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CONSULTORIA EN REDES Y SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES




Qué es... 5G (quinta generación de tecnologías de telefonía móvil)

Autor: Ramón Jesús Millán Tejedor

Publicado en BIT nº 211, COIT & AEIT, 2019

La quinta generacion de moviles




Introducción

Desde que se realizó la primera llamada de telefonía móvil celular en 1973, no sólo la tecnología, también el modelo de negocio de los operadores móviles ha cambiado radicalmente [1]: con 1G/TACS nació la telefonía móvil; con 2G/GSM se digitalizó la voz mejorando su calidad y proliferó el SMS; con 3G/UMTS comenzaron los servicios datos a alta velocidad y los mensajes multimedia MMS; y con 4G/LTE proliferó la banda ancha móvil sobre "smartphones" y las tarifas planas convergentes fijo-móvil.

La fecha estimada para el inicio de los despliegues comerciales masivos de 5G es 2020 y, según datos de Ericsson, 5G alcanzará una cobertura del 40% de la población y contará con 1.500 millones de suscriptores, convirtiéndose en la generación de telefonía móvil con un despliegue más rápido a nivel global [2]. 5G complementará y coexistirá con 4G, no la reemplazará, del mismo modo en que 4G coexiste con 3G en muchas redes actuales. Sin embargo, los operadores no quieren mantener muchas redes en paralelo, por lo que el "apagón" progresivo de las redes 2G y, sobre todo 3G, serán también parte de la evolución a 5G.

Mediante 5G no sólo se podrán satisfacer las necesidades de mayores anchos de banda, también se tienen menores latencias, mayor fiabilidad, mayor eficiencia espectral, menor consumo energético, una mayor densidad de dispositivos y una red completamente virtualizada más ágil y optimizada en costes. De este modo, 5G propiciará una nueva ola de servicios, como el vídeo en alta definición, la realidad virtual, la conducción automática de los coches, el transporte de mercancías mediante drones, casas y ciudades inteligentes, el control remoto de robots industriales y las operaciones quirúrgicas remotas mediante robots [3]. Es decir, la 5G no sólo traerá consigo nuevas tecnologías más potentes y eficientes que la 4G, sino nuevos casos de uso y modelos de negocio, específicos para IoT.

5G supondrá para los operadores nuevos retos, como el análisis de los nuevos CAPEX/OPEX, la fragmentación del espectro, la cobertura, la disponibilidad de dispositivos, etc. De acuerdo a los planes de la mayoría de las operadoras, 5G será introducido gradualmente, abordando inicialmente el acceso radio y reutilizando la red troncal de 4G existente [4]. La introducción gradual, permite disfrutar de varios de los beneficios que aporta en el acceso radio 5G, rentabilizando al máximo la inversión realizada en 4G. Además, es una aproximación también menos arriesgada, pues 5G tiene un gran impacto en el diseño, planificación, construcción y operación y mantenimiento de la red troncal. Después se irá introduciendo la red troncal de 5G, con interconexión e interoperabilidad con la red troncal de 4G. Finalmente, se tendrá una red 5G completa punto a punto, pudiendo beneficiarse de importantes innovaciones de 5G, como por ejemplo "network slicing".

La tecnología 5G permitirá la convergencia de la red móvil con la infraestructura y tecnologías Web y tendrá un gran impacto en otros sectores clave de la economía, dando lugar a la denominada cuarta revolución industrial. Por ello, es importantísimo que todos conozcamos sus principales beneficios y las tecnologías habilitadoras clave.

Resumen de generaciones de telefonia movil

Figura 1: Generaciones de tecnología móvil (imagen: Qualcomm).

Beneficios

Los requisitos preliminares para el desarrollo de 5G ha sido especificados por los operadores de telecomunicaciones, en estrecha colaboración con sus partners tecnológicos, y plasmados en los trabajos del Foro NGMN (Next Generation Mobile Networks) [5]. Los niveles de rendimiento que se esperan alcanzar con las tecnologías 5G respecto a 4G son: x1000 en volúmenes de tráfico, x10-100 veces mayor número de dispositivos conectados, x10-100 veces ancho de banda por usuario, x5 reducción de la latencia extremo a extremo, x10 mayor tiempo de vida de la batería en dispositivos de baja potencia, etc.

5G supondrá un espectacular aumento del rendimiento, con velocidades teóricas de transferencia de datos en bajada de hasta 50 Gbps, que podrían traducirse en hasta 1 Gbps por usuario, dependiendo del caso de uso específico. Un rendimiento muy superior a las redes Wi-Fi y que incluso superaría a muchas redes de acceso fijo cableadas actuales. Este aumento de ancho de banda se produce, además, con una sensible reducción del coste, mejorando sensiblemente la eficiencia y capacidad espectral respecto a 4G. Estas velocidades y eficiencia habilitarán, por ejemplo, el video de ultra-alta definición 4K-UHD en el móvil, a la vez que permite impulsar los ingresos de los operadores con nuevos servicios y aplicaciones.

También es muy notable la mejora de la latencia o tiempo entre el que se da una orden y esta llega al dispositivo remoto. La latencia en 5G puede ser reducida a menos de 5 ms, e incluso puede llegar a alrededor de 1 ms para determinados casos de uso. Una latencia muy baja es ideal para, por ejemplo, coches autónomos o el telecontrol de robots industriales y drones.

Otras mejoras a destacar son la mayor fiabilidad y disponibilidad, una mayor cobertura, la mejora de la eficiencia energética, o la mejora de la comunicación en movimiento (como en aviones o trenes de alta velocidad). 5G permite además que muchos más dispositivos, sensores o personas estén conectados al mismo tiempo, con densidades de hasta 200.000 dispositivos por km2, lo cual es indispensable para la explosión de la IoT.

Componentes tecnológicos

La especificación detallada de las tecnologías consideradas parte de la 5G, está siendo liderada por el 3GPP (3rd Generation Partnership Project). El 3GPP empezó a discutir las distintas tecnologías radio y arquitecturas de sistema y red que son necesarias para alcanzar los requerimientos IMT-2020 en distintos casos de uso con R14 (2014-2017), centrándose en la primera fase de especificaciones normativas en R15 (2016-2018), y culminará su trabajo con R16 (2018-2019) [6]. El sistema 5G o 5GS (5G System) tiene tres componentes principales, tal y como se ha definido en el 3GPP TS 23.501 "System Architecture for the 5G System (R15.5)": 5G-AN (5G Access Network), 5GC (5G Core Network) y UE (User Equipment).

5G soporta la transmisión multi-antena o MIMO (Multiple Input/Multiple Output) avanzada, que permite incrementar la velocidad de transmisión de datos y la cobertura y eficiencia espectral. 4G soporta MIMO, pero en 5G hablaríamos de MIMO masivo, manejando un número mucho mayor de antenas (de las matrices 2x2 o 4x4 actuales, a elementos de 32, 64 o incluso mayores), ya sea en la estación base, el terminal o ambos simultáneamente.

Una de las principales novedades de 5G es su capacidad de utilizar de forma flexible y adaptativa el espectro, coexistiendo con otras tecnologías, tanto en bandas licenciadas, como no licenciadas. En 5G el operador no dependerá así exclusivamente del espectro que tiene licenciado dentro de un área geográfica y será posible la compartición de bandas, sobre la base de técnicas de radio cognitiva. La 5G implementará redes heterogéneas incorporando otras tecnologías inalámbricas (tales como Wi-Fi, LTE Advanced Pro, cmWave, mmWave, etc.), funcionando perfectamente sin interferencias y de forma transparente al usuario. La capacidad de establecer comunicaciones dispositivo a dispositivo (D2D), sin pasar por la red móvil, permitirá optimizar notablemente su uso, reduciendo en especial la carga de los dispositivos IoT.

5G también es capaz de dar soporte a un mayor espectro, con la extensión tanto a bajas como altas frecuencias. Para poder habilitar los anchos de banda de transmisión necesarios para soportar tasas de datos muy altas, 5G extiende el rango de frecuencias utilizados tradicionalmente para la comunicación móvil. El espectro relevante para 5G va desde por debajo de 1 GHz hasta el orden de 100 GHz, incorporando tanto espectro con licencia como sin licencia. Las bandas por debajo de 30 GHz son las preferidas desde el punto de vista de propiedades de propagación y, por lo tanto, continuarán siendo la base fundamental para proporcionar conectividad de área amplia ubicua. Las ondas milimétricas (mm), es decir, aquellas por encima de 30 GHz y con las que las antenas reducen su alcance, se utilizarán como un complemento, cuando sean necesarias tasas de transmisión muy altas, en el orden de 1 Gbps o más, o despliegues con alta densidad de usuarios.

Pero 5G no sólo presenta importantes mejoras en la parte de acceso radio, también en su núcleo. El sistema 5G ha sido diseñado para ser "cloud native", soportando NFV (Network Function Virtualization) [7] y SDN (Software Defined Networking) [8]. Para facilitar la virtualización, 3GPP ha definido una arquitectura donde las funciones del plano de control se han separado del plano de usuario, que pueden escalar independientemente. La necesidad de adoptar estas nuevas tecnologías es debido a la diversidad de nuevos servicios que tienen que ser soportados sobre la red 5G. Con 5G habrá una explosión de dispositivos IoT y nuevos casos de uso con requerimientos muy dispares, los cuales deben ser soportados por el operador de la forma más ágil y eficiente en costes posible.

En cuanto a la arquitectura basada en servicio o SBA (Service Base Architecture) de 5G, las funciones de red de 5GC (AMF, SMF, PCF, UDM, AF, UPF, AUSF, NSSF, etc.), deben ser desarrolladas siguiendo una arquitectura de microservicios, con interfaces que son expuestas a través de REST API, para ser utilizadas por otras funciones de red y otros servicios y aplicaciones. Los microservicios facilitan la virtualización, escalabilidad, robustez y flexibilidad de las aplicaciones y su velocidad de desarrollo y facilidad de mantenimiento. HTTP/2 es el protocolo adoptado en la capa de aplicación para las interfaces basadas en servicios y JSON para la serialización de datos. El protocolo de transporte es actualmente TCP/TLS y se está definiendo también QUIC para el futuro.

Otra de las características distintivas de 5G es la posibilidad de "segregar" la red en varias sub-redes que pueden ser administradas de forma independiente, lo cual es conocido como "network slicing" [9]. Es decir, teniendo como base la modularidad de las funciones de red y su virtualización, es posible dividir y aislar la red en distintas instancias lógicas, con distintas funcionalidades y rendimiento, compartiendo la misma infraestructura física. Esto permitirá adaptarse a los distintos requisitos de servicios de una forma muy rápida y eficiente, reduciendo riesgos y costes. Por ejemplo, para habilitar el coche conectado es necesaria una latencia muy baja y requiere alta redundancia; sin embargo, para ofrecer banda ancha de alta velocidad a ordenadores portátiles, el ancho de banda es un aspecto más importante. Aunque sin dudas es necesaria esta adaptabilidad, seguro que generará controversia por parte de los defensores de la "neutralidad de la red".

Las nuevas funcionalidades técnicas inherentes a las redes 5G, facilitarán también el despliegue de MEC (Multi-acces Edge Computing) [10]. Con "edge computing" hay una evolución del "cloud computing" desde grandes centros de datos centralizados remotos a centros de datos más pequeños distribuidos y más cercanos a los consumidores de las aplicaciones y de los datos generados por dichas aplicaciones. MEC será necesario para servicios IoT de misión crítica que requieren de baja latencia; o en IoT masivo, donde una gran cantidad de datos deben ser procesados y analizados cerca de su origen. Un claro ejemplo es el coche autónomo, donde además del procesamiento en tiempo real de una gran variedad de cámaras y sensores, es necesaria una muy baja latencia entre la detección de un obstáculo (por ejemplo, un animal que ha invadido repentinamente la carretera) y la maniobra para esquivarlo, debe ser reducida al mínimo, con el fin de evitar el choque.

Bibliografía y referencias

  1. De la primera llamada por móvil en 1973 a 2.600 millones de smartphones”. Ramón Muñoz, El País, 2 Abril 2016.
  2. "Ericsson Mobility Report. November 2018". Ericsson, Noviembre 2018.
  3. "El Impacto del 5G". Cuadernos de Tecnología Évoca, Évoca Comunicación e Imagen, 2018.
  4. "5G Core: How to Get There. A smart, stepwise approach for service providers to evolve from 4G to a full, 5G Next Generation Core Network". Oracle Communications, Septiembre 2018.
  5. NGMN 5G White Paper v1.0”. NGMN Alliance, 17-02-2015.
  6. Wireless Technology Evolution Towards 5G: 3GPP Release 13 To Release 15 and Beyond”. 5G Americas, Febrero 2017.
  7. "SDN: el futuro de las redes inteligentes". Ramón Jesús Millán Tejedor, Conectrónica nº 179, GM2 Publicaciones Técnicas, 2014.
  8. "NFV: la virtualización de las telcos". Ramón Jesús Millán Tejedor y Shirin Esfandiari, Conectrónica nº 173, GM2 Publicaciones Técnicas, 2014.
  9. "An introduction to network slicing". GSMA Association, 2017.
  10. "MEC in 5G networks". ETSI White Paper No. 28, 1a ed., Junio 2018.

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