5G: el futuro que nos espera

En la actualidad las tecnologías de la información se han convertido en una parte de nuestra sociedad y de cada uno de nosotros. Tienen un profundo impacto socio-económico y estamos en una casi constante interacción con estas y se prevé que vaya a más. En un futuro cada objeto que nos rodea se conectará a las redes de la información, lo que se denomina actualmente el internet de las cosas o Internet of Things (IoT).
Por otro lado el aumento en el consumo de energía ha llegado a niveles preocupantes, llegando a ser una pieza clave. Debido al incremento del tráfico móvil este aspecto es demandado tanto por operadores como usuarios.
Estos dos aspectos han dado lugar a que sea necesario el replanteamiento del diseño, desarrollo y organización de las redes en orden de lograr reducir el gasto que todo esto supone.
Los objetivos del diseño de esta nueva red son: velocidad de pico entre 10 y 100 veces superior, capacidad total 1000 veces superior, una eficiencia energética x10 y una latencia unas 10-30 veces menor. El diseño se basa en esta serie de objetivos.
Todas las ideas planteadas son bastante prometedoras y muchas de estas ideas ya se encuentran plasmadas en informes o libros blancos. Sin embargo no hay un consenso sobre la base de evolución que se ha de emplear ni de las tecnologías específicas, como podría ser el uso de femtocélulas, la codificación, crear una nube de redes…
Por tanto, a pesar de esta fragmentación, podemos considerar los fundamentos del 5G como la convergencia de los servicios de internet con los estándares de redes móviles heredados sobre redes heterogéneas, dando cabida a una banda ancha de muy alta capacidad.

1 Requisitos de bitrate Requisitos de bitrate
Generación Año implantación Usuario móvil Usuario estático
1G 1981 - -
2G 1992 - -
3G 2001 384 Kbps > 2 Mbps
4G 2011 100 Mbps 1 Gbps
5G 2021 1 Gbps 10 Gbps
La siguiente figura muestra la hoja de ruta para el 5G. Actualmente nos encontramos cerca del final de la etapa de investigación. Se ha agregado recientemente el espectro y continuará la estandarización hasta el 2020. Se esperan los primeros despliegues de 5G sobre el 2021.

Podemos distinguir 10 piezas clave en el desarrollo del 5G, estas son:
  • Evolución de las tecnologías de acceso radio: 5G difícilmente tendrá una tecnología específica si quiere lograr su objetivo de convergencia, por lo que será una evolución de los métodos ya existentes. Por ejemplo, LTE evolucionará hacia el soporte masivo de MIMO y explotará la ventaja del beamforming. WiFi tenderá hacia el espectro sin licencia, empleará mayor ancho de banda y tendrá que emplear hasta 256-QAM.
  • Despliegue de femtocélulas de gran densidad: Esta será la solución para conseguir aumentar la capacidad hasta el nivel de los gigabits, también conocida con HetNet. Podemos implementar HetNet llenando la zona de cobertura de pequeñas células y también con células de diferentes tecnologías radio en lugar de una sola antena.
  • Redes auto-organizadas: Este es otro componente clave en 5G. Casi el 80% del tráfico generado es local. Para organizar este tráfico se requerirá el despliegue de pequeñas antenas preparadas para alta densidad en cada lugar y además que estén fuera del control de los operadores. Es necesario que sean autoconfigurables y capaces de adaptarse para reducir las interferencias.
  • Comunicación tipo máquina: Además de las personas, para conseguir el Internet de las cosas las máquinas también se comunicarán entre ellas. Una de las nuevas tecnologías en desarrollo es el de la conducción autónoma, en la cual el coche mantendrá comunicación constante con los coches vecinos. Será necesario reducir la latencia a menos de 1 ms, lo que también se llama Internet Táctil.
  • Tecnologías de acceso radio de ondas milimétricas: El espectro tradicional está congestionado y las tecnologías disponibles se acercan al límite teórico de Shannon. Para solucionar esto se ha empezado a estudiar la banda de ondas de longitud milimétrica y centimétrica. La desventaja principal es que el factor de pérdidas es alto en esta banda, tiene peor comportamiento frente a obstáculos que interfieran el camino directo y las pérdidas de penetración es bastante más alto en estas bandas. A pesar de estas desventajas tenemos multitud de ventajas: Tenemos muchísimo espectro disponible (a 60GHz tenemos 9 GHz sin licencias), el tamaño de las antenas es menor luego podemos incluir más en el móvil, lo que permite incluir MIMO y beamforming… Samsung Electronics ha logrado una capacidad de 2 Gbps en un área de 1 km en entorno urbano mediante el uso de ondas milimétricas.
  • Rediseño de los enlaces hacia el núcleo: Los enlaces deben ser rediseñados para soportar el inmenso tráfico que se va a generar en las células. Se considera la fibra óptica y las ondas radio milimétricas con beamformingy sin obstáculos entre punto y punto como las soluciones más sensatas.
  • Eficiencia energética: Las tecnologías de la información y las comunicaciones consumen el 5% de la electricidad mundial y generan el 2% de las emisiones totales, lo que es equivalente a las emisiones de la industria de la aviación. Además esto se agrava si realizamos que no se miden las emisiones de carbono.
    Aparte de las emisiones, las tecnologías del futuro jugarán un papel esencial en el consumo de otros sectores, puede aumentar los beneficios ahorrando gastos a las operadoras y por último y como no, puede extender la duración de la batería de los dispositivos móviles.
  • Localización del nuevo espectro: A mayor ancho de banda necesitaremos un mayor espectro. Además de las ondas de radio milimétricas ya explicadas anteriormente se añadirán 100 MHz con la banda de 700 MHz y otros 400 MHz cerca de los 3.6 GHz.
  • Compartición de espectro: Deberemos hacer un uso eficiente del nuevo espectro. El nuevo modelo de acceso compartido incluye funcionalidades para utilizar más espectro de forma local sin que interfiera en el uso general. Por ejemplo, podemos utilizar el espectro de los radares militares cuando estos no estén haciendo uso del propio. Además, como ya se está observando con el desplazamiento de las frecuencias en la TDT para dar cabida al 4G, la reconfiguración del espectro es un aspecto a tener en cuenta.
  • Virtualización de las redes de acceso radio: La virtualización de las redes de acceso radio permite el intercambio de la infraestructura radio para varios operadores. Esto se lleva a cabo en varias capas del protocolo de comunicaciones. Tiene cantidad de ventajas, como los aumentos económicos, el escalado de los recursos y mejor mantenimiento y resolución de problemas, ya que la red tiene mayor transparencia. También puede servir como herramienta para obtener la convergencia de todas las redes centralizando la organización de todas las redes involucradas.
  • A continuación se estudiarán los aspectos mencionados anteriormente que mayor relevancia adquieren al nivel de la capa física.

    células pequeñas

    Conforme aumenta el número de usuarios y dispositivos conectados a la red también aumenta drásticamente la demanda de banda ancha. Además cada vez los dispositivos móviles contienen mayor número de aplicaciones que requieren de conexión inalámbrica. Debido a esto se quiere aumentar el ancho de banda de disponible para que sea 1000 veces superior al ofrecido por las tecnologías de cuarta generación. Para conseguir este objetivo se tiene que aumentar el espectro disponible, la eficiencia espectral y por encima de todo aumentar el número de células.
    Se espera que añada más espectro en la conferencia radio mundial del 2016 (WRC 2016) y la eficiencia espectral utilizando técnicas de mejora de las interferencias entre células, mejorando de los 0.5-1.4 bps/Hz que nos ofrece HSPA+ hasta los 5-10 bps/Hz con receptores MIMO avanzados.
    Para el último aspecto se desplegarán un gran número de pequeñas células para mejorar la cobertura en hogares y oficinas y para descargar el tráfico de las células más grandes.
    Las células pequeñas tienen varios tipos de tamaños en relación con la cobertura que queramos obtener como se observa en la siguiente tabla. Estas células no operan en bandas con licencia y por norma general no están bajo el control de ningún operador.

    POTENCIA Y ALCANCE TÍPICOS
    TIPO DESPLIEGUE TÍPICO USUARIOS SOPORTADOS INTERIOR EXTERIOR ALCANCE
    Femto Residencias y empresas Residencia: 4-8 usuarios Empresa: 16-32 usuarios 10-100 mW 0.2-1 W Decenas de metros
    Pico Áreas públicas (estaciones, aeropuertos…) 64-128 usuarios 100-250 mW 1-5 W Decenas de metros
    Micro Áreas urbanas para cubrir zonas muertas 128-2568 usuarios - 5-10 W Pocos cientos de metros
    Micro Áreas urbanas para dar capacidad adicional > 250 usuarios - 10-20 W Cientos de metros
    WiFi Residencial y empresas < 50 usuarios 20-100 mW 0.2-1 W Pocas decenas de metros
    Este tipo de células son el componente esencial de las redes heterogéneas HetNet (Heterogeneal Network). Otro aspecto a destacar es que al crear una zona de gran densidad de antenas podemos reducir la potencia de estas, por lo que además beneficia a la eficiencia energética.
    No obstante, el rendimiento de MIMO masivo está limitado debido al scattering por las limitaciones del espacio, por lo que tenemos un punto de saturación en el que más antenas no significarán mejora alguna. Además si la multiplexación del canal se hace mediante FDD la canalización se hace más difícil cuantos más canales. Sin embargo en una multiplexación TDD puede explotar el canal reduciendo la cabecera de señalización. En el siguiente gráfico podemos observar la eficiencia espectral en relación al número de antenas.


    La siguiente tabla provee un resumen de las capacidades posibles con las técnicas MIMO actuales y sus soluciones técnicas.

    cooperación

    Hay dos aspectos importantes de los protocolos MAC con respecto a la capa física en canales con fading o desvanecimiento. El primero consiste en distinguir entre paquetes correctos y erróneos. La segunda cuestión es el análisis realista del rendimiento utilizando cooperación distribuida. Nos estamos refiriendo a la correlación en las transmisiones multipath y determinar si nos conviene o no utilizar protocolos cooperativos.

    Desvanecimiento rápido

    En las comunicaciones inalámbricas es necesario que haya mecanismos para determinar si un paquete puede ser aceptado por la capa MAC para un QoS dado. Para ello debemos proporcionar un mecanismo fiable y que tenga en cuenta los parámetros del sistema y los esquemas de modulación y codificación.
    Para llevar a cabo este análisis empleamos la tasa de paquetes por error o PER como medida de la calidad del servicio. El PER debe ser inferior a un valor determinado para considerar que una transmisión es fiable. La caracterización estadística depende del entorno en el que nos encontremos. En la siguiente figura podemos observar como la intensidad de la señal recibida con efecto de desvanecimiento rápido y en presencia de obstáculos. Se puede observar que tanto con fast fading como con shadowing la medida más adecuada es el PER obtenido a la salida.


    Se puede observar el efecto combinado de shadowing y fast fading en la potencia de la señal recibida.

    impacto del shadowing

    En las redes convencionales los paquetes que son transmitidos pueden experimentar condiciones de canal perjudiciales, lo que puede llevar a fracasos sucesivos en el intento de comunicarse. Con la comunicación cooperativa evitamos este problema, dándole a un paquete la oportunidad de llegar a su destino a través de diferentes caminos y aumentando así la probabilidad de una correcta recepción.

    Por tanto el shadowing es también un aspecto importante a tener en cuenta, puesto que:
  • Afecta directamente a la potencia de la señal recibida en cada punto de la red, lo que de determina el grado de cooperación posible.
  • Es necesario conocer este parámetro para saber cuál es el número correcto de conmutadores para obtener un QoS adecuado y no sobrecargar el tráfico.
  • radio cognitiva

    La radio cognitiva es una tecnología emergente con el potencial como para satisfacer las necesidades de espectro del 5G. En esencia se trata de una radio que adapta sus parámetros de transmisión de acuerdo con las características del entorno en que opera.

    En la siguiente figura encontramos el diagrama de funcionamiento de una radio cognitiva:
  • Observación y análisis: La radio detecta que rango del espectro de frecuencias no está siendo usado por sus usuarios legítimos. En este apartado también se mantiene “alerta” en el caso de que ya se estuviera usando un espectro que no le corresponde y algún usuario primario de ese espectro apareciera.
  • Razonamiento y adaptación: Después de analizar el espectro, se “mueve” a los usuarios hacia la óptima banda de frecuencia de acuerdo con las condiciones de canal, resto de usuarios y la QoS dada.

  • Al igual que se puede adaptar al espectro de la forma indicada anteriormente puede adaptarse agregando más o menos portadoras. Este método ya se introdujo en LTE- Advanced Release 10.
    La adaptación de la antena también puede emplearse para mejorar la eficiencia energética de todo el sistema de comunicaciones móviles.

    el crack del espectro inalámbrico

    Los gobiernos gestionan el espectro de frecuencias mediante normas nacionales e internacionales. Para evitar la interferencia entre usuarios normalmente se deja un espacio o rango de frecuencias sin usar como banda de guarda. Estas bandas a pesar de disponerse para proteger los canales vecinos de las interferencias pueden ser considerados como un desperdicio de un recurso que conforme pasa el tiempo se está cada vez más necesitado. Este tipo de desperdicio puede darse también cuando una banda no se encuentre en uso, como ya se ha visto anteriormente.

    Estos espacios en blanco son una oportunidad de utilizar el espectro desaprovechado. Los dispositivos que emplean estos espacios son denominados dispositivos de espacios en blanco o (WSD). La idea radica en que se podrían diseñar WSD de baja potencia que diera acceso a señal de banda ancha.

    auto organización de las redes móviles

    Como ya vimos en LTE originariamente, este es un concepto detallado en 3GPP Release 8 y creado con el fin de economizar gastos tanto en el despliegue como en el uso de las redes móviles.
    En el futuro que nos espera tendremos un constante incremento de uso de las comunicaciones móviles, ya sea en el coche, hogar, telefonía y aplicaciones multimedia… Para aumentar la capacidad aparte de los métodos de espectro y tecnologías será necesario una mayor cooperación de todos los dispositivos en la red. Además se podría ahorrar en energía y se evitarían interferencias. Esto se denomina Self Organizing Network (SON) o redes con auto organización.

    Por tanto es necesario una arquitectura especial para 5G. Tendremos una reutilización de células muy agresiva, multiservicio y de forma simultánea. Un sistema auto organizado para 5G necesitará las siguientes características:

    REQUERIMIENTOS ESTADO
    Estandarización de información de servicio 3GPP hacia y desde las tecnologías de radio disponibles en una red En lugar de usar LTE hay que ampliar a la interfaz de radio en 5G cuando 3GPP evolucione.
    Adopción de SON conforme al 3GPP por parte de los proveedores de servicios. Necesita evolucionar y obtener más apoyo por parte de los operadores.
    Virtualización de SON para poder hacerlo flexible y escalable Nuevo
    Normalización de aplicaciones, funciones y algoritmos SON Nuevo
    Habilitar Virtual SON para que pueda funcionar con redes definidas por software Nuevo
    Proveer de la máquina virtual cerda de las BS para habilitar el software V-SON. Nuevo
    Definir los protocolos SON y V-SON conforme a los algoritmos de auto organización. Actualmente está siendo investigado.
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