El Papel de los Ingenieros en el 5G

La quinta generación de tecnologías de telefonía móvil, conocida popularmente como 5G, promete ser una revolución en nuestras vidas aportando al usuario servicios hasta ahora inimaginables. Para ello, esta nueva generación plantea un cambio de enfoque que implica una serie de nuevas contribuciones a distintos niveles [1]. Desde el nivel físico, con nuevos esquemas de modulación y técnicas de transmisión, hasta el nivel de aplicación, con novedosas propuestas que aprovechan en su totalidad el potencial ofrecido por esta nueva arquitectura [2].

Estructura Multicapa 5G y Planificación de Red 

La evolución que sigue la tecnología 5G respecto a sus antecesoras (vea la anterior entrada de este blog) implica una simplificación en el esquema de red. Para esta labor, la complejidad que supone una tecnología de este tipo se divide en varios subproblemas independientes, que permiten un análisis más sencillo. A nivel conceptual, el 3GPP, el mayor grupo de organizaciones para la estandarización de las telecomunicaciones, propone tres categorías de servicios para los servicios 5G. Estas son enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) y massive Machine Type Communications (mMTC). La primera de ellas destaca por conexiones estables de alta velocidad del orden de 10 Gbps, para lo que será necesario el uso extendido de tecnología MIMO (Multiple Input Multiple Output) y enlaces de mayor frecuencia, las conocidas como ondas milimétricas. La segunda de ellas apuesta por comunicaciones de muy baja latencia. Mientras que en 4G el retardo es de pocas decenas de milisegundos, 5G promete retardos inferiores al milisegundo mediante la mejora en la señalización de los paquetes de la red y una reestructuración de la arquitectura en la red troncal. Finalmente, la tercera categoría propone un esquema de red centrado en proveer de servicios a redes donde predominen los dispositivos IoT, caracterizadas por una alta densidad de dispositivos con velocidad de transmisión inferiores a los terminales de usuario.

A nivel físico, una de las principales novedades es la aparición de las redes heterogéneas, que permiten incluir algunas de las mejoras previamente descritas. Estas redes dividen la arquitectura física en función del tamaño de las estaciones base que proveen a los usuarios. Por un lado, siguen existiendo las estaciones base clásicas, las cuales denominamos macroceldas y cuyo objetivo es ofrecer un rango de cobertura que sea capaz de cubrir un área amplia, mediante el uso de frecuencias por debajo de 6 GHz. Por otro lado, aparecen nuevos tipos de estaciones base caracterizados por su disminución en tamaño. A estas las llamamos micro/pico/femtoceldas, en orden descendente de tamaños. En el caso más extremo, encontramos las femtoceldas, cuyo objetivo es proporcionar cobertura en espacios reducidos donde haya una gran cantidad de usuarios (p. ej. tiendas o restaurantes).  Se espera que, debido al rango de cobertura, este tipo de celdas se despliegue de forma masiva coexistiendo múltiples femtoceldas en una única macrocelda. Debido a su naturaleza, estas estaciones base sirven de manera individual a un número reducido de usuarios en comparación con las macroceldas. Este hecho permite aumentar significativamente el número de recursos asignado a cada usuario, permitiendo velocidades de conexión muy por encima de las actuales. Simultáneamente, el reducido número de usuarios por femtocelda disminuye la señalización, junto lo que al corto rango del radioenlace permite disminuir la latencia de la red hasta límites que hace unos años parecían inalcanzables. Otra de las características de estas nuevas celdas es que su corto alcance permite el uso de ondas milimétricas, lo que en el rango efectivo de las macroceldas sería imposible dada la atenuación de estas frecuencias. En particular, la Unión Europea ha propuesto la banda comprendida en el rango de 24.25 GHz a 27.5 GHz como la candidata para albergar las comunicaciones en la tecnología 5G dentro del espectro correspondiente a las ondas milimétricas [3].

En resumen, este tipo de arquitectura unido a un reparto equilibrado de potencia entre las estaciones base que componen nuestra red, permiten la implementación de los tres escenarios previamente descritos gracias a la maximización de la velocidad de transmisión de datos y la minimización de la señalización y latencia en la red [4].

Figura 1. Estructura de red heterogénea 5G y los rangos de cobertura de cada tipo de celda. Fuente: [5]

Nuevos Rangos de Frecuencia y Dispositivos de Alta Frecuencia

Al aumentar la frecuencia de operación, el ancho de banda disponible en la comunicación aumenta en consideración y, por tanto, la velocidad de conexión de los usuarios. Sin embargo, no todo es un camino de rosas ya que incrementar la frecuencia de operación provoca que las pérdidas de transmisión también aumenten. Veamos esto en más detalle. La ecuación que modela la potencia recibida por nuestro terminal móvil, en espacio libre (sin obstáculos) se le conoce como la ecuación de transmisión de Friis [6]. En la ecuación de Friis, la potencia recibida por el usuario depende de la potencia transmitida por la estación base, de las ganancias de las antenas receptora y transmisora y de las pérdidas de propagación. Mientras mayor sea la potencia transmitida o las ganancias de las antenas, mayor será la potencia recibida por el usuario. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia o la distancia entre receptor y transmisor, aumentan las pérdidas. Como ejemplo, para una distancia de 1 km entre transmisor y receptor, las pérdidas serían de 89.3 dB para una red 5G operando en la banda de 700 MHz mientras que las pérdidas serían de 120.7 dB si la misma red opera a 26 GHz (26000 MHz). Esos aproximadamente 30 dB de diferencia implican que la atenuación es unas 1000 veces mayor al usar la banda de 26 GHz. Por supuesto, cabe mencionar que las pérdidas también aumentan al introducir obstáculos (edificios, montañas, vegetación) entre la estación base transmisora y el receptor móvil. Las pérdidas a altas frecuencias se pueden compensar aumentando las ganancias de las antenas transmisoras y receptoras. Esto implica sustituir las típicas antenas omnidireccionales y sectoriales (de baja ganancia y amplia cobertura) que operan en las estaciones base por antenas más directivas (de alta ganancia) [7]. Con ello, el paradigma de las redes de alta frecuencia cambia con respecto a las de baja frecuencia, basando sus esquemas en comunicaciones punto a punto. Es decir, la antena transmisora de la estación base apunta directamente hacia el usuario en cuestión. Nuevas tecnologías, materiales y técnicas de fabricación están siendo objeto de estudio para el diseño de antenas directivas de alta frecuencia, de bajo coste, que operen con un alto rendimiento. Ejemplo de ello son la popularizada impresión 3D (combinada con un posterior metalizado de la pieza), técnicas más específicas y avanzadas como gap waveguide (guía de ondas sin contacto eléctrico) o el uso de metamateriales.  

Propagación    

Como se puede deducir del párrafo previo, el estudio de la propagación de las ondas electromagnéticas resulta imprescindible en el despliegue efectivo de una red de telecomunicaciones. Para ello, una de las labores del ingeniero es el modelado del canal de propagación atendiendo a los distintos entornos factibles en una determinada situación. Por ejemplo, las ondas electromagnéticas no se propagan de la misma forma entre los rascacielos de la ciudad de Nueva York, que a lo largo de una gran llanura sin obstáculos. Actualmente, existen modelos a bajas frecuencias que modelan de manera bastante precisa esta variedad de entornos de comunicaciones (rurales, urbanos, interiores, etc.). Estos se clasifican principalmente en dos grandes grupos, los modelos empíricos y los modelos matemáticos. Los modelos empíricos están basados en formulaciones derivadas directamente de un enorme conjunto de medidas reales tomadas sobre el terreno. El más conocido de ellos es el Okumura-Hata, basado en una serie de medidas realizadas en Japón en los años 70. Los modelos matemáticos basan sus predicciones para la predicción del comportamiento del canal en el estudio de la geometría del terreno y los procesos físicos que suceden durante la propagación de las ondas. Uno de ellos es el modelo de propagación de N-rayos.

A pesar de la existencia de múltiples modelos de canal, la aparición de la tecnología 5G y consecuentemente el aumento en frecuencia abren un nuevo abanico de posibilidades dentro del análisis del canal de propagación. Los canales de comunicaciones no se comportan de la misma forma para todas las frecuencias, por tanto, es fundamental la caracterización de los canales en las nuevas bandas de frecuencia, como por ejemplo, la de 26 GHz. Además, nuevos entornos hasta ahora inexplorados se abren paso gracias a los avances tecnológicos. Algunos de ellos son las nuevas comunicaciones: barco-a-barco, (Ship-to-Ship, S2S), barco-a-tierra (Ship-to-Land, S2L), vehículo-a-vehículo (Vehicle-to-Vehicle, V2V) o vehículo-a-peatón (Vehicle-to-Pedestrian, V2P). Estos escenarios requieren de un estudio profundo para su correcta caracterización debido, entre otras cosas, a la alta movilidad de los dispositivos que provoca un deterioro notable de la señal. Sin embargo, en muchas ocasiones no existe la posibilidad de realizar un estudio y modelado in situ. Para solucionar este problema, aparecen las cámaras anecoicas y reverberantes. Estas cámaras permiten mediante la absorción y la reflexión de señales en su interior, generar un entorno controlado de comunicaciones donde realizar pruebas y estudiar modelos de canal. Este nuevo entorno físico de simulación, junto a técnicas software de postprocesado de señal permiten la recreación y el modelado de un número ilimitado de escenarios desde una cámara de dimensiones reducidas. Una de estas técnicas de procesamiento es el denominado time-gating [8], que permite modificar la naturaleza de una señal mediante el enventanado de la misma. Este proceso, junto a la posibilidad de combinar múltiples señales, es el que nos permite la recreación de prácticamente cualquier entorno sin la necesidad de salir del laboratorio.

Beamforming

Los enlaces de comunicaciones punto a punto requieren de una reconfigurabilidad intrínseca por parte de la estación base transmisora. La antena debe dirigir y concentrar en tiempo real la radiación en una determinada dirección espacial, en la cual se ubica el terminal móvil del usuario receptor. A esta técnica se le conoce como beamforming (conformación de haz) y es uno de los mayores retos tecnológicos de los sistemas 5G [9]. Las estrategias más comunes de beamforming se basan en el uso de agrupaciones de antenas cuya fase es controlada electrónicamente, normalmente denominados como phased arrays. Controlando la fase de cada elemento individual, podemos conseguir que la agrupación radie en una determinada región del espacio. Los métodos más tradicionales para controlar la fase hacen uso de varactores (diodos que se comportan como un condensador variable), o transistores implementados en tecnología CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Aunque su rendimiento es bueno a bajas frecuencias, estos dispositivos electrónicos sufren de grandes pérdidas cuando la frecuencia supera los 25 GHz (25000 MHz). Es por ello que, para la aplicación de beamforming en redes 5G que operen en la banda de 26 GHz (y superiores), se están dedicando grandes esfuerzos al estudio de la aplicabilidad de novedosos materiales reconfigurables, como el cristal líquido o el grafeno. El cristal líquido es un material ampliamente utilizado, en el rango óptico, en la fabricación de pantallas LCD aplicadas a monitores de ordenador, relojes, pantallas de móvil, proyectores de vídeo, etc. Su fácil reconfigurabilidad lo hace un material muy atractivo para beamforming en sistemas 5G. Sin embargo, sus propiedades varían significativamente en el rango de microondas con respecto al rango óptico. Por este motivo, se están diseñando modelos de cristal líquido, de bajas pérdidas, especialmente optimizados para su uso a estas frecuencias. Por otro lado, el grafeno se ha erigido como una de las mayores revoluciones tecnológicas de los últimos 15 años. Su dureza, flexibilidad y alta conductividad térmica y eléctrica lo hacen un material muy preciado para la industria. Desde un punto de vista puramente electrónico, sus propiedades pueden ser controladas mediante la aplicación de un determinado potencial externo, convirtiéndolo en un material reconfigurable de gran utilidad en sistemas 5G.

Energy Harvesting

Uno de los retos tecnológicos de esta generación es aumentar la eficiencia espectral de las redes 5G. Dicho con otras palabras, reducir y aprovechar en mejor medida el consumo de energía a la hora de dar cobertura a los distintos usuarios. Una de las formas de abordar este problema es a través de la estructura multicapa presentada anteriormente, y de la segmentación de las estaciones transmisoras en estaciones de menor tamaño que operen a altas frecuencias. De manera complementaria, se puede reutilizar la energía sobrante emitida por las estaciones transmisoras para alimentar a ciertos aparatos electrónicos. A este concepto se le conoce en la literatura inglesa como energy harvesting (recolección de energía). Probablemente este concepto es algo que ya les resultará familiar, ya que las placas solares o los aerogeneradores son también sistemas de recolección de energía. De manera análoga, la energía de radiofrecuencia (RF) emitida por las estaciones base, móviles, o repetidores FM puede también almacenarse para nuestro beneficio. Sin embargo, los niveles de energía del espectro radioeléctrico son muy inferiores comparados con otras fuentes como el sol o el viento. Aun así, la energía de RF puede ser utilizada para alimentar pequeños sistemas electrónicos de bajo consumo, como redes de sensores que operen de manera autónoma (no supervisada). Ejemplo de ello son algunos trabajos realizados por nuestro grupo en colaboración con la Universidad Politécnica de Madrid [10]. 

Como hemos podido ver a lo largo de esta entrada, la tecnología 5G abre múltiples caminos de investigación en los que a día de hoy se encuentran sumidos tanto empresas como grupos de investigación de todo el mundo. Las primeras redes 5G, que actualmente ya se encuentran desplegadas y operativas, suponen un triunfo a todos los esfuerzos realizados durante la década pasada. Sin embargo, este es solo el comienzo del camino y todavía no conocemos el límite de esta tecnología, esperando así mejoras sustanciales durante los próximos años en múltiples aspectos de las redes 5G.

Antonio Alex Amor y Alejandro Ramírez Arroyo,

Investigadores del grupo SWAT de la Universidad de Granada.

REFERENCIAS:

[1] Ted Kritsonis, “Five big challenges facing 5G”

https://www.futurithmic.com/2020/07/02/five-biggest-challenges-facing-5g/

[2] J. A. del Peral-Rosado, R. Raulefs, J. A. López-Salcedo and G. Seco-Granados, “Survey of Cellular Mobile Radio Localization Methods: From 1G to 5G,” IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 20, no. 2, pp. 1124-1148, 2018.

[3] Plan Nacional 5G 2018-2020, Ministerio de Energía, Turismo y Agenda Digital.

https://avancedigital.mineco.gob.es/5G/Documents/plan_nacional_5g.pdf

[4] A. Ramírez-Arroyo, P. H. Zapata-Cano, Á. Palomares-Caballero, J. Carmona-Murillo, F. Luna-Valero and J. F. Valenzuela-Valdés, "Multilayer Network Optimization for 5G & 6G," IEEE Access, vol. 8, pp. 204295-204308, 2020.

[5] P. Sambanthan and T. Muthu, “Why Femtocell Networks?,” Global Journal of Researches in Engineering F: Electrical and Electronics Engineering, vol. 17, no. 4, 2017.

[6] ITU, “Cálculo de la atenuación en espacio libre”, Rec. UIT-R P.525-2

https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.525-2-199408-I!!PDF-S.pdf

[7] Á. Palomares-Caballero, A. Alex-Amor, J. Valenzuela-Valdés and P. Padilla, "Millimeter-Wave 3-D-Printed Antenna Array Based on Gap-Waveguide Technology and Split E-Plane Waveguide," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 69, no. 1, pp. 164-172, Jan. 2021

[8] A. Ramírez-Arroyo, A. Alex-Amor, C. García-García, Á. Palomares-Caballero, P. Padilla and J. F. Valenzuela-Valdés, "Time-Gating Technique for Recreating Complex Scenarios in 5G Systems," IEEE Access, vol. 8, pp. 183583-183595, 2020.

[9] Rao, L., Pant, M., Malviya, L., Parmar, A., & Charhate, S. “5G beamforming techniques for the coverage of intended directions in modern wireless communication: In-depth review,” International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 1-24, 2020.

[10] A. Alex-Amor et al, “RF Energy Harvesting System Based on an Archimedean Spiral Antenna for Low-Power Sensor Applications,” Sensors, vol. 19, no. 6, 2019.