¿Qué es 5G?

El significado del término 5G está a día de hoy aún gestándose. A la espera de que la GSMA se pronuncie, dependiendo del interlocutor al que nos enfrentemos, podremos obtener enfoques totalmente diferentes como pueden ser los que apliquen a las diferentes partes de una red. Sin embargo, el punto de consenso sobre qué es 5G está cada vez más cerca de ser alcanzado. Quizás en unos meses podamos ya decir con certeza qué es 5G.

Atendiendo a la red de acceso, 5G supondrá nuevas mejoras sobre la tecnología precedente: por ejemplo, parece que el nuevo tipo de nodo (evolución del eNodeB) utilizará nuevas tecnologías como FBMC o Filter Bank Multicarrier (dividir el espectro en muchos canales muy estrechos), NOMA o Non-Orthogonal Multiple Access (superposición de múltiples usuarios en el dominio de la potencia aunque la forma de onda de señal sea la misma), o nuevos esquemas de modulación como GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing) o UFMC (Universal Filtered MultiCarrier). Sea la que sea, parece que todas resultan ser una versión avanzada del OFDM utilizado en LTE.

Hace apenas unas semanas, 3GPP finalizó su última release de LTE (R13) conocida como LTE-A Pro -dependerá del mercado si mantienen ese nombre marca-. En esta nueva release, se añade más capacidad -más velocidad de descarga y subida y más usuarios- con los siguientes esquemas:

  1. Carrier aggregation. Las versiones R8 y R9 de LTE barajaban un ancho de banda soportado de 20MHz. La agregación de portadoras (tecnología denominada “component carriers”) posibilita en R10 y R11 un ancho de banda de hasta 100 MHz. La aportación de R13 en este sentido es permitir hasta 32 “component carriers” (32 x 20MHz = 640 MHz).
  2. Técnicas multiantenna (MIMO): a día de hoy, con las bandas actuales de frecuencia, se está consiguiendo incorporar hasta 4 antenas en el terminal. Muy pronto, con LTE-Advanced, veremos tecnologías 8×8 (8 antenas transmisoras y 8 antenas receptoras). Por supuesto, esto solo tiene sentido en altas frecuencias donde el tamaño de las antenas es menor y se pueden acomodar en un terminal. R13, sin embargo, va más allá y considera hasta 32. Algo que quizás podamos ver dentro de 2 años.
  3. Modulaciones más altas como 256QAM. Estas modulaciones solamente tienen sentido para celdas de reducido tamaño (celdas de interiores de decenas de metros).
  4. Bandas de alta frecuencia (6 GHz y superiores): utilizar bandas de frecuencia libre para sumar nuevas componentes (punto 1) y la necesidad de utilizar antenas más pequeñas como hemos adelantado en el punto 2, conducen a situarnos en bandas de alta frecuencia.

Los 4 puntos anteriores que plantea el 3GPP en R13 nos conducen a velocidades de 1Gbps de subida y bajada, justamente lo que algunos teóricos buscaban en 5G. ¿Será una versión de la tecnología LTE la que permitirá alcanzar los requisitos de 5G?

Otros conceptos que se barajan para 5G son, por ejemplo, las “tecnologías cooperantes”. Seleccionar dinámicamente tecnologías radio (nuevas y antiguas) y unirlas en “constelaciones”. Por ejemplo, sumar Evolved LTE-A Pro con la nueva versión de 3G (Evolved HSPA o eHSPA) junto a WiFi (Evolved WiFi) y quizás otras nuevas tecnologías radio que estén por aparecer.

logos 5g-800

 

Por centrar el foco en este artículo, destacamos dos de ámbito europeo:

  • El nombre puede llevar a confusión porque no es una variante del 3GPP para estandarización del 5G. 5GPPP (5G Infrastructure Public Private Partnership) está más centrado en la red core y, entre sus objetivos, reseñamos los siguientes:
    • Conseguir capacidades radio 1000 veces mayores (tomando como referencia LTE en 2010).
    • Optimizar la energía en un 90% para cada servicio, poniendo el foco en la red de acceso radio que es donde existe más consumo.
    • Crear despliegues inalámbricos lo suficientemente densos para conectar 7 billones de dispositivos para 7000 millones de personas (prevén que tendremos 1000 dispositivos por persona).
  • Proyecto METIS (Mobile and Wireless communication Enablers for the 2020 Information Society), por su lado, pone el foco más en la red radio para buscar los siguientes objetivos:
    • Soportar 1000 veces más el volumen de datos por área
    • Conseguir un número de dispositivos conectados de 10 a 100 veces mayores
    • Conseguir unas tasas típicas de datos de usuarios de 10 a 100 veces mayores.
    • Conseguir vidas de baterías 10 veces mayores.
    • Reducir 5 veces la latencia extremo a extremo.

Para más enredo de los organismos, la continuación del proyecto, METIS II, está ahora englobada bajo la 5GPPP.

Por supuesto, fuera de Europa también existen grupos trabajando en 5G. Por ejemplo, son destacables “Chinese initiative: IMT-2020”, “South Korea 5G Forum”, “Japan 5GMF”, “5G Americas”, o a nivel internacional, NGMN.

 

Requisitos para 5G

De todos los anteriores proyectos, aparece un denominador común de requisitos deseables para considerar una tecnología 5G. Esta sería esa lista:

  • Tasas de pico mayores a 10Gbps.
  • Tasas mínimas de 100 Mbps garantizadas en todo lugar.
  • Latencia ultra baja menor a 5ms.
  • Eficiencia energética extrema: baterías con duración mayor a 10 años para M2M
  • Redes súper densas con Terabits por segundo por Km2.
  • Densidades de conexión altas del orden del millón de usuarios por Km2.
  • Terminales M2M a muy bajo coste.
  • Operaciones ultra fiables.
  • Conectividad de todo con todo.
  • Virtualización y Network slicing.

Garantizar 100 Mbps en todo lugar probablemente implique la necesidad de celdas de gran tamaño (probablemente involucrando tecnologías por satélite). Por otro lado, con millones de usuarios por Km2 se apunta a los dispositivos autónomos (máquinas).

 

¿Para cuándo 5G?

Echando un ojo atrás a la historia, se detecta cierto patrón periódico de tecnologías cada 10 años. Por ejemplo, GSM (2G) en 1990, UMTS (3G) en 2000 y, recientemente, LTE en 2009 (3.9G) para llegar a LTE-A (lo que sería propiamente 4G) en 2011. Siguiendo esta tónica, uno podría decir que 2020 sea quizás el año de 5G.

En la misma línea temporal podríamos trazar las diferentes release de 3GPP con la reciente R13 en marzo de este año, R14 planificada para junio de 2017 e, hipotéticamente, quizás dos fases de 5G: una primera en junio de 2018 (R15) y la segunda en diciembre de 2019 (R16). ¿Por qué diciembre 2019? Porque probablemente para esa fecha la ITU asigne alguna nueva banda de frecuencias de las que mencionábamos anteriormente y que son necesarias para conseguir los requisitos.

Precisamente la ITU inició en septiembre de 2015 lo que sería un borrador de especificaciones para 5G (camuflado bajo el nombre “IMT for 2020 and beyond”) con el objetivo de finalizarlo en 2018. Y también, casualidad, Korea del sur se fijó como objetivo prestar 5G con motivo de los juegos olímpicos. ¿Llegarán a tiempo?

 

Soluciones 5G

Detallemos ahora qué tecnologías y soluciones permitirían alcanzar los requisitos que hemos listado en previos apartados:

  • Red virtual.

estructura red virtual

Este punto en realidad no debería ser mencionado como un punto a futuro porque la realidad es que actualmente existe ya la tecnología que posibilita la virtualización de los elementos o conjunto de elementos de red; desde una red de acceso completa de la que colgarían los nodos radio (RRH) hasta redes completas de core o IMS. Lo que sin duda parece claro es que para el momento de despliegue de 5G la mayoría de las redes estarán en los últimos pasos de su proceso de virtualización.

  • Nuevas bandas de frecuencias.

LTE-A contempla ampliaciones de los bloques de frecuencia hasta conseguir 100 MHz y utilizando las bandas existentes hasta frecuencias de 6 a 10 GHz. En previos apartados se avanzó que las nuevas tecnologías de modulación prevén utilizar bandas de frecuencias superiores como es la de 10GHz en adelante (hasta 30 GHz) consiguiendo hasta 1GHz de ancho de banda. La duda que surge es si, intentando conseguir más de 1GHz de ancho de banda, 5G llegará a hacer uso del espectro existente entre 30 GHz y 100GHz y con qué tecnología: si estará o no basada en OFDM.

OFDM

Massive MIMO:

 Avanzamos anteriormente la tendencia en el crecimiento del número de antenas receptoras y transmisoras. Parece que en R13 ó R14, como se aprecia en la imagen, veremos una mayor densidad de antenas. Esto no significa que veremos arrays de antenas tipo “árbol de navidad” sobre los edificios puesto que, como comentamos anteriormente, esto solamente aplicará a altas frecuencias y celdas pequeñas (hotspots) donde el tamaño de las antenas será muy reducido.

MIMO

 

MIMO 3D: 

 

Algo que puede ser muy interesante de 5G es la llegada de la sectorización de las celdas (sobre la misma portadora radio) según elevación. Es decir, utilizar los lóbulos de radiación para crear diferentes celdas en función de la distancia a la estación o, por ejemplo, en función de la altura de planta:

 

sectorizacion

Llevar este concepto al extremo podría permitir la creación de lóbulos individuales para cada terminal:

 

BEAM-PERFORMING-5G

ESQUEMAS DÚPLEX:

En LTE, las tramas definen slots o sub-tramas de 1 ms que según la estrategia:

  •  En FDD se separan las frecuencias (una para UL y otra para DL) consiguiendo un esquema full dúplex.
  •  En TDD, algunos slots son siempre UL, otros siempre DL y otros pueden variar según necesidades; el terminal no puede recibir y transmitir a la vez pero no reserva 2 bandas, una para cada propósito.

Lo que resultaría más eficiente sería combinar los beneficios de ambas estrategias; utilizar cada sub-trama para transmitir y recibir a la vez. Pero éste es un reto muy complejo puesto que la potencia recibida en un terminal suele ser muchos órdenes de magnitud menores a los de la potencia de transmisión y la interferencia es difícil de manejar.

Esto es lo que se está persiguiendo de cara a 5G a través de receptores avanzados: Advanced SIC receivers (Sequential Interference Cancellation).

advanced-sic-receiver

NUEVO MULTI-ACCESO ORTOGONAL: NOMA

El acceso “ortogonal al medio” consiste en que cada usuario utiliza su bloque de banda con diferentes potencias y sin existir solapamiento.

Lo que se propone con NOMA es “apilar” en el mismo bloque de frecuencias la actividad de varios terminales hasta completar la máxima potencia. Evidentemente, ese solapamiento produciría interferencia entre usuarios pero, como se ha comentado en el punto anterior, esto podría solucionarse con los receptores avanzados SIC.ortogonal-access2

Lo que se propone con NOMA es “apilar” en el mismo bloque de frecuencias la actividad de varios terminales hasta completar la máxima potencia. Evidentemente, ese solapamiento produciría interferencia entre usuarios pero, como se ha comentado en el punto anterior, esto podría solucionarse con los receptores avanzados SIC.

non-ortogonal-access-5g

Así, antes de asignar los recursos, una estación base podría evaluar prioridades de cada usuario en función de las relaciones señal a ruido de cada uno. Emitiría en la misma banda información para un conjunto de ellos e, informándoles de su orden de prioridad, podrían decodificar la parte que les corresponde.

 


receptor SIC

OPCIONES DE CONECTIVIDAD

Por último, retomar el punto del artículo donde comentábamos que 5G pudiera ser el hito que precipite la interconexión total a través de las tecnologías radio existentes:

  • Mallados ultra densos de celdas de tamaño mínimo (hotspots) conviviendo con las tradicionales celdas macro
  • Celdas que servirán de enlaces de transmisión
  • Anchos de banda mayores gracias a la agregación de portadoras de diferentes tecnologías
  • Celdas conectadas a varias estaciones de manera simultánea
  • Acceso a 5G en bandas sin licenciar
  • Comunicaciones terminal a terminal sin pasar por estaciones base o terminales funcionando como estaciones para alcanzar otros terminales sin cobertura

Lo interesante es que todos los puntos anteriores no forman parte de un futuro hipotético, sino que forman parte de especificaciones de LTE ya existentes.


 

Para cerrar este artículo, comentar que en Ayscom estamos preparando a nuestros expertos y contaremos seguro con las mejores soluciones de test, medida y monitorización para este futuro 5G que parece se avecina más pronto que tarde.