{"id":2788,"date":"2017-05-26T12:39:55","date_gmt":"2017-05-26T12:39:55","guid":{"rendered":"http:\/\/comunicaciondigital.utp.ac.pa\/5G\/?p=2788"},"modified":"2017-12-13T15:49:03","modified_gmt":"2017-12-13T15:49:03","slug":"espectro-para-5g-parte-i","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/comunicaciondigital.utp.ac.pa\/5G\/espectro-para-5g-parte-i\/","title":{"rendered":"Espectro para 5G: Parte I"},"content":{"rendered":"

La realizaci\u00f3n de la quinta generaci\u00f3n de comunicaciones m\u00f3viles plantea un larga lista de retos, algunos m\u00e1s t\u00e9cnicos\/te\u00f3ricos, y otros m\u00e1s en un plano econ\u00f3mico, regulatorio y de estandarizaci\u00f3n. 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 t\u00e9rminos de indicadores de rendimiento clave (KPIs: Key Performance Indicators<\/em>). Uno de estos KPIs, que ha sido central a lo largo de la generaciones previas, es la continua b\u00fasqueda de m\u00e1s capacidad, ya sea en t\u00e9rminos del n\u00famero de usuarios, o bien en t\u00e9rminos de eficiencia espectral. Para lograr este objetivo, una de las soluciones ha sido simplemente utilizar m\u00e1s recursos (fuerza bruta!), es decir, emplear m\u00e1s ancho de banda u ocupar una mayor porci\u00f3n del espectro radioel\u00e9ctrico. 5G no ser\u00e1 una excepci\u00f3n en este sentido, pero ciertamente plantea un punto de inflexi\u00f3n en cuanto a la escala (y otros retos que se derivan de esta), ya que se requerir\u00e1 agregar algunos \u00f3rdenes de magnitud en t\u00e9rminos de espectro para alcanzar los objetivos de dise\u00f1o. No obstante, y como veremos m\u00e1s adelante, el ancho de banda es un recurso cada vez m\u00e1s escaso, y por ende costoso, que por otra parte, es tambi\u00e9n utilizado por otros sistemas de comunicaciones (no-celulares) como por ejemplo, radares y comunicaciones satelitales. Adem\u00e1s, merece la pena mencionar que la asignaci\u00f3n y armonizaci\u00f3n del espectro a escala global, es un proceso lento y bastante dif\u00edcil.<\/p>\n

De este modo, siendo un componente fundamental de 5G, cuya apropiada introducci\u00f3n es perentoria para luego analizar otros conceptos y componentes tecnol\u00f3gicos, abordamos en esta y la siguiente entrega, el espectro para 5G. Intentaremos revisar, entre otras, las siguientes cuestiones: \u00bfcuanto m\u00e1s ancho de banda es necesario?, \u00bfcu\u00e1l es su valor real?, \u00bfqu\u00e9 bandas de frecuencia podemos utilizar?, y \u00bfqu\u00e9 tipo de regulaci\u00f3n se requiere?.<\/p>\n

Consideraciones t\u00e9cnico-econ\u00f3micas b\u00e1sicas<\/h2>\n

El espectro radioel\u00e9ctrico es el recurso m\u00e1s fundamental en comunicaciones inal\u00e1mbricas. Como hemos visto, se puede definir como las frecuencias de las se\u00f1ales electromagn\u00e9ticas que se utilizan en un determinado sistema; y al rango o intervalo de estas frecuencias se le denomina ancho de banda<\/em> y se especifica en Hertz (Hz, ciclos por segundo). A lo largo de las generaciones de comunicaciones m\u00f3viles celulares, los diferentes sistemas han ido progresivamente incrementando el ancho de banda de operaci\u00f3n; as\u00ed por ejemplo, GSM utilizaba canales de 200 KHz, UMTS emplea portadoras de 5 MHz, y LTE en su primera versi\u00f3n (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 t\u00e9cnica clave que revisaremos en detalle a futuro conocida como Carrier Aggregation<\/em> (CA). CA es una funcionalidad que permite agregar portadoras (la capacidad de utilizar diferentes bandas de frecuencia, contiguas o no, y potencialmente de distinto tama\u00f1o). Algunas de las frecuencias que se han definido en el 3GPP para LTE (Rel. 12) se pueden encontrar en [3GPP_TS36101]<\/strong>. Para 5G, podr\u00edamos estar hablando de un sistema que funciona con un ancho de banda total de m\u00e1s 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<\/em>) se est\u00e1n manejando a nivel de estandarizaci\u00f3n para tales prop\u00f3sitos [3GPP_TR38912]<\/strong>. A lo largo de esta evoluci\u00f3n, tambi\u00e9n se ha visto como el espectro que se ha ido agregando ha sido obtenido de bandas de frecuencia cada vez m\u00e1s altas, que se han ido liberando para el uso de los sistemas de comunicaciones m\u00f3viles. As\u00ed, y muy a grandes rasgos, mientras GSM fue desplegado mayoritariamente en la banda de 900 MHz en los a\u00f1os 90 y posteriormente en las bandas de 1.8 y 1.9 GHz, muchos despliegues actuales de LTE, se est\u00e1n 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 finalizar\u00e1 operando en bandas de tan elevadas como 80-100 GHz (ondas centim\u00e9tricas y milim\u00e9tricas) [3GPP_TR38913]<\/strong>. De acuerdo a [GSMA16]<\/strong> 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 raz\u00f3n principal de este incremento progresivo es que es en estas bandas de alta frecuencia donde existe el ancho de banda necesario y potencialmente disponible<\/strong> (libre o asignable) para satisfacer las proyecciones de tr\u00e1fico de los sistemas de comunicaciones m\u00f3viles del futuro, como 5G. No obstante, es importante se\u00f1alar que de ninguna forma esta tendencia supone que 5G no podr\u00eda desplegarse en las bandas m\u00e1s convencionales (de menor frecuencia) que han sido y est\u00e1n siendo utilizadas para sistemas previos (3G, 3G, y 4G). A largo plazo, y con algo de suerte, quiz\u00e1 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 investigaci\u00f3n [Lin15, Pir15]<\/strong>.<\/p>\n

\"\" FIGURA 1: Uso de espectro por cada una de las generaciones<\/small><\/p>\n

Hasta aqu\u00ed, parece que la vida es f\u00e1cil, solo agregar m\u00e1s bandas de frecuencias y problema resuelto; pero, existe un peque\u00f1o detalle con todo esto. A medida que se incrementa la frecuencia de operaci\u00f3n, la propagaci\u00f3n radio es m\u00e1s dif\u00edcil y la cobertura se ve penalizada. Es decir, a medida que se incrementa la frecuencia, se requiere transmitir utilizando m\u00e1s potencia para recibir la misma cantidad de energ\u00eda a una distancia determinada; o dicho de otro modo (y de forma bastante simplificada), a una potencia de transmisi\u00f3n fija, un tel\u00e9fono celular recibir\u00eda una mejor<\/em> se\u00f1al de una antena celular que opere a menor frecuencia que otra que opere a m\u00e1s alta frecuencia. En un lenguaje algo m\u00e1s t\u00e9cnico lo podr\u00edamos expresar diciendo que la atenuaci\u00f3n de la se\u00f1al en funci\u00f3n de la distancia es mayor a medida que se incrementa la frecuencia; a esto se le llama p\u00e9rdida por propagaci\u00f3n (Path Loss<\/em>). Adem\u00e1s, con la propagaci\u00f3n a altas frecuencias, la capacidad de las se\u00f1ales electromagn\u00e9ticas de atravesar estructuras (edificios, paredes, \u00e1rboles, etc) es cada vez menor; de modo que la cobertura en interiores (indoor<\/em>) tambi\u00e9n se ve muy afectada. En resumen, ganamos en cantidad de recursos (tenemos m\u00e1s ancho de banda) pero perdemos en cobertura (se dificulta la conectividad inal\u00e1mbrica). Otros aspectos en el lado positivo incluyen, como veremos en la siguiente entrega, la reducci\u00f3n en el tama\u00f1o de las antenas, mientras que entre los nuevos retos tambi\u00e9n podemos se\u00f1alar la necesidad de nuevos modelos de propagaci\u00f3n que permitan planificar adecuadamente el despliegue de las redes celulares. Estos y otros aspectos t\u00e9cnicos menos evidentes, y las t\u00e9cnicas que nos permitir\u00edan aprovechar el nuevo espectro a\u00f1adido en altas frecuencias ser\u00e1n revisados con m\u00e1s detalle en la siguiente entrega.<\/p>\n

Lo anterior se refiere a los aspectos t\u00e9cnicos m\u00e1s fundamentales al utilizar bandas de alta frecuencias en 5G. \u00bfQue podemos decir desde una perspectiva econ\u00f3mica? M\u00e1s all\u00e1 de \u00bfc\u00f3mo? y \u00bfquien? asigna el espectro en cada regi\u00f3n y pa\u00eds (que es la tem\u00e1tica de la siguiente secci\u00f3n), una pregunta interesante es: \u00bfcu\u00e1l es el valor del espectro radioel\u00e9ctrico? \u00bfPagan los operadores de telefon\u00eda m\u00f3vil un precio justo por la utilizaci\u00f3n del mismo?. Todos sabemos que el valor\/precio a pagar por las licencias (y sobre las pol\u00edticas de uso tambi\u00e9n hablaremos m\u00e1s adelante) pueden ser extremadamente altos: el espectro es un recurso realmente valioso. Con lo cual, si pensamos en bandas 100 veces m\u00e1s grandes para 5G, \u00bfhan de escalarse los costos linearmente? \u00bfhay casos de negocio que sustenten tal inversi\u00f3n? Esto ser\u00e1 un aspecto muy interesante en 5G. Parece claro que mantener un modelo basado en $\/Hz no es sustentable. Adem\u00e1s, se podr\u00eda pensar que en lugar de comprar m\u00e1s espectro, se puede invertir en m\u00e1s estaciones bases y antenas para re-utilizar mejor el espectro ya adquirido y garantizar la cobertura. Hemos dicho que el espectro m\u00e1s convencional tiene relativamente buenas condiciones de propagaci\u00f3n y cobertura, \u00bftiene sentido desplegar una red m\u00e1s densa en todos los casos?. El punto est\u00e1 en el siguiente detalle: las caracter\u00edsticas de propagaci\u00f3n y cobertura hacen que los sistemas de baja frecuencia sean m\u00e1s susceptibles a interferencia, lo que significa que al densificar las redes, se corre el riesgo de saturar los canales de transmisi\u00f3n 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 relaci\u00f3n del costo del espectro y el costo de la infraestructura y\/o servicios. \u00bfSer\u00edan los modelos convencionales utilizados hasta la fecha v\u00e1lidos para tasar el espectro en 5G? \u00bfs\u00ed? \u00bfno? \u00bfporque?.<\/p>\n

Habiendo revisado algunos aspectos tecno-econ\u00f3micos b\u00e1sicos, concluimos esta entrega revisando la asignaci\u00f3n y regulaci\u00f3n del espectro radioel\u00e9ctrico.<\/p>\n

Asignaci\u00f3n del espectro y tipos de regulaci\u00f3n<\/h2>\n

Como se indic\u00f3 en previas entregas, el organismo encargado de identificar, regular, y armonizar el uso del espectro radioel\u00e9ctrico a nivel global es la Uni\u00f3n Internacional de Telecomunicaciones (International Telecommunications Union<\/em>: ITU), que cada 3 \u00f3 4 a\u00f1os se celebra la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones (World Radiocommunications Conference<\/em>: WRC) en donde estos aspectos son debatidos por instituciones y organismos que representan pa\u00edses de diferentes regiones. En la \u00faltima, celebrada en Barcelona en 2015 (WCR-15), y de alguna forma motivado por las conclusiones expuestas en [ITUR2376]<\/strong>, se identificaron unos 400 MHz adicionales para sistemas IMT (International Mobile Telecommunications<\/em>) y 4G, aunque con diferencias entre regiones e incluso entre pa\u00edses de la misma regi\u00f3n. Sin embargo, identificar bandas m\u00e1s all\u00e1 de los 6 GHz fue dejado como un item<\/em> de estudio para el pr\u00f3ximo WRC en 2019. Evidentemente, este es un proceso, lento, tedioso, pero extremadamente importante ya que unificar<\/em>, en la medida de lo posible, las bandas para cada sistema posibilita la econom\u00eda de escala, que facilita la reducci\u00f3n de costos e incluso la itinerancia de los terminales m\u00f3viles entre diferentes regiones. Como dato notable, destacamos uno de los grandes aciertos de los est\u00e1ndares IEEE 802.11, las llamadas redes de \u00e1rea local WiFi, las cuales fueron dise\u00f1adas para operar en una banda de frecuencias disponible a nivel mundial, la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical<\/em>). La Tabla 1 muestra un resumen de algunas decisiones que han sido (y esperan ser) tomadas en el contexto de ITU-R.<\/p>\n

Tabla 1. Algunas decisiones en relaci\u00f3n a la asignaci\u00f3n de espectro tomadas en el seno de los WRC de la ITU-R.<\/small><\/p>\n\n\n\n\n\n\n
Contexto<\/th>\nBanda de frecuencia (GHz)<\/th>\nDecisi\u00f3n y\/o asignaci\u00f3n<\/th>\n<\/tr>\n
WRC-15<\/td>\n1.427 – 1.518 (banda L)<\/td>\nIdentificado para mobile broadband, en regiones como Am\u00e9rica y Europa.<\/td>\n<\/tr>\n
3.4 – 3.6 (banda C)<\/td>\n<\/tr>\n
WRC-19<\/td>\n24.25 – 27.5, 37.0 – 43.5, 66 – 76, y 81 – 86.<\/td>\nEstudios y decisiones que se esperan a futuro.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

 <\/p>\n

\"\" FIGURA 2: Bandas de espectro contiguo disponibles a nivel mundial y candidatas para 5G.<\/small><\/p>\n

En este contexto de regulaci\u00f3n, un aspecto de importancia es el tipo de acceso al espectro radioel\u00e9ctrico, que tiene que ver con el r\u00e9gimen bajo el cual se permite utilizar el mismo. En adici\u00f3n a los diferentes modelos que se describen a continuaci\u00f3n, otras regulaciones a menudo tambi\u00e9n aplican a diferentes bandas de frecuencia y por regiones, como por ejemplo: niveles de potencia m\u00e1xima transmitida, tiempo m\u00e1ximo continuo de transmisi\u00f3n, m\u00e1ximo ciclo de trabajo, \u00f3 acceso condicionado a diferentes mecanismos de coexistencia que discutiremos en detalle en futuras entregas.<\/p>\n

    \n
  • Licencias<\/u> exclusivas<\/u> Es un esquema convencional en el que a menudo se realiza un concurso o subasta entre potenciales operadores de sistemas de comunicaciones inal\u00e1mbricos, 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 (m\u00e1s o menos total) de la interferencia que se genera, y por lo tanto, permite garantizar niveles de calidad de servicio. Esto obviamente, ser\u00eda muy adecuado para ciertos casos de uso en 5G en donde se requieren transmisiones de muy alta prioridad, los llamados mission critical services<\/em>, como servicios tipo URLLC que hemos discutido en previas entregas. Adem\u00e1s, cierto tipo de informaci\u00f3n de control cr\u00edtica y necesaria para la operaci\u00f3n de los sistemas celulares, tendr\u00eda 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 r\u00edgida por un tiempo estipulado, y en caso de estar subutilizado, no puede ser aprovechado.<\/li>\n
  • Espectro<\/u> sin<\/u> licencia<\/u> 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 dif\u00edcil controlar la interferencia, y por lo tanto, la calidad\/fiabilidad de las transmisiones. Si bien, puede conducir a una utilizaci\u00f3n intensiva y eficiente del espectro, tambi\u00e9n podr\u00eda degenerar en una suerte de tragedia-de-los-comunes<\/em> 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 podr\u00eda ser aprovechado, por ejemplo y de forma oportunista, en servicios tipo eMBB.<\/li>\n
  • Espectro<\/u> compartido<\/u>. Este modelo, vendr\u00eda a representar un t\u00e9rmino medio entre el espectro licenciado y sin licencia, en donde diferentes operadores podr\u00edan coordinarse para compartir una determinada banda de frecuencia. Por ejemplo, se podr\u00eda pensar en utilizar este modelo para bandas por debajo de 1 GHz, las cuales debido a sus caracter\u00edsticas de propagaci\u00f3n ser\u00edan adecuadas para servicios tipo mMTC. En principio, es un modelo atractivo y potencialmente efectivo; pero en la pr\u00e1ctica, la regulaci\u00f3n y coordinaci\u00f3n de este tipo de pol\u00edtica no es trivial.<\/li>\n
  • Asignaciones<\/u> din\u00e1micas<\/u> basadas<\/u> en<\/u> mercado<\/u>. Otra posibilidad es permitir que el espectro pueda ser canjeado, reasignado, o subastado entre operadores, o servicios, de forma m\u00e1s din\u00e1mica (en escalas de tiempo posiblemente de horas) e incluso en diferentes \u00e1reas geogr\u00e1ficas, basado en patrones de uso bien identificados y\/o tendencias de mercado local. En este caso, la definici\u00f3n precisa del espectro como moneda de cambio<\/em>, es un elemento de inter\u00e9s e importancia.<\/li>\n<\/ul>\n

    Como hemos visto, adem\u00e1s de ser el recursos m\u00e1s fundamental para los sistemas de comunicaciones inal\u00e1mbricos, el uso eficiente del espectro radioel\u00e9ctrico requiere no solo t\u00e9cnicas que pueden ser espec\u00edficas y necesarias para una determinada banda, sino que debe ir acompa\u00f1ado de una regulaci\u00f3n adecuada (y justa). De acuerdo a [GSMA16]<\/strong>, el uso de licencias technology-agnostic<\/em> (que puedan usarse por diferentes sistemas y tecnolog\u00edas de comunicaciones m\u00f3viles) es fundamental, as\u00ed como la necesidad de herramientas para un manejo m\u00e1s eficiente del espectro [METIS317669]<\/strong>; est\u00e1 claro que 5G debe soportar diferentes modelos de asignaci\u00f3n y uso del espectro. No obstante, el proceso de regulaci\u00f3n y armonizaci\u00f3n no es sencillo, es lento, y los requerimientos de espectro para los sistemas de comunicaciones m\u00f3viles celulares deben atender y considerar los siguientes aspectos:<\/p>\n

      \n
    • los tipos de servicios y casos de uso,<\/li>\n
    • las proyecciones de tr\u00e1fico,<\/li>\n
    • los avances y componentes tecnol\u00f3gicos,<\/li>\n
    • las necesidades locales y de la industria, y por \u00faltimo, pero no menos importante,<\/li>\n
    • garantizar un r\u00e9gimen justo y de competencia leal entre los incumbentes.<\/li>\n<\/ul>\n

      En la pr\u00f3xima entrega, presentaremos consideraciones m\u00e1s espec\u00edficas sobre el uso del espectro en bandas de alta frecuencia para 5G, y explicaremos componentes tecnol\u00f3gicos clave (por ejemplo beamforming<\/em>) y conceptos de importancia, incluyendo consideraciones de Radio Frecuencia (RF), que har\u00e1n este nuevo paradigma posible.<\/p>\n

      Referencias<\/h3>\n

       <\/p>\n

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

      [Pir15]<\/strong> 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<\/em>, vol. 14, no. 3, pp. 404-406, May 2015.<\/p>\n

      [ITUR2376]<\/strong> Uni\u00f3n Internacional de Telecomunicaciones Sector Radio (ITU-R), “Technical feasibility of IMT in bands above 6 GHz,” Report M.2376, Nov. 2014.<\/p>\n

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

      [3GPP_TR38912]<\/strong> 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, “Study on New Radio (NR) access technology”, Technical Report 38.912. Marzo 2017.<\/p>\n

      [3GPP_TS36101]<\/strong> 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, “User equipment (UE) radio transmission and reception”, Technical Specification 36.101. Oct. 2015.<\/p>\n

      [GSMA16]<\/strong> GSM Association, “5G spectrum: public policy position”, White paper, Nov. 2016.<\/p>\n

      [METIS317669]<\/strong> METIIS Project, “Future Spectrum System Concept,” Deliverable D5.4, Disponible en: www.metis2020.com, Abr. 2015.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

      El espectro radioel\u00e9ctrico es el recurso m\u00e1s fundamental en comunicaciones inal\u00e1mbricas. \u00bfCu\u00e1nto y qu\u00e9 tipo de espectro necesitamos para 5G?<\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":2796,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[198],"tags":[],"class_list":["post-2788","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-blog"],"yoast_head":"\nEspectro para 5G: Parte I<\/title>\n<meta name=\"description\" content=\"El espectro radioel\u00e9ctrico es el recurso m\u00e1s fundamental en comunicaciones inal\u00e1mbricas. \u00bfCu\u00e1nto y qu\u00e9 tipo de espectro necesitamos para 5G?\" \/>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"http:\/\/comunicaciondigital.utp.ac.pa\/5G\/espectro-para-5g-parte-i\/\" 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