5G, una plataforma para servicios

Hasta ahora hemos hablado del surgimiento de 5G de forma que más que una respuesta a un conjunto de necesidades que requieren soluciones tecnológicas, es una plataforma digital que permite la gestión de servicios. Estos servicios no necesariamente atienden a un caso de uso particular existente pero más bien a un conjunto de requerimientos que al ser satisfechos por las redes de telecomunicaciones permiten dar respuesta a necesidades generales que se traducen en el surgimiento de nuevos servicios. En este sentido las redes 5G se convierten en una plataforma multifacética, con interfaces a proveedores de servicios, usuarios y a operadores. Esta orientación a servicios significa, en la práctica, que las redes deben ser altamente configurables y flexibles de forma tal que sus recursos puedan ser asignados de forma inteligente para maximizar la capacidad y el rendimiento de todos los servicios que la red presta. De forma tal que el uso de un servicio no vaya en detrimento de otro, es decir, que todos los servicios prestados mantengan funcionales sus parámetros de operación, requerimientos e indicadores clave.

Alcanzar alta configurabilidad y flexibilidad en una tecnología de telecomunicaciones es algo que se ha calificado de utópico por la industria anteriormente. Principalmente por el costo que conlleva la configurabilidad y la poca demanda que en la práctica tiene. Hasta ahora, ha sido difícil alcanzar un buen equilibrio entre el número de opciones útiles de los sistemas y el número disponible de parámetros de configuración. Una tecnología con muchas opciones de uso es generalmente más cara, y limitar el número de opciones a las requeridas por el mercado son el santo grial de las empresas fabricantes de equipos. En este sentido cabe contrastar a UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, una de las tecnologías de 3G) que contaba con una gran variedad de opciones que nunca llegaron a usarse plenamente, en comparación con LTE (Long Term Evolution [DAH_2013], una de las tecnologías de 4G) que es un sistema más simple y restrictivo, pero calificado como un éxito económico y tecnológico.

En el terreno académico, han habido muchos estudios de los beneficios del uso de sistemas adaptativos e inteligentes y de cómo maximizar el alcance de la tecnología con el uso de técnicas y algoritmos, algunos novedosos y otros largamente estudiados pero poco factibles con las capacidades de procesamiento disponibles anteriormente. Si bien es cierto que las capacidades de procesamiento, memoria y reducción de la latencia han mejorado enormemente hoy en día, cabe recordar que todo se mueve acorde a una economía de mercado y los precios dependen de la masificación de la producción. Por otro lado, el crecimiento de la demanda de tráfico actual ha resaltado la necesidad de densificar y optimizar más allá de los que los sistemas actuales ofrecen, por lo que junto a la introducción de más ancho de banda, la disponibilidad de estos equipos más potentes y más inteligencia en las funciones de operación son los factores clave para alcanzar los objetivos de esta 5ta Generación. En este post introduciremos las innovaciones y tecnologías claves que se prevén utilizar en la comunicación inalámbrica, y en la próxima entrega detallaremos la partes fundamentales de la arquitectura funcional, gestión de recursos, movilidad y control.

Tecnologías punta para comunicación inalámbrica y nuevos paradigmas de interconexión

Las innovaciones principales en el área de comunicaciones inalámbricas tienen que ver con una utilización más eficiente del espectro, para ello es necesario reducir el impacto de la interferencia de las transmisiones, incrementar el número la densidad de información por unidad de tiempo e incrementar el porcentaje de fiabilidad al recibir y detectar las transmisiones. Adicionalmente el uso de frecuencias más altas del espectro (> 6 GHz) provee con retos técnicos que hacen necesario compensar las pérdidas por la peor propagación comparada con las frecuencias utilizadas por 4G (por ejemplo, LTE a 1.2 GHz) [3GPP_TR38900]. En este sentido si podemos llamara a una, “la tecnología estrella de 5G”, esta sería sin lugar a dudas beamforming (conformación de haz) [JAN_2016]. Además de compensar por la pérdida de intensidad de la señal debido a la propagaciön al enfocar la energía con patrón de radiación que forma un haz dirigido. Este haz mantiene más efectivamente la intensidad de la señal que una transmisión omnidireccional pero a diferencia de esta requiere que el haz sea proyectado en la dirección del punto de recepción. Para ello, el transmisor debe conocer la localización relativa del equipo receptor pues debido a las características del haz, todo aquello fuera de su patrón de radiación recibe poco o ningún rastro de la señal de transmission. Esta cualidad permite que en el caso de sistemas que puedan producir múltiples beams (conformaciones de haz) simultáneos tienen en teoría la posibilidad de multiplexar el uso del espectro en el dominio espacial sin peligro de interferencia entre las transmisiones, lo cual es otra ventaja importante de estos esquemas. Aunque para ello hay que considerar los reflejos y refracciones inherentes al ambiente de propagación, que podrían llegar a cambiar la trayectoria de parte o la totalidad del beam transmitido causando posibles interferencias indeseadas.

Ejemplo de patrón de irradiado de una transmisión de conformación de haz (beamforming) y de una transmisión prácticamente omnidireccional ( a la derecha) utilizando una matriz de antenas de 8 elementos.

Otra tecnología que ya ha sido bastante utilizada por 4G, es la transmisión de múltiples canales o elementos de transmisión multiplexados gracias a la separación espacial de las antenas transmisoras y receptoras, conocida como MIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs). Es de esperarse que MIMO se utilice con esquemas más avanzados para 5G en combinación con las técnicas de beamforming que permita transmisiones simultáneas a varios usuarios (MIMO Multi-Usuario), y sea usado con mayor vehemencia en frecuencias altas debido al supuesto de que el rango de cobertura sería más corto que en sistemas de baja frecuencia. Ambas tecnologías requieren de un número sustancial de antenas disponibles en los dispositivos de comunicación inalámbrica para hacer completo uso de sus posibilidades y de potentes unidades de procesamiento de señales de acuerdo al número de beams y de streams (elementos de información transmitidos usando MIMO) que el dispositivo prevé manejar.

Otras tecnologías mencionadas para el desarrollo de la comunicación inalámbrica de 5G son:

• Nuevas esquemas de codificación. La aparición de códigos polares (polar codes) [ZHA_2016] y la posible extensión de códigos de convolución (convolutional codes) son ejemplos optimizaciones que buscan incrementar la eficiencia del espectro que actualmente proveen los turbo-códigos (turbo codes), especialmente en casos donde la fiabilidad de las transmisiones deben ser maximizadas.

• MInimización del intervalo de transmisión. La reducción del intervalo de transmisión de los canales de transmisión de datos y de transmisión de señales de control tiene un impacto directo en la latencia total del sistema. El objetivo de 5G es de reducir la latencia total de la red de radio a un milisegundo, en contraste con los 4 – 30 milisegundos que provee 4G. Esta reducción requiere que se incremente la cantidad de frecuencia transmitida por unidad de tiempo para mantener una cobertura similar a la que provee 4G, lo que significa una modificación en los tamaños de los bloques de recursos de transmisión (conocidos como PRE).

• Minimización del gasto energético básico o suelo. Una de las áreas donde es posible mejorar enormemente con respecto a 4G es el gasto energético de las transmisiones, especialmente de sistemas con poca o ninguna carga. Para ello, es necesario reducir la emisión de transmisiones de control mandatorias y la frecuencia de transmisión de señales tipo faro que demarcan las áreas de cobertura de la red. Esto es posible con una combinación de sistemas de gestión de movilidad inteligente y con el diseño de un plano de control con muy pocas transmisiones obligatorias para la red o los terminales por intervalo de tiempo. Esta parte es complicada, pues esta reducción podría implicar incremento en la latencia de conexión y registro en la red celular además de la percepción de reducción de cobertura si las formas de señalización actuales y gestión de registro no cambian.

• Conectividad múltiple. Es ampliamente reconocido que para lograr la ubicuidad requerida para 5G, no es suficiente depender de las redes inalámbricas de última generación pero es necesario contar e integrar las de generaciones anteriores, especialmente las de 4G. Por ello, la industria acordó en 3GPP como uno de los principios de diseño la interoperación y alta integración de LTE con la nueva interfaz celular de radio para 5G (conocida hasta ahora como NR: New Radio). Esto nos indica de que es necesario contar con la cobertura brindada por las generaciones anteriores para poder alcanzar el principio de conectividad deseado (todo conectado, en todo momento en todo lugar). El principio de alta integración corresponde a la posibilidad de operar con accesos de radio de 5G y 4G simultáneamente o con posibilidad de conmutación virtualmente inmediata (con una muy baja latencia de control) y virtualmente no interrupción en el plano de datos. Adicionalmente, y debido a las pérdidas por propagación en alta frecuencia, se ha visto necesario incluir la posibilidad de transmisiones redundantes desde diferentes puntos distribuidos espacialmente para evitar en lo más posible las degradaciones de señales debido al bloqueo de la línea de vista de la señal. Esta técnica ya está presente en las herramientas del estándar de 4G aunque limitado a solo dos puntos de transmission (DC – Dual Connectivity). La expectativa es de ampliar esta capacidad a múltiples puntos de transmisión e incluso en frecuencias diferentes (MC- Multi-Connectivity).

• TDD (Time Division Duplex) dinámico. La mayoría de las redes celulares en el mundo utilizan un sistema full duplex basado en FDD (Frequency Division Duplex) [DAHSTU_2017]. Debido a la desigualdad de tráfico entre los dos canales de transmisión (Uplink/Downlink), este sistema no usa de forma totalmente eficiente el espectro, puesto que la cantidad de información transmitida por el downlink supera con creces la transmitida en el uplink. El principal problema para el uso de sistemas TDD es que requieren un patrón pre-acordado de transmisión, donde el sistema se turna en unidades de intervalos de transmisión (TTI – Time Transmission Interval) para transmitir downlink y uplink. Estos patrones son más bien estáticos y actualmente no es posible actualizarlos en tiempo real. Además no siempre la condición de desigualdad de tráfico entre los dos canales se cumple en todo momento y muchas veces la calidad del servicio se puede ver afectada por la rigidez y lentitud para adaptación del sistema de patrones TDD. Por ello se ha propuesto para 5G un sistema donde sea posible conmutar rápidamente entre los dos canales utilizando señalización mínima en tiempo real. Esto permitiría ajustar las transmisiones de acuerdo a la demanda del tráfico y aumentar la eficiencia de uso del espectro. El reto más difícil de resolver en cuanto al uso de esta técnica de duplex dinámico es la estimación de la interferencia de transmisiones no locales. Puesto que las estaciones base tendrían dificultades determinando la dirección y tiempo en que un foco de interferencia aparecerá.

• Multi-hop o extensión de cobertura por esquemas de difusión múltiple. Muchas veces no es posible proveer de cableado a las estaciones base para enlazarlas a la red de conexión y transporte. Este problema es sobretodo tangible cuando el número de estaciones base debe incrementarse, como es el caso de sistemas densos, como aquellos que se prevén en altas frecuencias y para cobertura interior (de las edificaciones). Sumado a esto, está el caso de la falta de cobertura en los bordes o de bloqueos de la señal e incluso de sistemas sirviendo a varios usuarios simultáneamente mientras el punto de transmisión se mueve en conjunto con los terminales (por ejemplo en un autobús o en un tren). Estos casos podrían servirse utilizando transmisiones con múltiples-saltos (multi-hop) donde el destino final de la transmisión no es necesariamente el receptor inmediato. Para hacer de esta técnica de difusión algo factible, debe permitir la posibilidad de repetición o más bien el relevo (relay) de paquetes por los protocolos de transmisión y ruteo de la red celular des entre múltiples puntos intermedios hasta su destino. En LTE es posible establecer una estación base de relevo (relay) que permite el relevo de un paquete usando un “salto” . Para 5G existe la ambición de ampliar esta capacidad a múltiples saltos y simplificar el esquema de relevo.

• Dispositivo a dispositivo (Device-to-Device – D2D). La transmisión de información sin utilizar una red centralizada, donde los nodos de conexión pueden tratar de acceder a otros nodos directamente en una red celular ha sido un tema de controversia y discusión en la industria desde pasadas generaciones. El principal argumento en contra de este tipo de comunicación es la falta de interés comercial de implementar dicha funcionalidad y por tanto un caso de negocios y de uso que lo soporte. Hoy en día, con la aparición del internet de las cosas, los problemas y retos producto de la limitación de cobertura y la posibilidades de uso para situaciones de emergencia parece existir cierto consenso de la necesidad de proveer comunicación directa entre dispositivos [ASA_2017].Cabe destacar que esta funcionalidad ha sido parcialmente estandarizada en LTE, puesto que aún requiere que al menos uno de los pares terminales mantenga comunicación con una estación base de la red.

• Adaptación y gestión avanzada de recursos de transmisión. La partición dinámica del espectro en recursos de transmisión (de acuerdo a OFDMA) de acuerdo a las necesidades resultantes del nivel de calidad de servicio que debe proveerse, la intensidad y el tipo de tráfico existente tomando en cuenta los ahorros de energía y la maximización de la capacidad y el rendimiento del sistema es una de las tareas más complicada de un sistema de gestión de comunicaciones inalámbricas. De hecho, son este tipo de sistemas lo que proveen la principal diferenciación entre los fabricantes de equipos de redes celulares. El uso de diferentes bandas y carriers (portadoras) con características de propagación y numerologías diferentes, el uso de duplicación de transmisiones y de paquetes para maximizar la fiabilidad del sistema, la reserva de recursos de transmisión para servicios que requieren latencia mínima, y la selección de puntos de transmisión y esquemas de beamforming y MIMO, entre otros, conlleva la toma de decisiones complicadas. Adicionalmente existe la posibilidad de utilizar exempto de licencia para maximizar la capacidad y rendimiento del sistema tanto con sistemas inalámbricos totalmente diferentes (como el caso de WiFi) o con versiones especiales de los carriers celulares (por ejemplo MuLTEFire, LAA-Licensed Assisted Access for LTE, y NR-Unlicensed). La utilización de algoritmos inteligentes de gestión de recursos tienen un impacto directo en indicadores claves (KPI) que son medidos y monitoreados minuciosamente por los operadores de las redes. La introducción de múltiples casos de uso con diferentes KPIs complican este apartado incluso más que lo existente para 4G debido a la naturaleza contraria de algunos de los requerimientos de los caso de uso. Es de entreverse el uso de inteligencia artificial para el manejo y optimización de los recursos de transmisión de forma que puedan maximizar el cumplimiento de los requerimientos basados en el tráfico manejado en tiempo real en contraste con la más estáticas optimizaciones que se ven hoy en día en las redes comerciales.

• Total compatibilidad futura. Finalmente la industria se ha comprometido en crear una interfaz de transmisión que sea compatible con un sistema que aún no ha sido vislumbrado [TUL_2016]. Básicamente se espera que la estandarización de la interfaz sea lo suficientemente abierta y flexible para que nuevas funciones, configuraciones y señales puedan ser incorporadas y puedan coexistir con las versiones más antiguas de la interfaz sin problemas.

Estos son las tecnologías que nuestros editores juzgan más relevantes y prometedoras para ser incorporadas en las interfaces de comunicación inalámbrica de 5G. En nuestra próxima entrega, nos enfocaremos en los aspectos de la arquitectura y gestión de la red de conexión y transporte y de los aspectos de aplicaciones y servicios. Exhortamos a nuestros lectores a dejar sus comentarios sobre nuestra selección de tecnologías y sugerir adiciones y punteros a información relevante si así lo ven conveniente.

Referencias

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