Como hemos apuntado reiteradamente en entregas anteriores, el espectro radioeléctrico es el principal recurso en comunicaciones inalámbricas, incidiendo directamente en la capacidad de los sistemas celulares, y consecuentemente en la calidad de servicio percibida por los usuarios. En 5G, la diversidad de casos de uso y los ambiciosos requerimientos técnicos plantean no solo la necesidad de mucho más ancho de banda, sino también replantearnos y revisar algunos aspectos tecno-económicos asociados al uso del espectro, y por supuesto, las importantes políticas de regulación que incluyen los tipos de licencias y acceso para el uso del mismo. Como se dijo, la armonización del espectro nos permite, desde el punto de vista de economía de mercado, que el desarrollo de equipos y estándares para las comunicaciones inalámbricas en 5G sea más expedito y barato. La multitud de bandas candidatas a pesar de proveer varias alternativas para llegar a acuerdos mundiales también incrementan el número de diseños e implementaciones que deben considerarse. Esto es debido a que las características del hardware son diferentes (antenas, amplificadores, receptores, etc) y los parámetros de operación de la capa física deben ser ajustados de acuerdo a la frecuencia utilizada. Desde hace ya varios años se ha pensado que las bandas de alta frecuencia (con respecto a las frecuencias de operación más convencionales por debajo de 2.5 GHz), las llamadas ondas milimétricas, son las que tienen el potencial para proveer el ancho de banda necesario para alcanzar el volumen de transmisión de datos esperado para 5G. Pero desgraciadamente hay varios retos a superar antes que veamos redes celulares utilizando estas bandas. Nuevamente, no solo se trata de retos técnicos pero también económicos, regulatorios, y otros de índole más humanos como el miedo y la simple resistencia a la innovación y nuevas formas de negocio. En la primera parte de esta entrega, abordamos consideraciones tecno-económicas y aspectos regulatorios. En esta entrega discutimos algunos aspectos técnicos, componentes y funcionalidades necesarias para la operación de sistemas celulares en bandas de alta frecuencia, entendiendo como tales, y muy a groso modo, frecuencias comprendidas entre 30 GHz y 100 GHz.

Aspectos de investigación, diseño y planificación

En esta primera sección presentamos algunos aspectos teóricos, que son actualmente sujeto de investigación y que juegan un papel importante a la hora de diseñar diferentes componentes y funcionalidades necesarias para aprovechar el espectro en las bandas de ondas milimétricas. Además, son instrumento de otras tareas como el diseño de tipos servicios o la planificación radio.

• Modelos de canal: Un primer aspecto, fundamental, es el modelo de canal. En términos generales, viene a ser un modelo matemático que nos permite caracterizar la propagación de las ondas electromagnéticas en un medio determinado (en nuestro caso nuestro ecosistema) en función de parámetros como la frecuencia, el tipo de entorno, la distancia entre transmisor y receptor, y si existe o no un camino directo entre ellos, lo que se conoce como línea de vista (LoS: Line of Sight). El modelo de canal, nos permite estimar otras variables como la potencia recibida, ó la respuesta impulsional del canal que a su vez determina la selectividad en frecuencia (como se afecta cada porción del ancho de banda del canal), y que en el caso de comunicaciones móviles, es además una función del tiempo (no es constante) debido a la movilidad de los usuarios y al hecho que el entorno en sí mismo es móvil [STU_2017]. El modelo de canal es muy importante ya que además es necesario para realizar las importantes simulaciones de enlace y sistema, que son utilizadas por los ingenieros para estudiar y evaluar las redes de comunicaciones móviles en fase de diseño y/o estandarización. Por lo tanto, contar con modelos apropiados y precisos es de suma importancia, y ello se ve reflejado en la cantidad de iniciativas y proyectos de investigación dedicados por completo a esta tarea, como por ejemplo: METIS, COST2100, NYU WIRELESS, y mmMAGIC. Todas estas iniciativas sirven a su vez de referencia en estandarización, en particular, el 3GPP presta mucha atención a las conclusiones y resultados de estas actividades [3GPP_TR38900, 3GPP_TR38901]. De esta forma, es evidente que contar con modelos de canal apropiados es un aspecto crucial en 5G, ya como hemos dicho, se utilizarán bandas de alta frecuencia para las cuales no es factible utilizar modelos de canal existentes. Además, los nuevos tipos de despliegue, escenarios y casos de uso, y el uso algunas técnicas que se implementarán de forma masiva como múltiples antenas en transmisión y recepción, ponen aún más énfasis en este importante aspecto. A los lectores interesados en el tema, les proponemos las siguientes referencias [TZE_2005, HUR_2016, ZHAO_2017, SRI_2016].
• Modelos de interferencia: En términos generales, y desde la perspectiva de un enlace de comunicaciones inalámbrico, la capacidad o tasa de datos que es posible transmitir esta determinada fundamentalmente por la calidad de la señal útil y la cantidad de interferencia recibida, que es cualquier otra señal en el ancho de banda de interés, ya sea proveniente del mismo sistema o no. Para ser más precisos, en términos de la relación entre la potencia recibida en la señal útil y la potencia recibida de de todas las señales interferentes. Por lo tanto, siempre que el objetivo sea estudiar el comportamiento de una red de comunicaciones inalámbricas, el análisis y los modelos estadísticos para caracterizar la interferencia son fundamentales [ALJ_2010]. Por supuesto, en 5G, los modelos de interferencia están muy relacionados con los modelos de canal, pero en general también dependen de otros aspectos como el tipo de entorno, el caso de uso (que bien puede corresponder con la utilización de espectro en bandas milimétricas), y otros aspectos de sistema. Modelos de ejemplo se pueden encontrar en [HAM_2015, DON_2016]. En este sentido, es importante señalar que los patrones de interferencia y la distribución espacial de la misma guarda además relación con los patrones de comportamiento de los usuarios (distribución espacial y volumen de tráfico), los tipos de servicio ofrecidos en una determinada área geográfica, e incluso el tipo de acceso al espectro en cuestión.
• Tipo de despliegue: Muy a grandes rasgos, 5G está basado en las siguientes piedras angulares:
• incrementar el ancho de banda de operación, lo cual como venimos diciendo, se logrará agregando espectro en bandas de alta frecuencia,
• incrementando la eficiencia espectral de los enlaces, mediante técnicas avanzadas como cancelación de interferencia, múltiples antenas, ó nuevos métodos de codificación de canal, y
• incrementando el reuso espacial del espectro, es decir, densificando la red de acceso con más puntos de acceso, dando origen a las bien llamadas redes ultra densas (UDN: Ultra Dense Networks).

Este último aspecto, también guarda relación con la elección de utilizar ondas milimétricas, ya que como se explicó en el post anterior, la cobertura se ve reducida a medida que se incrementa la frecuencia de operación. De hecho, a pesar de que al incrementar la frecuencia, la interferencia también se ve reducida, en términos generales, la reducción en términos de cobertura es el efecto dominante, y se hace necesario utilizar una técnica conocida como conformación de haz (beamforming) que permite concentrar la energía que se transmite desde la antena (de hecho, desde un grupo de antenas) en una dirección determinada para compensar la alta pérdida por propagación cuando se trabaja con ondas milimétricas. De esta forma, no solo se consigue incrementar/compensar el alcance de los enlaces, sino que además se mejora la relación entre la señal útil y la interferencia, incidiendo también y de forma positiva en la eficiencia espectral. Sin embargo, aparecen otros problemas que serán abordados en 5G mediante técnicas relativamente nuevas en el contexto de sistemas de comunicaciones móviles, algunas de las cuales, ya existen en sistemas comerciales a día de hoy como LTE. Estos componentes y funcionalidades, son el tema de la siguiente sección.

Componentes y funcionalidades en 5G para habilitar la operación con ondas milimétricas

En esta sección describimos, de forma general, funcionalidades y componentes que harán posible la operación de 5G en bandas de alta frecuencia.

• Beamforming: La conformación de haz es una técnica fundamental en 5G que permite compensar la altísima pérdida por propagación que experimentan las ondas milimétricas. Existen básicamente 3 tipos de conformadores de haz: análogo, digital, e híbrido; y en todos los casos se requiere de un conjunto (array) de antenas. Lectores interesados en detalles adicionales sobre la temática pueden consultar [RAZ_2014] y las referencias allí incluidas. El hecho de que la longitud de onda se reduce a medida que se incrementa la frecuencia, permite además la utilización de antenas de menor tamaño, lo que resulta conveniente a la hora de implementar los mencionados arrays, tanto en las estaciones base como en los terminales móviles, en donde ya es posible integrar las antenas a nivel de la circuitería integrada (chips). En 5G, beamforming se podría utilizar por ejemplo para mejorar la cobertura outdoor-to-indoor (de exteriores a interiores) cuando se trabaja con frecuencias, por ejemplo, hasta 30 GHz. Para frecuencias más altas, beamforming resulta necesario para escenarios, bien interiores o exteriores, en donde exista la posibilidad de tener LoS. Por ejemplo, corredores interiores, oficinas, o calles con despliegues muy densos como podría ser un punto de transmisión en cada poste de la luminaria pública.
• Duplexing: El duplexado (duplexing) se refiere a las frecuencias que se utilizan para transmitir hacia y desde los terminales. Existen dos modos básicos utilizados de forma extendida en los sistemas de comunicaciones celulares: FDD (Frequency Division Duplex) y TDD (Time Division Duplex). En FDD se utilizan dos bandas de frecuencia, una para las transmisiones hacia los usuarios (downlink) y otra (usualmente la de menor frecuencia que tiene condiciones de propagación más favorables) para las transmisiones que realizan los usuarios (uplink). En TDD, existe una única banda de frecuencia que se utiliza para ambos tipos de transmisiones, uplink and downlink, siendo la dimensión temporal la que permite conmutar entre un tipo u otro, es decir, se transmite durante un tiempo en un sentido y luego en otro, pero no simultáneamente. Debido a que la estimación de canal es un aspecto muy importante cuando se utilizan esquemas con múltiples antenas, como beamforming, TDD resulta un esquema interesante ya que ambos enlaces (downlink and uplink) tienen las mismas condiciones de propagación al utilizar la misma frecuencia; esto se conoce como reciprocidad del canal (channel reciprocity), y simplifica significativamente algunos procesos adicionales para la operación de la red, además de reducir la cantidad de señalización requerida. De esta forma, es bastante probable que en 5G, TDD adquiera especial relevancia sobre todo cuando se opera con portadoras a alta frecuencia.
• Self-backhauling y D2D: El espectro en bandas de alta frecuencia también resulta una opción atractiva para establecer los enlaces entre los puntos de acceso y otros componentes de la red celular, la llamada core network. Incluso, para establecer enlaces entre diferentes puntos de acceso. Además, estos enlaces pueden perfectamente utilizar las mismas bandas de frecuencia que las utilizadas para el acceso radio de los usuarios. Otra posibilidad es utilizar las ondas milimétricas para habilitar la comunicación directa entre dispositivos móviles próximos entre sí.
• Movilidad: Como se dijo, no todo son ventajas cuando al utilizar ondas milimétricas y beamforming. La movilidad es un aspecto fundamental y muy importante de los sistemas celulares, y por lo tanto, la gestión de la movilidad debe ser fiable. En entornos con una alta densidad de puntos de acceso con zonas de cobertura reducida y empleando beamforming, la gestión de la movilidad es un problema nada trivial ya que los usuarios pueden pasar con mucha frecuencia de la zona de cobertura de un punto de acceso a otro. De esta forma, se requiere de soluciones robustas (y complejas) que requieren mucho dinamismo, por ejemplo continuas medidas e intercambio de información entre los punto de acceso y los usuarios. En 5G, la gestión de la movilidad, sobre todo teniendo en cuenta que las primeras versiones (ó fases) están bastante integradas con LTE, plantean retos adicionales ya que se requiere gestionar la movilidad de un sistema a otro. Diferentes arquitecturas y soluciones para la gestión de la movilidad serán tema por separado en una próxima entrega.
• Plano de control, <plano de usuario y conectividad dual/múltiple: En cierta forma, se podría pensar que los enlaces a través de ondas milimétricas son menos fiables dado que la probabilidad de una obstrucción completa, incluso causada por otra persona o un giro repentino del usuario, es bastante elevada. Esto no es necesariamente cierto, puesto que en un entorno UDN, es igualmente probable que un usuario pueda establecer enlaces con más de un punto de acceso, de modo que si uno de ellos se vé afectado, la comunicación no se vea interrumpida. De hecho, la posibilidad de establecer más de una conexión con puntos de acceso 5G, o 5G y LTE, es perfectamente viable. Igualmente, es posible pensar en separar el plano de control y el plano de usuario en diferentes puntos de acceso o bandas de frecuencia. Por ejemplo, una macrocelda operando en una frecuencia más baja podría encargarse de transmitir el plano de control, mientras que puntos de acceso operando a frecuencias más altas podrían transmitir los datos de usuario. También, y de forma similar, sería posible desacoplar el downlink del uplink, y establecer cada enlace con un punto de acceso diferente, también posiblemente, en distintas bandas de frecuencia. Todas estos nuevos conceptos, tocan un poco la esencia misma de lo que entendemos por redes celulares ya que modifican aspectos, que hasta la fecha, habían sido más o menos estables como la arquitectura y los protocolos utilizados.
• Carrier Aggregation: Como se indicó, la posibilidad de agregar diferentes portadoras, de diferentes tamaños, es una funcionalidad clave en LTE. Esto permite no solo agregar más ancho de banda de forma más o menos transparente, pero también crear funcionalidades en donde se agrega otro tipo de espectro, en particular espectro sin licencia. En LTE, Licensed Assisted Access (LAA) permite que parte de la información del usuario (en downlink y más recientemente uplink) se transmita en bandas de espectro sin licencia, tanto para redes FDD como TDD; mientras que la (más sensitiva) información de control se transmite en espectro licenciado. Este marco de trabajo será muy probablemente heredado con algunas mejoras en 5G, de modo que se pueda alcanzar la flexibilidad requerida. No obstante, las regulaciones en cuanto al tipo de acceso de cada banda de frecuencia, deben por supuesto siempre tenerse en cuenta.
• Acceso a la red: Muchas de las bandas de ondas milimétricas podrían ser perfectamente bandas sin licencia. Como se ha visto, integrar este tipo de espectro es perfectamente viable, pero con algunas condiciones adicionales. Para ser más exactos, ciertos mecanismos de coexistencia como Listen Before Talk (LBT) deben ser implementados, los cuales podrían suponer algunos cambios en procedimientos importantes dentro de la operación del sistema. Por ejemplo, el acceso a la red, que dependiendo del tipo de servicio, debe ser fiable y rápido. Además, durante el acceso inicial, la información de la que dispone el terminal es limitada, y otros procedimientos como la sincronización y la obtención de la información esencial de la red, en un entorno operando completamente con beamforming, supone algunos cambios importantes en redes 5G, ya que la detección de los mismos, y la posterior notificación a la red tampoco es un proceso sencillo.
• Spectrum Toolbox: Un concepto que se va a introducir en 5G es el spectrum toolbox, que consiste en un conjunto de funcionalidades que permiten un uso eficiente y flexible del espectro disponible, respetando las regulaciones de cada tipo de espectro, y los requerimientos de los diferentes tipos de servicio. Esto debe permitir el acceso a un espectro distribuido, es decir múltiples porciones no-contiguas de espectro, de diferente tamaño, y en distintas bandas de frecuencia. De acuerdo a [METIS317669], diferentes dominios componen esta herramienta e integran mecanismos dependiendo del tipo de escenario, aspectos regulatorios, y los habilitadores y funcionalidades que pudiesen ser necesarios en cada caso.
• En resumen, en esta y la anterior entrega hemos revisado diferentes aspectos relacionados al espectro para 5G, desde novedosas consideraciones tecno-económicas, modelos regulatorios, y una descripción de diferentes componentes y funcionalidades que permitirán hacer uso eficiente del espectro disponible para 5G. De esta forma, equipados con el background provisto por este y las anteriores entregas, pasamos a partir de las siguientes entregas a realizar una descripción más en detalle de algunos conceptos y paradigmas de diseño fundamentales en 5G.

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