Método

Para tener una síntesis de la información que se encuentra disponible acerca de la utilización de tecnologías LTE para la seguridad pública, y su interoperabilidad con los sistemas que actualmente tienen desplegados los organismos de seguridad, se realizó una revisión sistemática siguiendo los lineamientos de la declaración PRISMA, la cual permite seguir paso a paso la selección adecuada de documentos científicos en una investigación, garantizando un enfoque puntual de los temas que se desean investigar, para así orientar a los investigadores sin que se genere una dispersión en el proceso que impida llegar a una conclusión objetiva sobre el tema que se está investigando. Por lo anterior, para la presente investigación se utilizó dicha declaración con el propósito de garantizar una búsqueda adecuada de documentos que aporten a la consecución y análisis de la información, con base en las tres categorías de análisis (^{Barbara, 2004}; ^{Moher et al., 2019}; ^{Urrutia & Bonfill, 2010}).

Se eligió la categoría de ancho de banda dentro de comunicaciones móviles, con base en un enfoque comparativo entre las posibilidades de transmisión de información en banda ancha y banda angosta, que están basadas en la implementación de misión crítica, utilizando tecnologías LTE y LMR, respectivamente. La segunda categoría es la transmisión de información, ya sea voz, video o datos, con cada una de sus limitantes para misión crítica en tecnologías de banda ancha móvil y banda estrecha, así como la posibilidad de mantener la interoperabilidad entre estas dos tecnologías para así garantizar una implementación que permita el despliegue de una tecnología funcional en el tiempo. Para la tercera categoría de análisis, es decir la normatividad, se analizaron artículos en el ámbito internacional, para confirmar la normalización y estandarización de los requerimientos técnicos necesarios para lograr el trabajo colaborativo de interoperabilidad entre las dos tecnologías; además de lo anterior, se verificó la normatividad nacional sobre la implementación y el aprovechamiento de LTE y sus beneficios para la seguridad pública.

Con el propósito de obtener información más precisa para la investigación, se definieron criterios de inclusión y exclusión. Dentro de los criterios de inclusión se encuentran: estudios publicados entre los años 2010- 2020, relacionados con sistemas de comunicaciones de misión crítica en banda angosta, sistemas de comunicaciones LTE enfocados a seguridad pública, protocolo de misión crítica APCO 25, interoperabilidad de tecnologías LTE y LMR-P25 para seguridad pública y soluciones de implementación Push to Talk Over Cellular (PoC). Como criterios de exclusión se tuvieron en cuenta temas como: tecnología de banda angosta análoga, estándar Digital Mobile Radio, machine learning, internet de las cosas, comunicaciones satelitales, sistemas de comunicaciones tierra-aire, sistemas de comunicaciones con microondas. Para la búsqueda se determinaron estrategias como: el uso de palabras clave dentro de las que se destacan, mission critical LTE, interoperability LTE y LMR, public safety LTE, mission critical PoC y public safety MCPTT (^{Kuwadekar & Al-Begain, 2014}).

La revisión de la literatura científico-técnica se realizó mediante la verificación de documentos que aportaban información acerca de implementaciones LTE para seguridad pública, y su interoperabilidad con las redes LMR de banda angosta. En este sentido, se limitó la búsqueda a artículos que no fueran anteriores al 2010, y se encontró que para ese año en países como Estados Unidos ya se investigaba acerca de la estructuración de redes LTE para seguridad pública, en los cuales se mostraban las circunstancias que tendría que sortear una red de estas características. Estos estudios fueron impulsados por lo ocurrido con los atentados del 9/11, donde existieron inconvenientes de comunicación entre las diferentes agencias del estado, debido a que no se contaba con una red unificada que permitiera una adecuada interoperabilidad para atender dicha situación (^{FirstNet, 2020}).

Es necesario resaltar que, para lograr un análisis que permitiera una mayor comprensión de los estándares y los recientes desarrollos de redes de banda ancha móvil junto con su aplicación, se dio prioridad a catorce artículos publicados en los últimos cinco años, lo que permitió evaluar las tecnologías ya empleadas en países con un mayor nivel de desarrollo, y que pueden ser útiles para una implementación adecuada en Colombia, (ver figura 1).

Figura 1 Número de artículos publicados por año 

Siguiendo la estructura de la declaración PRISMA para la revisión sistemática de la información, se realizó la selección de documentos con los cuales se planteó la presente investigación, (ver figura 2).

Nota. ^{Urrutia y Bonfill, 2010}.

Figura 2 Diagrama de flujo PRISMA con las diferentes fases de la revisión bibliográfica 

Dentro del proceso de recopilación de la información se establecieron las siguientes fases, para lograr el objetivo de la investigación:

Resultados

Dentro del análisis realizado a los 23 documentos que hacen parte de esta investigación, se resalta la calidad de la información recolectada; en este caso, como se observa en la figura 3, de los documentos consultados 12 se encuentran en cuartil 1, y solo uno en cuartil 2. Por lo tanto, son documentos con información sólida, sin dejar de lado los análisis hechos a los documentos no indexados, escritos por personal experto en el sector de las tecnologías de la información, sobre la implementación de sistemas de comunicaciones para los entes encargados de la seguridad pública, que cuentan con bases de análisis sólidas.

Figura 3 Categoría de las revistas consultadas 

El origen de los documentos analizados lo lidera Estados Unidos, pues este país es uno de los más adelantados a nivel mundial en el desarrollo de tecnología LTE para seguridad pública, y cuenta con la entidad FirstNet, encargada por parte del Gobierno para la aplicación de estas tecnologías. Esta institución fue creada por el Congreso de la República de los Estados Unidos en el año 2012, con el propósito de implementar la ejecución de la red de banda ancha móvil que garantice la conexión de las diferentes unidades estatales encargadas de la seguridad pública y la atención de incidentes.

Son de gran importancia los documentos originados en los Estados Unidos, especialmente porque el sistema LMR P25 que utiliza la Policía Nacional en Colombia sigue un estándar de origen americano, lo cual permite la verificación de documentación donde se evidencian los avances de interoperabilidad entre los sistemas LTE y P25 que pueden ser útiles en una implementación local. En ese sentido, Colombia ya ha dado los primeros pasos en la implementación de redes LTE para seguridad pública, como se demuestra en la selección del análisis de esta investigación: donde en un primer documento analizado hace referencia a una prueba piloto de un sistema LTE realizado en la ciudad de Villavicencio, y el segundo, liderado desde MinTic, señala pautas a los entes territoriales para la implementación de redes privadas de banda ancha móvil, enfocadas, principalmente, en la seguridad de los municipios, con las cuales se aprovecha la reciente asignación de espectro para tecnología LTE en la banda de 400 MHz.

En la tabla 1 se describen varios aspectos de los trabajos analizados para esta investigación, como, por ejemplo, el tipo de publicación, destacándose artículos científicos, conferencias y tesis. Para cada uno de los 23 documentos se realizó una verificación y su correlación con las categorías preestablecidas de ancho de banda, normatividad y transmisión de información.

Tabla 1 Características de tipo y categoría de las investigaciones revisadas 

En la tabla 2 se describen los demás aspectos definidos para la investigación, tales como: la calificación de los diferentes documentos consultados, su año de publicación, país e idioma, sumando a ello tres variables determinadas, las cuales fueron encontradas de manera transversal en los diferentes documentos: V_1 Interoperabilidad de los sistemas, V_2 Costos y V_3 Seguridad pública.

Tabla 2 Características de cuartil de artículo, año de publicación, país, idioma y variables 

En la tabla 3 se muestran los enfoques que fueron utilizados en los documentos analizados, y se evidencia que se cuenta con tres tipos de enfoques particulares, lo que facilitó la revisión de la literatura científico-técnica.

Tabla 3 Características de enfoque y autores de cada artículo de investigación 

Discusión

Con el aval que dio en el 2009 el National Public Safety Telecommunications Council (NPSTC) en la utilización de LTE como estándar de banda ancha para las comunicaciones de misión crítica, a fin de que dicha tecnología tenga una capacidad de despliegue que permita la implementación de estándares como Mission Critical Push to Talk (MCPTT), y de fijar cómo debe ser su interacción con los diferentes protocolos que tienen los sistemas debanda angosta de LMR (dentro de los cuales se encuentra P25), entidades como First Responder Network (FirstNet, parte de Nationwide Public Safety Broadband Network), y la National Institute of Standards and Technology, han realizado adelantos para plantear estándares y acelerar el desarrollo de interoperabilidad entre banda ancha LTE y banda angosta LMR. Aunado a lo anterior, la Alliance for Telecommunications Industry Solutions y la Wireless Technologies and Systems Committe iniciaron un proyecto conjunto con la Telecommunications Industry Associationpara soportar FirstNet y lograr así una compatibilidad entre LTE y LMR, en búsqueda de lograr comunicaciones que permitan el intercambio de información a través de voz, datos y video. Una de las necesidades primordiales para soportar una red LTE, con las garantías de funcionalidad necesarias, es la comunicación de dispositivo a dispositivo D2D, utilizando LTE Sidelink, tecnología que se encuentra en desarrollo según recientes datos de ^{3GPP (2020)}. La capacidad de resiliencia permite a una estación base, que se encuentre aislada, seguir enrutando llamadas, incluso teniendo en cuenta la baja capacidad de potencia de transmisión de los equipos. Se plantean entonces equipos terminales con mayor potencia en bandas determinadas que garanticen un incremento en el área de cobertura (^{3GPP, 2013}; ^{Camps-Mur et al., 2013}; ^{Choi et al., 2019}; ^{FCC, 2016}; ^{Feng et al., 2013}; ^{Ferrús et al., 2013}; ^{Ferrús & Sallent, 2014}; ^{FirstNet, 2020}; ^{Homeland Security, 2012}; ^{Jackson, 2020}; ^{Martínez & Monnes, 2018}; ^{Masood et al., 2020}; ^{Olbrich, 2019}; ^{Yu et al., 2018}; ^{Zhang et al., 2016}).

Las soluciones de LTE de misión crítica deben contemplar la posibilidad de la ocurrencia de desastres naturales, los cuales pueden generar afectaciones que serán en mayor o menor medida notables dependiendo de la topografía del sector a cubrir, como lo denotan ^{Rouil et al. (2018)}, concluyendo que un sector plano se podrá restablecer con mayor facilidad las comunicaciones, y donde se da prioridad a los dispositivos con que cuenta el personal de primer respondiente. Otro punto importante para impactar son las áreas rurales, ya que la prelación de cobertura está en las áreas urbanas, teniendo en cuenta que para los operadores móviles existe un mejor retorno a la inversión, dejando de lado zonas rurales que requieren cobertura de red, como afirman ^{Ovando et al. (2015)} convertidas en proyectos inviables económicamente. Es por esto que a la par de los despliegues de tecnología LTE se deben tener en cuenta sistemas de comunicaciones complementarios, que permitirían un acceso más fácil a zonas remotas, como lo relaciona ^{Luu et al. (2018)}, quien a través de tecnología datacasting pudo realizar transmisión de datos a través de las señales de televisión digital, permitiendo capturar video vía streaming desde dispositivos LTE y haciendo llegar la información a organismos o ciudadanía en general (^{Engels et al., 2013}; ^{Griffith et al., 2015}; ^{Marojevic et al., 2018}).

Con la sobrecarga que pueden tener las redes LTE, existen alternativas de transferencia de datos inalámbricos, que pueden generar un aprovechamiento del espectro de uso libre para alivianar la carga sobre las frecuencias utilizadas para redes móviles LTE (^{Chi et al., 2020}); sin embargo, han surgido inconvenientes al generar interferencias y traslapos con sistemas WiFi, ya que estos últimos trabajan mayormente en bandas libres.

Las redes LTE permitirán un gran despliegue de sistemas de video, los cuales tendrán la posibilidad de realizar transmisiones en vivo desde el sector donde se presentan los hechos, lo que constituye un factor importante al momento de tomar decisiones (^{Pinson, 2017}), pero existen factores que generan barreras técnicas al momento de transmitir información a los puestos de mando, relacionados muchas veces con aspectos de clima, humo, iluminación, lluvia, entre otras. La implementación radica en el diseño de algoritmos de video que permitan optimizar la imagen transmitida con la ayuda de sensores de ultrasonido y ópticos, de tal forma que estos puedan sobreponerse entre sí.

De otra parte y con el propósito de asegurar una implementación adecuada que permita una interoperabilidad entre las tecnologías anteriores y nuevas, se debe tener conocimiento de su funcionamiento, como lo plantea ^{Abdulrahman (2020)}, quien resalta que los sistemas LMR hoy en día continúan siendo la principal ruta de comunicaciones de voz para los diferentes servicios de seguridad pública. Sumado a lo anterior, ^{Doumi et al. (2013)} presentan un estudio donde señalan que los sistemas actuales de misión crítica (como P25) tienen un grado importante de madurez en su desarrollo e implementación, permitiendo una robustez que un sistema LTE para misión crítica no tiene, aunque haciendo la salvedad de que un sistema de banda ancha móvil para seguridad pública brindaría muchas más herramientas para una mejor atención de incidentes. Una de las opciones planteadas por varios de los autores e investigados es la implementación de un sistema Push to Talk Over Cellular (PoC), que permite una trasmisión de voz sobre LTE (VoLTE), y que a su vez facilita una implementación de transmisión de voz tal como Radio Over IP (RoIP) (^{ETSI, 2021}; ^{Ferrús et al., 2013}; ^{Kumbhar & Guvenc, 2015}; ^{Martínez, 2016}; ^{Saafi et al., 2020}; ^{Voss, 2019}).

Esta migración se debe realizar de una manera organizada, permitiendo una interoperabilidad entre las dos tecnologías que pueda tener la capacidad de compartir información desde cualquier punto en cualquier red (^{Magnnusen, 2018}), para lo cual se plantea el uso de gateways como una forma de estandarización (^{ETSI, 2021}; ^{Ferrús et al., 2013}; ^{Kumbhar & Guvenc, 2015}; ^{Martínez, 2016}; ^{Saafi et al., 2020}; ^{Voss, 2019}).

En el proceso de puesta en marcha de una solución LTE para la seguridad pública se deben tener claros cuáles serán los costos, tanto de implementación como de sostenimiento; del mismo modo, si se da cobertura a una zona pequeña y específica que así lo requiera (o a un área más grande) se deberán tener en cuenta la cantidad de estaciones base requeridas. En un comienzo se debe pensar en una solución a corto plazo, con una implementación virtual de una red LTE para seguridad pública, con el propósito de brindar una solución inmediata (^{Raza, 2016}) y luego estipular una proyección a largo plazo donde se plantean varios escenarios, analizando los costos y beneficios de los diferentes modelos de negocios, así: 1) un sistema de propiedad del usuario, operado por el mismo; 2) uno que sea propiedad del usuario y esté operado por un servidor comercial, y 3) un sistema de propiedad del operador, operado por él mismo, siendo este último modelo el más viable económicamente. Del mismo modo, y con base en el estudio realizado por ^{Hallahan y Peha (2010)} se analizaron los pros y contras de una red propia de los entes gubernamentales versus una alianza con un privado que ya tiene un sistema desplegado: se concluye que el hecho de aprovechar los sistemas e infraestructura ya instalados por parte de un operador móvil es de gran utilidad para el desarrollo de una red que permita el acceso a datos móviles por parte del personal de seguridad pública (^{Ferrús et al., 2013}; ^{Ferrús & Sallent, 2014}; ^{Lee, 2011}; ^{Prasad et al., 2016}).

En el marco de una implementación LTE, se debe plantear una mejor reorganización del espectro, teniendo en cuenta que la tecnología LMR es de banda angosta y utiliza anchos de banda de un máximo de 25 KHz; por el contrario, la tecnología LTE opera con una canalización desde los 1.4 MHz y ocupa una mayor cantidad de espacio en el espectro. Para esto se deben evaluar las diferentes determinaciones tomadas en las diferentes regiones del mundo: mientras en Estados Unidos se reservaron frecuencias en la banda de 700 MHz, en Europa se ha contemplado no solo esa banda, sino también la banda de los 400 MHz; por otro lado, Asia ha implementado la banda de 800 MHz, haciendo énfasis en la importancia que tiene una posible reorganización del espectro (^{Ferrús et al., 2013}; ^{Ferrús & Sallent, 2014}, ^2015b; ^{Jarwan et al., 2019}).

La viabilidad de una asociación público-privada, que sirve a los suscriptores comerciales, y de seguridad pública, desde la perspectiva de un proveedor con fines de lucro, tiene que ver con la implementación de una red inalámbrica de banda ancha que permita fortalecer los sistemas de emergencias y seguridad, para lo cual se debe garantizar la cobertura de red a través de los operadores. Por tanto, se estudia la posibilidad de ofrecer el servicio de transmisión de datos a usuarios gubernamentales para seguridad pública, y a suscriptores que pagarían por hacer uso del mismo, de modo que se incentive a los operadores a consolidar una infraestructura consistente, que permita mejorar los servicios de atención de emergencias (^{Ferrús & Sallent, 2014}; ^{Hallahan & Peha, 2011}).

La necesidad latente de una implementación LTE de misión crítica en Colombia, para las comunicaciones del personal de seguridad pública, llevó a que se realizara una prueba piloto con la participación de MinTic, en alianza con la ANE, una empresa especialista en sistemas de comunicaciones de banda ancha móvil y la Policía Nacional (^{Solís Tulande, 2017}) en las bandas de frecuencias de 400 MHz y 700 MHz, para aplicaciones de Seguridad Pública y Operaciones de Socorro (PPDR, la cual se llevó a cabo utilizando una metodología aplicada, con el propósito de evaluar la funcionalidad y cobertura de las bandas de frecuencias de 400 MHz y 700 MHz, así como de verificar la interoperabilidad del sistema LTE con los equipos de misión crítica P25. Esta prueba se realizó durante un periodo de 21 semanas, tiempo en el cual se verificó el funcionamiento, aprovisionamiento de servicios, cobertura y desempeño de la red, concluyendo la viabilidad técnica de una implementación LTE para seguridad pública. Con base en estos desarrollos, el Ministerio de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones promulgó un documento (^{MinTic, 2020}) donde da a conocer a la opinión pública la autorización establecida a través de la ^{ANE (2020)} para la utilización de la banda de 380-398 MHz (^{Comisión de Regulación de Comunicaciones, 2016}; ^{MinTic, 2015}; ^{The World Radiocommunicacion Conference, 2012}).

Es importante pues para una institución como la Policía Nacional de Colombia la implementación de tecnologías que permitan brindar un mejor servicio a la ciudadanía. Teniendo en cuenta esta premisa, a través de la Oficina de Telemática se realizaron los análisis y desarrollos de proyectos que permiten estar a la vanguardia de las soluciones tecnológicas que apoyen el servicio de policía. Por lo anterior, es pertinente una investigación donde se verifiquen las soluciones de banda ancha móvil LTE y su interoperabilidad con sistemas LMR P25 de misión crítica utilizados por la Policía Nacional, para tener los fundamentos necesarios que permitan definir cuál será la mejor implementación.

En Colombia ya se ha dado un primer paso, con la emisión de la Resolución 105 de la ANE; ahora se deben generar tanto las políticas como los protocolos de funcionamiento de las redes, a fin de que permitan el aprovechamiento de los beneficios tecnológicos de un sistema LTE con todas las bondades de la banda ancha (transmisión de imágenes, video y datos). De esta manera, se pueden mejorar también las capacidades de los sistemas de comunicación de banda angosta con los que se cuenta hoy en día para las comunicaciones policiales. En la actualidad no existe un desarrollo nativo sobre LTE para misión crítica, como quedó evidenciado en la investigación. Aun así, existe la necesidad urgente de garantizar una aplicación que proporcione cobertura y calidad, haciendo uso adecuado de los recursos económicos disponibles.

Conclusiones

Teniendo en cuenta la revisión de literatura científico-técnica realizada, se puede concluir que en la actualidad no existe un estándar para la tecnología LTE que garantice un sistema de voz de banda ancha en misión crítica, a pesar de los avances logrados por Firstnet en conjunto con 3GPP. Teniendo en cuenta lo anterior, es importante mantener las redes de comunicaciones LMR de banda angosta y de misión crítica en funcionamiento, y buscar al mismo tiempo herramientas que permitan la interoperabilidad entre los sistemas, para así aprovechar las ventajas que tiene cada uno, como transmisión de video e imágenes para LTE y transmisión de voz de misión crítica para LMR. Esta interoperabilidad posibilita una transición entre tecnologías que es totalmente necesaria, pues se prevé que el futuro de las comunicaciones de misión crítica estará enmarcado en la transmisión de banda ancha.

En esta investigación se hizo evidente la necesidad de implementar una red privada LTE para la seguridad pública en Colombia, siguiendo las experiencias planteadas por ^FirstNet en los Estados Unidos, con el propósito de poder aprovechar todas las bondades de transmisión de datos y video que tiene esta tecnología para la atención de incidentes. Para ello se deben tener en cuenta consideraciones de despliegue, capacidad financiera e interoperabilidad con tecnologías existentes, siendo necesario realizar un análisis exhaustivo a fin de definir cuál será el modelo de negocio a implementar, si se trata de una solución completamente estatal o se buscan alternativas de asociaciones público-privadas, las cuales pueden llegar a ser beneficiosas teniendo en cuenta la infraestructura privada que se encuentra en sitio y su experiencia en el manejo y despliegue de este tipo de redes.

Como resultado se puede concluir que no existe un proyecto nacional para el desarrollo de redes móviles de banda ancha para seguridad pública, pues se ha determinado que cada municipio es el responsable del aprovechamiento de la banda asignada, según la Resolución 105 de la ANE; por lo tanto, no se destina un presupuesto por parte del Estado, ni parámetros básicos de puesta en funcionamiento e interoperabilidad de los posibles sistemas a instalar. En este sentido, es de vital importancia contemplar las necesidades actuales para así realizar una planificación de estructuración, implementación y funcionamiento.

Se requiere entonces la ejecución de un sistema LTE nacional, con capacidad para interconectar las diferentes agencias de seguridad y de atención de emergencias. Este proyecto debe, en la medida de las posibilidades, ser de uso exclusivo de dichas agencias, ya que no parece viable que se compartan recursos con usuarios normales, teniendo en cuenta la disponibilidad y calidad de servicio con que debe contar dicha red. Esta implementación debe tener la capacidad de interconectarse con las redes LMR P25 con que cuenta la Policía Nacional, y para esto se puede hacer uso de una solución PoC enlazada a los sistemas LMR a través de una solución de RoIP, la cual realiza la conexión de un gateway entre la nube y un equipo de radio donante y permite la interconexión de equipos PoC que trabajan sobre redes LTE y el sistema de radio P25 de misión crítica de la institución. Se debe aclarar que con esta solución se lograría la interoperabilidad de comunicaciones LTE y LMR P25, pero esta red no sería de misión crítica debido a las limitantes conocidas del sistema LTE.

Es importante pues aprovechar la tecnología de punta disponible en el mercado, más aún cuando se trata de garantizar la seguridad de la población. Con base en la presente investigación, se requiere un análisis detallado de la normatividad vigente en Colombia sobre la regulación de la telefonía móvil y su comparación con países más desarrollados, en donde se han implementado políticas en las que los organismos de seguridad tienen prelación en el uso de las redes LTE, y con base en lo anterior, implementar los ajustes necesarios en la norma, para aprovechar al máximo los recursos disponibles en pro de la seguridad ciudadana ¹.