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5G: la red móvil que habilitará IoT

Autor: Ramón Jesús Millán Tejedor

Publicado en Conectrónica nº 204, GM2 Publicaciones Técnicas, 2017

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Introducción

Desde que se realizós la primera llamada de telefonía móvil celular en 1973, esta revolucionaria tecnología, que ha cambiado por completo nuestras vidas, no ha parado de evolucionar a través de distintas generaciones [1]. No sólo la tecnología, también el modelo de negocio de los operadores móviles ha cambiado radicalmente desde su nacimiento en los años 1970s: 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 y las tarifas planas convergentes fijo-móvil. Además, estas tecnologías también han ido evolucionado antes de que apareciera la siguiente, teniendo por ejemplo: 2,5G/GPRS, 2,75G/EDGE, 3,5G/HSPA y 3,75G/HSPA+.

En la actualidad se está desplegando 4G o LTE, conviviendo con 2G y 3G. LTE (Long-Term Evolution) comenzó a ser comercializada por los proveedores de infraestructura de red en 2011 y, según datos de la GSA (Global mobile Suppliers Association) [2], el número de abonados de LTE a finales de 2016 alcanzó los 1.920.000 millones, frente a los 1.102.000 millones de 2015, suponiendo alrededor del 25,1% de todas las subscripciones a nivel mundial. 4G ha sido la tecnología de más rápido crecimiento y seguirá haciéndolo en los próximos años, dadas las grandes ventajas que ofrece respecto a 2G y 3G y el aumento de la adopción de VoWiFi y VoLTE [3].

Pero puesto que la inversión en 4G se está ralentizando, son varios los fabricantes del sector que han puesto el acelerador en el desarrollo y promoción de la 5G, con la esperanza de potenciar una nueva ola de inversión en el sector. La 5G fue uno de los principales temas de debate durante los pasados MWC 2016 y 2017. Según datos de ABI Research, 5G tendrá un crecimiento aún más rápido que 4G y los operadores de banda ancha móvil 5G alcanzarán unos ingresos de 247.000 millones de dólares en 2025 [4]

Mediante 5G se podrán satisfacer las necesidades de mayores tasas de transmisión de datos, menores latencias, mayor fiabilidad, mayor eficiencia espectral, menor consumo energético y una mayor densidad de dispositivos. Günther H. Oettingger, comisario europeo para la Sociedad y Economía Digital, afirmó en el MWC (Mobile Word Congress) del año 2016, que esta tecnología dará paso a una "cuarta revolución industrial" y será esencial para el éxito de muchas industrias clave, como la automoción, el transporte, la salud, la energía, el sector manufacturero y los medios de comunicación y el entretenimiento digital.

La fecha que se bajara para el inicio de sus despliegues comerciales de 5G es 2020 [5], siguiendo la regla general de ciclos tecnológicos decenales, aunque podría haber algún despliegue previo. 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" de las redes 2G y 3G, serán también parte de la evolución a 5G. Los operadores que adoptarán 5G en primer lugar son aquellos con más clientes empresariales, ya que 5G habilitará aplicaciones muy innovadoras.

Generaciones de telefonia movil

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

Beneficios

Los requisitos preliminares para el desarrollo de 5G han 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) [6]. 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.

Su principal avance será 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.

Tecnología

Como hemos visto, 5G será más rápida en velocidades y tiempos de respuesta, más barata y más eficiente espectral y energéticamente. Algunos de los habilitadores tecnológicos de estas mejoras son [7]: la extensión a bandas de frecuencia más altas, la transmisión multi-antena avanzada, el diseño ajustado (ultra-lean design), la separación de los planes de control y usuario, la utilización flexible del espectro, la comunicación dispositivo a dispositivo complementaria, etc. A continuación, veremos algunos de los más relevantes.

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 extenderá el rango de frecuencias utilizados 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 trae consigo importantes mejoras en la parte de acceso radio, también aborda nuevas arquitecturas de red basadas en NFV (Network Funtions Virtualization) y SDN (Software-Defined Networking), gracias a la separación de los planes de usuario y control [5]. Esto permitirá escalar de una forma más ágil, flexible y eficiente, algo imprescindible para soportar IoT. La virtualización no sólo afecta a EPC y a IMS, también a la propia RAN (Radio Access Network), conocida como vRAN o cloud RAN.

Estandarización

Los actores de la industria que más están promoviendo la 5G son los fabricantes de infraestructura de red móvil (Ericsson, Huawei, NEC, Nokia, Samsung, ZTE, etc.) y, desde el año 2016, ya empezaron a hablar de tecnologías 4,5G, 4,5G pro, pre-5G, etc. Por lo general, los operadores suelen ser más cautos, por diversos motivos, destacando la necesidad de rentabilizar al máximo la inversión realizada en 4G y evitar invertir en infraestructura pre-5G que luego tenga que ser cambiada. Además, 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.

En realidad, todavía son muchos los aspectos en fase de desarrollo o investigación de la 5G y, toda esta estrategia de marketing por parte de los fabricantes, busca principalmente fidelizar a las operadoras durante las distintas fases intermedias (LTE Advanced, LTE Advanced Pro, etc.) y asegurar que serán ellos los socios tecnológicos seleccionados cuando 5G esté madura para ser desplegada comercialmente. Para este año 2017 se esperan redes LTE Advanced Pro que alcancen hasta 1 Gbps.

Los estudios sobre 5G comenzaron en el año 2012 y para 2020 se estima poder tener finalizados estándares, equipamiento y terminales, que permitan aumentar gradualmente su despliegue comercial [5]. La estandarización es muy importante para asegurar un ecosistema más amplio, la interoperabilidad y la reducción de costes fruto de economías de escala. Para que 5G pueda conseguir sus objetivos, es importantísimo alcanzar un estándar global, a diferencia de lo que ocurrió en 3G con la fragmentación mundial entre CDMA y WCDMA, o en menor medida, lo que está ocurriendo con TD-LTE y FD-LTE en 4G.

Las tecnologías y estándares de 5G están siendo desarrollados por una amplia variedad de entidades a lo largo del mundo, como: grupos industriales (5GPPP, Foro 5G, IMT-2020, NGMN, METIS, METIS-II, mmMAGIC, etc.), universidades (Cambridge, Harvard, Oxford, Stanford, etc.), fabricantes de infraestructura de red y terminales móviles (Ericsson, Huawei, Nokia, etc.) y operadoras (Orange, Telefónica, Vodafone, etc.). Además, se han hecho públicos varios acuerdos de colaboración estratégica entre operadoras y fabricantes, como por ejemplo: Telefónica y Orange con Ericsson, Sprint con Nokia, Vodafone con Huawei, etc.

Para llegar a la 5G, la ITU (International Telecommunication Union) está trabajando conjuntamente con otros organismos, en la definición del marco general, los requerimientos y recomendaciones, así como evaluando y certificando tecnologías candidatas, a través de IMT-2020 (International Mobile Telecommunications-2020); del mismo modo que ocurriera con IMT-2000 para la evolución a 3G e IMT-Advanced para 4G. 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) [5].

Europa tuvo una clara situación de liderazgo en el desarrollo y despliegue de las redes 2G/GSM y 3G/UMTS; sin embargo, con 4G/LTE el liderazgo en cuanto a despliegue, innovación y experiencia, se perdió frente a países como Estados Unidos o Corea del Sur. La Unión Europea ha intentado reaccionar en el caso de la 5G. Así durante 2013 se puso en marcha la iniciativa 5G-PPP (5G Public Private Partnership), que busca la colaboración pública y privada para impulsar la 5G en Europa. La Unión Europea espera destinar a la financiación de proyectos de I+D, dentro del programa Horizonte 2020, en torno a 700 M €, entre 2013-2020, en 5G.

Aplicaciones

Según datos de Cisco [8], el tráfico de datos móviles crecerá desde los 7,2 Exabytes al mes en 2016, a los 49 Exabytes al mes en 2021. La tasa de crecimiento de datos móviles aumentará dos veces más rápido que la del tráfico IP fijo y supondrá el 20% del tráfico de datos global fijo y móvil en 2021, frente al 8% de 2016. El tráfico de datos en 2021 será equivalente a x122 el de 2011. Para absorber este crecimiento de forma eficiente, será imprescindible 5G. Es más, la 5G ofrecerá anchos de banda que la convertirán en una alternativa real al cable o la fibra óptica en áreas rurales o poco pobladas.

Sin embargo, el principal interés en 5G está en su capacidad para soportar una nueva ola de servicios [9], destacando las aplicaciones entre máquinas o M2M (Machine To Machine), para telemedida, telecontrol, tecnologías para vestir (wearables), ciudades inteligentes (smart cities), casas inteligentes (smart homes), alarmas, sensores, coche conectado, etc. 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. Así como 4G nació optimizada para los "smartphones", 5G hará lo propio para IoT.

Entre las nuevas aplicaciones que permitirán las mayores velocidades, menores latencias, menor consumo energético, mayor fiabilidad, etc., de 5G, cabe destacar el vídeo en alta definición, la realidad virtual, la conducción automática de los coches, el transporte de mercancías mediante drones, el control remoto de robots industriales y las operaciones quirúrgicas remotas mediante robots.

Una de las aplicaciones que más aparecen en los medios de comunicación actuales son los coches inteligentes. Los coches autónomos requieren de una gran variedad de cámaras y sensores y, la 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. Por otro lado, puesto que los coches pueden compartir su ubicación en tiempo real, podrán buscar rutas alternativas más rápidas en casos de accidentes o congestión.

Foto del coche autonomo de Google

Figura 2: Modelo de coche autónomo de Google (imagen: Google)

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. GSA Confirms LTE Subscriptions are now more than 25% of all Global mobile Subscriptions”. GSA, 8 Marzo 2017.
  3. Qué es… VoLTE (Voice over Long Term Evolution)”. Ramón Jesús Millán Tejedor, BIT nº 190, COIT & AEIT, 2012.
  4. 5G Worldwide Service Revenue to Reach $247 Billion in 2025”. ABI Research Projects, Abril 2016.
  5. Wireless Technology Evolution Towards 5G: 3GPP Release 13 To Release 15 and Beyond”. 5G Americas, Febrero 2017.
  6. NGMN 5G White Paper v1.0”. NGMN Alliance, 17-02-2015.
  7. 5G Radio Access”. Ericsson, Febrero 2015, Abril 2016.
  8. Cisco Mobile VNI Forecast, 2016-2021”. Cisco, Febrero, 2017.
  9. 5G Use Cases and Requirements”. Nokia, Agosto, 2016.

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