Más frecuencias para las comunicaciones móviles 5G

Las mejoras tecnológicas en el ámbito de las comunicaciones inalámbricas acaecidas a lo largo de las dos últimas décadas –y en particular durante los últimos diez años- han tenido una enorme repercusión en la sociedad actual. El acceso a precios razonables a conexiones inalámbricas de banda ancha, tanto mediante las redes inalámbricas de área local –comúnmente conocidas como WiFi– como mediante las redes de comunicaciones móviles/celulares –3G y 4G-, ha creado las condiciones necesarias para una auténtica revolución basada en la generación/consumo ingente de datos. Así, conceptos como Big Data, proveedores Over-the-Top (OTT) o Internet of Things (IoT), entre muchos otros, no pueden ser entendidos sin tener en cuenta la revolución tecnológica subyacente.

Si bien es cierto que en el pasado no es evidente si fueron los avances tecnológicos los que motivaron el crecimiento del intercambio de datos o si fue a la inversa1, parece obvio que hoy en día son los hábitos sociales y la demanda creciente de datos los que exigen mayor capacidad y velocidad de transmisión a la industria (fabricantes y operadores). A pesar de que los distintos estándares de la familia IEEE 802.11 han definido tecnologías capaces de alcanzar velocidades de transmisión elevadísimas, sus limitaciones en términos de área de cobertura –y por lo tanto en términos de movilidad- suponen todavía hoy su punto débil. Por el contrario, las comunicaciones móviles, con coberturas de servicios de 4G que alcanzan a más del 90% de los habitantes de algunos países desarrollados –entre ellos, el Estado español-, no son capaces de ofrecer todavía las velocidades de transmisión y las capacidades requeridas. Por ello los agentes involucrados en el desarrollo de las tecnologías de comunicaciones móviles, desde fabricantes hasta operadores o academia, afrontan el reto de definir e implementar tecnologías capaces de hacer frente a la demanda creciente. En pocas palabras, afrontan el reto de desarrollar la quinta generación de comunicaciones móviles (5G).

En la actualidad está claro que la solución al reto propuesto por la 5G reposa sobre tres pilares principales: la densificación de las redes de acceso, la mejora de la eficiencia espectral y el incremento del espectro disponible. En cuanto a los dos primeros pilares, tanto la mejora de la eficiencia espectral como la densificación de la red serán posibles gracias a avances tecnológicos, tales como una nueva arquitectura de red conocida como C-RAN2, la “softwarización” de la red3, la utilización de la tecnología massive MIMO4, Full-Dimension Beamforming5, comunicaciones full-duplex6, la reducción drástica de la señalización, etc.

Todos estos avances tecnológicos se encuentran hoy en día en un estado más o menos maduro, pero ¿qué sucede con el tercer pilar? ¿Es posible incrementar el espectro reservado a las comunicaciones móviles?

Actualmente, los servicios de comunicaciones móviles tienen asignadas un conjunto de bandas de frecuencia que se utilizan para los sistemas GSM, UMTS –conocido, también, como 3G- y LTE –también llamado 4G. Por ejemplo, en el Estado español el sistema GSM opera en las bandas de 880-960 MHz, 1710-1785 MHz y 1805-1880 MHz, mientras que UMTS se sitúa en la banda de 1900-1980 MHz, 2010-2015 MHz y 2110-2170 MHz. Para el despliegue del sistema LTE, en marzo del año 2015 fue necesario liberar las bandas de frecuencia entre 790 MHz y 962 MHz, hasta ese momento asignadas a los servicios de radiodifusión terrestre. Dicha liberación de espectro es conocida como primer dividendo digital y obligó a la resintonización de los receptores de TV de los usuarios. A pesar de ello, la liberación de espectro no ha finalizado. En el año 2020, las bandas de frecuencia entre 698 MHz y 790 MHz también deberán ser liberadas del actual servicio de radiodifusión y asignadas a los servicios de comunicaciones móviles. Esta reasignación es conocida como segundo dividendo digital y también causará afectaciones sobre los usuarios de servicios de radiodifusión terrestre. Además, LTE también tiene asignada la banda 2500-2690 MHz.

Los dos dividendos digitales permitirán poner a disposición de los operadores de comunicaciones móviles unos 300 MHz adicionales, pero estas nuevas bandas de frecuencia sólo servirán para hacer frente a las necesidades actuales, y en ningún caso serán suficientes para hacer frente a los retos propuestos por la 5G. A la vista de la necesidad ingente de nuevas bandas de frecuencia, la World Radiocommunications Conferences (WRC) 2015 ha asignado a los servicios de comunicaciones móviles las bandas 1427-1518 MHz y 3,4-3,6 GHz, y se ha emplazado para el año 2019 para asignar nuevas bandas de frecuencia por encima de los 6 GHz. La comunidad científica discute en estos momentos cuáles son las frecuencias más adecuadas por encima de los 6 GHz, y las candidatas más prometedoras se encuentran en los 28, 39 o 73 GHz, donde se pueden conseguir anchos de banda de entre 500 MHz y 1 GHz, algo imposible a bajas frecuencias.

Así pues, las necesidades de espectro están obligando a la industria a trabajar en bandas de frecuencia cada vez más elevadas, y esto tiene consecuencias. A medida que se incrementa la frecuencia portadora, también crecen los problemas de propagación y se reduce drásticamente el área de cobertura; el consumo energético de los componentes electrónicos a altas frecuencias crece; se hacen necesarios diagramas de radiación con lóbulos principales muy estrechos –beamforming– para compensar las pérdidas adicionales; es necesario gestionar la movilidad en estos entornos –beam tracking-, etc. En definitiva, las bandas espectrales en las decenas de GHz abren innumerables oportunidades pero grandes desafíos.

 

Ferran Adelantado es profesor de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicaciones e investigador senior del grupo de investigación WiNe (Wireless Networks) de la UOC. Es ingeniero en telecomunicaciones y doctor por la UPC y graduado en ciencias empresariales por la UOC. Actualmente, es el director del programa doctoral NIT (Network and Information Technologies).

Notas:

1A menudo, se relaciona el inicio de esta revolución con la aparición del primer iPhone, allí por el año 2007.

2La arquitectura Cloud o Centralized Radio Access Network (C-RAN) supone la centralización de las Baseband Units de las estaciones base en el Cloud y el despliegue de Remote Radio Heads (RRH).

3La softwarización de la red permitirá reducir costes utilizando hardware no propietario, y favorecerá la implementación de conceptos como Software Defined Networking (SDN)/Network Function Virtualization (NFV), Mobile Edge Computing (MEC) y Traffic Slicing, no asociados a las redes de comunicaciones móviles hasta el momento.  

4massive MIMO es la tecnología que permite incorporar una enorme cantidad de antenas de la estación base. Se ha demostrado que permite incrementar la eficiencia espectral gracias a la multiplexación espacial de los usuarios.  

5Full Dimension Beamforming és la tecnología que permite crear haces dirigidos en las tres dimensiones.

6Full-duplex es un incipiente campo de investigación que permite la transmisión y recepción simultánea en una misma antena, frecuencia y tiempo.

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