Para entender el concepto de sistema de 5G, necesitamos entender sus requerimientos. ¿Qué tan rápido significa más rápido?

Las primera generación de los sistemas de comunicaciones móviles celulares, 1G, hizo posible la telefonía móvil para fines civiles/comerciales utilizando técnicas analógicas. La segunda generación, principalmente el sistema GSM, incorpora tecnología digital y puso la telefonía móvil al alcance de las masas introduciendo además servicios de datos básicos. 3G, UMTS y su evolución HSPA, hicieron realidad la internet móvil; mientras que 4G, LTE y su evolución LTE-A, han llevado la experiencia de los usuarios a niveles insospechados tan solo 20 años atrás, haciéndonos casi adictos a los servicios y aplicaciones móviles. Todas las generaciones, como hemos discutido en entregas previas, han estado muy bien justificadas tecno-económicamente, han sido promovidas y potenciadas por la industria, gobiernos, y comunidad científica, y fueron diseñadas/conceptualizadas por organismos de estandarización, como el 3GPP. Sin embargo, y en términos generales, se puede decir que el santo grial de las 4 primeras generaciones ha sido la continua búsqueda de tasas de transmisión de datos más altas, y por supuesto, más capacidad: poder servir más usuarios. 5G también continuará en esta senda, pero además, y desde su diseño inicial, prevé dar soporte no solo a comunicaciones para y entre personas, sino también a comunicaciones entre máquinas. De este modo, y como hemos discutido antes, la diversidad de casos de uso que el sistema ha de soportar hace perentorio diseñar un sistema flexible, eficiente, y con más y mejores características. En esta entrega, vamos a revisar ¿qué queremos decir con más y mejores características?; dicho de otro modo, cuáles son los requerimientos para 5G.

Criterios de rendimiento: métricas

Como hemos discutido antes, en la visión de 5G, tres tipos de servicios genéricos han de ser soportados: enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC), y massive Machine Type Communications (mMTC). Los casos de uso y naturaleza de las aplicaciones que serán soportadas por cada uno de estos servicios genéricos es muy variada en términos de requerimientos técnicos. Para ser más precisos, cuando hablamos de requerimientos técnicos nos referimos a criterios de rendimiento, conocidos también como Key Performance Indicators (KPIs). Estas capacidades están identificadas en [ITU-IMT2020] como los criterios a considerar para soportar los casos de uso en 5G, ó sistemas IMT-2020 desde la perspectiva de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, del inglés International Telecommunications Union).

En la lista que presentamos a continuación detallamos cuales son estas métricas, y discutimos qué significa cada una de ellas basadas en la descripción que se presenta en [ITU-IMT2020]. Algunos de estos criterios son conflictivos entre sí; es decir, todas las métricas no han de ser necesariamente optimizadas o alcanzadas de forma simultánea en todas las situaciones. Sin embargo, cada criterio es más o menos relevante dependiendo del tipo de servicio o aplicación.

• Tasa de transmisión de datos y tasa de transmisión pico. Se refiere a la cantidad de información por unidad de tiempo que se puede transmitir/recibir y se mide en bits por segundo (bps). En el día a día, muchas veces nos referimos a esta métrica como la velocidad de transmisión o simplemente velocidad; y así, a menudo escuchamos que la red del operador X es más rápida que la red del operador Y. Como mencionamos, incrementar esta métrica ha sido tradicionalmente un objetivo fundamental de los sistemas de comunicaciones móviles ya que es uno de los parámetros que afecta de forma más significativa la experiencia y calidad del servicio que perciben los usuarios. De particular interés es la tasa de transmisión máxima que es posible alcanzar por medio de una determinada tecnología, siendo este valor conocido como tasa de transmisión máxima o tasa de transmisión pico; que por otra parte es un valor de referencia ya que en la práctica, sólo es posible alcanzar esta tasa de transmisión en circunstancias bastante particulares ó ideales. No obstante, lo que sí es de mucho más interés para los operadores, es ofrecer a todos los usuarios una cierta tasa de transmisión mínima en toda el área de cobertura de la red. Este aspecto asociado a proveer una cobertura consistente es muy interesante e importante y lo discutiremos más en detalle en el futuro.

• Eficiencia espectral y capacidad. En el contexto de comunicaciones inalámbricas, el recurso más valioso es el espectro radioeléctrico, que se refiere a las frecuencias de las señales electromagnéticas que se utilizan en dichos sistemas. El rango de frecuencias que un sistema puede utilizar se denomina ancho de banda. La unidad para medir la frecuencia es el Hertz (Hz, ciclos por segundo), y el ancho de banda se especifica como la diferencia entre la frecuencia más alta y la más baja (asumiendo que se puede utilizar toda la banda), y por lo tanto, el ancho de banda también se especifica en Hertz. La eficiencia espectral se refiere a la tasa media de transmisión de datos por unidad de ancho de banda, y se mide en bits por segundo por Hertz (bps/Hz). De este modo, la eficiencia espectral nos dice que tan eficientemente se está utilizando el ancho de banda, y en general, maximizar esta importante métrica supone maximizar la capacidad del sistema, o como mínimo, maximizar la tasa de transmisión total/agregada de una red. En la práctica, los operadores están usualmente interesados en maximizar la eficiencia espectral por unidad de área (bps/Hz/Km²), lo cual sí está en relación más directa con la capacidad del sistema. Nótese que, en general, la suma de las tasas de transmisión de los usuarios del sistema está en proporción directa con la eficiencia espectral del sistema, y por lo tanto es posible hablar de eficiencia espectral asociada a cada enlace o conexión de cada usuario; pero es importante notar que maximizar la eficiencia espectral del sistema en su conjunto no supone necesariamente la satisfacción de un mayor porcentaje de usuarios, sobre lo que nos extenderemos más en otra oportunidad.

• Eficiencia energética. La eficiencia energética es un tema que ha despertado mucho interés en la última década debido a la creciente preocupación por el calentamiento global y el objetivo general de una sociedad y economía más sostenibles. Si bien el impacto (la llamada huella ecológica) de las Tecnologías de la Información y Comunicaciones (TICs) es bastante insignificante en comparación a otros sectores, el crecimiento exponencial de, por ejemplo, las redes de comunicaciones móviles hacen necesario empezar a mirar la eficiencia energética como un criterio de diseño importante. Además otros aspectos más reales y tangibles incluyen la necesidad de reducir los costos de operación que dependen en gran medida del consumo energético. Usualmente, medimos la eficiencia energética en términos de la cantidad de información por unidad de energía, así se expresa en bits/Joule. Nótese que esta definición es bastante flexible y se puede aplicar tanto a un enlace radio sencillo, a la red de acceso radio, o a toda la red. El objetivo para IMT-2020 es que el consumo energético de las redes de quinta generación no sea mayor que las redes y tecnologías actuales y que, como hemos mencionado, mejoren significativamente las prestaciones en términos generales. Dicho de otro modo, que sean energéticamente más eficientes. Las redes celulares actuales requieren transmisiones de señales de parte de la red virtualmente en todo momento, sin importar la demanda (si existen usuarios o no en el área) y que conforman más del 80% de la energía utilizada para las transmisiones, lo cual podría gestionarse de forma mucho más inteligente y adecuada. Igualmente los terminales deben estar preparados para recibir señales prácticamente en cualquier momento, lo que mantiene un gasto energético alto a pesar de que en muchos casos de operación no es crítico ni para la red o para el terminal este tipo de disponibilidad, por ejemplo en los casos de medidores de electricidad u otro tipos de dispositivos con datos tolerantes a demoras (delay tolerant). Además, es importante indicar que la eficiencia energética no es solamente un objetivo para las redes del futuro, sino también para las redes que actualmente están desplegadas comercialmente; y que este criterio es igualmente importante desde la perspectiva del operador, y desde la perspectiva de los usuarios y/o dispositivos, muchos de los cuales deben operar por años sin suministro de energía o cambio de baterías.

• Latencia. En un sentido amplio, la latencia es el tiempo que toma la transmisión de la información desde un punto A (transmisor) hasta un punto B (receptor), y por lo tanto medimos la latencia en unidades de tiempo (ejemplo milisegundos). Como usuarios, usualmente percibimos la latencia como el tiempo de respuesta inicial de la red cuando intentamos acceder a un servicio o una aplicación. Aunque siempre ha sido un parámetro de interés, ha sido con 5G, y a la luz de algunos casos de uso que se han previsto, que se ha puesto la latencia verdaderamente en un primer plano desde el punto de vista de diseño al requerirse niveles de retardo realmente mínimos, como veremos más adelante. En otros casos, también es de interés que, independientemente de su valor, la latencia sea constante, es decir, que se minimice su variación (a esto se le conoce como jitter). De esta forma, y en términos generales, la latencia viene a estar determinada por el retardo que introducen los diferentes procesos que permiten transmitir/recibir información a través de ondas electromagnéticas y evidentemente también por el tiempo que toma a las mismas viajar a través de un medio dado. En algunos casos, y desde la perspectiva ingenieril, lamentablemente tenemos que decir que la luz no viaja lo suficientemente rápido para nuestros propósitos.

• Mobilidad. La gestión de la movilidad es ciertamente uno de los aspectos más importantes en el contexto de las redes de comunicaciones móviles celulares. De hecho, la movilidad, a diferentes escalas, es el principal beneficio de todo sistema de comunicaciones inalámbricas. Por ejemplo, al utilizar WiFi en casa, podemos utilizar nuestra computadora portátil ó tableta sin necesidad de estar limitados por un cable físico. Igualmente, nuestro teléfono móvil nos permite acceder a internet esencialmente desde cualquier lugar. Este simple hecho, esa libertad de movimiento es uno de los principales factores detrás del éxito y expansión de los sistemas de comunicaciones móviles: es decir, hemos pasado de un escenario en donde comunicamos sitios/lugares a un nuevo contexto en donde comunicamos personas o cosas y cuya ubicación real es irrelevante. Desde la perspectiva de la red, la gestión de la movilidad supone realizar los procedimientos necesarios de modo que nuestra conexión se mantenga activa y con unos niveles de calidad de servicio mínimos, o dicho de otro modo, que el hecho de movernos no afecte nuestra experiencia. No existe una métrica como tal para medir la movilidad directamente, pero en la práctica, se utiliza como referencia la velocidad a la cual es posible desplazarse a través de la red con una cierta garantía de que nuestra experiencia no se verá afectada. De hecho, y como elaboraremos en futuras entregas, la gestión de una conexión inalámbrica (en términos de tasa de datos y gestión de movilidad) es significativamente más complicada a medida que nos desplazamos a mayor velocidad, adicionalmente al reto que conlleva el uso de altas frecuencias de transmisión de datos que tiene como consecuencia un aumento del número de eventos de movilidad debido a la mayor densificación requerida y al incremento de la probabilidad de bloqueo de la transmission. Como veremos más adelante, los objetivos en términos de movilidad para 5G son realmente ambiciosos.

• Densidad de conexiones. Se refiere a la cantidad de usuarios (ó cosas) conectadas (ó potencialmente conectadas) por unidad de área. Por ejemplo, un escenario de alta densidad puede ser un evento deportivo importante con decenas de miles de usuarios concentrados en un área relativamente pequeña como un estadio. Igualmente, un perímetro industrial con cada planta o edificio equipado con cientos de sensores. De esta forma, la densidad de conexiones es un criterio que de alguna forma no solo está relacionado con la capacidad de la red, sino que además supone un reto importante desde la perspectiva de uno de los procedimientos más importantes de cualquier sistema de comunicaciones inalámbricas: el acceso a la red. En este sentido, el número de dispositivos y usuarios que potencialmente estarán conectados en 5G (pensemos en la Internet de las Cosas) se eleva un buen número de órdenes de magnitud a lo manejable por las tecnologías actuales, es decir, se requiere la gestión de conexiones concurrentes a una escala realmente masiva.

• Disponibilidad, Ubicuidad, y Fiabilidad. Se refiere a ‘la habilidad’ de la red de poder ofrecernos la deseada conectividad y acceso a los servicios y aplicaciones móviles siempre y en todo lugar. Desde una perspectiva técnica, esto tiene que ver con garantizar una cobertura completa, continua, y sin fisuras en una determinada área de servicio. Además, está cobertura debe ser fiable. Por fiabilidad podemos entender varias cosas. Por ejemplo, la garantía de una transmisión de datos con una tasa de errores por debajo de un cierto umbral. Sí, ocurren errores en el contexto de comunicaciones inalámbricas, solo que la red se encarga (bueno, usualmente) de hacerlos invisibles para el usuario. Otro ejemplo, la garantía de mantener la conectividad inalámbrica bajo diversas circunstancias como desastres naturales, incluso si estamos ‘fuera de cobertura’ a través de otros usuarios que nos sirven de ‘enlace’ con la red, o la posibilidad de que tengamos cobertura directa a través de satélites si repentinamente empezamos a desplazarnos muy rápidamente. En términos generales, nos referimos a una red que es capaz de proveer un acceso inalámbrico robusto, a prueba de (casi) todo!

• Costo. Como sabemos, la evolución de la tecnología y la economía de escala abarata costos. No obstante, cuando hablamos de 5G, tenemos que pensar en dispositivos capaces de conectarse a una red con tecnología de punta, y que a la vez sean muy baratos, por lo que hablamos de un máximo de 3 USD. Esto a priori no es muy intuitivo ya que como usuarios estamos acostumbrados a pagar por nuestros smartphones un par de órdenes de magnitud por encima de la cifra indicada antes, pero lo cierto es que es posible, y hace mucho sentido en muchos casos de uso como por ejemplo sensores y actuadores industriales. Por lo tanto, 5G debe ser diseñado y proveer el marco de trabajo adecuado para que estos dispositivos terminales puedan acceder y coexistir con los usuarios y terminales más convencionales y sofisticados. En cuanto al costo de operación e instalación de nuevas redes, es uno de los temas más controversiales en lo relacionado con 5G. El principal problema es la densificación requerida para mantener la misma cobertura que las redes de generaciones anteriores proveen actualmente, lo que significa mayores costos para los operadores comparado con sus costos actuales. Este problema es complejo e involucra varios factores (frecuencias de uso, adherencia a los requerimientos, demanda, casos de uso, etc) por lo que discutiremos los detalles más adelante en otro artículo.

• Seguridad y privacidad. La seguridad es un criterio que ha sido tomado en cuenta a lo largo de las diferentes generaciones de comunicaciones móviles. 5G no solo no es la excepción, sino que además supone retos bastante desafiantes en este sentido. La naturaleza de muchas de las aplicaciones requieren de niveles de seguridad literalmente infranqueables. Mecanismos de acceso seguro y autenticación, encriptación, integridad de la información, y protección contra diversos tipos de ataques informáticos deben estar garantizados, y deben ser compatibles con las regulaciones y normas de seguridad existentes en contextos muy diferentes. Transacciones financieras, telemedicina, control de tráfico, vehículos controlados remotamente, control de procesos industriales, y aplicaciones de monitoreo y seguridad son solo algunos ejemplos en los cuales no se puede tolerar ‘intrusos’. Al mismo tiempo el tema de la seguridad pública y en especial la lucha contra el terrorismo ha propiciado la introducción de “backdoors” o agujeros de seguridad a propósito, con el fin de espiar las comunicaciones de agentes dañinos para la sociedad. Este punto también es muy conflictivo, puesto que si existe la percepción de falta de privacidad en un sistema nuevo o es fácilmente abusable, entonces el público en general evitaría o minimizaría su uso. El debate de seguridad pública vs. privacidad es algo que trasciende la tecnología pero es relevante en nuestro contexto.

• Flexibilidad en el uso del espectro. Este es otro aspecto muy interesante con muchas implicaciones técnicas. El espectro para 5G será tema por si solo de una futura entrega de este blog, pero podemos mencionar aquí que 5G debe ser capaz de operar en diferentes bandas o regiones del espectro radioeléctrico con características de transmisión y propagación muy diferentes, utilizar ‘canales’ con anchos de banda muy variados, y bandas con regulaciones potencialmente muy diferentes, por ejemplo operar en espectro con y sin licencia. En este sentido el principal problema es la economía de escala, donde no todas las bandas y frecuencias pueden ser cubiertas por los dispositivos y equipos de redes producidos en masa. Por lo tanto un sub-grupo de frecuencias y bandas serán preferibles lo que tendrá un efecto inevitable en la optimización de las operaciones hacia esas frecuencias y bandas preferidas, desde el punto de vista de estandarización y de las implementaciones disponibles en el mercado.

Importancia de las métricas de los criterios de rendimiento para los tres escenarios de uso principales de 5G de acuerdo a ITU.
Fuente: ITU-R Working Party WP SO: Draft New Recommendation “IMT Vision – Framework and overall objectives of the
future development of IMT for 2020 and beyond”‘, Doc. RI2-SGOS-C-0199, June 201S

Como hemos mencionado antes, algunas de estas métricas están en conflicto, lo que significa que a menudo mejorar una implica empeorar otra. Por lo tanto, los ingenieros deben priorizar los criterios que sean críticos para determinadas aplicaciones, o en su defecto, encontrar un compromiso aceptable para servicios que pudiéramos considerar más de propósito general. A continuación describimos algunos ejemplos de aplicaciones o casos de uso y sus correspondientes requerimientos en términos de las métricas que acabamos de presentar.

Requerimientos en cifras

Como hemos visto en entregas anteriores, 5G contempla no solo la posibilidad de aplicaciones para personas (human-centric applications) sino también aplicaciones orientadas a comunicaciones entre máquinas (machine-centric applications). Para ello hemos indicado que se han definido 3 tipos de servicios genéricos: eMBB, URLLC, y mMTC. En esta entrega hemos descrito los criterios de rendimiento clave (KPIs) y finalizamos ofreciendo una perspectiva cuantitativa de algunos de los requerimientos que se persiguen en 5G, sirviendonos de algunos casos de uso muy interesantes y (si nos permiten) algo extremos. El siguiente listado no es exhaustivo, sino que pretende simplemente ilustrar y poner sobre el tapete algunos números y valores de referencia que se están utilizando en el diseño de 5G. A lo largo de futuras entregas, estos números serán también puestos en perspectiva con los correspondientes valores en previas generaciones.

• Cirugía remota. La posibilidad de realizar intervenciones quirúrgicas remotamente se ha venido discutiendo recientemente. Si bien hay algunas opiniones encontradas en términos socio-económicos para este tipo de aplicaciones, a nivel técnico sí que existe bastante más consenso en términos de requerimientos. Para este tipo de aplicación human-centric podemos pensar en un tipo de servicio con características URLLC. De hecho no parece evidente que minimizar el costo de los equipos, o la gestión de la movilidad sean claves; sin embargo, si se requiere garantizar:

  • una tasa de datos de algunas decenas de Mbps para transportar fiablemente las imágenes/video,
  • niveles de latencia del orden de 1 ms de modo que la interactividad y el tiempo de respuesta del práctico sea adecuado,
  • un nivel de fiabilidad total, ya que no queremos desconectar al paciente de su médico, y
  • evidentemente, una conexión segura.

  Esta aplicación es muy representativa de 5G, ya que además incorpora otros elementos y disciplinas en un contexto de telecomunicaciones, tal es el caso de la llamada Internet Táctil [Fe2014].

• Realidad virtual y aumentada. Esta es otra aplicación human-centric; con bastante auge, que requerirá de tasas de transmisión muy elevadas del orden de algunas decenas de Gbps, y latencias en el orden de 10 ms con variaciones muy pequeñas. En este caso, por ejemplo, a movilidad tampoco es un criterio de interés. Esta aplicación tendría características de eMMB y URLLC.

• Aplicaciones tipo Internet de las Cosas (IoT). Como por ejemplo, despliegue masivo de sensores en centros urbanos. En este caso, y por la naturaleza de este tipo de aplicaciones machine-centric la eficiencia energética es muy importante ya que se habla de dispositivos con baterías que pueden durar decenas de años y cuyo costo debe ser muy reducido. Igualmente, la capacidad de gestionar una muy alta densidad de conexiones, potencialmente millones de dispositivos, viene a ser muy relevante. En este caso estamos hablando de aplicaciones que pueden soportarse con servicios tipo mMTC.

• Muy alta movilidad. Como por ejemplo trenes de alta velocidad (450 Km/h), en donde los usuarios requieren media on-demand. Este escenario bastante desafiante nos plantea alcanzar niveles de eficiencia espectral muy elevados, y obviamente mecanismos de gestión de movilidad muy fiables y ágiles. Por otra parte, la latencia podría relajarse (en algunos casos) a algunas centenas de milisegundos. Es el tipo de aplicación típica que ha de soportarse con servicios tipo eMBB.

En resumen, los casos de uso que se plantean para 5G elevan los requerimientos a niveles sin precedentes. Desde niveles de latencia por debajo de 1 ms, volúmenes de tráfico de centenas de Gbps/km², usuarios moviéndose a 500 km/h, fiabilidad de 99.999%, usuarios que demandan tasas de datos de decenas de Gbps, conexiones/servicios a prueba de intrusos, y hasta redes capaces de conectar simultáneamente miles de sensores. A partir de ahora, nos adentraremos en una serie de entregas en donde esperamos arrojar luz sobre los conceptos y las tecnologías que nos permitirán alcanzar los objetivos tan ambiciosos que acabamos de describir. Uno de esos paradigmas esenciales, es la utilización eficiente del espectro. De modo que en nuestra siguiente entrega, revisamos este aspecto fundamental: el espectro para 5G.

Referencias

[ITU-IMT2020] ITU-R, IMT Vision – Framework and Overall Objective of the Future Development of IMT for 2020 and beyond. Recommendation ITU-R M.2083, September 2015.
[Fe2014] G. P. Fettweis, “The Tactile Internet: Applications and Challenges,” in IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 9, no. 1, pp. 64-70, March 2014.

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