La definición de los casos de uso de una tecnología celular es el punto de partida para la conceptualización y cristalización del sistema.

Tal y como hemos discutido anteriormente, un aspecto importante en la infancia de cada generación de comunicaciones móviles es su justificación tecno-económica; es decir, ese conjunto de nuevos elementos y componentes tecnológicos que serán distintivos del nuevo sistema/generación, y que están justificados por necesidades existentes (aunque cada vez más la tecnología crea las necesidades), deben también estar debidamente justificados y ser viables económicamente a través de modelos de negocio. Por lo tanto, existe un interés natural por parte de la industria de las comunicaciones móviles, de servir de canalizador para ese creciente número de aplicaciones que se vislumbran desde un cada vez más amplio conjunto de sectores industriales, los llamados verticals. Es este uno de los sentidos en donde 5G es muy especial, ya que la diversidad de sus casos de uso no tiene precedentes. De hecho, esta diversidad (más precisamente en términos de requerimientos) de casos de uso es muy probablemente la principal razón de ser de 5G como discutiremos a continuación. De este modo, antes de sumergirnos en discusiones más cargadas de contenido técnico, la presente entrega de nuestro blog nos servirá de enlace a dichas discusiones al poner en perspectiva los casos de uso de 5G dentro de su marco de trabajo: ¿Qué papel juegan los casos de uso en la definición de 5G?

Tipos de servicios en 5G y concepto de sistema

Como hemos comentado, el interés en 5G es enorme. Siendo actualmente estandarizado por el 3GPP, la conceptualización de 5G ha sido basada en gran medida en contribuciones originadas desde una multitud de iniciativas (públicas y privadas) en casi todas las regiones del planeta, siendo el proyecto METIS [METIS] (y su continuación METIS-II) uno de los proyectos más relevantes. En METIS, un aspecto que fue identificado muy temprano es el hecho de que 5G tendría de ser concebido y diseñado, desde su inicio, como una plataforma no solo para comunicaciones entre ó involucrando personas, sino para comunicaciones entre máquinas (las bien llamadas cosas). De este modo, y solo de este modo, 5G podrá servir como piedra angular para las nuevas aplicaciones y tendencias de los diversos sectores económicos.

Para nosotros, describir en detalle todos y cada uno de los casos de uso que se han previsto para 5G, resulta poco factible ya que se requeriría de una discusión extensa, y honestamente algo repetitiva a la luz del gran volumen de literatura que se ha escrito y que es de dominio público acerca de 5G. Una excelente discusión de los casos de uso se puede encontrar en [Ela16]. En nuestro blog, lo que nos resulta más interesante, será ilustrar esa diversidad comentando algunas aplicaciones interesantes provenientes de diferentes sectores económicos e industrias, y ver como estás, en su conjunto, han afectado desde muy temprano la conceptualización de 5G.

Los casos de uso de 5G comprenden una amplia variedad de contextos, escenarios, aplicaciones, visiones, y sectores económicos incluyendo, entre otros, agricultura, salud, transporte, seguridad, procesos industriales en general, smart-cities, la internet de las cosas [Pal16] (y de las nano-cosas), la internet táctil, etc.

Por ejemplo, pensemos en:

• un sistema que permita ver, más o menos a la vez, la repetición de una jugada polémica (en alta definición) a una gran parte del público en un estadio de fútbol donde hay 50 mil personas (utilizando sus smartphones), muchas de las cuales seguramente enviaran de inmediato ese video a sus amigos.
• un sistema que permita fiablemente, a un cirujano cardiovascular, realizar una operación remota, ó que permita controlar en su totalidad vehículos con pasajeros circulando en un centro urbano.
• un sistema que sea capaz de transmitir sensaciones (tacto) casi en tiempo real
• un sistema que permita conectar miles sensores y actuadores de bajo costo en una muy vasta zona de cultivos, algunos de los cuales podrían estar a decenas de metros bajo la superficie
• un sistema que nos permita ver el noticiero o una película (en alta definición) si vamos en tren a 250km/h junto a otras cientos de personas.

Estas aplicaciones (y ejemplos similares) ponen de manifiesto no sólo la necesidad de comunicar personas y cosas entre sí, sino que suponen desde una perspectiva técnica, ‘requerimientos’ muy diversos. A este punto, es suficiente indicar que los requerimientos se pueden entender como capacidades y características que el sistema debe cumplir; por ejemplo, la cantidad de usuarios que se pueden conectar simultáneamente al sistema, el tiempo en llevar la información de un punto A a un punto B, ó la garantía de que la información se entregó de forma íntegra, sin la posibilidad de errores.

Pues bien, 5G se está diseñando para ser una plataforma capaz de hacer realidad todas esas aplicaciones y casos de uso. No solo eso, ha de ser capaz de cristalizar todas esas visiones, consumiendo menos energía (siendo más eficiente energéticamente) tanto a nivel de red como de dispositivos terminales, y como si fuera poco, siendo incluso más eficiente en términos de costo. Y más, tiene que servir para todas esas aplicaciones futuristas y para las que aún no han llegado (casi nada!), es decir que tiene que servir para aplicaciones que aún no conocemos; lo cual es bastante rompedor desde un punto de vista ingenieril, en donde convencionalmente, tenemos/definimos un problema y lo solucionamos luego. En este sentido 5G va a la inversa, da la solución para ‘necesidades’ que no existen ó que vamos a crear. Es a lo que llamamos un sistema future-proof. ¿Y como hacemos un sistema así?

El primer paso como adelantamos es precisamente analizar cuidadosamente los casos de uso previstos ¿que tienen en común? y ¿qué tienen de diferentes?. Y en paralelo, ir inventariando las soluciones tecnológicas a mano, e ir listando las características a muy alto nivel que el sistema debe tener. Ese análisis en su conjunto, ha dado como resultado (aspecto consensuado y ampliamente aceptado) que 5G, a diferencia de las generaciones previas, no se diseña con una aplicación estrella en mente, sino que se diseña para ser una plataforma, posiblemente integrando sistemas existentes como LTE, capaz de ofrecer diferentes servicios (genéricos) de comunicaciones en los cuales, todas las posibles aplicaciones y casos de uso han de acomodarse. A saber:

1. Banda ancha mejorada (enhanced Mobile Broadband)
2. Comunicaciones masivas entre maquinas (massive Machine Type Communications)
3. Comunicaciones ultra-fiables y de baja latencia (ultra Reliable Low Latency Communications)

Estos tipos de servicio ya fueron introducidos en nuestra primera entrega, así que ofrecemos una descripción corta aquí.

Casos de uso para enhanced Mobile Broadband (eMBB)

Este tipo de servicio está orientado a aplicaciones en donde se requiera velocidades extremadamente altas para soportar aplicaciones que requieran la transmisión de grandes cantidades de datos como streaming de videos en alta definición o realidad virtual. Igualmente este tipo de servicio garantizará baja latencia y se espera que ofrezca una calidad de servicio bastante consistente en el área de cobertura de la red, es decir, que el usuario experimenta poca o ninguna degradación al moverse en la red ó al aumentar el número de usuarios (volumen de la demanda). Adicionalmente el lema de “todo conectado” hace eco de este requerimiento, donde la conectividad debe proveerse virtualmente en todas partes, desde el campo, el mar e inclusive en el aire para aviones. Escenarios en donde se espera utilizar este tipo de comunicación incluye por ejemplo centros comerciales, eventos masivos en exteriores, estadios, trenes y autos a alta velocidad, etc.

Casos de uso para Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC)

Este tipo de servicio está pensado para aplicaciones que requieran niveles muy altos de disponibilidad (el acceso a la comunicación debe estar disponible siempre), fiabilidad (no interrupciones o cortes en las comunicaciones) y baja latencia (el tiempo entre transmisión y recepción debe ser mínimo), pero que en contraste con el servicio anterior, no requieren tasas de transmisión muy elevadas, más bien bajas. Ejemplos de aplicaciones que podrían servirse de este modo de transmisión incluyen cirugías remotas, control de procesos industriales, sistemas de transporte inteligente y seguridad pública.

Casos de uso para massive Machine Type Communications (mMTC)

Este tipo de servicio está pensado para dar acceso a decenas de millones de dispositivos sobre potencialmente muy extensas áreas de cobertura. Usualmente, este tipo de dispositivos no requieren altas tasas de transmisión ni son especialmente a retardos de transmisión. El reto está más bien en manejar la extremadamente alta densidad de conexiones y en el hecho de que son dispositivos con capacidades muy limitadas, lo que supone que comunicaciones muy eficientes en términos energéticos y que puedan coexistir con el resto del tráfico de la red sin producir ninguna degradación notable del servicio. Las aplicaciones incluyen aquellas que requieran sensores en vehículos, personas, o dispersos en extensas áreas en donde normalmente no habrían personas, y que por tanto, su cobertura no estaría planificada en redes convencionales. Un ejemplo tendencia podría ser algunos casos de la Internet de las Cosas.

Casos de uso identificados en METIS-II y su mapeo a los correspondintes tipos de servicio en 5G.
Fuente: https://metis-ii.5g-ppp.eu/wp-content/uploads/deliverables/METIS-II_D1.1_v1.0.pdf

Pasando del Qué? al Cómo?

Se espera que los tipos de servicios descritos antes muy a alto nivel, proveen la conectividad y características necesarias para hacer viable un gran número de aplicaciones y visiones, a corto, mediano, y largo plazo. De este modo, la realización de 5G supone implementar dichos servicios en una plataforma compatible con los sistemas actuales (más o menos) y con algunas otras características deseables que ya mencionamos. Pero, ¿Qué significa en el caso de eMBB, velocidades extremadamente altas?, ¿Que es baja latencia y alta disponibilidad en el caso de URLLC?, ¿Qué significa ser energéticamente eficiente en el caso de mMTC?, y la pregunta del millón, ¿Cómo conseguimos llegar a esos niveles? Estas serán las cuestiones que abordaremos en las próximas entregas, pero adelantando un poco el contenido de las mismas, diremos que hemos de definir alguna terminología y métricas que nos permitirán describir los requerimientos técnicos de forma más precisa, para luego discutir los conceptos, componentes tecnológicos, y paradigmas que permitirán alcanzar esos objetivos en 5G.

Resumiendo, hemos discutido como la definición de los casos de uso es un paso primordial en la conceptualización de un sistema de comunicaciones móviles celulares. Esto es especialmente cierto para 5G, ya que como mencionamos antes, la gran cantidad y diversidad de casos de uso requerirá de un concepto de sistema (arquitectura, protocolos, etc) bastante más flexible que las generaciones previas. Por lo tanto, 5G ofrecerá tres tipos de servicios genéricos cuya implementación y todo a su alrededor serán los temas de las futuras entregas de este blog.

Referencias

[METIS] METIS 2020 Project Homepage. https://www.metis2020.com

[Ela16] S. E. Elayoubi et al., “5G service requirements and operational use cases: Analysis and METIS II vision,” 2016 European Conference on Networks and Communications (EuCNC), Athens, 2016, pp. 158-162. doi: 10.1109/EuCNC.2016.7561024

[Pal16] M. R. Palattella et al., “Internet of Things in the 5G Era: Enablers, Architecture, and Business Models,” in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 34, no. 3, pp. 510-527, March 2016. doi: 10.1109/JSAC.2016.2525418

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