Cómo aumentar la capacidad en 5G

Se ha convertido en algo habitual encontrar noticias –a menudo demasiado entusiastas o, simplemente, desinformadas- acerca de 5G, una tecnología que, según esas mismas fuentes, cambiará el modo en el cual accedemos a la información y los servicios. Ciudades inteligentes (conocidas como smart cities), coches autónomos, realidad virtual o conexiones móviles con velocidades de transmisión del orden de los Gigabits/seg son algunas de las aplicaciones que se intuyen como claves para esta tecnología. A pesar de ello, y más allá de las campañas de marketing, ¿conocemos realmente lo que será la tecnología 5G?

La tecnología 5G es una evolución/revolución respecto a las tecnologías de comunicaciones móviles anteriores, conocidas como 4G o LTE-A, con algunos objetivos claros:

  • hacer frente a un incremento exponencial del número de dispositivos móviles;
  • aumentar la capacidad de la red por unidad de área;
  • reducir el retardo; o
  • conseguir velocidades de transmisión altas.

Centrándonos en la capacidad de la red, la industria y la academia han propuesto 3 posibles vías simultáneas para incrementar la capacidad de la red. La primera vía es la densificación de la red de acceso mediante el despliegue de nodos de acceso (estaciones base) distribuidos en dos capas. La primera de las capas, formada por estaciones base con zonas de cobertura grande, es la denominada capa de cobertura. El objetivo de esta capa es ofrecer cobertura total –evitando zonas de sombra- y garantizar un servicio adecuado de forma ubicua. La segunda de las capas, en cambio, se denomina capa de hotspot o de capacidad, formada por las denominadas small cells, estaciones con menores niveles de potencia transmitida y desplegadas a una altura menor. El objetivo de esta segunda capa es ofrecer altas velocidades de transmisión a usuarios de manera más local. El inconveniente principal es que la movilidad debe ser gestionada por la capa de cobertura (data and control plane decoupling).

La segunda vía para hacer crecer la capacidad de la red es el incremento del espectro disponible. El espectro radioeléctrico, un recurso público y escaso, es la base sobre la cual se fundamentan todas las comunicaciones inalámbricas. Así, para dar respuesta a los retos de la tecnología 5G, se consideran necesarios anchos de banda de entre 500MHz y 1 GHz -actualmente el ancho de banda es de 20 MHz, aunque es posible hacer carrier aggregation hasta los 100 MHz. Estas necesidades no pueden ser satisfechas en las bandas de frecuencia por debajo de los 6 GHz y deben buscarse en las denominadas bandas milimétricas –situadas entre los 30 y los 300 GHz. Estas altas frecuencias son adecuadas para proveer anchos de banda grandes, pero plantean nuevos retos debidos, entre otros aspectos, a las elevadas pérdidas de propagación.

Finalmente, la tercera vía es el incremento de la eficiencia espectral que habitualmente se mide en bits/seg/Hz/celda o bits/seg/Hz/km2. Para ello la comunidad científica se ha centrado en un nuevo concepto llamado massive MIMO. La tecnología MIMO (Multiple Input- Multiple Output) consiste en la disposición de múltiples antenas tanto en recepción como en transmisión. Con ello se consigue aprovechar la propagación multicamino mediante la diversidad en espacio provista por las distintas antenas, siempre y cuando las características del canal de comunicación así lo permitan. En concreto, para una comunicación con igual número de antenas en recepción y en transmisión, la capacidad puede llegar a multiplicarse por el número de antenas en recepción (o en transmisión). En caso de tener un número distinto de antenas en cada extremo de la comunicación, la ganancia será limitada por aquel extremo con menor número de antenas. Ya en el estándar 4G se contempla la utilización de esquemas MIMO de 2×2, 4×4 o 8×8. Massive MIMO es una tecnología que, partiendo de las ganancias ofrecidas por MIMO, instala decenas o centenares de elementos de antena en la estación base. Esto permite que un determinado recurso temporal y espectral pueda ser reutilizado para transmitir simultáneamente hacia numerosos terminales móviles. Así, el número máximo de terminales servidos simultáneamente depende tanto de las características del canal como del número de antenas tanto en la estación base como en los terminales móviles. Esta tecnología es, sin duda, una de las grandes revoluciones que permitirán alcanzar las capacidades requeridas, pero plantea enormes retos en cuanto a consumo energético y complejidad computacional.

Si bien es cierto que las tres vías plantean retos tecnológicos de primer orden, también es cierto que en la actualidad la comunidad científica ha conseguido enormes avances en los tres campos. Es por ello que, lejos de ser un sueño, los objetivos propuestos en la definición de la tecnología 5G empiezan a ser realidad. Deberemos esperar un tiempo para comprobar la enorme revolución que se avecina… pero tiempo al tiempo.

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).

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