. I. Jyvaskyla: Kluwer Academic Publishers, 1999, pp. 5-14. [ Links ]

[13] K. Deb, Multi-Objective Optimization using Evolutionary Algorithms, vol. I. Kanpur: Wiley, 2001, pp. 33-46. [ Links ]

[14] C. Coello. (2005, jul.). Introducción a la optimización multiobjetivo usando Metaheurísticas. [Online]. Disponible: [Acceso: Septiembre, 2009] [ Links ]

[15] C. Crosan (2003). Performance metrics for multiobjective optimization evolutionary algorithms. [Online]. Disponible: [Acceso: Septiembre, 2009] [ Links ]