La flexibilidad de la red de acceso 5G

8 julio, 2021
Foto: Sigmund (@sigmund) en Unsplash.

En general, el gran público es consciente de las posibilidades que abre la tecnología 5G a nivel de comunicación. Probablemente no es necesario repetir que supone la mejora de la velocidad de transmisión o la disminución de las latencias; en otras palabras, cuán rápido se descarga un contenido o cuál es el retardo en comunicaciones tan críticas como operaciones a distancia o control de maquinaria industrial. En este artículo te hablamos de la flexibilidad de la red de acceso 5g.

Asumiendo el conocimiento general de las ventajas, la pregunta que cabe hacerse es: ¿Sabemos cómo la red consigue tecnológicamente responder a las necesidades de servicios tan dispares como la descarga de grandes ficheros, aplicaciones de realidad virtual, o la conexión masiva de dispositivos de monitorización?

3GPP, la organización responsable de la estandarización de las tecnologías de comunicaciones móviles, abordó esa necesidad desde la premisa de que el enfoque tradicional conocido como “one-size-fits-all” (término en inglés) no era viable. Es decir, construir una única red capaz de dar respuesta a esos requerimientos tan distintos no era posible; era necesario dotar la red de flexibilidad, o en otras palabras construir una red adaptable y personalizable en función del tipo y cantidad de tráfico.

Dicha nueva concepción de una red basada en la flexibilidad se plasma en todas las secciones de la red, desde el acceso radio hasta la red troncal, pasando por la red de acceso. En este artículo explicaremos cómo esa red de acceso, conocida con el término inglés Radio Access Network (RAN), es capaz de conseguir la necesaria flexibilidad.

La Red de Acceso Radio está compuesta, entre otros nodos, de un conjunto de estaciones base, conocidas como Base Station (BS) hasta la tercera generación de comunicaciones móviles, llamadas evolved Node B (eNB) en la cuarta generación, y 5G Node B (gNB) en la quinta generación. Esas estaciones base (i.e. gNBs en la quinta generación) son los nodos encargados de comunicar la red y los terminales móviles.

En el pasado estos nodos eran monolíticos. Se trataba de nodos que incluían toda la pila de protocolos y que, incluso, podían organizarse de forma autónoma (self-organized networks) mediante la comunicación entre ellos. Esto permitía una gran capacidad de adaptación de la red ante la instalación de nuevos nodos o fallos en la red, entre otras circunstancias.

Era necesario dotar la red de acceso 5G de flexibilidad o, en otras palabras, construir una red adaptable y personalizable en función del tipo y cantidad de tráfico.

Desafortunadamente, existían desventajas. La necesidad de incrementar la capacidad de las redes requería una coordinación muy estrecha entre estaciones base. Dicho de otro modo, requería una coordinación tan estrecha que la cantidad de señalización crecía enormemente y el retardo en la comunicación entre nodos limitaba la implementación de algunas técnicas eficientes de transmisión.

La solución a dicho problema llegó desde China, donde se impulsó un nuevo paradigma llamado Centralized-Radio Access Network (C-RAN). Dicho paradigma proponía la división de la estación base en dos dispositivos físicos distintos: el Baseband Unit (BBU), situado en una localización centralizada y también conocido como Central Unit (CU), y el Remote Radio Head (RRH), situado en el extremo de la red de acceso. Para explicarlo de un modo sencillo, los operadores instalaban en las calles nodos que incluían sólo las funcionalidades de la capa física (transmisión/recepción), los llamados RRH, mientras que el resto de las funcionalidades se instalaban en centros que agregaban las capas superiores de numerosas estaciones base, los conocidos como BBU pools.

¿Cuáles son las ventajas de este paradigma? Las ventajas se podrían dividir en económicas y de capacidad de la red. Por un lado, la sencillez de los RRHs permite que tengan un bajo coste. Además, unido al hecho de que se trata de los nodos más numerosos de la red de acceso, el paradigma de C-RAN supone un descenso del coste de despliegue de los operadores. En cuanto a la capacidad, la agregación de las capas altas de numerosas estaciones base en un único nodo central (i.e. el BBU pool) permite no sólo incrementar la coordinación entre estaciones base y reducir el tiempo de comunicación entre ellas, sino aprovechar la ganancia estadística (balanceando cargas entre estaciones, dedicando recursos computacionales a las estaciones que lo requieren, etc).    

Las ventajas de la flexibilidad de la red de acceso 5G son dos: el bajo coste y la capacidad de la red.

¿Y las desventajas? La división entre capa física en el RRH y capas más altas en el BBU pool requiere una alta velocidad de transmisión entre ambos nodos. Por ejemplo, para un ancho de banda de 20 MHz y un RRH con dos antenas, la velocidad de transmisión en la conexión entre RRH y BBU, conocida como fronthaul, debe ser de 2,45 Gbps.  Además, la conexión entre el BBU y cada uno de los RRHs es punto a punto. Eso supone un enorme coste en despliegue de fibra óptica para conectar los RRHs y el BBU pool, algo que lo hace poco viable.

3GPP ha superado en 5G los problemas de las dos alternativas existentes y ha dotado la red de acceso de flexibilidad mediante la división de la estación base (i.e. gNB) en dos componentes: la Central Unit (CU) y la Distributed Unit (DU). En el fondo, esto ya es lo que se realizaba en C-RAN, pero con una diferencia: en esta ocasión el número de funciones de red (capas) ejecutadas en el DU y en el CU es configurable. En función del tipo de conexión entre CU y DU, o de las necesidades del tipo de tráfico (menor retardo o mayor velocidad de transmisión), la cantidad de funciones centralizadas en el CU o descentralizadas en los DUs puede ser configurada. En general se cumple que cuanto menor es la velocidad de transmisión de la conexión entre CU y DU, mayor es el número de funciones ejecutadas en el DU (mayor descentralización). Por el contrario, cuanto mayor es la velocidad de transmisión requerida por un servicio o mayor es la movilidad de los usuarios, menor es el número de funciones de red ejecutadas en el DU (mayor centralización).

3GPP ha definido 8 opciones para distribuir las funciones de la gNB entre CU y DU, llamados functional splits, de modo que las interfaces entre CU y DU puedan ser estandarizadas. Este hecho, más allá de la flexibilidad de la red de acceso, ha abierto las puertas a iniciativas que pretenden la estandarización de una red de acceso abierta. Dicha red de acceso abierta debería permitir a los operadores desplegar redes multi-fabricante, conectando CUs y DUs de distintos fabricantes. La iniciativa principal en este ámbito es la llamada Open Radio Access Network (O-RAN), impulsada y desarrollada por la O-RAN Alliance, que está formada por numerosos operadores y fabricantes internacionales. A pesar de la buena noticia que supondría la implantación de O-RAN, desde la propia O-RAN Alliance admiten que interconectar CUs y DUs de distintos fabricantes supondrá un gran esfuerzo de integración que puede limitar su implantación en el corto plazo.   

Parece pues que la flexibilización de la red de acceso de 5G/6G no ha vivido su último capítulo. Veremos cómo continúa.

Bibliografía:

TR 38.801. «Study on new radio access technology: Radio access architecture and interfaces». Disponible en https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3056

O-RAN Alliance. Disponible en https://www.o-ran.org/

Autor / Autora
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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