Informe técnico: Conectividad masiva en la era 5G

La quinta generación de redes móviles (5G) está a punto de permitir un mundo totalmente conectado. Con el aumento drástico en las velocidades de datos y la cantidad de dispositivos conectados, pronto podremos disfrutar de una comunicación ampliada entre dispositivos (Figura 1) y ya no estar limitados a la comunicación de usuario a usuario y de usuario a dispositivo. Para 2025, se espera que se conecten 25 mil millones de dispositivos con 5G.¹

5G, que puede considerarse como una superposición a la red 4G existente, representa no solo un cambio en las redes celulares, sino también una integración con redes de comunicaciones como wifi y telemetría (Tabla 1). Según la Alianza de Redes Móviles de Próxima Generación (NGMN), "5G es un ecosistema de extremo a extremo para permitir una sociedad totalmente móvil y conectada. Potencia la creación de valor para clientes y socios, a través de casos de uso existentes y emergentes, entregados con experiencia coherente, y permite modelos de negocio sostenibles".² En un futuro cercano, podríamos ver grandes
ventajas al incorporar la conectividad 5G en casi todo: poder probarse virtualmente la ropa y comprar en casa usando auriculares de realidad virtual (VR); tu vehículo autónomo puede conducir por sí mismo y llevarte a tu restaurante favorito para cenar; tu termostato puede precalentarse o preenfriarse a la temperatura deseada al recuperar la hora de llegada de tu automóvil, así como las condiciones climáticas actuales y pronosticadas. 

La conectividad avanzada y confiable es uno de los impulsores más críticos para permitir casos de uso con tecnología 5G que se pueden resumir en tres categorías de familias (Figura 2). 

La eMBB (banda ancha móvil mejorada) se centra en proporcionar servicios que plantean requisitos de gran ancho de banda, basados en la demanda de los usuarios de un estilo de vida cada vez más digital. Las aplicaciones típicas incluyen realidad virtual (VR) y realidad aumentada (AR), video 8K y video 3D. Se espera que los casos de uso de eMBB crezcan rápidamente, liderados por los países de Asia y el Pacífico, particularmente los anfitriones olímpicos Corea del Sur y Japón. Los recientes Juegos Olímpicos de Invierno de Pyeongchang 2018 se erigen como uno de los primeros entornos no probados de la industria de una red 5G. El proyecto piloto contenía cobertura de realidad virtual en vivo o bajo demanda para 30 eventos, impulsada por la cobertura ubicua de 5G en todos los lugares, así como una baja latencia para permitir el control en tiempo real.

La uRLLC (comunicación ultrafiable y de baja latencia) tiene como objetivo atender a la exigente industria digital y se centra en servicios sensibles a la latencia. Las aplicaciones

típicas incluyen vehículos autónomos, sistemas de transporte público y de masas, drones, atención médica remota y el monitoreo y control de redes inteligentes. La latencia también puede ser crítica para los casos de uso de VR en la nube donde las latencias de menos de milisegundos serán importantes para garantizar una experiencia de usuario convincente. 

mMTC (comunicación masiva de tipo máquina) tiene como objetivo abordar las demandas de una sociedad digital más desarrollada y se centra en los servicios que plantean altos requisitos en cuanto a la densidad de conexión, ya que la expansión del alcance del servicio para redes móviles también enriquece la red de telecomunicaciones. Las aplicaciones típicas incluyen ciudades inteligentes, automatización industrial y agricultura.

Se espera que 5G proporcione una mejora de orden de magnitud en el rendimiento en las áreas de mayor capacidad, menor latencia, más movilidad, más precisión de la ubicación del terminal, mayor confiabilidad y disponibilidad. ⁸ Como recurso crítico, pero escaso en la era 5G, se espera que el espectro en tres rangos de frecuencia clave, cada uno con características únicas, ofrezca una cobertura generalizada y admita todos los casos de uso de 5G: sub-1 GHz, 1-6 GHz y superior a 6 GHz. Los dos primeros a menudo se mencionan como sub-6 GHz. 

Esto es importante a medida que el tráfico de datos celulares continúa aumentando y eMBB se convierta en la propuesta de valor central para el consumidor. Esperamos que tanto Estados Unidos como China lideren la primera ola de despliegues de 5G con diferentes enfoques. En nuestra opinión, China centrará los despliegues iniciales en la banda C (3-5 GHz) dirigidos a casos de uso de Internet de las cosas. Estados Unidos, por otro lado, centrará los despliegues iniciales en el acceso inalámbrico fijo a través del espectro de frecuencias mmWave (por encima de 24 GHz), así como en los despliegues en bandas bajas (600 MHz).

A largo plazo, creemos que el espectro de banda C puede verse desafiado a ofrecer banda ancha móvil mejorada debido a la eficiencia espectral limitada y las mejoras en la capacidad del sistema, así como a una latencia inferior a 10 ms. Para admitir los requisitos de anchos de banda contiguos amplios, es posible que sea necesario considerar las bandas de ondas milimétricas.

Estas bandas pueden admitir grandes aumentos de capacidad para aplicaciones de gran ancho de banda. Además, con técnicas como la formación de vigas, las señales inalámbricas podrían hacerse altamente direccionales sin causar mucha interferencia, lo que permite una mejor eficiencia espectral. Sin embargo, con el aumento de la frecuencia portadora, tanto la pérdida de trayectoria como la pérdida de difracción se vuelven más severas y se deben considerar los efectos atmosféricos.

Actualmente, hay una gran cantidad de pruebas preliminares de 5G en todo el mundo que utilizan varias bandas de espectro, particularmente 3.5 GHz y 26/28 GHz. En más de 30 regiones, hay planes para asignar espectro en dos bandas durante los próximos dos años. (Figura 3).

Se requieren grandes cantidades de espectro para ofrecer aumentos masivos en la capacidad para lograr velocidades más altas y una latencia más baja.  Por lo tanto, se espera que las arquitecturas mejoradas y los avances adicionales en las tecnologías de conexión ayuden a la realización de todo el potencial de 5G (Figura 4). Hay tres cambios arquitectónicos clave que afectan la conectividad 5G.

1. Adopción de sistemas de antenas activas (AAS) masivos de entrada y salida mínimas (MIMO). Se espera que el ecosistema 5G admita redes de alta densidad al agregar nuevas características a las radios y al diseño general del sistema. La combinación tradicional en redes 3G/4G de un cabezal de radio remoto conectado a una antena externa se extenderá mediante sistemas de antenas activas (AAS) o antenas activas de matriz en fase con elementos de antena masivos (APAA masivos) (Figura 5), en los que la electrónica estará integrada en el sistema de antenas y operará en un amplio rango de frecuencia (600 MHz a 28 GHz y superior) GHz. Este sistema primario será apoyado por sistemas complementarios en áreas densas (Figura 6). Estos sistemas complementarios contarán con un elevado número de antenas para soportar MIMO (MU-MIMO). Estos elementos de antena contarán con su propia electrónica de control, lo que requiere nuevas soluciones de conectividad. Las frecuencias superiores a 6 GHz serán soportadas predominantemente por sistemas altamente integrados. Estos circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC) a menudo cuentan con antenas integradas en la superficie superior del chipset.

Se prevé que los sistemas de antenas activas masivas 5G aumenten la complejidad del sistema, requieran una mayor miniaturización de las antenas y una mayor integración de las antenas con filtros y amplificadores de potencia. Como proveedor de soluciones de antenas incorporadas personalizadas, TE ofrece una amplia gama de soluciones de antenas personalizadas que pueden adaptarse a las limitaciones mecánicas de su aplicación, y diseñar y fabricar antenas que cumplan los requisitos de funcionamiento más estrictos. Además, las soluciones de entrada/salida (E/S) de alta velocidad, los conectores internos y el cableado, las soluciones coaxiales de RF rentables y los módulos de antena de TE son muy adecuados para la próxima generación de sistemas de antena.

2. Adopción de nueva tecnología de transmisión en fronthaul. 5G traerá una capacidad muy alta. Por esa razón, es probable que sea necesario actualizar el fronthaul a la unidad de banda base (BBU), backhaul y red de transporte para soportar los crecientes requisitos de tráfico. Esperamos ver una mayor conectividad óptica de alta velocidad en la red general, con la gama de E/S de alta velocidad de TE, incluidos los conectores SFP28, QSFP28 y FullAXS como posibles soluciones de conectividad densa y de alta velocidad. Las celdas pequeñas serán un componente clave en la era 5G. Aumentarán la densidad de la red y traerán soluciones de corto alcance, potencialmente a través de la tecnología sub-6 GHz y mmWave. Para implementaciones por debajo de 6 GHz, TE tiene una amplia gama de antenas y productos que protegen contra interferencias electromagnéticas (EMI). También se puede requerir una penetración de fibra más profunda (más cerca de la ubicación de celdas pequeñas) para el tráfico de backhaul de celdas pequeñas aprovechando nuestra gama de productos de alta velocidad.

3. La adopción C-RAN. En las redes 5G, esperamos ver una mayor utilización de conceptos similares a la nube aplicados tanto a

la red de acceso radioeléctrico como a la red central. C-RAN (Cloud RAN) se centrará tanto en la centralización de las UBU como en la adopción de tecnologías en la nube como la virtualización. La fase de centralización se trata de trasladar a la BBU a una ubicación común que sirva a múltiples torres, lo que reduce en gran medida el costo de la tierra, la energía, la refrigeración y los gastos operativos. La fase de nube virtualiza las UBU basadas en hardware, lo que permite que se ejecuten en servidores comerciales. La agrupación de BBU, así como la adopción de tecnologías en la nube, red definida por software (SDN), virtualización de funciones de red (NFV), segmentación y virtualización de red, seguirán requiriendo soluciones de conectividad de alta velocidad, de alta densidad, confiables y resistentes. 

Las soluciones de conectividad de TE, que son útiles para estaciones base y transporte óptico, amplían los límites de la velocidad y el ancho de banda dentro de las arquitecturas actuales y abordan los desafiantes requisitos de velocidades de datos, señal y potencia de las redes móviles 5G emergentes. Además de nuestra experiencia en antenas, nuestras soluciones cableadas y de placa a placa de alta velocidad ofrecen un mayor ancho de banda para placa base y planos medios. Podemos aprovechar nuestra experiencia en tecnología de centro de datos y nube para proporcionar soluciones de E/S de alta velocidad, soluciones cableadas de alta velocidad, soluciones de placa a placa de alta velocidad y soluciones de energía.

En medio del debate y de las ramificaciones desconocidas para la industria en general, se espera que la industria móvil alcance numerosos hitos hasta el año 2025, incluido un gran progreso en 5G con lanzamientos comerciales previstos para tener lugar en los Estados Unidos en 2018 y en los principales mercados de Asia, América del Norte y Europa durante los próximos tres años11 (Tabla 2). La aprobación oficial de las especificaciones de la nueva radio 5G no independiente (NSA 5G NR) en diciembre de 2017, así como el debut comercial de 5G en los Juegos Olímpicos de Invierno de Pyeongchang 2018 definen el deseo de un futuro impulsado por 5G. 

5G ocupó un lugar central en el Mobile World Congress (MWC) 2018 como una nueva tecnología emocionante e inminente. Los principales fabricantes de equipos anunciaron decenas de productos innovadores: Huawei presentó su primer equipo comercial de instalaciones de clientes (CPE) 5G, un dispositivo terminal compatible con las normas 3GPP 5G con un conjunto de chips Balong 5G01 desarrollado por Huawei, como parte de su solución 5G de extremo a extremo; Ericsson presentó la latencia superbaja de 5G (solo 6 milisegundos); Intel presentó el primer concepto de PC 2 en 1 habilitado para 5G; Samsung anunció que su solución comercial completa de acceso inalámbrico fijo (FWA) 5G se ha convertido en la primera a nivel mundial en recibir la aprobación de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de Estados Unidos.