5G: tecnología, retos y oportunidades
5G: tecnología, retos y oportunidades
Introducción
La tecnología 5G representa la quinta generación de redes de comunicaciones móviles y tiene por objetivo responder a las necesidades de mayor ancho de banda, baja latencia y el aumento en la demanda conectividad de dispositivos de todo tipo.
La ITU (UIT, Unión Internacional de Telecomunicaciones, en español), en su grupo de trabajo para la estandarización IMT-2020, ha publicado varias recomendaciones y estudios para la implementación.
La tecnología 5G promete beneficiar a múltiples agentes sociales, servicios a la ciudadanía, empresas, comunidades ...
en las tres categorías principales de casos de uso (ITU):
Comunicaciones de máquina a máquina, o Internet de las cosas (IoT), que
facilitan la conexión de miles de millones de dispositivos sin intervención
humana a una escala sin precedentes. Ello permitirá modernizar los procesos y
las aplicaciones industriales actuales, en particular con respecto a la
agricultura, los procesos de fabricación y las comunicaciones empresariales.
Comunicaciones ultrafiables con baja latencia, destinadas a procesos
cruciales como el control de dispositivos en tiempo real, la robótica
industrial, las comunicaciones entre vehículos y los sistemas de seguridad, la
conducción autónoma y la seguridad de las redes de transporte. Las
comunicaciones de baja latencia también ofrecen nuevas posibilidades en materia
de servicios de atención sanitaria y procedimientos y tratamientos médicos a
distancia.
Banda ancha móvil mejorada, que propicia una transmisión de datos mucho
más rápida y de mayor capacidad para facilitar conexiones a escala mundial. Las
nuevas aplicaciones abarcan el acceso
inalámbrico fijo a Internet en hogares, los servicios de radiodifusión en
exteriores sin necesidad de vehículos de radiodifusión y el aumento de la
conectividad al viajar.
Los beneficios y usos son múltiples:
Respecto a 4G (IMT-Avanzadas), la 5G (IMT-2020) promete las siguientes mejoras:
¿Cómo funciona la tecnología 5G?
La tecnolgía 5G convivirá con la tecnología 4G durante un tiempo, habilitando las características de 5G allí donde sea necesario o conveniente.
Las redes móviles tienen 2 componentes principales, la "Red de acceso radioeléctrico" (RAN, Radio Access Network, en inglés) y la red troncal (Core Network o Backhaul).
- La red de acceso móvil tradicional se basa en unas estaciones base compuestas por radios bidireccionales multicanal de baja potencia y antenas que transmiten y reciben las señales de radiocomunicación. Estos equipos pueden instalarse en torres de transmisión, postes, soportes en azoteas. Su cobertura se suele identificar por una célula y de ahí proviene el término de telefonía celular. En la imagen siguiente se muestra un ejemplo de una red:
En las redes 5G aparece el concepto de "Células de tamaño pequeño" (Small Cells) que permitirá ofrecer conectividad con un alcance muy corto, útiles para industrias y otras áreas limitadas. Estas células utilizarán frecuencias de ondas milimétricas (mmWave, milimetre wave) y para proporcionar una conexión ininterrumpida (continua), las células de pequeño tamaño se agruparán en clusters en los lugares en los que los usuarios precisen conexión y éstas complementaran la red global o macro que proporcionará una cobertura de área extensa.
Las marco células 5G usarán antenas MIMO (multiple input, multiple output) que tienen múltiples elementos o conexiones para enviar y recibir más datos simultáneamente. El beneficio para los usuarios que podrán acceder más personas de forma simultánea a la red y mantener una tasa de transferencia de datos elevada. Si as antenas MIMO usan un número muy elevado de elementos de antena, suelen denominarse "MIMO masivas", aunque su tamaño es similar a las estaciones base 3G y 4G existentes.
- la red troncal (llamada también Core Network o backhaul) es la que permite el intercambio de datos y de gestión de la red incluyendo, por ejemplo, las conexiones móviles y llamadas telefónicas, datos y conexiones a internet. En las redes 5G la red troncal se ha rediseñado para integrase mejor con internet y servicios basados en la nube y también incluye servidores distribuidos a lo largo de la red para mejorar los tiempos de respuesta (reduciendo la latencia). En la imagen siguiente se muestra el uso de un servidor local próximo que permite de servicios que requieren de una latencia baja, como los sistemas que utilizan análisis de consciencia situacional (situational awareness) puedan tomar la desición y realizar la acción de forma muy rápida. (Este es un concepto que, aplicado al contexto de cómputo y análisis de datos, derivó en la idea de "edge computing" en donde la capacidad de cómputo y análisis se acerca a los sistemas que requieren una toma de decisiones instantáneas).
Algunos ejemplos de servicios de servidores locales son:
- Network Slicing, que permite una forma inteligente de segmentar la red para una industria particular, negocio o aplicación. Por ejemplo los servicios de emergencias podrían operar en un segmento (slice) de red independiente de otros usuarios.
- Network Function Virtualization (NVF), que permite proveer funciones de red en tiempo real a cualquier ubicación deseada dentro de la plataforma de nube del operador. Las funciones de red que suelen ejecutarse en servidores dedicados como firewall pueden virtualizarse y proveerse de forma mucho más eficiente y ágil como parte de la propia red del operador.
Coexistencia con 4G
Los dispositivos de usuario que establezcan una conexión la red 5G, también se conectarán a la red 4G para proporcionar señalización de control, donde la cobertura de 5G sea limitada los datos se transportarán por la red 4G proporcionando una conexión continua.
Tecnologías que permiten a 5G ser superior
Cobertura
Las redes 5G utilizan macro células, células pequeñas y sistemas dedicados que permiten cubrir las necesidades de cobertura allí donde se necesiten. Las células pequeñas son mini estaciones base diseñadas para una cobertura muy localizada, desde unos 10m típicos hasta unos cuantos de cientos de metros, complementando las macro redes.
Espectro aumentado, más ancho de banda, usuarios y menor latencia
En muchos países, las bandas de frecuencia iniciales para las redes 5G
están por debajo de los 6 GHz (por lo general, las bandas de
3,3-3,8 GHz), en frecuencias análogas a las de las redes móviles y Wi‑Fi
actuales. El espectro móvil suplementario por encima de 6 GHz, incluidas
las bandas de 26-28 GHz, denominadas con frecuencia bandas de ondas
milimétricas (mmW), proporcionará una capacidad de transmisión muy superior a
la de las tecnologías móviles actuales. El espectro suplementario y la mayor
capacidad que se obtenga permitirán el acceso de una mayor cantidad de
usuarios, la transmisión de un volumen de datos más elevado y el
establecimiento de conexiones más rápidas. La tecnología 5G utiliza asimismo el
actual espectro de banda baja de las redes 2G, 3G y 4G, a medida que dichas
redes se utilizan cada vez con menor frecuencia, con objeto de soportar futuras
aplicaciones. Las redes 5G constituyen la siguiente etapa evolutiva de la
tecnología móvil y ya se ha comenzado a trabajar en el desarrollo de la norma
6G.
El aumento del espectro en la banda de mmWave proporcionará cobertura
localizada, habida cuenta del corto alcance de la tecnología. Los futuros
despliegues de las redes 5G podrían utilizar frecuencias mmW en bandas de hasta
86 GHz.
MIMO masivo y orientación de haz MIMO
5G usará antenas para MIMO masivo que poseen un gran número de elementos de antena o conexiones para enviar y recibir más datos de forma simultánea. Aunque el tamaño físico de las antenas será muy similar a las de 4G, al utilizar frecuencias más altas el tamaño de los elementos de radiación son de tamaño menor, permitiendo más cantidad en el mismo espacio. Actualmente una estación base de 4G dispone de 12 puertos para antenas: 8 para transmitir y 4 para recibir; mientras que en 5G está alrededor de los 100 puertos. Este beneficio podrá ser aprovechado por los dispositivos que incluyan antenas MIMO usando frecuencias mmWave.
La orientación de haz (beamforming) es una tecnología que permite que las antenas MIMO
masivas de las estaciones base orienten la señal de radiocomunicaciones a
usuarios o dispositivos específicos, en lugar de hacerlo de forma
omnidireccional. La tecnología de orientación de haz utiliza algoritmos
avanzados de procesamiento de señal para determinar el trayecto idóneo de una
señal de radiocomunicaciones hasta que la reciba el usuario. Ello aumenta la
eficiencia al reducir la interferencia (señales de radiocomunicaciones no
deseadas).
Menor latencia, respuestas más rápidas
En 5G se consigue una menor latencia con cambios significativos tanto el la red de acceso (RAN) como en el Core.
| Technology | Response time (milliseconds) |
| 4G - LTE systems | 20-30 ms |
| 5G - enhanced mobile broadband | 4-5 ms |
| 5G - URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) systems | 1 ms |
- Red Core, la estrategia es mover el contenido cerca del usuario y acortar el camino para aplicaciones críticas. Un ejmplo es el video bajo demanda, donde se puede disponer de caché (copias de contenido) de forma local para un acceso más rápido.
- Red de acceso (RAN), las redes de acceso en 5G se definen por software (SDN), lo que le permite acaptarse y reconfigurarse de forma muy flexible a diferentes caracteríticas de los servicios a entregar, permitiendo implementar una red "virtual, dinámica y configurable". La baja latencia y alta confiabilidad en transmisiones por aire utilizan técnicas como TTIs (time transmit intervals) y mejoras en la codificación de señales.
La coexistencia de 5G y 4G implica que en la RAN los planos de usuario (5G) y de control (4G) estén separados, disponibneo de componentes de hardware de propósito general que permitran las funciones de red virtualizadas (NFV) y otros componentes especializados que permitirán la configuración dinámica.
Segmentación (Network slicing)
La segmentación permite tratar diferentes tipos de necesidades de transmisión. Inicialmente se han especificado 3 segmentos:
- Aplicaciones de latencia ultrabaja y alta fiabilidad (uRRLC, Ultra Reliable Low Latency Communications)
- Conexión masiva de dispositivos, IoT en industria, ciudades, ... son ejemplos (MMTC, Massive Machine-Type Comunications)
- Banda ancha móvil mejorada, aplicaciones ultrarápidas propias de video en formados 4K o 3E inmersivo y usos actuales de 4G (eMBB, enhanced Mobile BroadBand)
Otra técnica que mejora el desempeño de 5G es el uso de "full duplex" en la comunicación entre dispositivos y estaciones base, actualmente la comunicación es por turnos si se usa la misma frecuencia o en diferentes frecuencias si se desea la comunicación de forma simultánea en ambos sentidos (full duplex). Con 5G se podrá transmitir y recibir de forma simultáneamente utilizando la misma frecuencia.
Sobre 5G y los efectos en la salud
Con 5G han resurgido inquietudes sobre los posibles efectos dañinos de las comunicaciones inalámbricas.
El especto electromagnético se divide en zonas o bandas según:
La radiación ionizante es aquella que contiene energía suficiente para modificar los átomos mediante la liberación de electrones (ionización) y, así, alterar los enlaces químicos.Los rayos X y los rayos gamma son dos formas conocidas de radiación ionizante, y estas se producen a frecuencias muy elevadas, por encima de los 2900 THz (por encima de los rayos ultravioleta). Esta radiación es peligrosa para los humanos en el caso de exposiciones prologandas o contínuas.
La radiación no ionizante carece de la energía suficiente para liberar electrones. Los campos utilizados en comunicaciones, los llamados campos de radiofrecuencia son no ionizantes. En esta radiación se analiza la energía absorbida por los tejidos, existiendo un máximo permitido considerable saludable, todos los sistemas móviles deben cumplir con estos lineamientos.
La tasa de absorción específica (SAR) es una medida de la energía RF
absorbida por los tejidos del cuerpo humano, expresada en vatios por kg (W/kg).
Esta medida se utiliza para determinar si un teléfono móvil cumple las normas o
directrices de seguridad para frecuencias inferiores a 6 GHz, en las que la
energía de radiofrecuencia es absorbida por los tejidos del cuerpo humano.
Los
campos electromagnéticos de frecuencias superiores a 6 GHz se absorben en
el cuerpo humano de forma superficial, de ahí que la evaluación SAR sea menos
pertinente. Las directrices sobre exposición humana de la ICNIRP y del IEEE
permiten analizar la exposición humana en términos de densidad de potencia, que
es una medida de la potencia para una zona determinada (W/m2).
Los estudios realizados hasta la fecha demuestran que no existe efecto adverso en la salud de las personas, aunque es un tema de estudio continuo y de mucha controversia fomentada por las declaraciones de las propiedas instituciones ya que sus afirmaciones se enmarcan en el hecho de que "no han encontrado evidencia que dañe la salud" por lo que se deja la puerta abierta a la imaginación.
Bibliografía
https://spectrum.ieee.org/everything-you-need-to-know-about-5g
https://www.itu.int/en/mediacentre/backgrounders/Pages/5G-fifth-generation-of-mobile-technologies.aspx
https://www.itu.int/en/ITU-T/studygroups/2017-2020/13/Pages/default.aspx
https://www.itu.int/en/mediacentre/backgrounders/Pages/5G-EMF-health.aspx
http://www.emfexplained.info/
http://www.sartick.com/