La realización de la quinta generación de comunicaciones móviles plantea un larga lista de retos, algunos más técnicos/teóricos, y otros más en un plano económico, regulatorio y de estandarización. Esto, como hemos visto en entregas anteriores, se debe a la gran diversidad de casos de uso que se han planteado para 5G, y a los ambiciosos requerimientos que se han establecido en términos de indicadores de rendimiento clave (KPIs: Key Performance Indicators). Uno de estos KPIs, que ha sido central a lo largo de la generaciones previas, es la continua búsqueda de más capacidad, ya sea en términos del número de usuarios, o bien en términos de eficiencia espectral. Para lograr este objetivo, una de las soluciones ha sido simplemente utilizar más recursos (fuerza bruta!), es decir, emplear más ancho de banda u ocupar una mayor porción del espectro radioeléctrico. 5G no será una excepción en este sentido, pero ciertamente plantea un punto de inflexión en cuanto a la escala (y otros retos que se derivan de esta), ya que se requerirá agregar algunos órdenes de magnitud en términos de espectro para alcanzar los objetivos de diseño. No obstante, y como veremos más adelante, el ancho de banda es un recurso cada vez más escaso, y por ende costoso, que por otra parte, es también utilizado por otros sistemas de comunicaciones (no-celulares) como por ejemplo, radares y comunicaciones satelitales. Además, merece la pena mencionar que la asignación y armonización del espectro a escala global, es un proceso lento y bastante difícil.

De este modo, siendo un componente fundamental de 5G, cuya apropiada introducción es perentoria para luego analizar otros conceptos y componentes tecnológicos, abordamos en esta y la siguiente entrega, el espectro para 5G. Intentaremos revisar, entre otras, las siguientes cuestiones: ¿cuanto más ancho de banda es necesario?, ¿cuál es su valor real?, ¿qué bandas de frecuencia podemos utilizar?, y ¿qué tipo de regulación se requiere?.

Consideraciones técnico-económicas básicas

El espectro radioeléctrico es el recurso más fundamental en comunicaciones inalámbricas. Como hemos visto, se puede definir como las frecuencias de las señales electromagnéticas que se utilizan en un determinado sistema; y al rango o intervalo de estas frecuencias se le denomina ancho de banda y se especifica en Hertz (Hz, ciclos por segundo). A lo largo de las generaciones de comunicaciones móviles celulares, los diferentes sistemas han ido progresivamente incrementando el ancho de banda de operación; así por ejemplo, GSM utilizaba canales de 200 KHz, UMTS emplea portadoras de 5 MHz, y LTE en su primera versión (Rel. 8) utiliza un ancho de banda de hasta 20 MHz. Subsiguientes mejoras del sistema (Rel. 13) incluyen la posibilidad de hasta 32 portadoras (por ejemplo de 20 MHz cada una para un total de 640 MHz) utilizando una técnica clave que revisaremos en detalle a futuro conocida como Carrier Aggregation (CA). CA es una funcionalidad que permite agregar portadoras (la capacidad de utilizar diferentes bandas de frecuencia, contiguas o no, y potencialmente de distinto tamaño). Algunas de las frecuencias que se han definido en el 3GPP para LTE (Rel. 12) se pueden encontrar en [3GPP_TS36101]. Para 5G, podríamos estar hablando de un sistema que funciona con un ancho de banda total de más de 10 GHz y con canales de gran ancho de banda (en el orden de centenas de MHz). Sin embargo, como manejar tales canales es solo el primero de los problemas, y conceptos como ancho de banda flexible (flexible channel bandwidth concept) se están manejando a nivel de estandarización para tales propósitos [3GPP_TR38912]. A lo largo de esta evolución, también se ha visto como el espectro que se ha ido agregando ha sido obtenido de bandas de frecuencia cada vez más altas, que se han ido liberando para el uso de los sistemas de comunicaciones móviles. Así, y muy a grandes rasgos, mientras GSM fue desplegado mayoritariamente en la banda de 900 MHz en los años 90 y posteriormente en las bandas de 1.8 y 1.9 GHz, muchos despliegues actuales de LTE, se están desplegando en la banda de 2.1 y 2.4 MHz, e incluso en bandas de 3.5 GHz. Los primeros despliegues de 5G se espera que utilicen frecuencias de entre 1 y 6 GHz, y finalizará operando en bandas de tan elevadas como 80-100 GHz (ondas centimétricas y milimétricas) [3GPP_TR38913]. De acuerdo a [GSMA16] el espectro para 5G se puede clasificar a muy grandes rasgos en tres grupos principales: frecuencias por debajo de 1 GHz, frecuencias entre 1 y 6 GHz, y frecuencias por encima de 6 GHz. Ahora bien, la razón principal de este incremento progresivo es que es en estas bandas de alta frecuencia donde existe el ancho de banda necesario y potencialmente disponible (libre o asignable) para satisfacer las proyecciones de tráfico de los sistemas de comunicaciones móviles del futuro, como 5G. No obstante, es importante señalar que de ninguna forma esta tendencia supone que 5G no podría desplegarse en las bandas más convencionales (de menor frecuencia) que han sido y están siendo utilizadas para sistemas previos (3G, 3G, y 4G). A largo plazo, y con algo de suerte, quizá tendremos la posibilidad de ver sistemas comerciales operando con portadoras en la banda de los Tera Hertz (1×1012 Hz), los cuales son actualmente tema de investigación [Lin15, Pir15].

FIGURA 1: Uso de espectro por cada una de las generaciones

Hasta aquí, parece que la vida es fácil, solo agregar más bandas de frecuencias y problema resuelto; pero, existe un pequeño detalle con todo esto. A medida que se incrementa la frecuencia de operación, la propagación radio es más difícil y la cobertura se ve penalizada. Es decir, a medida que se incrementa la frecuencia, se requiere transmitir utilizando más potencia para recibir la misma cantidad de energía a una distancia determinada; o dicho de otro modo (y de forma bastante simplificada), a una potencia de transmisión fija, un teléfono celular recibiría una mejor señal de una antena celular que opere a menor frecuencia que otra que opere a más alta frecuencia. En un lenguaje algo más técnico lo podríamos expresar diciendo que la atenuación de la señal en función de la distancia es mayor a medida que se incrementa la frecuencia; a esto se le llama pérdida por propagación (Path Loss). Además, con la propagación a altas frecuencias, la capacidad de las señales electromagnéticas de atravesar estructuras (edificios, paredes, árboles, etc) es cada vez menor; de modo que la cobertura en interiores (indoor) también se ve muy afectada. En resumen, ganamos en cantidad de recursos (tenemos más ancho de banda) pero perdemos en cobertura (se dificulta la conectividad inalámbrica). Otros aspectos en el lado positivo incluyen, como veremos en la siguiente entrega, la reducción en el tamaño de las antenas, mientras que entre los nuevos retos también podemos señalar la necesidad de nuevos modelos de propagación que permitan planificar adecuadamente el despliegue de las redes celulares. Estos y otros aspectos técnicos menos evidentes, y las técnicas que nos permitirían aprovechar el nuevo espectro añadido en altas frecuencias serán revisados con más detalle en la siguiente entrega.

Lo anterior se refiere a los aspectos técnicos más fundamentales al utilizar bandas de alta frecuencias en 5G. ¿Que podemos decir desde una perspectiva económica? Más allá de ¿cómo? y ¿quien? asigna el espectro en cada región y país (que es la temática de la siguiente sección), una pregunta interesante es: ¿cuál es el valor del espectro radioeléctrico? ¿Pagan los operadores de telefonía móvil un precio justo por la utilización del mismo?. Todos sabemos que el valor/precio a pagar por las licencias (y sobre las políticas de uso también hablaremos más adelante) pueden ser extremadamente altos: el espectro es un recurso realmente valioso. Con lo cual, si pensamos en bandas 100 veces más grandes para 5G, ¿han de escalarse los costos linearmente? ¿hay casos de negocio que sustenten tal inversión? Esto será un aspecto muy interesante en 5G. Parece claro que mantener un modelo basado en $/Hz no es sustentable. Además, se podría pensar que en lugar de comprar más espectro, se puede invertir en más estaciones bases y antenas para re-utilizar mejor el espectro ya adquirido y garantizar la cobertura. Hemos dicho que el espectro más convencional tiene relativamente buenas condiciones de propagación y cobertura, ¿tiene sentido desplegar una red más densa en todos los casos?. El punto está en el siguiente detalle: las características de propagación y cobertura hacen que los sistemas de baja frecuencia sean más susceptibles a interferencia, lo que significa que al densificar las redes, se corre el riesgo de saturar los canales de transmisión con ruido e interferencia disminuyendo la eficiencia espectral. En esta entrega invitamos a los lectores a comentar y compartir su punto de vista sobre la relación del costo del espectro y el costo de la infraestructura y/o servicios. ¿Serían los modelos convencionales utilizados hasta la fecha válidos para tasar el espectro en 5G? ¿sí? ¿no? ¿porque?.

Habiendo revisado algunos aspectos tecno-económicos básicos, concluimos esta entrega revisando la asignación y regulación del espectro radioeléctrico.

Asignación del espectro y tipos de regulación

Como se indicó en previas entregas, el organismo encargado de identificar, regular, y armonizar el uso del espectro radioeléctrico a nivel global es la Unión Internacional de Telecomunicaciones (International Telecommunications Union: ITU), que cada 3 ó 4 años se celebra la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones (World Radiocommunications Conference: WRC) en donde estos aspectos son debatidos por instituciones y organismos que representan países de diferentes regiones. En la última, celebrada en Barcelona en 2015 (WCR-15), y de alguna forma motivado por las conclusiones expuestas en [ITUR2376], se identificaron unos 400 MHz adicionales para sistemas IMT (International Mobile Telecommunications) y 4G, aunque con diferencias entre regiones e incluso entre países de la misma región. Sin embargo, identificar bandas más allá de los 6 GHz fue dejado como un item de estudio para el próximo WRC en 2019. Evidentemente, este es un proceso, lento, tedioso, pero extremadamente importante ya que unificar, en la medida de lo posible, las bandas para cada sistema posibilita la economía de escala, que facilita la reducción de costos e incluso la itinerancia de los terminales móviles entre diferentes regiones. Como dato notable, destacamos uno de los grandes aciertos de los estándares IEEE 802.11, las llamadas redes de área local WiFi, las cuales fueron diseñadas para operar en una banda de frecuencias disponible a nivel mundial, la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical). La Tabla 1 muestra un resumen de algunas decisiones que han sido (y esperan ser) tomadas en el contexto de ITU-R.

Tabla 1. Algunas decisiones en relación a la asignación de espectro tomadas en el seno de los WRC de la ITU-R.

FIGURA 2: Bandas de espectro contiguo disponibles a nivel mundial y candidatas para 5G.

En este contexto de regulación, un aspecto de importancia es el tipo de acceso al espectro radioeléctrico, que tiene que ver con el régimen bajo el cual se permite utilizar el mismo. En adición a los diferentes modelos que se describen a continuación, otras regulaciones a menudo también aplican a diferentes bandas de frecuencia y por regiones, como por ejemplo: niveles de potencia máxima transmitida, tiempo máximo continuo de transmisión, máximo ciclo de trabajo, ó acceso condicionado a diferentes mecanismos de coexistencia que discutiremos en detalle en futuras entregas.

• Licencias exclusivas Es un esquema convencional en el que a menudo se realiza un concurso o subasta entre potenciales operadores de sistemas de comunicaciones inalámbricos, por ejemplo redes celulares, para asignar bandas de frecuencia con exclusividad: solo el operador que es adjudicado puede operar en dicho espectro. Este modelo es ventajoso en el sentido de que el operador tiene control (más o menos total) de la interferencia que se genera, y por lo tanto, permite garantizar niveles de calidad de servicio. Esto obviamente, sería muy adecuado para ciertos casos de uso en 5G en donde se requieren transmisiones de muy alta prioridad, los llamados mission critical services, como servicios tipo URLLC que hemos discutido en previas entregas. Además, cierto tipo de información de control crítica y necesaria para la operación de los sistemas celulares, tendría que ser previsiblemente transmitida en bandas licenciadas. Por otra parte, algunas desventajas de este tipo de modelo incluyen: el alto costo, y que se puede tender a cierta ineficiencia en el uso del espectro ya que el mismo es asignado de forma rígida por un tiempo estipulado, y en caso de estar subutilizado, no puede ser aprovechado.
• Espectro sin licencia en este caso, una determinada frecuencia puede ser utilizada libremente (de forma gratuita) por diferentes sistemas, equipos, u operadores; con algunas regulaciones como las indicadas antes. Este modelo evidentemente tiene la desventaja que es muy difícil controlar la interferencia, y por lo tanto, la calidad/fiabilidad de las transmisiones. Si bien, puede conducir a una utilización intensiva y eficiente del espectro, también podría degenerar en una suerte de tragedia-de-los-comunes en donde un recurso que en principio es de todos, termina no siendo de nadie. En 4G y 5G, ya se ha considerado y se plantea la posibilidad, respectivamente, de utilizar bandas de espectro sin licencia para complementar los espectros exclusivos asignados a los operadores. De este modo, el uso de este tipo de estas bandas podría ser aprovechado, por ejemplo y de forma oportunista, en servicios tipo eMBB.
• Espectro compartido. Este modelo, vendría a representar un término medio entre el espectro licenciado y sin licencia, en donde diferentes operadores podrían coordinarse para compartir una determinada banda de frecuencia. Por ejemplo, se podría pensar en utilizar este modelo para bandas por debajo de 1 GHz, las cuales debido a sus características de propagación serían adecuadas para servicios tipo mMTC. En principio, es un modelo atractivo y potencialmente efectivo; pero en la práctica, la regulación y coordinación de este tipo de política no es trivial.
• Asignaciones dinámicas basadas en mercado. Otra posibilidad es permitir que el espectro pueda ser canjeado, reasignado, o subastado entre operadores, o servicios, de forma más dinámica (en escalas de tiempo posiblemente de horas) e incluso en diferentes áreas geográficas, basado en patrones de uso bien identificados y/o tendencias de mercado local. En este caso, la definición precisa del espectro como moneda de cambio, es un elemento de interés e importancia.

Como hemos visto, además de ser el recursos más fundamental para los sistemas de comunicaciones inalámbricos, el uso eficiente del espectro radioeléctrico requiere no solo técnicas que pueden ser específicas y necesarias para una determinada banda, sino que debe ir acompañado de una regulación adecuada (y justa). De acuerdo a [GSMA16], el uso de licencias technology-agnostic (que puedan usarse por diferentes sistemas y tecnologías de comunicaciones móviles) es fundamental, así como la necesidad de herramientas para un manejo más eficiente del espectro [METIS317669]; está claro que 5G debe soportar diferentes modelos de asignación y uso del espectro. No obstante, el proceso de regulación y armonización no es sencillo, es lento, y los requerimientos de espectro para los sistemas de comunicaciones móviles celulares deben atender y considerar los siguientes aspectos:

• los tipos de servicios y casos de uso,
• las proyecciones de tráfico,
• los avances y componentes tecnológicos,
• las necesidades locales y de la industria, y por último, pero no menos importante,
• garantizar un régimen justo y de competencia leal entre los incumbentes.

En la próxima entrega, presentaremos consideraciones más específicas sobre el uso del espectro en bandas de alta frecuencia para 5G, y explicaremos componentes tecnológicos clave (por ejemplo beamforming) y conceptos de importancia, incluyendo consideraciones de Radio Frecuencia (RF), que harán este nuevo paradigma posible.

Referencias

[Lin15] Lin and G. Y. Li, “Indoor Terahertz Communications: How Many Antenna Arrays Are Needed?,” in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 14, no. 6, pp. 3097-3107, June 2015.

[Pir15] G. Piro, K. Yang, G. Boggia, N. Chopra, L. A. Grieco and A. Alomainy, “Terahertz Communications in Human Tissues at the Nanoscale for Healthcare Applications,” in IEEE Transactions on Nanotechnology, vol. 14, no. 3, pp. 404-406, May 2015.

[ITUR2376] Unión Internacional de Telecomunicaciones Sector Radio (ITU-R), “Technical feasibility of IMT in bands above 6 GHz,” Report M.2376, Nov. 2014.

[3GPP_TR38913] 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, “Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies”, Technical Report 38.913. Marzo 2017.

[3GPP_TR38912] 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, “Study on New Radio (NR) access technology”, Technical Report 38.912. Marzo 2017.

[3GPP_TS36101] 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, “User equipment (UE) radio transmission and reception”, Technical Specification 36.101. Oct. 2015.

[GSMA16] GSM Association, “5G spectrum: public policy position”, White paper, Nov. 2016.

[METIS317669] METIIS Project, “Future Spectrum System Concept,” Deliverable D5.4, Disponible en: www.metis2020.com, Abr. 2015.

Compartir en

Facebook

Google

Twitter

Linkedin