Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
“ Arquitecturas, Redes de Acceso y Tecnologías Principales para el
despliegue de las Redes Móviles 5G ”
Autor: Didier Grace Jourdane Maganga Mouloungui
Tutor: Msc. Frank Zurbano Quintana
, junio de 2019
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez
Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada
casa de altos estudios.
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Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
TRABAJO DE DIPLOMA
Arquitecturas, Redes de Acceso y Tecnologías
Principales para el despliegue de las Redes Móviles
5G
Autor: Didier Grace Jourdane Maganga Mouloungui
Tutor: Msc. Frank Zurbano Quintana
Santa Clara
2019
"Año 60 de la Revolución"
Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central
“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de
Ingeniería en Telecomunicación y electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por
la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que
además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.
Firma del Autor
Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de
la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo
de esta envergadura referido a la temática señalada.
Firma del Autor
Firma del Jefe de Departamento
donde se defiende el trabajo
Firma del Responsable de
Información Científico-Técnica
i
PENSAMIENTO
Solo el Hombre que no se rinde logra cumplir sus sueños.
“Jourdane Maganga”
ii
DEDICATORIA
Dedico este trabajo en memoria de mi padre y mi hermana Olga; siempre me recuerdo de la
atención que me prestaban y llevo su amor en mi corazón para siempre. Se le dedico también
a toda la Familia Maganga (Gaston, Borget, Fringue, Olga, Armand, Edwige, Evelore,
Odilon,) y en particular a mi mamá (Rosalie Simbou Mouloungui) por su infinito amor.
iii
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por la buena salud que me ha otorgado durante los seis años de estudios,
y también por su infinito amor en mi vida.
Agradezco a toda la familia Maganga por sus consejos y financiamiento que hoy en día me
han ayudado a lograr mi sueño de graduar en ingeniería de telecomunicación y electrónica.
Agradezco a mis profesores por ayudarme a lograr este sueño, y también a mis compañeros
de aula por ayudarme a encontrar el equilibrio en mis estudios. En particular, agradezco a mi
tutor Frank Zurbano Quintana por brindarme muchos conocimientos a fin de llevar a cabo
este trabajo.
Agradezco al estado del Congo por ofrecerme la oportunidad de estudiar en Cuba. Agradezco
a mis hermanos Guychel, Holssen, Marvin, Ramaoum, Carmel, Savoir, Vivaldy, Carel,
William y Emanuel por preocuparse mucho de mis estudios. También, agradezco a Princia,
a Vanessa, al colectivo de estudiantes congoleños de pinar, al colectivo de estudiantes
extranjeros en Cuba y a la sociedad cubana por brindarme el equilibrio entre la vida escolar
y social.
iv
TAREA TÉCNICA
1. Conocer en que consiste el 5G y las definiciones relacionadas con él.
2. Caracterización del estado y la problemática mundial relacionada con el desarrollo
de las redes móviles de Quinta Generación (5G), las posibles soluciones y los
desafíos para implementar estas soluciones
3. Presentación de las diferentes soluciones tecnológicas que se proponen para el
despliegue de 5G.
4. Elaboración de la arquitectura propuesta que se plantea para el despliegue de las
redes móviles 5G.
5. Elaboración del informe
Firma del Autor Firma del Tutor
v
RESUMEN
En la actualidad, surgen altas demandas para las redes móviles, por lo que se
realiza la implementación de las redes móviles 5G, ya que representa un avance
revolucionario en cuanto a latencia, conectividad masiva, velocidad de datos,
eficiencia energética, confiabilidad y flexibilidad. Sin embargo, Estas capacidades
están dirigidas a lograr una virtualización con realidad aumentada, conectividad de
alta velocidad, Internet de las Cosas (IoT), etc. Las mejoras en las técnicas de
acceso como NOMA, MIMO 3D, densificación de la red, junto con las formas de
onda y las arquitecturas como C-RAN, H-CRAN y las celdas fantasmas ofrecen
escalabilidad y flexibilidad a las redes 5G para cumplir con las altas demandas. Sin
embargo, con la gran complejidad de implementación que presenta las redes 5G,
se ha llevado a cabo una investigación acerca de los desafíos que pueden enfrentar,
así como las mejoras tecnológicas para dar respuesta a este problema.
vi
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i
DEDICATORIA .................................................................................................................... ii
AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii
TAREA TÉCNICA ................................................................................................................ iv
RESUMEN ............................................................................................................................. v
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1
CAPÍTULO 1. Definiciones, objetivos y problemática actual de las redes móviles 5G ... 6
1.1 Definiciones de las redes móviles 5G ...................................................................... 6
1.1.1 Generalidades sobre la tecnología 5G .............................................................. 8
1.1.1.1 Diferencias en la evolución de las tecnologías de redes móviles ................... 10
1.1.1.1.1 Tecnología 1G ................................................................................................. 11
1.1.1.1.2 Tecnología 2G ............................................................................................. 11
1.1.1.1.3 Tecnología 3G ............................................................................................. 12
1.1.1.1.4 Tecnología 4G ............................................................................................. 14
1.1.1.1.5 Tecnología 5G ............................................................................................. 15
1.1.2 Necesidad del uso de la tecnología 5G en la sociedad ....................................... 16
1.1.3 Funcionamiento básico de la tecnología 5G ....................................................... 18
1.2 Objetivos del 5G .................................................................................................... 20
1.2.1 Mejora de la velocidad de datos ......................................................................... 21
1.2.2 Mejora de la gestión del espectro ....................................................................... 22
1.2.3 Reducción de la latencia ..................................................................................... 26
1.2.4 Internet de las cosas (IoT) .................................................................................. 28
vii
1.2.5 Industria 4.0 ........................................................................................................ 31
1.2.6 Ciudades inteligentes (Smart cities) ................................................................... 33
1.3 Problemática actual de las redes móviles 5G ......................................................... 34
Conclusiones del capítulo ................................................................................................. 37
CAPÍTULO 2. Mejoras en las técnicas de acceso y arquitecturas para el logro exitoso de
las redes móviles 5G ............................................................................................................. 38
2.1 Tecnologías de modulación propuestas ................................................................. 39
2.1.1 OFDM/CP-OFDM (Modulación por División de Frecuencias Ortogonales con
prefijo cíclico) ................................................................................................................... 39
2.1.2 F-OFDM (Filtered-OFDM) ................................................................................ 41
2.1.3 W-OFDM (Wide-OFDM) .................................................................................. 42
2.1.4 UF-OFDM (Universal Filtering-OFDM) ........................................................... 43
2.1.5 UW-OFDM (Unique Word-OFDM) .................................................................. 45
2.1.6 CE-OFDM (Constant Envelope-OFDM) ........................................................... 46
2.1.7 FBMC (Filtering Bank Multi-Carrier) ................................................................ 48
2.1.7.1 QAM-FBMC (Quadrature Amplitude Modulation-FBMC) ........................... 50
2.1.7.2 FBMC/OQAM (Offset Quadrature Amplitude Modulation/FBMC) ............. 51
2.1.8 UFMC (Universal Filtered Multi-carrier) .......................................................... 53
2.1.9 GFDM (Multiplexación por división de frecuencias generalizadas) ................. 54
2.1.10 BFDM (Bi-Ortogonal Frequency Division Multiplexing) ................................. 56
2.1.11 SEFDM (Spectrally Efficient Frequency Division Multiplexing) ..................... 57
2.2 Métodos de acceso propuestos ............................................................................... 59
2.2.1 OFDMA (Acceso Multiple por División de frecuencia ortogonal) .................... 59
2.2.2 NOMA (Acceso Multiple No Ortogonal) ........................................................... 60
2.2.2.1 SCMA (Sparse Code Multiple access) ........................................................... 61
viii
2.2.2.2 MUSA (Multi User Shared Access) ............................................................... 62
2.2.2.3 PDMA (Pattern Division Multiple Access) .................................................... 63
2.2.2.4 IDMA (Interleave-Division Multiple-Access) ................................................ 64
2.2.2.4.1 RI (Random Interleaver) ............................................................................. 65
2.2.2.4.2 MRI (Master Random Interleaver) .............................................................. 65
2.2.2.4.3 TBI (Tree Based Interleaver) ...................................................................... 66
2.3 Tecnologías y estrategias de acceso ....................................................................... 68
2.3.1 MIMO Masivo 3D .............................................................................................. 68
2.3.2 Densificación de las redes celulares existentes .................................................. 69
2.3.3 Comunicaciones D2D (Device to Device) ......................................................... 71
2.3.4 Virtualización ..................................................................................................... 72
2.3.5 Comunicación en Bandas Milimétricas .............................................................. 73
2.3.6 Transmisión y Recepción Simultánea (Full Duplex Communication) ............... 74
2.3.7 Tecnologías de repetidores ................................................................................. 75
2.3.7.1 Principio del repetidor pasivo ......................................................................... 76
2.3.8 Backhaul Autónomo 5G ..................................................................................... 77
2.3.9 Pequeñas Celdas y Redes Heterogéneas Ultra densas ........................................ 78
2.3.9.1 Redes Heterogéneas Ultra densas ................................................................... 78
2.3.9.2 Pequeñas Celdas ............................................................................................. 79
2.3.10 Espectro de super-banda ancha .......................................................................... 79
2.3.11 Femto Cell móvil ................................................................................................ 81
2.3.12 Radio cognoscitiva ............................................................................................. 82
2.3.13 Tecnologías de Virtualización de las funciones de red (NFV) ........................... 84
2.3.14 Tecnología SDN (Red Definida por Software) .................................................. 85
ix
2.4 Arquitectura de Sistema y sus estrategias .............................................................. 86
2.4.1 C-RAN (Cloud Radio Access Network) ............................................................ 86
2.4.1.1 Ventajas de la C-RAN .................................................................................... 87
2.4.2 Solución HetNet ................................................................................................. 88
2.4.3 H-CRAN (CRAN Heterogéneo) ......................................................................... 89
2.4.3.1 CC-CoMP ....................................................................................................... 90
2.4.3.2 CC-CRRM ...................................................................................................... 91
2.4.3.3 CC-SON .......................................................................................................... 93
2.4.3.4 LS-CMA ......................................................................................................... 94
2.4.3.5 LS-CSSP ......................................................................................................... 94
2.4.3.6 LS-CRRM ....................................................................................................... 95
2.4.3.7 LS-SON .......................................................................................................... 97
2.5 La Arquitectura de Celda Fantasma ....................................................................... 98
Conclusiones del capitulo ................................................................................................. 99
CAPÍTULO 3. Mejoras tecnológicas y desafíos de las redes 5G .................................. 100
3.1 Tendencias tecnológicas ....................................................................................... 100
3.1.1 Tecnologías para mejorar la interfaz de radio .................................................. 100
3.1.1.1 Formas de onda, modulación y codificación, y esquemas de acceso múltiples
avanzadas………………………………………………………………………………100
3.1.1.2 Tecnologías avanzadas de antena ................................................................. 101
3.1.2 Tecnologías de red ............................................................................................ 101
3.1.2.1 Arquitectura SDN Y NFV ............................................................................ 102
3.1.2.2 Red avanzada de auto organización .............................................................. 103
3.1.2.3 C-RAN .......................................................................................................... 104
3.1.3 Tecnologías para mejorar los escenarios de banda ancha móvil ...................... 104
x
3.1.3.1 Implementación de pequeñas celdas para mejorar la calidad de servicio ..... 104
3.1.3.2 DASH (Dynamic adaptive streaming over HTTP) ....................................... 104
3.1.3.3 eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast and Multicast Service) ............... 105
3.1.4 Tecnologías para mejorar las comunicaciones tipo máquina ........................... 106
3.1.5 Tecnologías para mejorar la eficiencia energética de la red ............................. 106
3.1.6 Tecnologías para mejorar la privacidad y seguridad ........................................ 107
3.1.7 Tecnologías que permiten mayores tasas de datos ................................................ 108
3.2 Desafíos que enfrentan las redes móviles 5G ...................................................... 108
3.2.1 Desafíos en el paso desde 4G a 5G .................................................................. 108
3.3 IoT y el número de conexión ............................................................................... 109
3.4 Volumen de datos ................................................................................................. 110
3.5 Incrementar la capacidad sin incremento de costo ............................................... 110
3.6 Arquitectura de despliegue rápido y seguro ......................................................... 110
3.7 Información en tiempo real de los servicios críticos ............................................ 111
3.8 Lidiando con la realidad aumentada .................................................................... 111
3.9 M2M y automovilismo ......................................................................................... 111
3.10 Retos del operador para la densificación de redes ............................................ 112
3.10.1 Gestión de interferencias y movilidad .............................................................. 112
3.10.2 Análisis de TCO ............................................................................................... 112
3.10.3 Ubicación del sitio ............................................................................................ 113
3.11 Desafíos de despliegue de la red e implicación ................................................ 113
3.11.1 Espectro ............................................................................................................ 113
3.11.2 Desarrollo y despliegue de infraestructuras ..................................................... 115
Conclusiones del capitulo ............................................................................................... 117
xi
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................. 118
Conclusiones ................................................................................................................... 118
Recomendaciones ........................................................................................................... 119
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 120
INTRODUCCIÓN 1
INTRODUCCIÓN
La industria de las telecomunicaciones móviles empezó a tener cambio considerable en
cuanto al desarrollo tecnológico alrededor de los años 70’s. A partir de ahí se vio
evolucionando las tecnologías de comunicaciones móviles que se fueron cambiado cada vez
más por cuatro generaciones de evolución. En los años anteriores los servicios de
telecomunicaciones han experimentado un desarrollo muy importante, dando un salto
considerable hasta hoy en día, donde se puede notar un número considerable de personas que
poseen un teléfono celular y que el número de líneas móviles aumentó al nivel mundial. Sin
embargo, cada vez que se tuvo que evolucionar la generación de las telecomunicaciones
móviles, se tuvo que extender y mejorar la capacidad del sistema, enriqueciendo las
experiencias de los usuarios de estas tecnologías.
El uso de las comunicaciones móviles hoy en día está ocupando un lugar muy importante el
mundo, ya que a través de este se puede reducir las distancias que se puede comunicar dos
terminales muy separados. Por lo que, en el contexto actual, se están convirtiendo en un
complejo entorno de interconexión que abarca muchas tecnologías y soporta millones de
aplicaciones y billones de usuarios, lo cual resulta muy benéfico para la sociedad.
Si se habla de las comunicaciones móviles, nosotros directamente tenemos que pensar en la
flexibilidad y comodidad para los usuarios, y también estar a la vanguardia en la tecnología,
aunque realmente las nuevas tecnologías aún le faltan mejoras e implementaciones, pero es
un gran paso para el futuro contar con velocidades aún mayores y una mayor distancia en lo
que a cobertura se refiere, y además las redes móviles necesitan ofrecer cada vez más un
ancho de banda mayor [1].
INTRODUCCIÓN 2
Con el inmenso crecimiento de las soluciones de conectividad en una multitud de teléfonos
inteligentes, enlaces de vehículos, sensores y muchos otros tipos de dispositivos, la cantidad
de entidades conectadas a la red se está haciendo muy grande. Las operaciones de red
subyacentes requeridas (administración, identidad, seguridad, movilidad, etc.) deben
evolucionar de una manera más escalable para soportar el gran número de dispositivos y
convertirse realmente en el Internet de las cosas (IoT, Internet of Things por sus siglas en
ingles). El contexto enfrenta un desafío similar, que apunta a explotar servicios y aplicaciones
inteligentes, a explotar la cantidad explosiva de datos contextuales que describen a los
usuarios y sus situaciones (como la ubicación, el tiempo, etc.) para poder adaptar su
comportamiento. El sistema de Internet debe incorporar características para sugerir a los
usuarios los elementos que satisfacen sus intereses y las preferencias óptimas para una
situación y contexto particulares. Sin embargo, estas tecnologías aún están en su infancia y
las nuevas exploraciones se consideran necesarias en muchas disciplinas, incluidas la
personalización, el control de la red, la recuperación de información, la extracción de datos
y el marketing. Desde aquí el aumento del tráfico en las redes móviles va a seguir un ritmo
creciente muy rápido en los años que vienen.
Los operadores móviles pretenden crear una mezcla de tecnologías preexistentes que cubren
2G, 3G, 4G, Wifi y otras que permitan mejorar la cobertura y la disponibilidad, e incrementar
la densidad de red en celdas y dispositivos. Buscan lograr como elemento diferenciador crear
una gran conectividad como un “enabler” de servicios de Machine-to-Machine y de Internet
de las cosas (IoT, Internet of Things por sus siglas en ingles). Siguiendo esta perspectiva, la
idea es planear nuevas tecnologías en las redes móviles para permitir baja potencia y,
satisfacer las necesidades y requisitos de la red.
Proyectando el avance del sistema móvil 5G, la tecnología 5G no solo representa un ejemplo
casi perfecto de las comunicaciones inalámbricas, sino que será el componente tecnológico
esencial en la transformación digital de la sociedad y de la economía en el mundo para las
futuras generaciones. El despliegue de la tecnología 5G tendrá un impacto más allá de un
cambio tecnológico en las redes de telefonía móvil y constituye el sustrato tecnológico básico
para desarrollar la transformación digital, un proceso sobre el que existe un acuerdo global
INTRODUCCIÓN 3
de su importancia e impacto en la economía y en el conjunto de la sociedad. Por lo que los
líderes mundiales como Ericsson, Nokia, Docomo y Huawei han entendido la necesidad de
llegar a la evolución hacia redes móviles 5G con el fin de satisfacer la robusta demanda a la
red.
La quinta generación de tecnologías móviles está dirigida a solucionar las demandas y el
contexto empresarial de los próximos años. Se espera habilitar una sociedad móvil
completamente conectada y facultar transformaciones socio-económicas en incontables
direcciones, muchas de las cuales son inimaginables hoy en día, incluyendo aquellas para
productividad, sostenibilidad y bienestar. Las demandas de una sociedad completamente
móvil y conectada están caracterizadas por un enorme crecimiento en conectividad y
densidad de tráfico, la requerida densificación en múltiples niveles para lograr este objetivo
y una amplia gama de modelos de negocio y escenarios.
Por tanto, en 5G hay una necesidad de impulsar el rango de rendimiento para proporcionar,
donde sea necesario como, por ejemplo, un rendimiento mucho mayor, una latencia mucho
menor, una fiabilidad ultra alta, una densidad de conectividad mucho mayor y un rango de
movilidad superior. Se espera que este rendimiento mejorado sea proporcionado
conjuntamente con la capacidad de controlar un entorno altamente heterogéneo y la
capacidad para garantizar seguridad y confianza, identidad y privacidad entre otras.
Mientras extiende el rango de rendimiento de las redes móviles, el 5G debe incluir por diseño
flexibilidad integrada para optimizar la utilización de la red, para acomodar un amplio rango
de entornos de utilización, modelos de negocios y de asociaciones.
En 5G los proveedores y los organismos rectores anticiparon la necesidad de nuevas
interfaces de radio impulsadas por la utilización de bandas de frecuencia más altas, casos de
utilización específicos como Internet sobre las Cosas(IoT) o capacidades específicas como
podría ser bajas latencias, las cuales van más allá de lo que el 4G y sus mejoras pueden
soportar. No obstante, el 5G no es solamente el desarrollo de una nueva interface de radio,
es también un sistema completo que incluye todos los aspectos de la red extremo a extremo,
con un diseño que logra un alto nivel de convergencia y el aprovechamiento de los
mecanismos de acceso actuales y su evolución incluyendo redes fijas y las nuevas en un
futuro.
INTRODUCCIÓN 4
Sin embargo, a parte de la existencia de los estudios que se hicieron, aún no se ha encontrado
una investigación que unifique la diversidad de criterios referidos al tema tratado, por lo que
se necesita detallar más sobre algunos aspectos para facilitar la comprensión sobre las
arquitecturas, redes de acceso y tecnologías principales para el despliegue de las redes
móviles 5G.
Siguiendo la perspectiva del trabajo, el problema de investigación es el siguiente:
¿Cuáles son las innovaciones y/o mejoras tecnológicas que se proponen para lograr el
despliegue del 5G en correspondencia con las probables arquitecturas y métodos de acceso
propuestos?
A partir del problema planteado anteriormente se desprende el objetivo general de este
trabajo: definir los principios, normativas, objetivos y estado actual de la tecnología 5G, así
como las consideraciones y avances técnicos para su despliegue.
Para orientar la presente investigación, se plantean como interrogantes científicas:
• ¿Cuáles son los principios y objetivos que definen el 5G?
• ¿Cuál es el estado y la problemática mundial relacionada con el desarrollo de las redes
móviles de Quinta Generación (5G)?
• ¿Cuáles son las posibles soluciones y estrategias para implementar la tecnología 5G
y a que desafíos se enfrenta?
• ¿Cuáles son las arquitecturas que se proponen para el mejor despliegue de la
tecnología 5G?
• ¿Qué métodos de acceso y variantes tecnológicas son los que proponen para el logro
de los objetivos de la 5G?
Para responder a los precedentes interrogantes nos proponemos como objetivos específicos:
• Explicar la esencia de las redes móviles 5G desde el contexto actual
• Describir las consideraciones actuales sobre la arquitectura propuesta para el
despliegue de la tecnología 5G.
INTRODUCCIÓN 5
• Detallar los diferentes métodos de acceso y las tecnologías asociadas a los mismos.
• Describir los desafíos y mejoras tecnológicas para la implementación del 5G.
Este estudio está justificado por la necesidad de actualización en relación con los avances
tecnológicos que se desarrollan y proponen con la finalidad de hacer posible la
implementación y el despliegue de la quinta generación de tecnologías (5G) móviles en el
mundo. Con este fin se han propuesto varias estrategias por parte de los proveedores de
equipos y las instituciones internacionales encargadas de reglamentar las características
técnicas que deben ser cumplidas para la nueva tecnología y que han dado por resultado la
implementación de nuevas técnicas de acceso, así como propuestas de arquitecturas. Y para
lograrlo se presentan variadas soluciones técnicas en todas las direcciones. Por otro lado, este
estudio constituye una actualización científica de las tecnologías móviles y está orientada a
indicar las direcciones a seguir para el conocimiento del desarrollo de estas tecnologías en el
marco de la quinta generación de móviles.
El presente trabajo tiene un grado de importancia teórico elevado ya que contribuye al estudio
bien estructurado acerca de arquitecturas, redes de acceso y tecnologías principales para el
despliegue de las redes móviles 5G, y brinda una mejor comprensión y utilización de los
estudios referidos al tema por parte de los estudiantes de telecomunicaciones y electrónica,
así como para individuos interesados en conocer acerca de este tema.
Con respecto al tema se ha encontrado que la bibliografía relacionado a este es muy disperso,
por lo que es de suma importancia que existiera un material (libro, documento, etc…)
confiable y actualizado con que los ingenieros, futuros ingenieros en Telecomunicaciones y
cualquier entidad pueda ubicarse con más facilidad.
Este trabajo está estructurado en tres capítulos. El primer capítulo se dedica a exponer los
objetivos, definiciones y la problemática actual de las redes móviles 5G. En el segundo
capítulo se tratará de las diferentes soluciones/mejoras que se han planteado para el logro
exitoso del despliegue de las redes móviles 5G sobre la base de las técnicas de acceso y las
arquitecturas propuestas, y en el tercer capítulo se abordarán los desafíos y mejoras
tecnológicas para la implementación del 5G.
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 6
CAPÍTULO 1. Definiciones, objetivos y problemática actual de las redes
móviles 5G
1.1 Definiciones de las redes móviles 5G
Las generaciones de tecnología móvil han estado desarrolladas para la mejora de la capacidad
del espectro, la eficiencia y cobertura desde el comienzo de las telecomunicaciones móviles
digitales; favoreciendo a las redes que sigan el ritmo del crecimiento del tráfico. Aunque la
implantación generalizada de las redes 4G todavía no es une realidad para todo el mundo, los
principales operadores y fabricantes ya están trabajando en la estandarización de la quinta
generación de tecnología móvil. “El 5G no será sólo una herramienta para transmitir más
datos en menos tiempo, sino que abre un abanico de posibilidades al internet de las
cosas (IoT) donde será necesario soportar la interacción de millones de dispositivos. Esta
nueva tecnología se encuentra actualmente en una fase temprana de desarrollo, ya que entre
los muchos obstáculos significativos a los que se enfrenta, se encuentra la problemática de la
estandarización” [2]. A pesar de ello, los principales players coinciden en que el 5G no es
solo una necesidad, sino una gran apuesta para el futuro. También, al hablar de tecnologías
5G nos referimos a una red de telefonía móvil universal súper eficiente atenta a la demanda,
y donde los recursos son optimizados continuamente para ofrecer un rendimiento suficiente,
con el fin de que los usuarios perciban una conexión a una red con casi infinito ancho de
banda. Además, el rendimiento de velocidad de datos se ha optimizado por medio de los
diversos componentes presentes en la nueva evolución, que manejan una baja latencia
necesaria para que las aplicaciones que interactúan se conviertan en una unificación de
términos, el cual hace referencia a la IoT.
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 7
Cuando se habla de 5G en telecomunicaciones, nos referimos a la quinta generación de
tecnologías de telefonía móvil y es la sucesora a la tecnología 4G. Esta tecnología está
prevista para ser usada a partir de los años 2020. La velocidad a la que permite navegar esta
tecnología en dispositivos móviles está por encima de los 400 megabits por segundo (Mbps).
Y tiene como misión de agilizar la experiencia de navegación y descarga en internet. Grandes
compañías telefónicas, como Samsung y Ericsson, anunciaron a finales del año 2014 que
iniciarían una serie de pruebas que involucraba a la red 5G, como una solución a los
problemas que azotan a las compañías de navegación inalámbrica. Mucho de los
experimentos realizados ha alcanzado una velocidad máxima a los 5Gbps, en donde se puede
apreciar en la figura 1, pero los prototipos diseñados han dado resultados más que
satisfactorios para la mayoría de las compañías que se han sumado a este importante
proyecto. Respecto a la complejidad en la estructura, tecnología, estándares y en mucho más
otros aspectos que puede presentar las redes 5G, surge muchas preguntas para entender mejor
acerca de estas redes, en donde se dará respuestas a algunas de ellas, consideradas como más
importantes, más adelante.
Haciendo una comparación, la velocidad típica de algunas redes 4G LTE es de 33 Mbps y
para saber cuánto más rápido cambian nuestras expectativas en lo que se hace referencia a la
velocidad de descarga de las redes inalámbricas, la velocidad de descarga de las redes 4G
LTE promedio está alrededor de 6.7 Mbps y en ese momento creíamos que era impresionante
pero las nuevas redes 5G están rompiendo casi todos los records en el mundo actual
alcanzando una velocidad inimaginable, más o menos el diez veces de la velocidad de las
redes 4G LTE (ver figura 1).
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 8
Figura 1: Velocidad de transmisión de datos en 5G en comparación a la de 4G y 3G [3].
1.1.1 Generalidades sobre la tecnología 5G
“5G es la quinta generación de conectividad internet móvil que promete descargas mucho
más rápidas, una amplia cobertura y conexiones más estables” [3]. Estas redes están
diseñadas para ser mucho más eficiente que las recientes redes 4G. A diferencia con las redes
anteriores, 5G, además favorecerá nuevos casos de uso para datos móviles que se pueden
observar en la figura 2. El 5G, desde un punto de vista general, sería un conjunto en sí de
tecnología, lo que implicaría que 5G será cualquier tecnología que cumpla con ciertos
parámetros, los cuales, se enfoque mucho en la velocidad de transmisión de datos.
La tecnología 5G es la nueva generación de redes de comunicaciones de banda ancha móvil
que aún sigue en desarrollo, para resolver los problemas relacionados con la demanda
explosiva de comunicaciones, aplicaciones móviles y servicios. Visto en esta perspectiva, la
complejidad de esta tecnología hace que existan muchas definiciones y aproximaciones a lo
que se entiende por una tecnología 5G. La mejor forma de definir una red 5G es enumerando
los requisitos que ha de cumplir: una velocidad que alcanzará tasas de 10 Gbps (10 veces
más que los picos de LTE, de 1 Gbps), una capacidad que se espera que tenga entre 100 y
1000 veces más que 4G, un tema especialmente relevante para dar soporte a las aplicaciones
de IoT y al coche conectado (ver figura 3). Una latencia de 2 milisegundos, o sea 50 veces
menos que 4G, lo que hace que sea más fiable que las redes anteriores, algo también
especialmente relevante para las aplicaciones de IoT.
La tecnología 5G hace posible una conexión que permite conectar todo a todo y todas las
cosas a todo el mundo por medio de unas redes flexibles y potentes, que posibilitan una nueva
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 9
generación de experiencias en la informática móvil, la conducción autónoma, el Internet de
las Cosas, las ciudades inteligentes y por fin en todos los sectores [4]. Se trata de facilitar un
mejor uso del espectro radioeléctrico y de permitir a muchos dispositivos conectarse al
mismo tiempo, pero las redes 5G tendrán algunos de los desafíos más importantes que no se
debe olvidar de mencionar, que será el poder balancear el consumo voraz de datos con los
límites de las redes, la duración de la batería de los dispositivos móviles y el costo del
servicio.
Por tanto, se desarrollan paralelamente innovaciones tanto del hardware como del software
de los componentes que intervienen en este tipo de tecnologías. Y de ahí, cuando se habla de
5G no se debe imaginar que es un concepto que nació de la nada. Recapitulando lo anterior,
las redes móviles 5G nacieron para cumplir con un fin específico y satisfacer la demanda a
la red, que hoy en día se está haciendo una demanda explosiva. Entonces, se puede ver que
cada vez que avanzan los años la demanda a la red ha sido más robusta y siempre se tenía
que buscar una forma para cumplir con los requisitos de la red. Por lo que es necesario
describir un análisis en las diferencias que han existido en la evolución de las tecnologías de
las redes móviles que nos han llevado hasta las nuevas tecnologías 5G.
Figura 2: Casos de uso de la tecnología 5G [4].
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 10
Figura 3: Requisitos más relevantes para 5G [4].
1.1.1.1 Diferencias en la evolución de las tecnologías de redes móviles
Cuando observamos la evolución de las redes de comunicación móvil, la letra G indica la
generación inalámbrica móvil generalmente para brindar información si hubo un cambio en
la naturaleza de la tecnología, la frecuencia, la velocidad y en general en el sistema. Pero
antes de llegar a hablar de la G que representa el tipo de generación de comunicación móvil,
tenemos que recorrer la historia desde cuando la comunicación inalámbrica tuvo sus raíces
en la invención del radio por Nikola Tesla en los años 1880, y que fue presentado de una
manera más formal por Marconi un joven italiano en los años 1894. A partir de la base de la
invención del radio de Tesla, el primer teléfono móvil hizo su aparición en los años 1939,
que se veía que era importante para la comunicación a distancia ya que era en los principios
de la segunda guerra mundial, y es con este fin la compañía Motorola creó un equipo llamado
Handie Talkie H12-16, para permitir el contacto con las tropas vía ondas de radio que en
aquel tiempo no pasaban los 600 kHz. Así, a medida que avanzaban los años los ingenieros
en telecomunicaciones siempre han buscado forma de perfeccionar o mejorar las tecnologías
de comunicaciones anteriores según la necesidad o la demanda que se requeriría para
satisfacer a la red. Por tanto, cada generación de la tecnología móvil ha sido motivada por la
necesidad de diferenciarse de su predecesor. Por lo que, de ahí analizaremos como ha ido
evolucionando las tecnologías de comunicación partiendo del 1G que fue por onda de radio,
hasta llegar al 5G.
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 11
1.1.1.1.1 Tecnología 1G
Las redes de primera generación se introdujeron en la década de 1980, eran analógicas y solo
transportaban voz. Esta red usaba los estándares AMPS (Advanced Mobile Phone System,
por sus siglas en inglés) y TACS (Total Access Communication System, por sus siglas en
inglés), y el servicio que proporcionaba era de sólo voz con una tecnología analógica, usando
una velocidad de transmisión que podía variar de 1kbps a 2,4 kbps. Además, El tipo de
multiplexación que usaba era FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia).
También se utilizaba un sistema de conmutación de circuitos con core network PSTN (Public
Switched Telephone Network, por sus siglas en inglés) y las frecuencias empleadas se
encontraban en el rango de 800 a 900 MHz. El sistema empleaba un ancho de banda de RF
de 30 kHz. La banda tenía capacidad para 832 canales dúplex, entre los cuales 21 están
reservadas para el establecimiento de llamada, y el resto para la comunicación de voz. A este
nivel se podía observar que el sistema tenía muchas deficiencias como por ejemplo la mala
comunicación de voz y ninguna seguridad ya que las llamadas de voz se reproducían en las
torres de radio [5] [6].
1.1.1.1.2 Tecnología 2G
La segunda generación 2G llegó en la década de los 90s con sistemas como GSM (Global
System for Mobile, por sus siglas en inglés), IS-136, iDEN e IS-95. En estos años, entonces
se lazaron teléfonos 2G (o de segunda generación) que eran digitales e introdujeron nuevas
funciones, como mensajes de texto y mensajes con imágenes.
La tecnología GSM fue la primera en facilitar voz y datos digitales, así como el roaming que
es la posibilidad de un dispositivo inalámbrico de utilizar una cobertura de red distinta de la
principal [6], permitiéndole conectarse a redes segundarias utilizando su identificador en la
red principal. GSM fue el desarrollo más relevante ya que fue el estándar europeo de telefonía
móvil digital [7].
La segunda generación o sea 2G ya utilizaba tecnología digital alcanzando una velocidad de
14kbps a 64 Kbps con una banda de frecuencia de 850 a 1900 MHz para tecnología GSM y
825 a 849 MHz para tecnología CDMA (acceso múltiple por división de código). El ancho
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 12
de banda por canal para sistemas que emplean GSM, se divide cada canal de 200 kHz en
bloques de 25 kHz y para sistemas que emplean CDMA, el canal es nominalmente de 1,23
MHz. La técnica de acceso utilizado por 2G fue CDMA, con la multiplexación TDMA
(Acceso Múltiple por División de Tiempo) y también empleaba un sistema de conmutación
de circuitos. Los estándares usados para el desempeño de la 2G fueron los siguientes, GSM
(Sistema Global para Comunicaciones Móviles), IS-95 (CDMA) utilizado en América y
partes de Asia, JDC (Celular Digital Japonés) (basado en TDMA), utilizado en Japón, iDEN
(basado en TDMA), red de comunicación propietaria utilizado por Nextel en los Estados
Unidos. Por fin, los Servicios prestados fueron: voz digital, sms, roaming internacional,
conferencia, llamada en espera, retención de llamada, transferencia de llamadas, bloqueo de
llamadas, número de identificación de llamadas, grupos cerrados de usuarios (CUG),
servicios USSD, autenticación, facturación basada en los servicios prestados a sus clientes,
por ejemplo, cargos basados en llamadas locales, llamadas de larga distancia, llamadas con
descuento, en tiempo real de facturación [5] [8].
1.1.1.1.3 Tecnología 3G
Antes de hablar sobre la tecnología 3G tenemos primero que mencionar la 2.5G lo cual fue
la red de paquetes para proporcionar transferencia e Internet de alta velocidad de datos.
En el final del año 1999 y principio del año 2000 hasta el año 2003, la tecnología 2.5G
impactó el mundo llegando a alcanzar una velocidad de transmisión de datos de 115kpbs para
sistemas que usan GPRS y 384 kbps para los que usan EDGE. Los estándares que se
experimentaron fueron GPRS (Servicio General de Paquetes de Radio) y EDGE
(Velocidades de Datos Mejoradas en GSM). La banda de frecuencia empleada fue de 850 a
1900 MHz, usando un sistema de conmutación de paquetes para transferir datos. Además,
para el logro del 2.5G se utilizó el GMSK (Desplazamiento Mínimo Gaussiano keying) para
sistema que usa GPRS, y 8-PSK (Phase Shift Keying, por sus siglas en inglés) para sistema
que usa EDGE como multiplexaciones. Sin embargo, la 2.5G ya podía prestar servicios tales
como multimedia, información basada en la web de entretenimiento, SMS juegos móviles,
búsqueda y directorio, acceso a correo electrónico, videoconferencia, soporte WAP, MMS.
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 13
La necesidad de mayores capacidades y mayores velocidades de transmisión de datos que
permitieran la aparición de nuevos servicios dio paso a la tercera generación 3G, que fue un
sistema que se estableció con el fin de proporcionar mayor tasa de datos, mayor capacidad
de voz y datos, facilitar el crecimiento, alta transmisión de datos a bajo coste y soporte a
diversas aplicaciones. Los datos se transfieren por medio de la tecnología llamada Packet
Switching. Y las llamadas de voz se traducen mediante conmutación de circuitos [6] [7].
En los principios del siglo 21, comenzó la 3G (tercera generación), que comenzó a incluir
video llamadas y datos móviles. Esta tecnología empezó a tomar mucha relevancia en el
dominio de la telecomunicación por su importancia en la sociedad ya que brindó nuevos
estándares como UMTS (WCDMA) basado en GSM (Global Systems for Mobile, por sus
siglas en inglés) infraestructura del sistema 2G, estandarizado por el 3GPP, CDMA 2000
basado en la tecnología CDMA (IS-95) estándar 2G, estandarizada por 3GPP2, Interfaz de
radio TD-SCDMA que se comercializó en 2009 y sólo se ofrece en China. La tecnología 3G
llegó a alcanzar una velocidad impresionante para la transmisión de datos, alcanzando los
384Kbps a los 2Mbps con solo una banda de frecuencia de 8 a 2.5 GHz y un ancho de banda
de 5 a 20 MHz. Los servicios prestados son tales como: telefonía móvil de voz, acceso a
Internet de alta velocidad, acceso fijo inalámbrico a Internet, llamadas de video, chat y
conferencias, televisión móvil, vídeo a la carta, servicios basados en la localización,
telemedicina, navegación por Internet, correo electrónico, buscapersonas, fax y mapas de
navegación, juegos, música móvil, servicios multimedia, como fotos digitales y películas,
servicios localizados para acceder a las actualizaciones de tráfico y clima, servicios móviles
de oficina, como la banca virtual. En esta tecnología se utilizó la interfaz de radio llamado
WCDMA (Wideband Code División Multiple Access), también HSPA que es una
actualización de WCDMA que ofrece velocidades de 14,4 Mbps de bajada y 5,76 Mbps de
subida, HSPA+ que puede proporcionar velocidades de datos pico teóricas de hasta 168 Mbps
de bajada y 22 Mbps de subida, y CDMA2000 1X que puede soportar tanto servicios de voz
como de datos y que la máxima velocidad de datos puede llegar a 153 kbps [8] [6].
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 14
1.1.1.1.4 Tecnología 4G
La tecnología 4G sucede a la tecnología 3G y que hizo su aparición diez años más tarde de
que se haya lanzado la 2G y la 3G. Las redes y teléfonos 4G se hayan sido diseñadas para
admitir Internet móvil y velocidades más altas para las necesidades tales como transmisión
de video y juegos. Y ofrecer, entre otras mejoras, calidad de servicio (QoS) y mayor
seguridad, junto a velocidades de acceso mucho mayor a la de 3G con 100 Mbps y 1 Gbps,
en movimiento y reposo respectivamente.
Con respecto al mundo de las telecomunicaciones, 4G se ha convertido en un sistema de
sistemas y una red de redes, que se alcanza gracias a la convergencia entre las redes de cables
e inalámbricas. Y que la norma LTE es la más extendida, aunque no es la única norma
existente. La cuarta generación o 4G es una tecnología de redes móviles basada
fundamentalmente en protocolo IP y algunos de sus objetivos más destacados son tales como:
ofrecer alta velocidad, seguridad, servicios de bajo coste para servicios de voz y datos, alta
calidad y alta capacidad, internet a través de IP e multimedia. Sin embargo, para que se pueda
utilizar la red de comunicación móvil 4G, se tiene que los terminales de los usuarios deben
ser capaces de seleccionar el sistema inalámbrico de destino. Y para proporcionar servicios
inalámbricos en cualquier momento y en cualquier lugar, se tiene que enfocarse en la
movilidad del terminal.
Los sistemas 4G son sistemas en que la UIT-R especifica sus requisitos. Estos sistemas
emplean estándares como, Long-Term Evolution Time-Division Duplex (LTE-TDD y LTE-
FDD) y WiMAX móvil (802.16m estandarizado por el IEEE). La velocidad alcanzada es de
100 Mbps en movimiento y 1 Gbps cuando se permanece inmóvil. Ya en este caso se podía
utilizar Telefonía IP. Y se usaban las nuevas frecuencias, y el ancho de banda de canal de
frecuencia se puso más amplia, el ancho de banda usado es de 5 a 20 MHz y opcionalmente
hasta 40 MHz. El 4G emplea siguientes tecnologías de multiplexación y de acceso, OFDM
(Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales), MC-CDMA (Multi-Carrier
Code-Division Multiple Access, por sus siglas en inglés), CDMA (Code Division Multiple
Access, por sus siglas en inglés) y LAS-Red-LMDS (del inglés Local Multipoint Distribution
Service). Y los cambios en los tipos de servicios que se ofrece a diferencia de la 3G son,
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 15
acceso móvil web, telefonía IP, servicios de juegos, TV móvil de alta definición,
videoconferencia, televisión 3D, computación en la nube, gestión de flujos múltiples de
difusión y movimientos rápidos de teléfonos móviles, Digital Video Broadcasting (DVB),
acceso a información dinámica, dispositivos portátiles [8] [9].
1.1.1.1.5 Tecnología 5G
5G es una tecnología inalámbrica basada en la capa física y de enlace de datos, que tuvo su
inicio al año 2015. Y muchas veces le llamamos a esa tecnología OWA (Open Wireless
Architecture, por sus siglas en inglés) por el hecho de ser una tecnología diseñado entre la
capa física y la capa de enlace de datos.
La capa de red se tenía que ser subdividida en capa de red superior para el terminal móvil y
en capa menor para la interfaz para poder realizar esto. Aquí la ruta se basa en direcciones
de IP que serían diferentes en cada red IP en todo el mundo.
En la tecnología 5G la pérdida de velocidad de bits se supera por medio del Protocolo de
Transporte Abierta (OTP). Este protocolo es soportado por transporte y capa de sesión. La
capa de aplicación es para la calidad de la gestión de servicio a través de varios tipos de redes.
5G presenta un mundo Wireless inalámbrico real World Wide Web (WWWW) respecto a las
características que presenta. Llega a alcanzar una velocidad de transmisión de 1 a 10 Gbps
con un ancho de banda 1000 veces el ancho de banda por unidad de superficie y una banda
de frecuencia de 3 a 300GHz, usando las tecnologías de multiplexación y acceso tales como
CDMA y BDMA (Acceso Múltiple por División de Haz) con los estándares banda ancha IP
LAN / W AN / PAN y WWWW. Puede prestar servicio para personas y dispositivos
conectados (YAMP) en cualquier lugar, en cualquier momento. Su aplicación hará que el
mundo real sea una zona WiFi, dirección IP para móviles asignada de acuerdo con la red
conectada y la posición geográfica. Señal de radio también a mayor altitud. Múltiples
servicios paralelos, con los que se puede saber el tiempo meteorológico y en tu posición
geográfica mientras hablas. La educación será más fácil. Un estudiante que se sienta en
cualquier parte del mundo puede asistir a la clase. El diagnóstico remoto es una gran
característica de 5G. Un Médico puede tratar al paciente situado en la parte remota del
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 16
mundo. El seguimiento será más fácil, una organización gubernamental y otros
investigadores pueden monitorear cualquier parte del mundo. Se hace posible reducir la tasa
de criminalidad. La visualización del universo, galaxias y planetas serán posibles. Posible
también detectar más rápidamente desastres naturales incluyendo tsunamis, terremotos, y
otros. Entre otras características están, el rendimiento de tiempo real, de respuesta rápida, de
baja fluctuación, latencia y retardo. Muy alta velocidad de banda ancha, velocidades de datos
Gigabit, cobertura de alta calidad, multiespectro. Infraestructura virtualizada con software de
red definido, sistema de costes escalable y bajo. La tecnología 5G, también soporta Internet
de las Cosas y M2M, con 100 veces más de dispositivos conectados, cobertura en interiores
y eficiencia de señalización. La reducción de alrededor del 90% en el consumo de energía a
la red. Su tecnología de radio facilitará versión diferente de las tecnologías de radio para
compartir el mismo espectro de manera eficiente [9].
1.1.2 Necesidad del uso de la tecnología 5G en la sociedad
Cualquier cosa que hacemos ahora con nuestros teléfonos inteligentes podremos hacerla
mejor y más rápida aún. Tener acceso a internet en el móvil hoy en día se volvió en una
necesidad fundamental y ser capaces de hacer video llamadas de calidad y ver contenido en
streaming o en retransmisión sin interrupciones son exigencias cada vez más dominante, ya
que se espera que haya millones de dispositivos conectados alrededor de los años 2020. Así
que los 300 Mb/s de bajada que proporcionan las redes móviles 4G parece que no van a poder
satisfacer las demandas futuras de los usuarios en cuanto a conectividad y velocidad.
Pensemos ahora en los lentes inteligentes con realidad aumentada, en videos de calidad
mucho más alto, en la realidad virtual móvil y en la internet de las cosas que hace a las
ciudades más inteligentes. Por tanto, al conectar nuestros teléfonos u ordenadores, el internet
de las cosas (IoT) aspira a la hiperconectividad, a la capacidad de conectar simultáneamente
nuestras casas, relojes, coches y ciudades a la red. Para analizar, procesar y aprovechar la
cantidad de datos que esto supondría, se necesita una estabilidad constante. Por lo que, la 4G
no puede garantizar estas múltiples conexiones, pues es necesaria la implementación de otro
sistema que sea capaz de soportar estas múltiples conexiones, de ahí interviene la 5G.
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 17
La necesidad de usar las redes 5G se puede observar desde el punto de vista de las
aplicaciones que este puede ofrecer. Algunas de las aplicaciones en las que el tiempo de
respuesta resulta crítico y que serían posibles gracias a una mayor estabilidad y a una menor
latencia son los siguientes, en cuanto a los vehículos autónomos: las redes 5G podrán
responder lo suficientemente rápido como para coordinarlos, ya sea automóviles que se
comuniquen con una central de control o para comunicarse entre ellos. Videoconferencias:
establecer una conversación a través de un video súper nítido y con alta resolución será
posible gracias a la comunicación en tiempo real. Entretenimiento: con una conexión 5G, se
podrá hacer streaming de contenidos directamente en los dispositivos de realidad virtual.
Telemedicina: los médicos podrán realizar una operación o cirugía de manera remota. Los
retrasos en la conexión serán tan minúsculos, que los doctores podrán usar robots para operar
a 1.000 kilómetros de distancia. Ahora bien, Imaginemos los drones cooperando entre sí para
llevar a cabo misiones de búsqueda y rescate, evaluaciones de incendios y monitoreo del
tráfico, comunicándose entre sí de manera inalámbrica con redes de 5G [2] .
El 5G, si es una necesidad ya que con multitudes de aplicaciones y servicios que ofrece no
nos podemos pasar de esta tecnología (ver figura 4). Y que necesitaríamos cambiar nuestros
teléfonos actuales ya que la tecnología 5G requiere de un conjunto específico de antenas que
no está disponible aún ya que su teléfono tiene que ser compatible con 5G para conectarse a
la nueva red, estos se podrán obtener a la par con el despliegue de la red en cada país. Sprint
Corporation que es una compañía estadounidense dice que planea lanzar el primer teléfono
5G el próximo año, que será fabricado por LG. El fabricante de chips Qualcomm anunció
recientemente que su chip Snapdragon X50 5G está siendo implementado por algunos
fabricantes de teléfonos para el lanzamiento de dispositivos móviles a partir de 2019 [3].
El avance de la tecnología para la trasmisión inalámbrica de datos y la futura adopción de la
tecnología 5G tendrán un impacto profundo en el Internet de las Cosas, un término muy
utilizado últimamente en el mundo de la tecnología y que se refiere de la conectividad de
prácticamente cualquier dispositivo que va desde un Smartphone, automóviles que se
manejan solos y sensores digeribles. Una vez que todos nuestros dispositivos tengan
conectividad, esperaremos que todos nuestros dispositivos se puedan comunicar de forma
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 18
inmediata y fluida. A medida que más dispositivos tengan conectividad, la exigencia en las
redes inalámbricas para soportar tal cantidad de datos alcanzará máximos jamás antes vistos.
Según el centro de innovación 5G, la clave para el éxito de las redes 5G será una profunda
optimización de las conexiones de red para hacer uso de la tecnología que está en las calles
balanceando los patrones de comportamiento de los usuarios (Por ejemplo, la hora del día en
que más usuarios utilizan NetFlix) con los recursos disponibles. Este desafío no es nuevo,
pero es algo que cualquier tecnología 5G tendrá que afrontar.
De acuerdo a Ericsson, “las redes 5G necesitarán alcanzar velocidades de hasta 10 Gigabits
por segundo siendo 100 Megabits por segundo el mínimo en ciudades conglomeradas.
Además, por la naturaleza de los dispositivos que se usarán con las redes 5G como semáforos,
cerraduras de puertas y biotecnología, las redes requerirán reducir la latencia a menos de 1
milisegundo” [10].
Figura 4: Posibles servicios que podrá prestar el 5G [10].
1.1.3 Funcionamiento básico de la tecnología 5G
Todas las redes celulares usan ondas para transportar datos a través del aire, en cuanto mayor
es la banda o la frecuencia, mayor es la velocidad que puede alcanzar. La consecuencia de
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 19
una frecuencia más alta, sin embargo, es un alcance más corto. En un principio, para las redes
5G, se utilizó un espectro de superalta frecuencia, que tiene un rango más corto pero mayor
capacidad. Pero debido a los problemas de rango y de interferencia, los operadores están
empezando a explorar un espectro de menor frecuencia (el tipo que se usa en las redes
actuales) para ayudar a llevar 5G a distancias mayores y a través de paredes y otros
obstáculos.
En caso del funcionamiento de las llamadas, lo primero que tenemos que saber, cuando
llamemos uno a otro, tu teléfono convierte tu voz en una señal eléctrica que se transmite a la
torre celular más cercana a través de ondas de radio. Después, atraviese la red de torres
celulares, estaciones base, nodos de distribución, etc. Todo este proceso se hace antes de que
la llamada llegue al teléfono del otro individuo. El principio es lo mismo para la transmisión
de los datos, fotos y videos.
La transmisión de las comunicaciones inalámbricas se hace por medio del espectro de
frecuencia de radio. Y, 5G necesitará frecuencias nuevas de radio más altas ya que pueden
transportar mayor cantidad de información y están menos saturadas, dado que las bandas de
alta frecuencia poseen mucha capacidad, pero sus longitudes de onda cortas hacen que se
bloqueen más fácilmente por obstáculo que pueden encontrar.
Se estime que 5G admitirá hasta 1000 dispositivos más por metro cuadrado que 4G. Así,
aunque las bandas de alta frecuencia poseen mucha capacidad de tráfico de datos, estas no
pueden transmitirse a distancias muy considerables ya que se degradan fácilmente, por eso
que ocurrió la idea de usar pequeñas antenas de múltiple entrada y múltiple salida (MIMO)
para aumentar la robustez de las señales y su capacidad. Probablemente veamos pequeñas
antenas telefónicas cerca del suelo transmitiendo lo que se conoce como ondas milimétricas,
que son ondas electromagnéticas de frecuencia comprendida entre 30 GHz y 300 GHz (banda
de EHF, según la UIT) y se usa para la banda de frecuencias más alta en la gama de las
radiofrecuencias. Eso permitirá que las usen más personas. Pero es costoso, por eso las
compañías de telecomunicaciones todavía no se han comprometido.
Con el fin de alcanzar las grandes velocidades, la tecnología 5G necesitará de un espectro de
muy alta frecuencia. Por tanto, el rango de onda milimétrica cae entre 24 y 100 GHz. Pero el
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 20
problema con el espectro de frecuencia superalta, además del corto alcance, es que es
demasiado exigente. Una simple hoja que se atraviese por el camino de la onda ya es
suficiente para producir interferencia, sin contar obstáculos como los edificios. Sin embargo,
las empresas como Verizon están trabajando en el uso de software y algo de transmisión para
evitar estos problemas y al final garantizar conexiones estables [11].
A continuación, en la figura se muestra el escenario de la red 5G en cuanto al uso de antenas
3D MIMO y de las ondas milimétricas para el aumento de la capacidad de la red y robustez
de las señales:
Figura 5: Uso de 3D MIMO y ondas milimétricas para la red 5G [11]
1.2 Objetivos del 5G
Haciendo una breve recapitulación sobre las diferencias en la evolución de las tecnologías de
las redes móviles, podemos observar que siempre la generación tecnológica anterior, de una
forma u otra, ha representado un nuevo impulso al desarrollo de una nueva tecnología. La
evolución de la tecnología de las redes móviles, en paralelo a las nuevas redes, ha venido a
dar respuesta a las nuevas necesidades y servicios digitales que están surgiendo. El objetivo
de toda nueva generación de red móvil es multiplicar la velocidad de la conexión, pero detrás
del 5G hay más que eso. Ya no se trata solo de ofrecer velocidades de vértigo, también hacer
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 21
que las conexiones ganen en calidad, por un lado, mejorando el número de terminales al que
puede dar servicio cada antena simultáneamente pero también reducir la latencia.
Con el despliegue de las redes móviles 5G, el mundo está viviendo una transformación nueva
que lo lleva a una evolución más allá de lo que han representado las generaciones anteriores,
ya que consigue englobar y mejorar las cualidades de las precedentes y a posibilitar nuevos
modelos de negocio y nuevas posibilidades técnicas. Así, el 5G da un paso más no sólo al
integrar las capacidades de las anteriores sino al dar respuesta a las necesidades del auge de
la IoT y, por tanto, a los nuevos ecosistemas hiperconectados que requieren al mismo tiempo
la gestión de las comunicaciones y las capacidades de computación integradas en la propia
Red. Sin embargo, las redes móviles 5G definen como objetivos principales que deben
abordarse para su mejor despliegue, tales como incrementar la capacidad o mejorar la gestión
del espectro, mejorar la velocidad de datos, disminuir la latencia, mejorar la calidad de
servicio, conseguir la Internet de las Cosas (IoT), evolucionar el mundo industrial, donde el
concepto de Industria 4.0, y por fin hacer las ciudades más inteligentes. Para satisfacer estas
demandas, las redes móviles 5G deben de cumplir con ciertos requisitos muy exigentes.
1.2.1 Mejora de la velocidad de datos
Las nuevas redes 5G buscan nuevas frecuencias donde alojar el espectro y ofrecer
velocidades gigabit. Como en la evolución tecnológica de las generaciones pasadas, la
velocidad de transmisión de información ha sido uno de los objetivos primordiales ya que es
uno de los aspectos que los usuarios valoran más positivamente. Una encuesta realizada por
Ericsson a sus usuarios demuestra que la velocidad de Internet móvil ofrecida por los
operadores en sus ofertas comerciales se considera el aspecto más importante en la selección
del plan de datos. Esta preferencia representa aproximadamente un tercio de la importancia
relativa total a la hora de escoger un operador de telefonía móvil. [12] Si los operadores
desarrollan redes móviles 5G ofreciendo una velocidad de descarga mínima a 10Gbps y
superiores, van a necesitar mucho más espectro y no será fácil. Un factor determinante para
su futuro sobre las redes 5G será el espectro que se le asigne.
Para el servicio móvil de las tecnologías 4G y 3G, se ha considerado frecuencias por debajo
de los 6GHz, ya que permiten cubrir grandes áreas. Pero hoy en día se necesita desbloquear
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 22
nuevas bandas de espectro radioeléctrico en el rango de 6 a 100GHz ya que se requiere
aumentar la velocidad de transmisión de información [13]. Con ella, los tiempos estimados
para la descarga de archivos pueden acelerarse hasta 100 veces, permitiendo el acceso a la
alta definición, realidad virtual, etc. A modo de ejemplo, la descarga de una película en alta
definición que con las actuales redes 4G disponibles emplea aproximadamente 8 minutos
requerirá sólo 4,8 segundos gracias a las futuras redes 5G. En efecto, para que las futuras
redes 5G sean capaces de ofrecer múltiples gigabits por segundo, las nuevas bandas de
frecuencias tienen que estar fundamentalmente asignadas en el rango de 6 a 100GHz [14].
Esto no sólo serán una gran mejora en velocidad, sino que también se espera que reduzcan la
latencia de las redes móviles. Pero hay que tener en cuenta que, si las frecuencias superiores
a 6GHz destacan por su velocidad, también sufren de un gran alcance, sobre todo si
encuentran obstáculos a su paso y que se tiene en mente solucionar estos problemas, con la
idea de que los operadores móviles tendrán que instalar un buen número de sub-estaciones
más pequeñas. En todo caso, se aprovechará todas las ventajas de las bandas de espectro por
encima de los 6GHz no será sencillo, pero si los proveedores de dispositivos y de
equipamiento de comunicaciones quieren que 5G se convierta en algo más que una
actualización de las redes LTE que existan en 2020, todos los retos técnicos y regulatorios
tienen que superarse [15].
1.2.2 Mejora de la gestión del espectro
Mejorar la gestión del espectro o Incrementar capacidad de la red, hablando al mismo tiempo
con diez veces la mejora en la experiencia del usuario (llegando a 100 Mbit/s, incluso en
desfavorables condiciones de la red), se logrará a través el espectro compartido. El uso cada
vez más generalizado de las bandas de frecuencias, necesario para soportar los
requerimientos de velocidades superiores y grandes cantidades de tráfico, ha sido uno de los
elementos principales de la evolución de todas las generaciones de tecnología móvil. La
situación no es distinta para la tecnología 5G. Dado que los servicios 5G ultra rápidos
requerirán cantidades extraordinarias de espectro. Aunque hasta ahora las frecuencias
asignadas al ancho de banda para el uso celular han sido todas por debajo de 6 GHz, en su
mayoría debido a las propiedades de cobertura favorables de la menor frecuencia, pero se
están elaborando técnicas prometedoras para aumentar el uso de las frecuencias asignadas,
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 23
lo que requeriría desbloquear nuevas bandas del espectro. Si estas bandas de frecuencias más
altas, cuales son de 6 a 100 GHz no son asignadas a 5G, posiblemente no se puedan
materializar las promesas de la tecnología 5G, de incrementar las velocidades de la banda
ancha móvil ni soportar el creciente tráfico de datos móviles, especialmente en zonas urbanas
congestionadas. Sin embargo, las bandas de 6 a 100 GHz ayudarán a cumplir los altos
requisitos de capacidad y velocidad de datos de la tecnología 5G, y que se pueden dividir en
dos partes según las características de propagación de radio, en ondas de centímetro
(cmWave), cuales son ondas electromagnéticas de frecuencias comprendidas entre 3 y 30
GHz con un rango de longitud de onda de entre 1 a 10 centímetro, y ondas milimétricas
(mmWave) que también son ondas electromagnéticas pero de frecuencias comprendidas
entre 30 y 300 GHz con longitud de onda de 1 a 10 milímetros (ver figura 6).
Para brindar mayor cobertura e incluir todos los casos de su uso, la tecnología 5G necesita
espectro en tres bandas de frecuencia muy importantes, cuales son, frecuencias inferiores a 1
GHz, frecuencias comprendidas entre 1 y 6 GHz, y por encima de 6 GHz. El espectro inferior
a 1 GHz será utilizado para extender la cobertura de la banda ancha móvil 5G de alta
velocidad a zonas urbanas, suburbanas y rurales, y también contribuir al sustento de los
servicios de Internet de las Cosas (IoT). Mientras que el espectro de 1 a 6 GHz ofrecerá una
combinación razonable de cobertura y capacidad para servicios 5G. Hoy en día existe una
cantidad razonable de espectro de banda ancha móvil, ya identificado dentro de esta gama,
que podría ser utilizado para impulsar la primera ola de implementaciones 5G. Hay un
creciente interés en el mundo entero de utilizar el espectro que se encuentra en el rango de
3,3-3,8 GHz como base para los primeros servicios comerciales de 5G. El rango de 3,4-3,6
GHz está casi totalmente armonizado a nivel global y podría llegar a ser el impulsor de las
economías de escala necesarias para los dispositivos de bajo costo. Son varios los países que
están explorando la posibilidad de utilizar una parte de bandas tales como la de 3,8-4,2 GHz
y el espectro en el rango de 4-5 GHz, específicamente entre 4,8-4,99 GHz. Asimismo, existen
otras bandas móviles en el rango de 1 a 6 GHz, utilizadas en la actualidad para los servicios
3G y 4G, que podrían ser redistribuidas gradualmente para ser utilizadas en 5G. Y por fin, el
espectro que está por encima de los 6 GHz es necesario para sustentar la velocidad ultra
rápida de banda ancha móvil contemplada para la tecnología 5G. Estas altas frecuencias son
el elemento clave para alcanzar la mayor rapidez en los servicios 5G. Sin ellas, la tecnología
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 24
5G no será capaz de ofrecer velocidades de datos significativamente más rápidas o sustentar
el extenso crecimiento de tráfico móvil que se ha proyectado. Se espera que el espectro por
encima de los 6 GHz incluya una combinación de bandas móviles con y sin licencia. Las
bandas de frecuencia para servicios móviles 5G deben ser acordadas en la CMR-19 y algunas
de ellas son: 8-24,25-27,5 GHz, 31,8-33,4 GHz, 37-43,5 GHz, 45,5-50,2 GHz, 50,4-52,6
GHz, 66-76 GHz y 81-86 GHz. Sin embargo, algunos países están analizando otras bandas
de servicios móviles adicionales, por encima de los 6 GHz, que no han sido incluidas en los
puntos de agenda de la CMR-19, La banda de 28 GHz es de particular interés ya que su uso
para 5G ha sido permitido en los Estados Unidos y está siendo examinada en detalle por
Japón y Corea. Esto complementaría la banda de 24 GHz, la cual sí está bajo estudio de la
CMR-19, y es apoyada por la Unión Europea, ya que un mismo dispositivo podría fácilmente
operar en ambas bandas, ayudando así a reducir el costo de los mismos [13].
La mejora de la gestión del espectro en tecnología 5g se puede observar desde “la creación
de una red de extremo a extremo que funciona con niveles de servicio y criterios de
rendimiento definidos. Es decir, la posibilidad de crear segmentos virtuales de la red (de ahí
su nombre “network slicing”) que facilita que cada segmento o sección pueda gestionarse de
forma virtual e independiente. El corte de red permitiría laminar la red 5G en múltiples redes
virtuales. Esto le confiere una mayor flexibilidad y nuevas capacidades ya que cada segmento
puede utilizarse de forma autónoma y diferencial. En definitiva, el “slicing” ofrece la
posibilidad de eliminar conflictos de priorización de tráfico para diferentes paquetes de datos,
proporcionando así un alto grado de versatilidad que admiten usos diferentes a la vez. Ahora
si utilizamos el símil del tráfico de carreteras, la mejora de la gestión puede venir por el
aumento de las carreteras disponibles, es decir, la reasignación del espectro. Otra opción sería
conseguir que las carreteras sean más eficientes. Siguiendo con el símil, en el tráfico móvil
correspondería al incremento de la densificación a través del aumento de la ubicación y el
despliegue de pequeñas células. Al mismo tiempo, el mejor estado y uso de las carreteras
dinamiza también el tráfico que circula por ellas, lo que correspondería en las inalámbricas
a una mejor gestión del espectro gracias a la utilización de redes definidas por software y
funcionalidad de red más eficientes” [14].
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 25
Otra forma de mejorar la gestión del espectro o sea incrementar la capacidad de la red, se
puede observar desde la eficiencia espectral que es una medida de la eficiencia del espectro
y que se utiliza durante la transmisión de datos. Un sistema que está diseñado con diferentes
eficiencias espectrales, al aumentar estas eficiencias espectrales, la capacidad de la red
aumenta sin necesidad de añadir más portadoras. Múltiples componentes afectan la eficiencia
espectral en la conexión de radio, por ejemplo, la modulación, forma de onda de la señal, y
todo el sistema, incluyendo la coordinación entre los nodos, la supresión de interferencias, y
la gestión de recursos de radio de colaboración. LTE ya tiene un alto de radio de eficiencia
espectral, pero todavía permite mejoras que son menos costosas y utilizan menos energía y
son más simples. En este sentido, la mejora de la gestión del espectro permitirá a los
operadores móviles transmitir en más frecuencias, provocando un incremento directo y en
general proporcional de la capacidad de la Red. Por consiguiente, el espectro por arriba de
los 6 GHz, requerirá una nueva generación de antenas, las cuales puedan dirigir múltiples
datos a diferentes usuarios al mismo tiempo ya que al necesitarse frecuencias más altas, la
cobertura será menor, requiriendo un mayor número de emplazamientos de radio (cell
splitting), dando lugar a una nueva generación de estaciones base denominadas MIMO
(Massive Multiple Input, Multiple Output) que prometen un mayor ancho de banda y
mayores velocidades. Su despliegue, que incorporará además otros elementos de antena,
podría aumentar las velocidades de datos y mejorar la calidad de la transmisión. MIMO
masivo tiene la capacidad de mejorar la eficiencia de la energía radiada en cien veces y, al
mismo tiempo, aumentar la capacidad en orden de diez o más. Sistemas con MIMO masivo
utilizan dispositivos con menor consumo de energía y componentes menos costosos. MIMO
masivo permite una disminución sustancial en la latencia de la interfaz aérea; también hace
simple la capa de acceso. La densificación Phantom Cell (Celda fantasma). División del
plano de control y el plano de usuario entre las macros y micro celdas en distintas bandas de
frecuencia [12].
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 26
Figura 6: Bandas de frecuencia de 6 a 100 GHz divididas para el uso de cmWave y mmWave
[14].
1.2.3 Reducción de la latencia
El 5G permite no solo que muchos más dispositivos estén conectados al mismo tiempo (hasta
100 equipos por metro cuadrado) sino que puedan responder más rápido a las órdenes
remotas. Ese tiempo, entre el que se da una orden y el dispositivo la ejecuta, se llama latencia
y el 5G conseguirá llevarla hasta los 5 milisegundos. La latencia es la suma de retardos
temporales dentro de una red. Un retardo es producido por la demora en la propagación y
transmisión de paquetes dentro de la red. La alta transferencia de datos en redes con alta
latencia significa que los buffers necesitan ser de más capacidad, aumentando el coste del
dispositivo. La reducción de la latencia de red significa que los buffers se utilizarán menos y
por lo tanto pueden ser más pequeño y se disminuirá en costo. La latencia mínima de
respuesta es fundamental para hacer realidad aplicaciones como la conducción automática de
los coches u operaciones quirúrgicas remotas mediante robots. Dynamic TDD implica que
diferentes células en la red empleen diferentes divisiones TDD (Time Division Duplex)
ascendente-descendente basado en la carga de tráfico para el receptor. Se espera que el
principal modo de operación para redes 5G ultra densas funcionen por encima de 6 GHz sean
TDD dinámico. TDD dinámico es atractivo para su uso en células pequeñas 5G, ya que asigna
el espectro completo al enlace más lo necesita. Un transceptor TDD que es un radio
transceptor que comprende dos cadenas transceptoras reversibles, cada una contiene un
mezclador de radiofrecuencia; y un generador de frecuencia intermedia, para recibir una señal
de banda base que contiene datos para transmisión, y para generar señales en dos frecuencias
intermedias diferentes moduladas con dichos datos; es también más fácil y más barato de
construir que un transceptor FDD (Frequency Division Duplex) que es un transceptor radio
donde se usa la multiplexación de frecuencia y utiliza dos canales, uno de bajada y otro de
subida con una cierta separación en el espectro para evitar interferencias entre ellos. La
longitud de la trama dinámica TDD es sustancialmente más baja, unas diez veces menor que
en LTE [14].
La latencia se puede definir en términos de red como la rapidez con la que la red responde
en el viaje de ida y vuelta desde la solicitud a la respuesta, que generalmente se mide en
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 27
milisegundos. Cuando se introdujeron las redes 4G LTE, uno de los entregables claves fue
una latencia de menos de 100 milisegundos. Aunque es una evidencia contrastada que la
latencia ha ido disminuyendo paulatinamente, habiendo conseguido que actualmente el
retardo de una red 4G se encuentra en torno a los 50 ms, la mitad de la que ofrecían las redes
3G, los nuevos servicios que van a ofrecer la tecnología 5G requieren tiempos aun menores
ya que para garantizar la seguridad en un coche que tiene que frenar de forma imprevista el
tiempo estimado de reacción debe ser de 1 ms; así que para los servicios de control remoto
en 5G se necesita una demora mucho más menor. Con la latencia que proporcionan las redes
actuales un coche que circulará a 100 km/h se desplazaría 1,4 metros desde el momento en
que encuentra un obstáculo hasta el momento en que se ejecuta el comando de frenado. En
las mismas condiciones, con la latencia que podría ofrecer una red 5G, el automóvil se
desplazaría solo 2,8 centímetros, tiempo equivalente al rendimiento estándar de los sistemas
antibloqueo de frenos (ABS). La disminución de la latencia de extremo a extremo (end-to-
end) es un requisito primordial para los nuevos servicios como la realidad aumentada, la
medicina de precisión y la cirugía robótica asistida a distancia en el ámbito de la salud, la
seguridad vial, la conducción autónoma en vehículos conectados o la automatización de
fábricas, etc. El escenario de latencia ultra baja podría cambiar el juego, permitiendo
aplicaciones de misión crítica como: automatización industrial, control de drones, realidad
virtual, sensores, telesalud e intervención médica, aplicaciones militares (ver figura 7).
Dependiendo del servicio, la latencia puede ser más o menos crítica, por ello los tiempos
máximos demandados de retardo varían entre decenas de milisegundos y unos pocos
milisegundos. Para el sector del entretenimiento también es fundamental disminuir el tiempo
de latencia para ofrecer una mejor experiencia para el usuario. Es el caso de los juegos online
interactivos para móviles que además de un requerimiento de ancho de banda requieren un
tiempo de reacción mínimo [15].
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 28
Figura 7: Diferentes escenarios de la latencia en 5G [15].
1.2.4 Internet de las cosas (IoT)
En los últimos años, las evoluciones en la miniaturización electrónica permitieron el
acoplamiento y la integración de las capacidades de comunicación en un número cada vez
mayor de diferentes tipos de dispositivos, como sensores. A su vez, la disponibilidad de estas
oportunidades de conectividad fomentó la mejora de las tecnologías de radio existentes, así
como el desarrollo de otras nuevas. Específicamente, complementando el conjunto de redes
inalámbricas móviles coordinadas basadas en macro celdas (por ejemplo, Tercera generación
3G, Evolución a largo plazo LTE, Interoperabilidad mundial para acceso de microondas
WiMAX) y la conectividad inalámbrica basada en la competición (por ejemplo, Red
inalámbrica de área local WLAN), hemos visto nuevas implementaciones inalámbricas
dirigidas a las Redes de Área Personal (PAN), como ZigBee, Instituto de Ingenieros
Eléctricos y Electrónicos IEEE 802.15.4, DASH7, WirelessHART y Weightless, que se
suman a las tecnologías Bluetooth e infrarrojas comúnmente disponibles. Este aumento en
las capacidades de comunicación para dispositivos agregó un impulso al área bien
investigada de redes de sensores inalámbricos, fomentando su despliegue en un número sin
precedentes de nuevos casos de uso, posibilidades comerciales y contribuciones de la
sociedad. Además, esta expansión fue más allá de la aplicación exclusiva de las redes de
sensores inalámbricos, en un entorno de conexión a mayor escala, que involucró dispositivos
de naturaleza dispar, desde teléfonos móviles hasta automóviles, equipos de vigilancia,
supervisión de servicios públicos, automatización de la producción, logística, soporte
comercial y muchos más otros. Con el desafío heterogéneo de alcanzar simultáneamente
estos dispositivos a través de diferentes tecnologías de acceso, para diferentes escenarios y
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 29
casos de uso, los marcos de control que soportan estos entornos comenzaron a desarrollarse,
aprovechando los conceptos de IP para proporcionar procedimientos de accesibilidad remota.
De esta manera, nació el IoT. Gracias a las personalizaciones de la IP, como 6LoWPAN, el
acceso a las plataformas de los dispositivos se acercó más a las arquitecturas orientadas a
servicios, agregando un diseño de aplicaciones enriquecido e integración a las
comunicaciones de tipo máquina. Al emplear estos conceptos incluso en dispositivos
electrónicos muy simples, a través de protocolos como el CoAP del grupo de Trabajo de
Entornos Restantes (RIM) Restringidos (CoRE) del Grupo de Trabajo de Ingeniería de
Internet (IETF), se agregaron capacidades de control de servicios web a los dispositivos, lo
que permite una integración real y despliegues de escenarios inteligentes. Estos conceptos se
investigaron activamente en proyectos como SODA (Service Oriented Device and Delivery
Architecture), SOCRADES (Infraestructura de capa cruzada orientada a servicios para
sistemas integrados inteligentes distribuidos, SENSEI (Integración de lo físico con el mundo
digital de la red del futuro) y Smart Santander [16]. Estos enfoques permitieron reducir la
brecha entre el mundo físico y el digital y sirvieron para integrar verdaderamente los
dispositivos en plataformas a gran escala, componiendo Smart City, Smart Agriculture y
muchos otros escenarios (ver figura 8), donde la información se obtiene de diferentes tipos.
de sensores (por ejemplo, temperatura, humedad, contaminación, video) se combinó con
políticas y algoritmos de control para producir decisiones automatizadas que impulsan los
dispositivos actuadores conectados a la plataforma (por ejemplo, cambiar los semáforos para
reducir la contaminación de CO2 en áreas superpobladas en Smart Traffic, optimizando
consumo de agua en escenarios de Smart Utilities, o incluso automatización y ajuste
automático de cultivos riego en escenarios de agricultura inteligente). Como consecuencia
de la exposición de las arquitecturas de IoT a una gran cantidad de escenarios diferentes, se
impactaron y evolucionaron diferentes áreas de investigación, teniendo en cuenta los desafíos
y requisitos de su aplicación en estos entornos. De esta manera, se lograron nuevos resultados
de investigación en seguridad, privacidad, eficiencia energética y muchas otras áreas, para
tomar como entrada las contribuciones de su operación en entornos tan ricos y diversos como
IoT. Sin embargo, un efecto secundario del mayor despliegue de plataformas IoT en
diferentes dominios fue la explosión descoordinada del espacio de la solución.
Específicamente, diferentes plataformas, compuestas de diferentes configuraciones de la red
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 30
y las pilas de servicios, se desplegaron en diferentes escenarios. De esta manera, en lugar de
implementarse como un tejido común, la IoT generaba diferentes silos de soluciones
verticales, donde los componentes que pertenecían a cada solución diferente no podían
interactuar ni ser intercambiables, sino que funcionaban como islas aisladas. Los factores que
contribuyeron a este factor fueron la disparidad en las interfaces y capacidades de
dispositivos y redes, así como las diferentes semánticas de los dispositivos involucrados (por
ejemplo, sensores y actuadores). Con el fin de facilitar la adopción e integración de las
implementaciones de IoT en un espacio de aplicación en aumento, se está llevando a cabo
una remodelación de paradigmas, reposicionando las soluciones verticales en una
implementación horizontal, donde las diferentes capas proporcionan un sustrato compartido
que es interoperable, multitecnología, multiplataforma y multiescenario [16].
Tecnológicamente pueden diferenciarse tres capas o niveles a los que se hace referencia
cuando se aborda la IoT. El primero corresponde a los dispositivos, sensores y actuadores
cuya función principal es la captación de diferentes variables como la temperatura o la luz,
que se convierten en impulsos eléctricos (datos). El segundo nivel es el “Gateway IoT” o
pasarela, que engloba a los componentes de hardware y software que sirven de punto de
conexión entre la nube y los controladores, sensores y dispositivos inteligentes que
configuran la arquitectura necesaria para el procesamiento de datos. Por último, en la tercera
capa de la plataforma IoT es en la que se encuentran las aplicaciones y servicios de negocio
y consumo. Es decir, de forma simplificada, la tecnología IoT abarca todas las tecnologías
necesarias para que dispositivos físicos capten datos y sean transmitidos para su
procesamiento de cara a desarrollar servicios o aplicaciones. Las posibilidades que ofrece la
IoT parecen infinitas, gracias a los sensores distribuidos estratégicamente por la ciudad, se
podrán regular los semáforos en función del número de coches que se aproximan a un cruce,
adoptar medidas sanitarias según el incremento de contaminación o proceder a la recogida
de la basura cuando los contenedores están llenos. Los miles de millones de sensores y
dispositivos conectados entre sí generarán cientos de millones de datos por segundo que
requerirán una gestión eficiente. La densidad de conexión se define como el número medio
de conexiones activas simultáneas que se pueden soportar en un área determinada, medido
en conexiones por kilómetro cuadrado. En definitiva, los dispositivos IoT se encargan
esencialmente de capturar y transmitir datos. Es por ello que la conectividad de los
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 31
dispositivos físicos con las diferentes capas y su procesamiento tiene que ser lo más rápido y
eficiente posible [14].
La correcta conectividad masiva se apoya en nuevas interfaces aéreas que deberían optimizar
los recursos de radio e infraestructura disponibles, abarcando áreas que van desde las mejoras
del protocolo y la gestión de los recursos radioeléctricos hasta el diseño de las ondas. De
nuevo observamos la importancia que la computación en los extremos (“edge computing”)
tiene en las redes 5G ya que permite que los datos sean agregados, resumidos y analizados
en los extremos, minimizando el volumen de los que necesitan ser transmitidos a la nube, lo
que puede incidir positivamente en los tiempos de respuesta y los costes de transmisión de la
red. Es por eso que en la IoT confluyen la computación de borde, la analítica avanzada y la
inteligencia artificial. Aunque el 5G mejora, todavía necesita una mejor gestión del espectro
ya que el incremento requiere la transmisión de infinidad de datos que las actuales redes no
podrían soportar.
Figura 8: Escenario del IoT [16].
1.2.5 Industria 4.0
“Si como hemos visto la velocidad y latencia representan una mejora técnica evidente para
el usuario final, la integración de la computación y análisis en la propia red abren infinidad
de posibilidades desde punto de vista industrial y productivo. El 5G puede suponer la
transformación digital de la producción industrial ya que permitirá mejorar e implementar
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 32
nuevos procesos productivos como el control de calidad, simulaciones, prototipados, etc.”
[14].
Un subsector que hay que tener en cuenta dentro de la industria 4.0 es el de la logística
inteligente (“smart logistics”). La capacidad de conexión masiva proporcionada por 5G
permitirá una gestión exhaustiva y una entrega más rápida, fundamental para el comercio
electrónico. Por otra parte, tecnologías como el RFID, muy extendidas y de bajo coste,
permiten informar ya en tiempo real de la posición y estado detallado de la mercancía, y de
otros datos como la temperatura, hume- dad, etc. De esta forma, el operador y sus clientes
pueden conocer fácilmente las posiciones reales y el estado de todas las entregas, en función
de lo cual el operador y sus clientes pueden planificar las actividades a realizar después de
forma científica.
“Otros sectores que, aunque a priori están alejados de las innovaciones digitales también se
verán impactados directamente por el ecosistema 5G. Es el caso de la Agricultura Inteligente
(ver figura 9). En un futuro cercano se podrán desplegar una gran cantidad de sensores que
permitirán medir y monitorizar en tiempo real el estado y calidad del suelo, la humedad,
nutrientes, etc. pudiendo dar respuestas ad hoc a distintas situaciones con las evidentes
ventajas que supone desde el punto de vista de la eficiencia y del ahorro de costes. Lo mismo
sucederá con las granjas de animales, que podrán monitorizar la posición exacta y las
condiciones sanitarias y nutricionales de cada ejemplar” [14].
Figura 9: Despliegue de sensores para la agricultura de precisión [14].
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 33
1.2.6 Ciudades inteligentes (Smart Cities)
“Sin lugar a dudas, el desarrollo de las tecnologías 5G será más evidente en las ciudades en
las que confluya la gestión de servicios públicos y privados a gran escala. Además de la banda
ancha de edificios, incluidos los espacios públicos como los trenes o los vagones del metro,
los usuarios podrán alcanzar velocidades similares a las de la fibra fija, permitiendo que la
tecnología inalámbrica se despliegue en sitios donde las redes fijas son demasiado costosas,
tienen un uso solo estacional o en determinadas situaciones como eventos, catástrofes, etc.
Las redes 5G actuarán como catalizador y aglutinador de otras tecnologías como la IoT o la
inteligencia artificial, lo que permitirá configurar un nuevo ecosistema de servicios públicos”
[14].
Para el despliegue de las redes móviles 5G, la consultora Accenture ha definido tres grandes
áreas de actuación en las que el 5G podrá tener un impacto directo en servicios vinculados a
las smart cities: energía y servicios públicos, transporte y seguridad pública. En el primer
caso las “smart grid” (redes inteligentes) saldrán claramente beneficiadas ya que mejorarán
la eficiencia y reducirán considerablemente los costes al permitir que muchos dispositivos
estén integrados a través de conexiones 5G, lo que favorecerá que sean monitorizados con
mayor precisión, mejorando las previsiones de las demandas energéticas y su eficiencia.
“La iluminación inteligente es también otro claro ejemplo del potencial del 5G: el manejo
automático de la red de iluminación cuando no pasean peatones o haya vehículos presentes
ayudará a disminuir sus costes. En España, ciudades como Barcelona o Madrid ya están
trabajando la “smart lighting” en espacios públicos como monumentos, polideportivos, etc.
Solo en EE.UU. el ahorro estimado gracias a su aplicación podría representar más de mil
millones de dólares al año” [14].
Además, El 5G contribuirá en la reducción de la congestión del tráfico, lo que se traducirá
en una mejora del trasporte público. Se conseguirá una mayor eficiencia de los
estacionamientos públicos y se reducirán los tiempos de espera de los pasajeros,
optimizándose, por allí, la flota de autobuses. También, con la ayuda de la implantación de
coches inteligentes comunicándose entre sí y con semáforos inteligentes, se podrá llegar a
una mejora gestión del tráfico (ver figura 10).
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 34
Lo mismo se puede trasladar al tráfico privado. Se estima que en una ciudad de tamaño medio
se puede reducir la congestión del tráfico en un 40%, lo que podría representar un ahorro
aproximado de 100 millones de dólares al año, y la disminución de la contaminación,
potenciando mejoras medioambientales [12]. El estacionamiento inteligente, gracias al
despliegue de sensores de bajo coste conectados a redes 5G, reducirá el tiempo para encontrar
estacionamiento.
Figura 10: Ciudad inteligente, mejor gestión del tráfico [14].
1.3 Problemática actual de las redes móviles 5G
Una vez comiencen a desplegarse, cabe esperar que las redes 5G ofrezcan más velocidad y
capacidad para comunicaciones masivas de máquina a máquina y para proporcionar un
servicio de baja latencia y alta fiabilidad en aplicaciones donde el tiempo es un factor
esencial. Con estos ambiciosos objetivos, las redes 5G se enfrentan a retos operativos
considerables, como alcanzar mayores niveles de estabilidad, seguridad y fiabilidad. Las
redes 5G tienen por finalidad obtener un alto rendimiento en diferentes ámbitos, como zonas
urbanas densas, zonas de cobertura interiores y zonas rurales.
Aunque 4G no ha existido durante mucho tiempo, ha resultado insuficiente para hacer frente
a las necesidades diversificadas en términos de redes más densas y mayor capacidad que
factores como el uso generalizado de teléfonos inteligentes y la aparición de Internet de las
cosas (IoT), se espera que esto no sea culpa de la tecnología; la revolución de los teléfonos
inteligentes no había comenzado cuando se seleccionaron los requisitos y tecnologías 4G, y
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 35
las nuevas aplicaciones y servicios siempre están evolucionando. Sin embargo, superar las
limitaciones actuales de 4G es el objetivo principal de 5G, un concepto que es tanto una
evolución de las redes inalámbricas para satisfacer las demandas futuras de datos como una
revolución en la arquitectura para permitir una red consciente de los costos que se pueda
escalar. Por lo tanto, la complejidad de estas redes hace que se encuentre confrontada a ciertos
desafíos donde se destacarán algunos tales como [17]:
• La interferencia entre células, este es uno de los principales problemas tecnológicos
que necesitan ser resueltos. Hay variaciones en el tamaño de las células de macro
tradicionales y células pequeñas concurrentes que conduzcan a la interferencia.
• Control de Acceso Medio Eficiente, en una situación en la que se requiere denso
despliegue de puntos de acceso y terminales de usuario, el rendimiento para el usuario
será baja, la latencia será alto, y puntos de acceso no será competente para la
tecnología celular para proporcionar un alto rendimiento. Tiene que ser investigado
adecuadamente para optimizar la tecnología.
• Gestión de Tráfico, en comparación con el tráfico tradicional en las redes celulares,
un gran número de máquina a máquina (M2M) dispositivos en una célula puede
causar en el sistema serios desafíos a la red de acceso de radio, es decir (RAN)
desafíos, lo que provocará una sobrecarga y la congestión.
• Servicios Múltiples, a diferencia de otros servicios de la señal de radio, 5G tendrían
una enorme tarea de ofrecer servicios a las redes heterogéneas, tecnologías y
dispositivos que operan en diferentes regiones geográficas. Por lo tanto, el reto es de
la normalización para proporcionar dinámica, universal, centrada en el usuario, y los
servicios inalámbricos de datos ricos para cumplir con las altas expectativas de las
personas.
• Seguridad y Privacidad, este es uno de los retos más importantes que 5G necesita
para asegurar la protección de datos personales. 5G tendrá que definir las
incertidumbres relacionadas con las amenazas de seguridad, incluyendo la confianza,
privacidad, seguridad cibernética, que están creciendo en todo el mundo.
• La legislación de Cyberlaw, Cibercrimen y otros tipos de fraude también puede
aumentar con la alta velocidad y la tecnología 5G ubicua. A mayor ancho de banda,
mayor riesgo. La vertiginosa conectividad del 5G dará más opciones a los
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 36
delincuentes del ciberespacio, que ya no se limitarán al envío de correos fraudulentos
o a la creación de webs falsas, sino que podrán cambiar el itinerario de un vehículo o
controlar los electrodomésticos de un domicilio u oficina. Asimismo, el intercambio
de material ilegal en la Dark Web podría agigantarse. Por lo tanto, la legislación de
la Cyberlaw es también una cuestión imprescindible, que en gran medida es
gubernamental y político (cuestión nacional como internacional) en la naturaleza.
Al igual que las generaciones anteriores de banda ancha móvil, las redes 5G utilizan el
espectro de radiofrecuencia. Éste se divide en bandas de frecuencias, atribuidas a los servicios
de radiocomunicaciones de manera que cada banda sólo pueda ser utilizada por servicios que
puedan coexistir entre sí. El aumento del tráfico y de la velocidad necesaria para el 5G exigirá
tecnologías con mayor eficiencia espectral y muchísimo más espectro, además del que se
utiliza actualmente para la 3G y la 4G. La mayor parte procederá de las bandas de frecuencias
por encima de 24 GHz, que plantean dificultades considerables en cuando a la propagación
de las ondas radioeléctricas y que también son utilizadas por varios de servicios de
radiocomunicaciones, en particular para las comunicaciones por satélite, la previsión
meteorológica y la vigilancia de los recursos terrestres y del cambio climático [18].
“Todavía hay algunos problemas que superar en la implementación del 5G, sobre todo en lo
relativo a la convergencia entre 4G y 5G, y el tiempo que ambas tecnologías se vean
obligadas a convivir. El problema radica en el despliegue de nuevas antenas que no ocupen
más espacio que el actual, ya que las zonas urbanas se encuentran saturadas. Además, el
consumo de energía de la red 5G es muy superior al del 4G, debido a su complejidad. El 4G
lleva años entre nosotros y ya se encuentra optimizado, pero la eficiencia eléctrica del 5G
debido a su novedad, está lejos de llegar a su máximo” [19].
“Más allá de las amenazas que acechan en el submundo cibernético, no son pocas las voces
que advierten que la transformación digital puede acarrear también riesgos físicos:
especialistas como David Carpenter, director del Instituto de Salud y Medio Ambiente y
colaborador de la Organización Mundial de la Salud (OMS), opina que la instalación masiva
de antenas para implantar el espectro 5G podría producir en la población trastornos
cognitivos, celulares e incluso problemas de fertilidad en los varones” [17].
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 37
Conclusiones del capítulo
Hoy en día el mundo se está transformando en totalmente inalámbrico, exigiendo acceso
ininterrumpido a la información en cualquier momento y en cualquier lugar con la mayor
capacidad (un incremento de 10 -100 veces en el número de dispositivos y un incremento del
tráfico de 1000-5000 veces), una mejor calidad, alta velocidad (hasta 10Gbps), mayor ancho
de banda (hasta los 100GHz), reducción de la latencia (hasta 1ms) y reducción de costos. Por
lo tanto, el 5G surge como respuesta a lo mencionado anteriormente, ya que establece como
objetivo un mundo real sin limitaciones con la llegada de nuevos conceptos como la IoT,
Industria 4.0, etc. La tecnología 5G se irá introduciendo paulatinamente en las redes actuales
a medida que las funcionalidades estén disponibles. El reto con el 5G es conseguir cuadrar
una evolución considerable al tiempo que se va preparando las redes de manera que las
nuevas capacidades puedan añadirse. Y, se estima que la tecnología 5G tardará unos 12 años
aproximadamente en madurar, por eso es necesario trabajar desde ya para que sea una
realidad a partir del 2020.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 38
CAPÍTULO 2. Mejoras en las técnicas de acceso y arquitecturas para
el logro exitoso de las redes móviles 5G
El proceso de implementación de la generación móvil 5G, así como su despliegue, exigen
mejoras tecnológicas que sirvan para satisfacer los requerimientos de esta tecnología. Hasta
la fecha se están proponiendo una serie de soluciones tecnológicas destinadas a esta finalidad.
Estas soluciones tienen dos direcciones principales: la primera considera los aspectos
tecnológicos, arquitecturas y casos de despliegue a partir de la evolución de los estándares
LTE, mientras que la otra está dirigida a la creación de nuevos estándares y equipos
específicos para la tecnología 5G.
Este capítulo está dedicado a relacionar las diferentes líneas tecnológicas propuestas hasta la
fecha, conjuntamente con una explicación básica de las mismas donde se exponen las
definiciones, características principales, las mejoras técnicas que la justifican y las
referencias bibliográficas asociadas a cada una. En contenido incluye técnicas de
modulación, de acceso, arquitecturas y aspectos relacionados con estrategias y utilización de
funciones pertenecientes a nuevas técnicas inalámbricas, así como aspectos asociados al
entorno y el manejo de la energía.
El objetivo principal del capítulo es recopilar y organizar el significativo número de aspectos
tecnológicos individuales y dispersos que se proponen para el logro del 5G además de brindar
una introducción a sus diferentes aspectos y principios, así como proporcionar una guía
bibliografía para estudios más profundos de las diferentes propuestas tecnológicas.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 39
2.1 Tecnologías de modulación propuestas
En sentido general, las modulaciones candidatas que se proponen para 5G parten del estándar
OFDM con la finalidad de mejorar su desempeño, así como eliminar sus limitaciones al ser
aplicada bajo las exigencias del 5G. A continuación, se relacionan las de mayor impacto.
2.1.1 OFDM/CP-OFDM (Modulación por División de Frecuencias Ortogonales con
prefijo cíclico)
Este tipo de modulación es la clásica de los estándares LTE y continúa siendo una opción
para la 5G.
La idea de OFDM es la de transformar flujos de alta razón de datos en un conjunto de flujos
de baja razón de datos que son transmitidos en paralelo sobre diferentes frecuencias de
subportadoras. Con esta estructura un canal con desvanecimiento selectivo en frecuencia
puede ser transformado en un conjunto de canales con un desvanecimiento de frecuencia
plano. Dicho de otra forma, OFDM divide el ancho de banda disponible en un número de
subportadoras igualmente espaciadas que portan una porción de la información del usuario
en cada subportadora. La propiedad fundamental radica en que cada subportadora es
ortogonal con relación a las otras, lo que permite el solapamiento de los espectros de cada
subportadora sin interferencias entre ellas, y hace que el espectro requerido se reduzca,
brindando un esquema de acceso mejor [20].
El número de sub-portadoras OFDM está en el rango entre cientos y varios miles, con
espaciamiento desde varios cientos de KHz hasta unos pocos KHz. La selección del
espaciamiento depende del entorno en el que opera el sistema incluyendo aspectos como la
máxima dispersión en tiempo esperada y la máxima razón de variación esperada del canal.
Una vez seleccionado el espaciamiento, el número de subportadoras se decide sobre la base
del ancho de banda total de transmisión tomando en consideración una emisión aceptable
fuera de banda [21].
Sin embargo, en el caso de un canal dispersivo en tiempo, la ortogonalidad entre
subportadoras se pierde al menos parcialmente. Esto se debe al solapamiento en el intervalo
de correlación del demodulador en un trayecto con la frontera de símbolo de otro trayecto y
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 40
como consecuencia de ello se producirá tanto interferencia entre símbolos como interferencia
entre subportadoras [20].
Para resolver este problema y lograr que OFDM sea insensible a la dispersión en tiempo en
el canal de radio se realiza la inserción de un prefijo cíclico (CP) en la transmisión. La
inserción implica que la última parte del símbolo OFDM es copiada e insertada en el
comienzo del símbolo. Esta inserción incrementa la longitud del símbolo OFDM en la
magnitud de la longitud de la duración de CP, lo que reduce la razón de símbolo OFDM, pero
se logra preservar la ortogonalidad de la subportadora en la medida que el espacio de duración
de la dispersión en tiempo sea más corto que la longitud del CP. La modulación OFDM con
Prefijo Cíclico se denomina CP-OFDM [22].
Esta modulación posee sus desventajas [21] [22] , las cuales se acentúan cuando se pretende
utilizar en 5G y son las siguientes:
• La eficiencia espectral de OFDM está limitada por la necesidad de insertar el prefijo
cíclico (PC) y por sus lóbulos laterales. Esto produce gran pérdida fuera de la banda,
lo que requiere la utilización de bandas de guarda grandes con la consecuente
degradación de la eficiencia espectral.
• Las señales OFDM exhiben valores altos de la relación de potencia pico y promedio
(PAPR).
• La imposibilidad de una estricta sincronización entre sub-portadoras hacen que esta
técnica no sea realmente ortogonal. Esto se manifiesta en mayor grado en el enlace
de subida (UL) donde diferentes terminales móviles transmiten separadamente.
• La forma rectangular de sus pulsos causa una pérdida en frecuencia importante.
• La inserción del PC causa pérdidas de eficiencia espectral (SE).
• Se requiere una sincronización en tiempo y frecuencia muy fina para preservar la
ortogonalidad de las sub-portadoras. Para garantizar un bajo nivel de interferencia
intra-celdas y entre celdas.
• Los lóbulos laterales significantes en OFDM dan por resultado Interferencia entre
portadoras (ICI) cuando la sincronización no es efectiva o cuando hay una gran
movilidad de los usuarios debido al efecto Doppler, lo que degrada el
comportamiento general del sistema.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 41
Por estas razones se procedió a mejorar la modulación OFDM de forma que se eliminarán
las dificultades que presenta. Esto ha llevado a las siguientes variantes: F-OFDM, W-OFDM,
UF-OFDM, UW-OFDM y CE-OFDM. El diagrama en bloque de implementación de OFDM
se muestra en la Figura 11:
Figura 11: Arquitectura OFDM [21].
2.1.2 F-OFDM (Filtered-OFDM)
La propiedad desfavorable del confinamiento del espectro de OFDM se debe a la utilización
de pulsos rectangulares cuya Densidad Espectral de Potencia en el dominio de la frecuencia
es una función Sinc. F-OFDM filtra las subportadoras para lograr una perdida fuera de banda
inferior mientras que mantiene al mismo tiempo una estricta separación de las señales en el
dominio del tiempo y ortogonalidad en el plano complejo. La mayor ventaja de F-OFDM,
además de su completa compatibilidad con OFDM, es su capacidad de adaptarse a satisfacer
varios requerimientos de 5G con una elección flexible del diseño de los filtros. La
arquitectura de un transceptor F-OFDM se muestra en la Figura 12: la única diferencia con
la tradicional OFDM es la adición del bloque de filtro de subportadora que conforma la
densidad espectral de potencia de cada subportadora en el dominio de la frecuencia para la
reducción de las pérdidas fuera de banda [23].
F-OFDM puede satisfacer las necesidades de 5G pues el ancho de banda del sistema es
dividido en sub-bandas y filtradas independientemente, por lo que cada sub-banda puede ser
configurada con parámetros de forma de onda diferentes en dependencia del escenario de
tráfico. Mediante la configuración del filtro, cada sub-banda conseguirá su propia
configuración, y las formas de onda combinadas 5G soportarían configuración dinámica de
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 42
parámetros para la interface de aire de acuerdo al tipo de tráfico [23]. El esquema en bloques
de esta arquitectura se muestra en la Figura 12.
Figura 12: Arquitectura de un transceptor F-OFDM [23].
2.1.3 W-OFDM (Wide-OFDM)
En lugar de un filtrado en el dominio de la frecuencia, pueden ser aplicados pulsos en
ventanas no rectangulares en el dominio del tiempo para amortiguar las transiciones en los
bordes de los símbolos, reduciendo así las perdidas fuera de la banda de operación.
Las ventanas en el dominio del tiempo, o filtros prototipos pueden ser diseñados con
flexibilidad para mejorar el confinamiento del espectro. Algunos diseños comunes de las de
las funciones de enventanado están disponibles como son las ventanas Hamming y
Blackman. El reducido lóbulo lateral también facilita la transmisión asincrónica, debido a la
reducida potencia de interferencia causada por errores de frecuencia y tiempo.
W-OFDM es un esquema de transmisión cuya base es el estándar 802.11a. WOFDM es capaz
de resolver problemas relacionados con multitrayecto mediante el envío de símbolos de
entrenamiento; donde los efectos adversos del canal pueden ser reducidos a través de una
simple división por la respuesta de frecuencia del canal. También se emplean códigos de
dispersión correctores de errores tal como el Reed Salomon con el objetivo de dispersar los
símbolos sobre muchas frecuencias, lo que convierte la señal a un espectro extendido de
secuencia directa y que tiene la habilidad de recobrar los símbolos aun cuando estén
totalmente ausente algunas portadoras [20]. Su eficiencia y tolerancia al ruido une lo mejor
de los sistemas de espectro extendido y de banda estrecha.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 43
Para superar los problemas de alto PAPR en la amplitud de la señal y el desvanecimiento
debido a los efectos multitrayecto [20], W-OFDM incorpora aleatorización y estimación de
canal. La aleatorización de los datos en el transmisor tiene el efecto de sanear la señal OFDM
y reduce la necesidad de amplificadores de radio frecuencias muy lineales. Mediante la
inclusión de datos conocidos en cada trama de datos OFDM es posible computar y estimar
el canal de transmisión y utilizar esta estimación para corregir los efectos del canal en los
datos. WOFDM permite la implementación de redes RF multipunto de baja potencia que
minimizan las interferencias con redes adyacentes.
La arquitectura de W-OFDM se podría ver como la misma de F-OFDM con la excepción de
que el bloque de filtro de subportadora es reemplazado por el enventanado en el dominio del
tiempo (ver figura 11).
Figura 13: Arquitectura W-OFDM [20].
2.1.4 UF-OFDM (Universal Filtering-OFDM)
Mientras que F-OFDM filtra todas las subportadoras, UF-OFDM, filtra un bloque de
subportadoras o sea, una sub-banda, con el objetivo de controlar la emisión fuera de banda.
Adicionalmente, es posible que UF-OFDM emplee diferentes estructuras de trama y
numerología en cada sub-banda operativa lo que podría ser un ancho de banda variable,
posibilitando un despliegue adaptativo y tipos de enlace. La Figura 14 muestra el diagrama
en bloques funcional de la modulación.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 44
Figura 14: Esquema en bloques funcionales de la modulación UF-OFDM [22].
De la figura 14 vemos que la señal mapeada es asignada a un predeterminado número de
bloques y numero de subportadoras por cada bloque. Los datos para cada bloque son
calculados utilizando la Transformada Discreta de Fourier Inversa (IDFT), y convertida en
una secuencia de datos en tiempo igual al número total de subportadoras. Como
consecuencia, la señal UF-OFDM se convierte en una serie en tiempo con una longitud
extendida en dependencia del número de la derivación del filtro. La longitud puede ajustarse
igual al de la señal CP-OFDM, por lo que UF-OFDM es altamente compatible con CP-
OFDM [22].
La Figura 15 muestra el bloque funcional de demodulación UF-OFDM basado en
Transformada Rápida de Fourier (FFT). La señal proveniente del modulador es pre-
procesada para filtrar interferencias y luego convertida de serie a paralelo y la demodulación
se realiza mediante FFT al doble del número total de subportadoras. La señal demodulada es
desmapeada a cada grupo de símbolos después de la corrección del canal de radio para cada
subportadora [24].
Figura 15: Esquema en bloques funcional de la demodulación UF-OFDM [24].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 45
2.1.5 UW-OFDM (Unique Word-OFDM)
UW-OFDM es una nueva estructura de señal a transmitir para OFDM donde se sustituyen
los usuales prefijos cíclicos (CP) por secuencias determinísticas denominadas Palabra Única
(UW). Esta palabra es generada introduciendo cierto nivel de redundancia en el dominio de
la frecuencia. Esta secuencia brinda las mismas ventajas que el CP (no interferencia entre
símbolos y diagonalización de la matriz del canal). Dado que estas únicas palabras
representan secuencias conocidas, estas pueden ser utilizadas ventajosamente para tareas de
sincronización y estimación, así como también para mejorar la razón de error del sistema que
es mejor que la del sistema CP-OFDM convencional. Y algo muy importante y diferente de
casi todos los esquemas de señalización de la familia OFDM es que la UW forma parte del
intervalo de la Transformada Discreta de Fourier (DTF) [25]. En la Figura 16 se muestra
las estructuras de transmisión utilizando CP y UW.
Figura 16: Estructuras de transmisión en CP-OFDM y UW-OFDM [25].
La introducción de cierta redundancia en el dominio de la frecuencia puede ser explotada
eficientemente para extender el rango, la confiabilidad, la capacidad y otros factores. En este
sentido, UW-OFDM transforma el usualmente relegado intervalo de guarda en una secuencia
de múltiples propósitos. Además, adaptando la UW y por tanto el intervalo de guarda a
diferentes condiciones del canal no habrá impacto sobre la longitud de la DTF y de este modo
se mantiene inalterable la cadena de procesamiento relevante. Por tanto, UW-OFDM puede
soportar un amplio rango de escenarios de comunicaciones asegurando una alta eficiencia y
posee una densidad espectral superior de la forma de onda generada en comparación a CP-
OFDM [25]. Un diagrama en bloque de la arquitectura UW-OFDM se puede ver en la Figura
17:
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 46
Figura 17: Diagrama en bloques UW-OFDM [25].
2.1.6 CE-OFDM (Constant Envelope-OFDM)
Esta modulación se apoya en una modulación de fase no lineal aplicada a una señal OFDM
de multiportadora normalizada a un valor real. Los rasgos de tal forma de onda [26] son los
siguientes:
• Valor del PAPR de 0dB lo que permite la transmisión de las señales a través de
amplificadores con saturación sin distorsión de amplitud ni recrecimiento de espectro
• Las señales de múltiples portadoras con envolvente constante (CE-MC), toman
ventaja de la correlación entre subportadoras como un inherente efecto de diversidad
causado por la intermodulación, lo que es resultado de la modulación de fase no lineal
de las señales de múltiples portadoras con evaluación real. Por tanto, las ventajas de
las modulaciones de portadoras múltiples aún se mantienen, conjuntamente con una
creciente diversidad contra el desvanecimiento multitrayecto
• Las señales multiportadoras con envolvente constante son más resistentes al ruido de
fase que su convencional contrapartida. Esto se debe a que el ruido de fase se torna
aditivo después de la demodulación de fase. El precio a pagar para ganar la
mencionada ventaja competitiva es el incremento de ancho de banda de ocupación de
la señal de RF.
• La codificación de Trellis, conjuntamente con el entrelazado logran un gran
incremento del rendimiento de CE-OFDM cuando se utilizan índices de modulación
bajos.
Las desventajas de esta modulación son en general:
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 47
• Al menos el 50% del desempeño (b/s/Hz) sufre una reducción comparado con OFDM
debido al espectro bilateral de la señal RF OFDM de valor real.
• Cuando se utiliza el método de acceso OFDMA la asignación adaptativa de
subportadoras solo es posible en el enlace de bajada.
• Si no se utiliza recodificación espectral el nivel de potencia en los lóbulos laterales
es superior que en el caso OFDM
Las formas de onda de envolvente constante mejoran la robustez e incrementan la cobertura
y la capacidad en el escenario propuesto en comparación con la OFDM convencional.
Estas características hacen de esta modulación atractiva para el caso de bandas de frecuencias
milimétricas y por tanto para el 5G; ya que uno de sus puntos clave es la explotación del
espectro de frecuencias en la banda milimétrica para garantizar razones de datos sin
precedentes a los usuarios móviles y en particular en los entornos de pequeñas celdas con
NLOS. Las figuras 18 y 19 muestran la arquitectura en bloque funcionales del transmisor y
el receptor CE-OFDM respectivamente [26].
Figura 18: Transmisor CE-OFDM [26].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 48
Figura 19: Receptor CE-OFDM [26].
2.1.7 FBMC (Filtering Bank Multi-Carrier)
En esta técnica se aplica un filtrado a cada subportadora. El filtrado prácticamente anula las
componentes fuera de banda de cada subportadora, por lo que se reduce drásticamente la
necesidad de bandas de guarda. El espectro queda bien confinado dentro de los límites, por
lo cual es posible soportar aplicaciones con diferentes necesidades de anchura de banda que
requieren fragmentación de espectro. Ahora bien, al ser este filtrado de banda estrecha, se
produce una respuesta impulsiva larga en el tiempo (recuérdese que una respuesta abrupta en
un dominio, en este caso de la frecuencia, implica justo lo contrario en el otro, generando una
prolongación de la señal en el tiempo), lo cual hace que FBMC no resulte idónea para
comunicaciones de tipo ráfagas de datos o que necesiten latencia pequeña. Si bien FBMC
requiere un mayor procesamiento que OFDM, este tiene un menor costo que las técnicas de
compensación de señal que se necesitan aplicar a un sistema OFDM para mitigar algunos de
sus inconvenientes.
Se define y se configura la función de transferencia HPF del filtro prototipo (PF) para una
subportadora de referencia. Las funciones de transferencia de los filtros de las subsiguientes
subportadoras, se obtienen de la función HPF mediante desplazamientos de frecuencia, ya
que las subportadoras poseen idéntico espectro, solo que desplazado en frecuencia. Por ello
puede integrarse el procesado IFFT con la generación de las respuestas impulsivas de los
filtros en la llamada red polifase (PPN-FFT, una técnica que permite mantener el tamaño de
la FFT, pero añadiendo filtros digitales). Debido a este proceso, tanto en GFDM como en
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 49
FBMC se habla de subcanales en vez de subportadoras, ya que este último término se reserva
para el espectro de las señales generadas exclusivamente mediante IFFT, utilizándose en
cambio el de canales para aquellas que ya no se ajustan a este proceso, como es el caso de la
combinación con un filtrado posterior [27].
Para proporcionar unas mejores características del espectro fuera de banda, FBMC aplica
filtrado por cada subportadora. Este enfoque flexible para filtrado en banda base, usando, ya
sea una red polifase o una IFFT extendida (ver figura 20).
Figura 20: esquema FBMC [27].
El filtrado puede usar diferentes factores de superposición (factor K) para proporcionar
diversos niveles de rechazo fuera de banda. Si el factor K es reducido, las características fuera
de banda tienen un perfil de rechazo espectral similar al que tiene la modulación OFDM. En
la figura 21 puede observarse la gran atenuación de los componentes fuera de banda de las
señales FBMC.
Figura 21: Señales FBMC con diferentes valores del factor de solapamiento en comparación
con OFDM [27].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 50
Como se verá, la técnica de FBMC, junto con las modulaciones OQAM y QAM, pueden
alcanzar una interferencia entre símbolos y una interferencia entre portadoras menor, además
mejorar algunas de las características del FBMC.
2.1.7.1 QAM-FBMC (Quadrature Amplitude Modulation-FBMC)
La arquitectura del transceptor de QAM-FBMC se muestra en la figura 22. Los símbolos de
información se dividen en los símbolos de la subportadora de números pares y los símbolos
de la subportadora de números impares. Entonces los símbolos son IFFT transformados y
repetidos. Finalmente, la conformación de pulsos con dos prototipos de filtros se realiza a los
símbolos mediante el uso de ventanas (multiplicación de elementos) y se agrega. El intervalo
de símbolos de QAM-FBMC es el mismo que la duración de los símbolos OFDM sin CP,
pero los símbolos se superponen entre sí. Los símbolos recibidos son FFT transformados e
igualados en el dominio de la frecuencia. Luego, los símbolos recibidos se filtran mediante
el filtro Rx para los símbolos de subportadora de números pares y, debido a ciertas
condiciones de ortogonalidad, los símbolos de la subportadora de números impares se filtran
[28] [29]. Al hacer esto, los símbolos recibidos se dividen en los símbolos pares y los
símbolos impares. Cada símbolo es entonces demodulado, donde se puede observar el
escenario en la figura 22.
Figura 22: Diagrama de bloques del transceptor QAM-FBMC [29].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 51
El sistema QAM-FBMC es un sistema que permite separar las subportadoras adyacentes con
bancos de filtros B para mantener la ortogonalidad en un dominio complejo.
2.1.7.2 FBMC/OQAM (Offset Quadrature Amplitude Modulation/FBMC)
La idea principal de la técnica FBMC-OQAM es de reemplazar la modulación QAM habitual
por la modulación OQAM, para ello se introdujo un retraso de símbolo de semi-periodo T/2
entre la parte real e imaginaria de un símbolo QAM dado [29].
Si la parte imaginaria es retardada de T/2 sobre la sub-portadora, es la parte real que será
retardada sobre la sub-portadora siguiente.
El modelo FBMC/OQAM es equivalente al modelo MDFT (Model Discrete Fourier
Transform) y tiene una estructura de implementación eficiente basada en la IFFT/FFT
(inverse and forward fast Fourier transforms), en los bancos de síntesis y análisis,
respectivamente. La transformada rápida de Fourier está acompañada por el filtrado polifase,
para implementar selectividad en el subcanal. Las estructuras de implementación eficiente
para los bancos de análisis y síntesis son representadas en las figuras 23 y 24 siguientes:
Figura 23: Análisis de implementación de banco de filtros FBMC/OQAM [29].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 52
Figura 24: Síntesis de implementación de banco de filtros FBMC/OQAM [29].
Esta eficiente estructura de implementación para los filtros de bancos complejos reducen
considerablemente la cantidad de operaciones comparado con las implementaciones directas.
Sin embargo, es necesario señalar que la complejidad computacional (número de
multiplicaciones) es todavía más alto que cuando lo comparamos con la básica FFT basada
en OFDM.
La FBMC/OQAM logra una velocidad de bits que maximiza la eficiencia de la transmisión,
sin necesidad del tiempo de guarda o del prefijo cíclico de OFDM. Adicionalmente, la
existencia de subcanales independientes o grupos de subcanales con flujos de datos
continuos, permite que los datos recibidos en la SBS (Secondary Base Stations) desde
diferentes móviles puedan ser procesados independientemente y de una forma adaptable.
“FBMC/OQAM es también una técnica eficiente para mantener la ortogonalidad en los
dominios del tiempo y de la frecuencia. La parte real de los símbolos de la constelación
modula las subportadoras pares en los instantes nT y la parte imaginaria las subportadoras
impares en los instantes nT+T/2. De este modo, no hay interferencia entre los datos. En
consecuencia, para transmitir N símbolos hacen falta 2N subportadoras” [27]. Debido a esa
disposición intercalada de los símbolos, no hay reducción de tasa binaria. El uso de esta
técnica de modulación junto con los filtros antes mencionados hace que no sea preciso
recurrir a un prefijo cíclico. De ahí que esta solución se base en una convolución lineal y no
cíclica.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 53
2.1.8 UFMC (Universal Filtered Multi-Carrier)
Se ha visto que en FBMC debido al filtrado individual, la respuesta impulsiva es larga. Puede
pensarse en hacer un filtrado global de todas las subportadoras. Esta técnica se llama OFDM
filtrada (F-OFDM) y con ella la respuesta impulsiva es más corta, pero se pierde flexibilidad
en la configuración del espectro. Una solución de compromiso es hacer un filtrado no en una
ni en todas, sino en grupos de subportadoras. Para ello se divide el espectro en B sub-bandas,
con kb subportadoras en la subbanda b [22].
Como casos particulares, UFMC coincide con FBMC para B=1 y con F-OFDM para kb=K
UFMC por su mejor respuesta impulsiva resulta idónea para aplicaciones que implican
transmisión de datos en forma de ráfagas cortas y con baja latencia. Tampoco requiere CP, y
por tanto utiliza convolución lineal. Sin embargo, requiere de una FFT de mayor tamaño, lo
que puede complicar los receptores. Asimismo, dado que se pierde parte de la ortogonalidad
compleja, podría plantear problemas en aplicaciones de alta tasa de bits [22] [30].
“La elección de B depende del escenario de aplicación y el tipo de espectro. Si se trata de un
escenario con espectro fragmentado, B elegirá de conformidad con el número de sub-bandas
disponibles, pudiendo incluso variar con el tiempo. Puede elegirse B igual a un bloque de
recursos RB o a un número entero de RB de LTE, lo cual facilita la compatibilidad con LTE.
También es posible seleccionar el tipo y características de los filtros. Se han ensayado y
evaluado filtros FIR con coeficientes definidos por ventanas (Dolph-Chebychev) que son
parametrizables en su forma y atenuación de los lóbulos laterales” [31].
En la figura 25, se muestran espectros de UFMC y OFDM. Se observa la gran atenuación de
las componentes fuera de banda de la señal UFMC en comparación con las de la señal OFDM
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 54
Figura 25: Espectros de UFMC y OFDM [30].
Puede aprovecharse esta característica de UFMC para multiplexar en frecuencia sub-bandas
con subportadoras correspondientes a diferentes servicios y no necesariamente de la misma
anchura, es decir, con espectros fragmentados [30].
En la figura 26, se muestra un ejemplo de multiplexación de 6 sub-bandas. Se aprecia que
pueden coexistir con mínima interferencia mutua.
Figura 26: Multiplexación de 6 sub-bandas en UFMC [31].
2.1.9 GFDM (Multiplexación por división de frecuencias generalizadas)
GFDM es un sistema de modulación multiportadora no ortogonal, que implementa
digitalmente el enfoque de banda de filtro clásico, utilizando un filtro para cada una de las
portadoras para intentar solucionar el problema de interferencia entre ellas, y que evite el
desbordamiento de la señal de cada subportadora hacia las demás [32]. Los datos a transmitir
son símbolos de modulación complejos procedentes de una constelación. La transmisión se
realiza por bloques. Un bloque es una unidad funcional constituida por K subportadoras y M
intervalos de tiempo. Esto supone que, a diferencia de OFDM, no se genera un CP para cada
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 55
símbolo, sino que se utiliza uno común para el bloque. Por ese motivo, la señal moduladora
toma la forma de un ciclo de una señal periódica de periodo K*M.
Por medio del ajuste de los filtros puede conseguirse una emisión fuera de banda
prácticamente nula para cada subportadora (es decir, se logra una buena localización de las
frecuencias de las subportadoras). Además, se aplica convolución circular en el dominio del
tiempo, evitando la pérdida de tasa binaria que se produciría por las colas de la respuesta
temporal del filtro en escenarios de transmisión de señales en ráfagas. Pueden también
emplearse técnicas de enventanado temporal a todo el bloque, consiguiéndose así un control
adicional de la radiación fuera de banda. A continuación, se muestra en la figura 27 el
principio de funcionamiento del transmisor digital GFDM.
Figura 27: Transmisor digital GFDM [32].
La inserción de prefijos cíclicos (CP) se utiliza para permitir una baja ecualización compleja
en el lado del receptor. De acuerdo con la figura 27, se utiliza una técnica de mordida de la
cola para acortar el prefijo cíclico con el fin de mejorar la eficiencia espectral. Cada
subportadora se modula individualmente, utilizando alguna forma de señalización QAM.
En la figura 28 se muestra el principio de funcionamiento del receptor digital GFDM.
Figura 28: Receptor digital GFDM [32].
El receptor GFDM como se muestra en la Figura 28, realiza una demodulación SC-CP
paralela para cada una de las subportadoras GFDM. Después de pasar el LNA y la etapa de
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 56
conversión descendente, la señal recibida se convierte de analógica a digital desde la cual
obtenemos la señal digitalizada recibida.
2.1.10 BFDM (Bi-Ortogonal Frequency Division Multiplexing)
“En BFDM se aplica un procesado que transforma la ortogonalidad del conjunto de impulsos
transmitidos y recibidos en una bi-ortogonalidad, en la cual las representaciones tiempo-
frecuencia de esos impulsos son ortogonales por parejas, no individualmente. Esto es, se
utilizan impulsos diferentes en emisión y en recepción, en lugar del mismo, como en el caso
de OFDM, lo que proporciona mayor flexibilidad en lo relativo a supresión de lóbulos
laterales, respuesta impulsiva de los filtros y complejidad de realización práctica. En
definitiva, en lugar de basar la cadena de transmisión en un mismo tipo de filtro prototipo
para conformar la señal en emisión y recepción, se adopta un enfoque más flexible, donde es
posible utilizar diferentes filtros en cada parte, a condición de que ambos impulsos sean
ortogonales. Se ha comprobado que gracias a esta flexibilidad puede configurarse la BFDM
para que resulte adecuada para tráficos esporádicos como los que en 5G aparecerán, y serán
importantes, en comunicaciones entre máquinas MTC (Machine Type Communications)”
[33].
Actualmente, los sistemas LTE se reproducen en el canal compartido físico de enlace
ascendente (PUSCH). Los estudios han demostrado el uso del Canal de Acceso Aleatorio
Físico más extendido (PRACH) que se implementará para las futuras transmisiones de datos
asíncronas y esporádicas. La referencia [34] ha diseñado una nueva forma de onda de acceso
aleatorio en forma de pulso basada en BFDM que es muy adecuada para el próximo 5G
PRACH.
“Por todo ello, se ha propuesto la creación de un nuevo canal en LTE denominado D-PRACH
(Data PRACH) para soportar estos tipos de transmisiones asíncronas, con lo que se
descargaría el canal PUSCH y se reduciría notablemente la tasa (overhead) de señalización.
En el procesado D-PRACH, la secuencia de impulsos de los datos produce una conformación
del espectro de la señal preámbulo del canal PRACH usando las bandas de guarda de dicho
canal con una interferencia aceptable” [34].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 57
Muchos de los métodos discutidos hasta ahora, comprometen la longitud de la banda de
guarda para mejorar la eficiencia espectral, lo que aumenta las posibilidades de interferencia.
En la multiplexación por división de frecuencia bi-ortogonal, el espectro se modula con
subportadoras bi-ortogonales en lugar de las ortogonales habituales. BFDM es más robusto
para las compensaciones de frecuencia y responde mejor al tráfico esporádico ya que los
símbolos en el Canal de Acceso Aleatorio de Capa Física son relativamente más largos [34].
Además, BFDM conserva las ventajas de CP-OFDM, en cuanto a interferencia entre
símbolos y efecto multitrayecto con el uso de CP y resulta fácil de implementar con el
procesado FFT. Pero, debe afrontar el efecto de las colas de impulso largos que reducen la
eficiencia de la transmisión por ráfagas.
2.1.11 SEFDM (Spectrally Efficient Frequency Division Multiplexing)
Este es un tipo de forma de onda de múltiples portadoras que exhibe una alta eficiencia
espectral en relación con la OFDM convencional mediante la violación de la ortogonalidad
de las sub-portadoras.
El objetivo de SEFDM es el de reducir el espaciamiento entre las sub-portadoras por debajo
del límite de ortogonalidad, lo que significa que el espaciamiento se convierte en una fracción
de la razón de símbolo de modulación para cada sub-portadora. “Para SEFDM esto se
caracteriza por el factor de compresión de ancho de banda α. Esto significa que cuando se
envía la misma cantidad de datos se puede salvar el ancho de banda en un valor (1-α) x 100%
comparado con OFDM” [35]. Este mejoramiento de la eficiencia espectral y su
correspondiente ganancia en cuanto a capacidad se produce a costa de una interferencia entre
las subportadoras lo que compromete la razón de error. Por tanto, el desarrollo de esta técnica
de modulación se ha dirigido a remover estas interferencias y constituye el desafío clave con
el resultado de aumento de complejidad tanto de los receptores como el sistema. El
comportamiento de SEFDM en comparación con OFDM se puede ver en la Figura 29:
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 58
Figura 29: Espectro SEFDM para dos valores de α comparados con OFDM [35].
Los inconvenientes de SEFDM que supone la pérdida de ortogonalidad son:
• La modulación y demodulación SEFDM requiere del uso de un banco de generadores
de formas de onda analógicas tanto en el transmisor como en el receptor.
• La detección de señal en SEFDM se basa en máxima probabilidad (ML) con
complejidad de algoritmo exponencial sobre la constelación de cardinalidad N y N
subportadoras.
• Dificultades en la estimación del canal debido a la no ortogonalidad de los símbolos
El problema se basa en definir métodos y algoritmos de detección eficientes para señales de
sub-portadoras no ortogonales codificadas y no codificadas para lograr una óptima detección
en SEFDM que permita recobrar las señales corruptas debido a la interferencia entre
portadoras (ICI) donde el mayor inconveniente radica en el incremento exponencial de la
complejidad de detección que implica una ampliación del tamaño del sistema y el nivel de
modulación. Algoritmos de detección prácticos tanto para sistemas SEFDM codificados
como no codificados. En el caso de sistemas no codificados se ha utilizado una arquitectura
multi banda denominada multiplexado por división de frecuencia por bloque espectralmente
eficiente (B-SEFDM) el cual subdivide el espectro de la señal en varios bloques, permitiendo
que cada bloque sea detectado separadamente [35]. En caso codificado una de las soluciones
es la de utilizar una codificación convolucional con un receptor apropiado que comprende
una demodulación y detección basada en FFT a través de un decodificador BCJR. El esquema
en bloques de una implementación SEFDM es el que se muestra en la Figura 30:
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 59
Figura 30: Implementación de un transceptor SEFDM [35].
2.2 Métodos de acceso propuestos
2.2.1 OFDMA (Acceso Múltiple por División de frecuencia ortogonal)
Los sistemas OFDMA son aquellos sistemas que admiten acceso de múltiple usuarios,
permitiendo a que las señales de múltiples usuarios puedan separarse en dominio de tiempo
y/o de frecuencia. Sin embargo, los estándares actuales y en evolución para los sistemas
inalámbricos de banda ancha han adoptado y están considerando OFDMA como tecnología
de acceso múltiple para interfaz aérea. OFDMA es una tecnología de acceso superior para
redes de datos inalámbricas de banda ancha en comparación con las tecnologías de acceso
tradicionales.
El acceso múltiple OFDMA se consigue repartiendo entre los diferentes usuarios el conjunto
de subportadoras que se transmiten en un radiocanal, de manera que cada usuario
transmite/recibe solamente ciertos grupos de subportadoras de entre el total de radiocanal.
Por lo que OFDM divide el ancho de banda total en subcanales de banda estrecha
espectralmente superpuestos. En el sistema OFDMA las subportadoras son asignadas
utilizando el mapa de asignación definido por el esquema de asignación de subportadoras,
antes de la modulación. Los datos del usuario k-ésimo pueden recibirse por el conocimiento
del mapeo de subportadoras. Este sistema permite una gran flexibilidad de asignación de
recursos (grupos de subportadoras durante determinados intervalos de tiempo) para adaptarse
a las necesidades concretas de transmisión que tiene cada usuario de la red [36].
La asignación de subportadoras puede ser estática o dinámica según el tráfico actual, el canal
y la velocidad de datos del usuario. En OFDMA, la estación base asigna a cada usuario una
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 60
fracción de subportadoras, preferiblemente en un rango donde tienen un canal con
transmisión de buena calidad.
OFDMA logra multiplexación de frecuencia ortogonal utilizando la Transformada de Fourier
Discreta Inversa (IDFT) implementada utilizando la transformada rápida de Fourier inversa
(IFFT). Las subportadoras asignadas tienen lóbulos laterales superpuestos, pero las formas
de onda de la señal están diseñadas para ser ortogonales. La duración del símbolo OFDM
debe ser menor que el tiempo de coherencia del canal, y el espaciado de la subportadora debe
ser menor que el ancho de banda de coherencia del canal. Por lo que, OFDMA es más sensible
al desplazamiento de frecuencia y al ruido de fase en comparación con otras técnicas. La
sincronización de frecuencia es crítica para reducir la interferencia entre portadoras. Por
tanto, el problema es aún más significativo a alta velocidad móvil debido al efecto Doppler.
En la figura 31, se muestra el diagrama en bloque integral para el sistema OFDMA:
Figura 31: Diagrama en bloque del sistema OFDMA
2.2.2 NOMA (Acceso Múltiple No Ortogonal)
En los últimos años, los NOMA han recibido una atención significativa para las redes
celulares 5G. La razón principal para adoptar NOMA en 5G se debe a su capacidad de servir
a múltiples usuarios utilizando los mismos recursos de tiempo y frecuencia. Sin embargo, al
considerar el acceso de radio para los próximos años, las mejoras para lograr ganancias en
capacidad y razón de transferencia de datos exitosa es un requisito de alta prioridad teniendo
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 61
en cuenta el crecimiento exponencial en el volumen de tráfico en las redes móviles. Con el
objetivo de continuar asegurando la sostenibilidad de las tecnologías de acceso de radio 3GPP
en las siguientes décadas, nuevas soluciones deben ser identificadas y previstas para
responder a los cambios futuros. Por lo tanto, se propone como candidato el esquema de
acceso múltiple no ortogonal (NOMA) usando SCMA (Sparse Code Multiple Access),
MUSA (Multi User Shared Access), PDMA (Pattern Division Multiple Access) e IDMA
(Interleave Division Multiple Acces), ya que permite satisfacer les requisitos mencionados
anteriormente.
2.2.2.1 SCMA (Sparse Code Multiple access)
SCMA se basa en superposición en el dominio del código. Esta tecnología selecciona los
códigos óptimos mediante conjugación, substitución y rotación de fase; y así a cada usuario
se le asigna un libro código que utiliza para transmitir. El receptor utiliza el algoritmo MPA
para decodificar los datos. Como resultado se puede dar acceso a muchos más usuarios
simultáneamente utilizando un espectro similar.
SCMA tiene como idea principal, la multiplexación en el dominio de la potencia y, además,
combinado con multiplexación en el dominio del código, basado en palabras de código
multidimensionales de baja dispersión. Por lo que, en esta tecnología, con los bits
procedentes del codificador de canal (FEC) del transmisor, se efectúa un procesado conjunto
de expansión-modulación que transforma bloques de aquellos bits en palabras de código
(codewords) extraídas de un repertorio de códigos denominado libro de código (codebook),
cuyos elementos son símbolos de una constelación multidimensional (ver figura 32).
Además, estas palabras de código consiguen una ganancia en la modulación que provoca una
mejora en la velocidad media y el pico [33]. La flexibilidad de SCMA posibilita su uso en
las células macro, para aumentar su rendimiento en cuanto a capacidad de tráfico, así como
para mejorar el acceso aleatorio por parte de los usuarios.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 62
Figura 32: Diagrama de bloque. Como se ve la señal SCMA a la salida del procesador, se
lleva un modulador OFDM convencional [33].
2.2.2.2 MUSA (Multi User Shared Access)
MUSA es un esquema de acceso compartido no ortogonal basado en la multiplexación en el
dominio del código, que puede ser considerado como una mejora de CDMA. Recientes
estudios de la compañía ZTE demuestran que han aumentado más de tres veces la capacidad
de acceso a las redes móviles utilizando MUSA. Además, MUSA puede conseguir una
mejora considerable en la carga de las redes.
MUSA utiliza secuencias de expansión complejas no ortogonales para la modulación en el
lado del transmisor. Para eliminar la interferencia en el lado del receptor se utiliza
cancelación sucesiva de interferencias y así poder obtener los datos de usuario transmitidos
separando los símbolos, enviados en el mismo recurso, de acuerdo a la diferencia de SINR
(ver figura 33). Utilizando este proceso se consigue que distintos usuarios puedan transmitir
al mismo tiempo y en la misma frecuencia, con lo que se consigue una gran mejora de la
capacidad global del sistema.
Figura 33: Sistema de cancelación de interferencia [33].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 63
2.2.2.3 PDMA (Pattern Division Multiple Access)
PDMA es una técnica de acceso no ortogonal que consiste en un esquema relativamente
nuevo que puede realizarse en distintos dominios. En el transmisor utiliza patrones no
ortogonales diseñados para maximizar la diversidad y reducir la superposición de usuarios.
Es posible realizar la multiplexación en el dominio del código, de la potencia, espacial o
realizando combinaciones entre estos dominios [37]. En función del dominio escogido
existen consideraciones diferentes que tener en cuenta:
• Multiplexación en el dominio del código: El esquema es muy parecido a SCMA,
aunque el número de subportadoras conectadas a los mismos símbolos en el gráfico
de factores puede ser diferente, en el receptor, así como en SCMA se utiliza MPA
para llevar a cabo la cancelación de interferencias y así conseguir la detección
multiusuario.
• Multiplexación en el dominio de la potencia: Asignación de potencia a los usuarios
teniendo en cuenta la restricción de potencia del sistema, en el receptor se puede
utilizar SIC teniendo en cuenta la diferencia de SINR entre los usuarios
multiplexados.
• Multiplexación en el dominio espacial: Combinable con la técnica de multi-antena.
Esta configuración tiene de ventaja respecto a MIMO multiusuario que no requiere
pre-codificación conjunta para conseguir la ortogonalidad espacial, reduciendo de
este modo la complejidad del sistema.
La multiplexación en estos dominios se puede combinar para hacer un mejor uso de los
recursos de radio disponibles.
En PDMA, los usuarios detectan la señal con alto nivel de la señal, sustraendo su forma de
onda. También, se puede mejorar la eficiencia espectral con el factor entre 1 y 2 (ver figura
34).
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 64
Figura 34: Técnica de resta de las señales en PDMA [37].
2.2.2.4 IDMA (Interleave-Division Multiple-Access)
El esquema IDMA se basa en el intercalado, lo que significa distinguir la señal de diferentes
usuarios. En este mecanismo de intercalación, los datos de entrada se reorganizan de tal
manera que los bits de datos consecutivos se dividen entre diferentes bloques y se
intercambian en un patrón conocido entre ellos. Esta técnica explora la posibilidad de
compartir códigos de tiempo, frecuencia y propagación de todos los usuarios, y utilizar los
intercaladores para distinguir sus señales [37] [38].
En el extremo del receptor, los datos intercalados se organizan de nuevo en la secuencia
original con la ayuda del desentrelazador. La figura 35.a muestra el mecanismo de proceso
de intercalación que usa IDMA.
Figura 35.a: Mecanismo de proceso de intercalación [37]
En seguido, se muestra en la figura 35.b la estructura del transmisor y receptor IDMA:
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 65
Figura 35.b: Transmisor y Receptor IDMA [38].
La técnica IDMA ha estado limitado debido a los requisitos de recursos de ancho de banda,
de memoria y a la complejidad computacional. Por eso se han desarrollado diferentes diseños
de intercaladores con el objetivo de reducir el ancho de banda, los recursos de memoria y la
complejidad computacional, como el RI (Random Interleaver), MRI (Master Random
Interleaver) y TBI (Tree Based Interleaver)
2.2.2.4.1 RI (Random Interleaver)
“Los intercaladores aleatorios son aquellos intercaladores que juegan el papel de mezclar los
datos de diferentes usuarios con diferentes patrones” [39]. Los patrones de aleatorización de
los datos de los usuarios se generan arbitrariamente como se puede apreciar en la figura 36:
Figura 36: Sistema IDMA basado en RI [38].
2.2.2.4.2 MRI (Master Random Interleaver)
“En Master Random Interleaver o método de entrelazado de potencia, se asigna un patrón
maestro de entrelazador F. Se afirma que se toma un entrelazador maestro y que los siguientes
entrelazadores k (es un entero) se generan utilizando πk = Фk” [39].
Ф1 (c) = Ф (c),
Ф2 (c) = Ф (Ф (c)),
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 66
Ф3 (c) = Ф (Ф (Ф (c)))
Donde Ф es una permutación aleatoria ideal.
Este método no solo reduce la cantidad de intercambio de información entre estaciones BS y
móviles (MS), sino que también reduce en gran medida el costo de la memoria.
2.2.2.4.3 TBI (Tree Based Interleaver)
“El mecanismo de generación de intercalador específico del usuario basado en árbol se basa
en dos intercaladores maestros, que se seleccionan aleatoriamente. Esto minimiza la
complejidad computacional y los requisitos de memoria que se producen en el intercalador
de potencia y el intercalador aleatorio, respectivamente” [40]. A continuación, se muestra en
la figura 37 el mecanismo de intercalación basado en árbol.
Figura 37: Asignación de máscara de intercalación para el esquema de intercalación basado
en árbol propuesto [40].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 67
“El esquema de entrelazado basado en árbol es extremadamente eficiente para la reducción
de la complejidad computacional en comparación con el esquema de entrelazado aleatorio
maestro como se muestra en la figura siguiente. El algoritmo para TBI se basa en la selección
de la combinación de dos entrelazadores maestros. El número impar de usuarios se toma al
revés, mientras que el número par de usuarios se toma a la baja. De esta manera, se puede
asignar un gran número de usuarios con intercaladores específicos del usuario con una
complejidad extremadamente menor” [39]. El requisito de memoria de TBI es
extremadamente bajo en comparación con el del entrelazador aleatorio, mientras que es
ligeramente alto si se compara con el entrelazador al azar maestro, como se muestra en la
figura 38.
Figura 38: Gráfico que muestra la complejidad computacional entre el entrelazador aleatorio,
el entrelazador aleatorio maestro y el entrelazador basado en árbol [38].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 68
2.3 Tecnologías y estrategias de acceso
2.3.1 MIMO Masivo 3D
MIMO masivo ha sido propuesto por su potencial tanto en el incremento de la eficiencia
espectral como en el ahorro de energía, lo que lo convierte en un fuerte candidato para las
comunicaciones inalámbricas de la 5G. Sin embargo, el despliegue de un gran número de
antenas ya sea en el transmisor como el receptor constituye un gran desafío. Además, la
contaminación del piloto está calificada como el límite fundamental para los sistemas MIMO
masivos.
Bajo estas circunstancias, MIMO tridimensional (3D) MIMO es una tecnología emergente
para eliminar la contaminación del piloto y mejorar el rendimiento con relación a las
implementaciones limitadas por interferencia tradicionales.
3D MIMO es un método efectivo de aprovechar el MIMO masivo sin la aplicación de un
gran número de antenas. La dimensión vertical será utilizada en el modelamiento de la antena
y la inclinación de las antenas se convertirá en un parámetro del canal significante.
Usualmente, la mayoría de las investigaciones en los sistemas MIMO han estado basadas en
el tradicional canal de MIMO de dos dimensiones (2D), el que solo involucra la dimensión
horizontal mientras que ignora el efecto del ángulo de inclinación en la dimensión vertical.
Sin embargo, este ángulo tiene un gran impacto en el comportamiento de los sistemas de
comunicación cooperativos. Para este caso, 3D MIMO es una tecnología prometedora que
mejora el desempeño a usuarios en el borde de la celda y el grado de equidad entre estos
usuarios y los del centro de la celda. La idea básica de 3D MIMO es la de servir a los usuarios
cercanos a la estación base mediante ángulos de elevación grandes y servir a los usuarios en
los límites de la celda con pequeños ángulos de elevación. Sin embargo, su desventaja radica
en la agravación de la interferencia entre celdas producto de los usuarios que están cerca de
los límites de la celda. Esto se resuelve mediante técnicas cooperativas tales como
cooperación entre estaciones bases, repetidores y conferencias entre terminales las que se
consideran efectivas para salvar la interferencia entre celdas [41].
La capacidad de inclinación del ángulo de transmisión del haz en todo el espacio
tridimensional va a incrementar el desempeño total del sistema y la gestión de la
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 69
interferencia, especialmente en escenarios donde los usuarios móviles están distribuidos en
un espacio tridimensional con elevaciones significantes, lo que se hace aún más importante
con la prevalencia de las pequeñas celdas donde la escala horizontal es comparable con la
vertical.
Utilizando tanto las dimensiones verticales como horizontales, 3D MIMO es particularmente
apropiada para escenarios con distribución vertical de la localización de los usuarios, como
son las áreas urbanas de gran densidad, tanto residenciales como de negocios, con muchas
edificaciones de gran altura. Además, los usuarios en los interiores de estas áreas están
localizados en diferentes pisos de los edificios por lo que la distribución vertical de los
usuarios es evidente.
Otro escenario adecuado para esta tecnología lo constituyen las áreas densamente pobladas,
donde los usuarios están localizados muy cerca unos de los otros y están conectados a una
estación base en un área limitada. Ejemplo de ello son: estaciones de transporte, mercados,
aeropuertos y estadios, donde se genera una gran cantidad de tráfico simultáneamente y la
tasa de datos de cada usuario se degrada. Aquí es donde esta tecnología 3D resulta una buena
solución. En el caso de los escenarios rurales el beneficio radica en la expansión del rango
de la celda. La Figura 39 muestra los casos de formación de haz para 2D y 3D [41].
Figura 39: Comparación entre MIMO 2D y 3D [41].
2.3.2 Densificación de las redes celulares existentes
El celular 5G será una red heterogénea de múltiples niveles que consta de macro células junto
con un gran número de nodos de baja potencia como (células pequeñas, relés, cabeceras de
radio remotos [RRH]) junto con el aprovisionamiento para la comunicación P2P (como D2D
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 70
y M2M) [42]. Las implementaciones de nodos heterogéneos en sistemas 5G tendrán una
densidad mucho mayor que las redes convencionales de un solo nivel (por ejemplo, macro
celdas). La heterogeneidad de las diferentes clases de BS (por ejemplo, macro celdas y celdas
pequeñas) proporciona un área de cobertura flexible y mejora la eficiencia espectral. Al
reducir el tamaño de la celda, la eficiencia espectral del área aumenta a través de una mayor
reutilización del espectro. Además, la cobertura puede mejorarse mediante el despliegue de
celdas pequeñas en interiores (como en casas, edificios de oficinas, vehículos públicos, etc.).
La comunicación inalámbrica P2P (por ejemplo, la comunicación D2D / M2M entre los UE
y los sensores / actuadores autónomos) que subyacen a la arquitectura celular puede aumentar
significativamente el espectro global y la eficiencia energética de la red [43]. Además, las
comunicaciones P2P controladas por la red en sistemas 5G permitirán que otros nodos (como
el relevo o la puerta de enlace M2M), en lugar de la macro celda BS, controlen las
comunicaciones entre los nodos P2P. Dado que las interferencias entre niveles están bien
administradas, la adopción de múltiples niveles en la arquitectura de la red celular
proporcionará un mejor rendimiento en términos de cobertura, capacidad, eficiencia espectral
y consumo de energía.
La red heterogénea consiste en colocar una gran cantidad de micro celdas, pico celdas, femto
celdas y otros puntos de acceso en la red macro celular, en esta condición; puede cumplir los
requisitos de crecimiento de la capacidad de datos. En la redes heterogénea ultra densa, la
densificación de la red hace que el nodo de red se acerque más al terminal, lo que mejora la
eficiencia energética, la eficiencia espectral y la capacidad del sistema, así como a las
empresas entre una variedad de tecnologías de acceso y diversos niveles de cobertura que
comparten la flexibilidad. Mientras que las redes heterogéneas ultra densas muestran un
futuro brillante, debido a la reducida distancia entre los nodos, esto causará algunos
problemas que son diferentes del sistema existente. En la red 5G, puede haber interferencia
de canal compartido entre el mismo tipo de implementaciones de tecnología de acceso de
radio, la interferencia de espectro compartido entre diferentes tecnologías de acceso
inalámbrico, interferencia entre los diferentes niveles de cobertura. Para lograr nodos de
colaboración a gran escala, se necesita un gran número de nodos vecinos; ya que más límites
celulares, más irregulares, conducen a un traspaso más frecuente y complejo; Es difícil
garantizar el rendimiento de la movilidad. Por lo tanto, la necesidad de escenarios de red ultra
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 71
densa es desarrollar un nuevo algoritmo de transferencia; [43] para maximizar la velocidad
de la red, el uso de las características de pérdida de la trayectoria de propagación de las ondas
de radio, las redes heterogéneas propuestas y el método de cancelación de interferencia
proactiva de la magnitud del espacio compartido de múltiples usuarios; basado en el método
propuesto de colaboración de transmisión multipunto 3D (transmisión / recepción coordinada
de múltiples puntos, CoMP), para resolver el problema de la interferencia de Inter celda, [42]
mejorar el rendimiento del borde de la celda del UE (equipo del usuario), sin ninguna
sobrecarga de señalización, pero la nueva antena debe configurarse en una estación base; El
método descrito anteriormente es el uso de la cooperación de dos celdas para resolver los
problemas de interferencia. Pero las futuras redes 5G y las múltiples redes coexisten, puede
haber colaboración multi-celda. Además, con recursos de espectro cada vez más escasos, es
posible que no tenga suficiente banda para ser asignada, por lo que el método de cancelación
de interferencia propuesto en el futuro debería ser posible para mejorar la eficiencia de los
recursos. Mejorar la capacidad mediante un despliegue heterogéneo ultra denso es la forma
más intuitiva, y también las organizaciones de investigación nacionales y extranjeras se
centran en los objetos. En lo que a nosotros respecta, cientos de miles de millones de
dispositivos para conectarse a una red crean un verdadero "Internet de todo". Esto dará lugar
a industrias emergentes de escala sin precedentes e infundirá una vitalidad infinita a las
comunicaciones móviles. Mientras tanto, la enorme cantidad de dispositivos interconectados
también planteará nuevos desafíos para las comunicaciones móviles.
2.3.3 Comunicaciones D2D (Device to Device)
D2D se refiere a la comunicación entre dispositivos, que pueden ser teléfonos celulares y
vehículos u otros. Esta tecnología abre una nueva comunicación centrada en dispositivos y
que en ocasiones no requiere de la comunicación directa con la infraestructura de red, por lo
que se espera que resuelva parte de los problemas de capacidad de la red en 5G [44].
D2D se considera una tecnología prometedora para 5G ya que puede ser integrada dentro de
la red celular como una parte suplementaria del sistema. En dependencia del uso de las
frecuencias, D2D se divide en dos tipos: D2D con frecuencias cocanales y D2D basada en
frecuencias dedicadas. En el primero, se trabaja en las mismas frecuencias que se utilizan
entre el móvil y la estación base y tiene la ventaja de la reutilización. Pero, por otro lado, se
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 72
produce una seria interferencia en el sistema que es muy difícil de controlar sobre todo
cuando se tiene en cuenta la movilidad de los dispositivos. Además, la mayoría de las
aplicaciones y servicios de D2D necesitan grandes bandas para soportar las altas tasas de
datos y tienen que compartir el ancho de banda disponible entre móviles y estaciones base.
En el caso de frecuencias dedicadas estas son específicas y diferentes de las utilizadas entre
el móvil y la estación base lo que causa menos interferencia en el sistema, pero se necesita
un ancho de banda superior para frecuencias más altas. Ya que D2D en un sistema celular
esta siempre controlado o asistido por la red, y se necesitan dos conexiones simultáneas en
el móvil. Una de ellas es para la conexión del servicio D2D y la otra es para la celda. En
condiciones normales, la red controla el uso de recursos de radio de los enlaces directos para
minimizar la interferencia resultante. Sin embargo, La implantación de la tecnología en los
sistemas 5G tendrán como objetivos, aumentar la cobertura, descargar backhaul,
proporcionar conectividad alternativa y aumentar la utilización del espectro y la capacidad
por área [45].
2.3.4 Virtualización
“El último, pero no menos importante, habilitador de 5G es la virtualización de la RAN, que
permite compartir la infraestructura inalámbrica entre múltiples operadores. La virtualización
de la red debe enviarse desde la red central cableada (por ejemplo, conmutadores y
enrutadores) hacia la RAN. Para la virtualización de la red, la inteligencia debe sacarse del
hardware RAN y controlarse de manera centralizada mediante un cerebro de software, que
se puede realizar en diferentes capas de red. La virtualización de la red puede aportar
innumerables ventajas al dominio inalámbrico, incluidos los ahorros de Capex (gastos de
capital) y Opex a través de la red de varios inquilinos y el uso compartido de equipos, la
mejora de EE, la ampliación o reducción de la demanda de los recursos requeridos y el
aumento de la red. Agilidad mediante la reducción del tiempo hasta el mercado para servicios
innovadores (de 90 horas a 90 minutos), así como un fácil mantenimiento y una rápida
resolución de problemas a través de una mayor transparencia de la red. La virtualización
también puede servir para converger las redes cableadas e inalámbricas mediante la
administración conjunta de toda la red desde una unidad central de orquestación, lo que
mejora aún más la eficiencia de la red. Finalmente, se pueden adoptar RAN multi-modo que
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 73
admiten 3G, 4G o WiFi donde diferentes interfaces de radio se pueden activar o desactivar a
través de la unidad de control central del software para mejorar la EE o la Calidad de
Experiencia (QoE) para los usuarios finales” [16].
Sin embargo, en la actualidad la virtualización de redes se convierte en una de las principales
tendencias en los sistemas 5G. En conjunto con la arquitectura C-RAN y sus variantes, la
virtualización de las redes inalámbricas facilita compartir los recursos entre muchos
operadores, como son: infraestructura de red, backhaul, espectro, redes de acceso, etc. El
mecanismo de virtualización hace una abstracción de los recursos físicos hacia un numero de
recursos virtuales, que son compartidos por diferentes consumidores, como son los
proveedores de servicios [46].
Para poder controlar el espectro en las redes de 5G, los operadores de red tendrán que
virtualizar su infraestructura. A medida que los RAN Centralizadas se convierten en Cloud
RAN, los operadores podrán gestionar la infraestructura en la nube desde cualquier
ubicación. Una vez centralizadas las Unidades de Banda Base (BBU), gran parte del
procesamiento rutinario puede recaer en servidores comerciales, lo cual significa que las
BBU pueden ser rediseñadas y reducidas para concentrarse en procesamientos específicos
más complejos [47] [48].
2.3.5 Comunicación en Bandas Milimétricas
En los sistemas que se basa fundamentalmente en las comunicaciones en bandas de ondas
milimétricas (mmWave), Se podrán usar las frecuencias de estas ondas para aumentar las
bandas de espectro de radio de 700 MHz a 2,6 GHz actualmente saturadas para las
comunicaciones inalámbricas [49]. Sin embargo, se fortalece la viabilidad de las
comunicaciones inalámbricas de mmWave por medio de la combinación de la tecnología
CMOS rentable, ya que opera en las bandas de frecuencia de mmWave, y las antenas
orientables de alta ganancia en la estación móvil y base. Además, las frecuencias portadoras
de mmWave permiten mayores asignaciones de ancho de banda, lo que se traduce
directamente en mayores tasas de transferencia de datos [50]. El espectro de mmWave
permitiría a los proveedores de servicios expandir significativamente los anchos de banda del
canal mucho más allá de los canales actuales de 20 MHz utilizados por los clientes 4G. Al
aumentar el ancho de banda del canal de RF para los canales de radio móviles, la capacidad
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 74
de datos aumenta considerablemente, mientras que la latencia del tráfico digital se reduce
considerablemente, lo que permite un acceso mucho mejor basado en Internet y aplicaciones
que requieren una latencia mínima. Las frecuencias de mmWave, debido a la longitud de
onda mucho más pequeña, pueden explotar la polarización y las nuevas técnicas de
procesamiento espacial, como MIMO masivo y formación de haz adaptativa. Dado este salto
significativo en el ancho de banda y las nuevas capacidades que ofrecen mmWave, los
enlaces de estación base a dispositivo, así como los enlaces de backhaul entre estaciones
base, podrán manejar una capacidad mucho mayor que las redes 4G actuales en áreas
altamente pobladas. Además, a medida que los operadores continúan reduciendo las áreas de
cobertura celular para explotar la reutilización espacial e implementando nuevas
arquitecturas cooperativas como MIMO cooperativo, relevo y mitigación de interferencias
entre estaciones base, el costo por estación base disminuirá a medida que se vuelvan más
abundantes y más densamente distribuidos en áreas urbanas, lo que hace que el backhaul
inalámbrico sea esencial para la flexibilidad, el despliegue rápido y la reducción de los costos
operativos actuales. Finalmente, a diferencia del espectro inconexo empleado por muchos
operadores celulares en la actualidad, donde las distancias de cobertura de los sitios celulares
varían ampliamente en tres octavas de frecuencia entre 700 MHz y 2.6 GHz, el espectro de
mmWave tendrá asignaciones espectrales que son relativamente mucho más cercanas juntos,
lo que hacen que las características de propagación de las diferentes bandas mmWave sean
mucho más comparables y "homogéneas" [49]. Las bandas de 28 GHz y 38 GHz están
actualmente disponibles con asignaciones de espectro de más de 1 GHz de ancho de banda.
Originalmente destinados al uso del Servicio de distribución multipunto local (LMDS, por
sus siglas en inglés) a fines de la década de 1990, estos licenciatarios se podrían usar tanto
para celulares como para backhaul [49].
2.3.6 Transmisión y Recepción Simultánea (Full Duplex Communication)
Esta tecnología, abreviada FD, brinda un esquema de comunicación donde el transceptor es
capaz de transmitir y recibir a la misma frecuencia y al mismo tiempo. Generalmente se ha
asumido que un nodo inalámbrico no puede decodificar una señal recibida mientras está
transmitiendo simultáneamente en misma banda de frecuencia debido a la interferencia
interna entre los circuitos del transmisor y el receptor y que se denomina: auto-interferencia.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 75
Con los recientes avances de las tecnologías de antena y banda base digital conjuntamente
con las técnicas de cancelación de interferencias en RF, es posible construir radios FD. Este
tipo de comunicación tiene el potencial de duplicar la eficiencia espectral en la capa física
mediante la remoción de bandas de frecuencias e intervalos de tiempo separados para los
enlaces de subida y bajada [51]. En la actualidad, se ha demostrado que los sistemas FD son
factibles y pueden brindar razones de datos significativamente superiores que los sistemas
convencionales. Debido a la posibilidad de poder recibir simultáneamente
retroalimentaciones de señales, como pueden ser las de información del estado del canal y el
control de señalización ARQ/ACK, entre otras, es posible reducir la latencia durante la
transmisión y otros parámetros [46].
2.3.7 Tecnologías de repetidores
En las comunicaciones 5G, la eficiencia energética se ha convertido en una cuestión de
importancia primordial para las redes inalámbricas. Se han realizado muchas investigaciones
en el pasado para reducir el consumo de energía. La asignación de recursos, el despliegue
heterogéneo de la red, la optimización del esquema de transmisión y el desarrollo de
algoritmos de eficiencia energética se han convertido en el foco de la investigación. El
despliegue de Small Cell es una estrategia ampliamente aceptada en la industria para lograr
varios indicadores de rendimiento y eficiencia para el futuro sistema 5G. Sin embargo, el
despliegue de estaciones base de celda pequeña generalmente tiene problemas de
mantenimiento y recursos de sitio insuficientes [52]. Es por eso que se propone un método
para utilizar el reflector de RF, que refleja solo la onda existente, sin consumo de energía
adicional, reduciendo la ocupación de la tierra, ahorrando recursos de mantenimiento y
teniendo un mayor valor de utilización comercial.
Para discutir experimentalmente la capacidad de información de MIMO en un entorno de
múltiples rutas, un RP incluye un combinador de potencia, una antena Yagi-Uda plana y una
matriz de antena de parche plegado (FPA) de cuatro elementos. Para este caso se puede
implementar el rendimiento de la dispersión de ángulo amplio y la transición de polarización.
Al mismo tiempo, la potencia recibida y la capacidad del canal del sistema obtienen un logro
de que las PR de cuatro unidades pueden mejorar el canal de propagación en el sistema de
acceso inalámbrico.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 76
Los elementos del PR se pueden controlar de modo que se pueda obtener una capacidad de
canal MIMO maximizada. Por tanto, El uso del reflector en el sistema MIMO ha abierto una
nueva línea de pensamiento de que el canal de propagación se puede cambiar
intencionalmente, por ejemplo, objetos en movimiento. Para lograr una mayor ganancia de
rendimiento e impulsar una mayor eficiencia operativa del sistema, se requiere un método
más activo.
“Las comunicaciones de mmWave (onda milimétrica) utilizan la banda de frecuencia de 30–
300 GHz con recursos de amplio espectro para transmisiones multi-gigabit, que es una de las
tecnologías más prometedoras para 5G. Al utilizar una matriz de antenas altamente orientada,
la banda de ondas milimétricas se puede asignar a las comunicaciones celulares (ver figura
40). Las frecuencias más altas conducen a un mayor ancho de banda. Las técnicas avanzadas
de formación de haz de RF que utilizan antenas avanzadas de alta ganancia en frecuencias de
ondas milimétricas y la tecnología de formación de haz digital MIMO apoyan el desarrollo
de reflectores de RF. Por lo tanto, El uso de repetidores RF pasivos para el sistema 5G, en
este caso, se basa en la banda de ondas milimétricas” [52].
2.3.7.1 Principio del repetidor pasivo
La figura 40 muestra el repetidor pasivo propuesto. En este esquema, hay antenas N y M en
el transmisor T y el receptor R, respectivamente. Suponga que la señal en el camino directo
desde el transmisor al receptor es débil [52]. El PR P se localiza entre las antenas L. Las
matrices de canal de T a P y de P a R se indican por HPT y HRP, respectivamente.
El cambio de fase en el repetidor pasivo está dado por:
El canal de T a R se denota por
Donde describe el número de los cambios de fase en las antenas L
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 77
Figura 40: El procedimiento de transmisión del canal con repetidor pasivo [52].
Como se mencionó anteriormente, el esquema de repetidor pasivo sintonizable propuesto es
bastante factible. Cuando el número de antenas disponibles es suficiente, el valor del cambio
de fase puede ser discreto y binario, por ejemplo, [0, 180] grados. En realidad, algunos
patrones de cambio de fase se asignan aleatoriamente a Rx, lo que puede observar el
rendimiento del sistema. Y Rx proporciona lo mejor de todos esos patrones al repetidor.
Incluso si se aplican los desplazadores de fase binarios, existe un múltiplo de patrones de
fase (2L). Algunos patrones no tienen ocasión de probarse, ya que se permite uno bastante
bueno y no tiene que ser el mejor. Con la eficiencia computacional, el algoritmo genético
(AG) es tan popular debido a la solución subóptima fácilmente disponible. Por lo tanto, AG
puede garantizar la capacidad y el rendimiento máximos del canal al decidir qué patrón de
fase se elige [52].
2.3.8 Backhaul Autónomo 5G
Las redes de backhaul conectan la red de radio (RAN) a la red central. La capacidad ultra
alta, las velocidades rápidas y los requisitos de baja latencia de 5G requieren una red de
backhaul capaz de satisfacer estas altas demandas. Por eso se ha considerado la fibra como
el tipo de backhaul más adecuado por los operadores móviles debido a su longevidad, alta
capacidad, alta confiabilidad y capacidad para soportar tráfico de muy alta capacidad. Sin
embargo, la cobertura de la red de fibra no es ubicua en todas las ciudades donde se espera
que se lance 5G inicialmente, y mucho menos en áreas suburbanas y rurales. La construcción
de nuevas redes de fibra en estas áreas a menudo puede ser prohibitiva en términos de costo
para los operadores. En este caso, se debe considerar una cartera de tecnologías de backhaul
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 78
inalámbricas además de la fibra, incluyendo microondas de punto a multipunto (PMP) y onda
milimétrica (mmWave). El PMP es capaz de obtener un rendimiento descendente de 1 Gbit/s
y una latencia inferior a 1 ms por salto en una distancia de 2 a 4 km. mmWave tiene una
latencia significativamente menor y es capaz de velocidades de rendimiento más altas [53].
2.3.9 Pequeñas Celdas y Redes Heterogéneas Ultra densas
2.3.9.1 Redes Heterogéneas Ultra densas
Para superar el problema en área densamente poblada, se sugiere una red ultra densa. La red
ultra densa mantiene una conectividad constante, velocidad de datos en un área altamente
poblada [46]. Será una de las tecnologías clave que desempeñará un papel muy importante
en la red de la próxima generación, ya que el tráfico de datos se incrementará a una velocidad
enorme. Esta red se puede lograr mediante el despliegue de una célula pico, una célula
paraguas, Adición de pequeñas celdas, [42] densificación de la red macro, Mejora de las
macro celdas existentes, etc.
“Las redes heterogéneas constituyen un medio atractivo para expandir la capacidad. En
general, están compuestas por múltiples tecnologías de acceso, arquitecturas, soluciones de
transmisión y diferentes estaciones base con potencia de transmisión variables” [43]. En la
figura 41 se pueden ver varios entornos de estas redes.
Figura 41: Distintos escenarios para redes heterogéneas [43].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 79
2.3.9.2 Pequeñas Celdas
Las pequeñas celdas son una reciente solución a las demandas de tráfico estandarizadas por
3GPP y son las que resuelven la demanda de tráfico en las redes heterogéneas. Se pueden
clasificar de acuerdo con la tabla que se muestra a continuación:
Tabla 1: Clasificación de las pequeñas celdas [43]:
Las pequeñas celdas son dispositivos menos susceptibles a la interferencia que las celdas
macro ya que estos dispositivos están situadas a poca distancia del suelo y por conveniente
esto se traduce en más capacidad y con señales de alta calidad; lo que da lugar a un mejor
desempeño, ya que permite que el sistema utilice un esquema de transmisión con mayor
eficiencia espectral, lo que se traduce en una transmisión con mayor número de bits en un
mismo tiempo. Por este motivo, las aéreas donde los usuarios pueden transmitir y recibir con
altas razones de datos son más grandes que en la celda macro. Además, ofrecen ventajas en
cuanto a latencia y la cobertura en los bordes de la celda es mejor que en la celda macro sobre
todo en el enlace de subida y brinda una mejor penetración de la cobertura, lo que refuerza
los servicios en aéreas urbanas congestionadas [43].
2.3.10 Espectro de súper-banda ancha
Se requerirá más ancho de banda del espectro para implementar redes 5G (que 4G) para los
requisitos de alta capacidad, lo que aumenta la necesidad de espectro. En consecuencia, la
industria está realizando esfuerzos concertados para armonizar el espectro 5G. El UIT-R está
coordinando la armonización internacional de espectro adicional para el desarrollo de
sistemas móviles 5G (caso 1) [54].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 80
Caso 1: la viabilidad técnica del IMT del UIT-R en las frecuencias superiores a 24 y hasta 86
GHz.
El UIT-R investiga la viabilidad técnica del futuro espectro 5G en las frecuencias superiores
a 24 y hasta 86 GHz, en función de las últimas (aún en curso). Estudios realizados por
numerosos integrantes del sector. Las soluciones basadas en MIMO y la formación de haces
son cada vez más factibles con frecuencias más altas. Las bandas por debajo y por encima de
6 GHz podrían utilizarse de manera complementaria para el año 2020 y más allá. Se espera
que la UIT decida sobre el espectro adicional para IMT en el rango de frecuencia entre 24
GHz y 86 GHz en la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones en 2019 (CMR-19) [56].
Nuevas bandas de espectro en estudio para la CMR-19 [55]:
Los casos de uso de 5G podrían satisfacerse mediante una variedad de frecuencias de
espectro. Por ejemplo, es probable que las aplicaciones de baja frecuencia y de corto alcance
(adecuadas para áreas urbanas densas) sean adecuadas para la frecuencia de onda mm (por
encima de 24 GHz). Es probable que las aplicaciones de largo alcance y poco ancho de banda
(más adecuadas para áreas rurales) sean adecuadas para frecuencias de menos de 1 GHz.
Mientras que las frecuencias más bajas tienen mejores características de propagación para
una mejor cobertura, las frecuencias más altas admiten anchos de banda más altos debido a
la gran disponibilidad de espectro en las bandas mmWave. Huawei, por ejemplo, ha
propuesto un enfoque de espectro de múltiples capas, que resume mejor este enfoque (ver
Caso 2) [56].
El desafío para las ANR será seleccionar bandas de espectro globalmente armonizadas para
5G. La mejor manera de lograr este objetivo será tener en cuenta las decisiones relevantes de
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 81
la CMR-19 para bandas superiores, así como las decisiones de la CMR-07 y CMR-15 para
las bandas inferiores [56].
Caso 2: Perspectiva del operador: enfoque de espectro de capas múltiples de Huawei
• Capa de cobertura: explota el espectro por debajo de 2 GHz (por ejemplo, 700 MHz) para
brindar cobertura de área amplia y profunda en interiores.
• Capa de cobertura y capacidad: se basa en el espectro en el rango de 2 a 6 GHz para ofrecer
el mejor compromiso entre capacidad y cobertura.
• Súper capa de datos: se basa en un espectro superior a 6 GHz y mmWave para abordar
casos de uso específicos que requieren tasas de datos extremadamente altas.
“La GSMA espera que el espectro de 3.3–3.8 GHz sea la base de muchos servicios 5G
iniciales, en particular para ofrecer banda ancha móvil mejorada. Esto se debe a que el rango
de 3.4-3.6 GHz está casi globalmente armonizado, y por lo tanto está bien posicionado para
impulsar las economías de escala necesarias para dispositivos de bajo costo” [55].
2.3.11 Femto Cell móvil (Celda Femto)
Una Femto Cell (Celda femto) es un punto de acceso inalámbrico que mejora la recepción
celular dentro de una casa o un edificio de oficinas; se asemeja a un enrutador inalámbrico.
Femto es una pequeña estación base de baja potencia. El rango de Femto es de entre 10 y 50
metros, por lo que se instala en casas o edificios. Además, tiene licencia cubierta para
interiores. Femto es una combinación de interfaces con tecnologías móviles existentes.
Cuando el usuario comienza a acercarse a la celda Femto, automáticamente reenviará su
tráfico de datos a través de la celda Femto en lugar de a través de la macro principal eNodeB
(ver figura 42). El dispositivo esencialmente actúa como un repetidor. La Femto Cell se
comunica con el teléfono móvil y convierte las llamadas de voz en paquetes de voz sobre IP
(VoIP). Luego, los paquetes se transmiten a través de una conexión de banda ancha a los
servidores del operador móvil. Esencialmente, la celda Femto es una potencia de celda de
salida baja que puede enrutar cualquier información a través de un camino más corto hacia
el destino. Por ejemplo, Femto cell envía las llamadas de voz de los usuarios a través de un
módem por cable o DSL ubicado en una casa o en un pequeño edificio (ver figura 42), lo que
permite ahorrar dinero en las facturas telefónicas dentro de sus casas mediante el envío de la
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 82
tecnología de voz sobre IP (VoIP). Femto Cell está destinado principalmente a aumentar el
rendimiento del usuario y es un despliegue simple; además prolongar la vida útil de la batería
del teléfono y más seguridad debido a la función de la política de acceso.
Figura 42: Proceso de funcionamiento de Femto cell para conexión a la red [42].
2.3.12 Radio cognoscitiva
“La radio cognoscitiva puede definirse como una radio inteligente, donde los transceptores
son reconfigurables y pueden adaptarse según la nueva condición de la red. En muchas partes
del mundo, la radio cognoscitiva (CR) cubre básicamente dos áreas principales de trabajo: la
radio cognoscitiva completa que se ocupa de todos los cambios de parámetros de la red,
modifica esos parámetros siempre que se requiera un cambio para optimizar la red y otra es
la detección de espectro. El espectro está subutilizado porque los investigadores han
observado que es el tiempo y la ubicación lo que es un factor importante para el porcentaje
de utilización del espectro disponible. Para la detección y asignación de espectro vacante, la
radio cognoscitiva sería la mejor opción. Este concepto es conocido como Dynamic
Spectrum Access. Después de la detección de la presencia de la banda cognoscitiva vacía, la
radio adoptará una política llamada Spectrum Pooling Policy, donde las bandas libres se
llenan inmediatamente con subbandas OFDMA” [57].
Los términos clave en la radio cognitiva son [57] [58]:
• Sensores de Espectro: el terminal cognitivo cambia de una frecuencia disponible a
la mejor banda de frecuencia disponible. La detección del espectro determina si un
usuario primario está presente en una banda. El espectro, la radio cognitiva puede
compartir el resultado de su detección con otras radios cognitivas después de la
detección. Sin embargo, el objetivo de la detección del espectro es determinar el
estado del espectro y la actividad del usuario con licencia mediante la detección
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 83
periódica de la banda de frecuencia objetiva. En particular, un transceptor de radio
cognitivo detecta un espectro que no se utiliza o un agujero de espectro (es decir,
banda, ubicación y tiempo) y también determina el método de acceso a él (es decir,
la potencia de transmisión y la duración del acceso) sin interferir en la transmisión de
un usuario con licencia. La detección de espectro puede ser centralizada o distribuida.
En la detección de espectro centralizada, un controlador de detección (por ejemplo,
un punto de acceso o una estación base) detecta la banda de frecuencia objetiva, y la
información obtenida se comparte con otros nodos del sistema. Por ejemplo, el
controlador de detección puede ser incapaz de detectar a un usuario sin licencia en el
borde de la celda. En la distribución distribuida del espectro, los usuarios sin licencia
perciben el espectro de forma independiente, y la detección del espectro se logra
mediante radios cognitivas individuales (detección no cooperativa) o compartida con
otros usuarios (detección cooperativa). Aunque la detección cooperativa se ocupa de
una sobrecarga de comunicación y procesamiento, la precisión de la detección del
espectro es mayor que la de la detección no cooperativa. Por lo tanto, las técnicas de
detección de espectro se pueden clasificar en tres categorías: detección de
transmisores, detección cooperativa y detección basada en interferencias.
• Intercambio de Espectro: La idea principal es compartir el recurso ocupado por un
usuario con licencia, especialmente, la banda de espectro sin afectar a los usuarios
con licencia vecinos. Dado que hay varios usuarios secundarios que desean utilizar
los orificios del espectro disponibles, la radio cognitiva debe mantener el equilibrio
entre su objetivo propio de transferencia de información de manera eficiente y el
objetivo desinteresado de compartir el espectro disponible con otros usuarios
cognitivos y no cognoscitivos. Esto se hace mediante reglas de política que
determinan el comportamiento de la radio cognitiva en un entorno de radio. El método
de programación de espectro justo, el uso de espectro abierto en la distribución del
espectro es uno de los principales desafíos. En los sistemas existentes, se considera
que es similar a los problemas genéricos de control de acceso a los medios de MAC.
• Movilidad del espectro: La movilidad del espectro es una función relacionada con
la variación de la banda de frecuencia operativa de los usuarios de CR. Cuando un
usuario con licencia comienza a acceder a un canal de radio que está siendo utilizado
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 84
actualmente por un usuario sin licencia, el usuario sin licencia puede cambiar el
espectro inactivo a una banda de espectro activa. Este cambio en la banda de
frecuencia operativa se conoce como transferencia de espectro. Los parámetros de
protocolo en las diferentes capas en las pilas de protocolos deben ajustarse para que
coincidan con la nueva banda de frecuencia operativa durante la transferencia del
espectro. La transferencia de espectro debe tratar de garantizar que el usuario sin
licencia pueda continuar la transmisión de datos en la nueva banda de espectro
Al utilizar tecnologías SDR, radio adaptativa, radio inteligente y los sistemas de radio
cognitiva pueden admitir el acceso de espectro dinámico (DSA), lo que permite a los sistemas
seleccionar el espectro de frecuencia en el que operarán en una ubicación determinada y en
un período de tiempo determinado para optimizar el uso del espectro disponible y evitar la
interferencia con otras radios u otros sistemas.
2.3.13 Tecnologías de Virtualización de las funciones de red (NFV)
NFV se refiere a la implementación de funciones de red mediante software corriendo sobre
plataformas de computación y almacenamiento de propósitos generales, lo que posibilita el
despliegue de funciones de red en centros de datos para potenciar la carga de tráfico mediante
técnicas de virtualización. En comparación con las redes convencionales que implementan
funciones de red en un hardware dedicado y con aplicación específica, la motivación
principal de NFV es al de reducir la duración y ciclos de innovación dentro de las redes de
telecomunicaciones mediante actualizaciones de software en lugar de hardware.
Otro tópico importante en las redes móviles que puede ser mejorado implementando
funciones en un centro de datos es la resiliencia. Esto tiene que ver con la reasignación de
funciones entre máquinas virtuales y reales.
Además, NFV y la implementación de funciones de la red móvil en centros de datos
proporciona mayor flexibilidad en términos de gestión de recursos, asignaciones y
escalamiento. Esto tiene también un impacto en la eficiencia de energía en las redes ya que
solamente la cantidad requerida de recursos puede ser usada eliminando el exceso de
aprovisionamiento de recursos. Esta orquestación de recursos podría reutilizar algoritmos de
gestión ya desarrollados en el mundo de las TI con el objetivo de explotar recursos tan
eficientemente como fuera posible [59].
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 85
Como se mencionó, NFV ya se aplica en las redes centrales y se realizan los primeros ensayos
que demuestran que las funciones de red móvil críticas como MME, HGW / PGW o HSS se
pueden implementar en plataformas de TI estándar. Un habilitador crítico de este desarrollo
es, además de las tecnologías de virtualización, la disponibilidad de redes IP de alta velocidad
y la posibilidad de gestionarlas de manera más flexible a través de la SDN. El interés en este
último se ve confirmado por la reciente fundación de un grupo de trabajo sobre tecnología
inalámbrica y móvil dentro de Open Networking Foundation, que es la organización que ha
estandarizado Open Flow. En el caso de las RAN, el NFV puede ser más difícil de aplicar,
ya que se aplica directamente dentro de los nodos de la red como los RAP o en ubicaciones
más centralizadas, lo que requiere conexiones de alto rendimiento entre los RAP y los centros
de datos. Es posible que esas conexiones no estén disponibles en todas las ubicaciones, lo
que impone nuevos desafíos en las implementaciones de NFV en RAN y en la gestión de
redes compuestas por nodos de red heterogéneos (macro, metro y pico celdas), conectividad
de backhaul heterogénea (fibra óptica, DSL, inalámbrica), así como como ubicación
heterogénea de las funciones RAN [60].
2.3.14 Tecnología SDN (Red Definida por Software)
SDN es una arquitectura que desacopla el control de la red y la expedición de funciones
permitiendo que el control de la red se torne directamente programable y logra una
abstracción de la infraestructura subyacente para ajustar dinámicamente aplicaciones y
servicios de red. Basándose en la arquitectura SDN, la inteligencia de la red es centralizada
lógicamente en un controlador SDN basado en software que mantiene una visión global de
la red, la cual se presenta en forma de aplicaciones y motores de políticas como un
conmutador lógico simple y que le permite a los encargados de la gestión de la red configurar,
gestionar, asegurar y optimizar los recursos de red rápidamente mediante programas
automatizados dinámicos, los cuales pueden re-escribirse por sí mismos debido a la
independencia de los programas en software propietario. SDN simplifica el diseño de la red
y las operaciones debido a que las instrucciones son brindadas por controladores SDN en
lugar de múltiples dispositivos y protocolos específicos de los proveedores.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 86
2.4 Arquitectura de Sistema y sus estrategias
Aquí, el termino arquitectura se refiere a lo especifico de las redes de acceso móviles
pertenecientes al 5G y no a la arquitectura integral y general al 5G. Por tanto, aquí se hará
referencia a las arquitecturas físicas y topologías de sistema, recomendadas para estructurar
las redes de acceso y en particular la Red de Acceso de Radio (RAN) en el sistema móvil,
y que denominaremos 5G RAN, para que responda a las exigencias técnicas del 5G. A
continuación, se presentan algunas soluciones.
2.4.1 C-RAN (Cloud Radio Access Network)
C-RAN, también referida como RAN Centralizada o en Nube, es una nueva arquitectura
celular centralizada, basada en computación de nube que posee la habilidad de soportar los
estándares de comunicación inalámbrica actuales y futuros. En la arquitectura C-RAN un
gran número de terminales de radio remotos (RRU) son desplegados adecuadamente y son
conectados a una agrupación de Unidades de banda Base (BBU pool) a través de enlaces
denominados Fronthaul. Mediante esta arquitectura los RRU son movidos más cerca de los
usuarios lo que resulta en un incremento en la capacidad del sistema y un menor consumo de
potencia, debido a que la señal no necesita propagarse a largas distancias para llegar a los
usuarios. Por otro lado, como el procesamiento de banda base está centralizado en la
agrupación de BBU, las técnicas cooperativas para mitigar las interferencias pueden ser
mejoradas. Además, la explotación de la agrupación de recursos y la ganancia proporcionada
por la utilización del multiplexado estadístico, hace a la C-RAN más eficiente en los aspectos
de energía y costos debido a que es innecesaria el dimensionamiento de los recursos de
computación de cada estación base tradicional acorde a su carga pico individual.
Para una mejor solución de la arquitectura de la RAN en los escenarios de la 5G, la
implementación de la solución C-RAN se combina con las tecnologías NFV y SDN. Estos
tres conceptos están relacionados entre ellos, pero sus contribuciones se aplican en diferentes
dominios.
En el caso de las RAN cuando se usa NFV para centralizar lógicamente el procesamiento de
banda base dentro de la RAN, la C-RAN se convierte en una aplicación NFV. Tres formas
de virtualización pueden potencialmente coexistir en la agrupación de BBU para la solución
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 87
C-RAN: Virtualización de hardware, virtualización de red y virtualización de aplicación. En
la primera una porción del hardware de la RAN es vitalizado. En la virtualización de la red,
elementos de red tales como conmutadores, enrutadores, elementos de almacenaje y recursos
de transporte son abstraídos y combinados dentro de un conjunto que es gestionado por el
sistema operativo de la red. La virtualización también se aplica dentro de la RAN donde las
entidades de aplicación de gestión de red son reemplazadas por una capa que permite que las
aplicaciones existentes corran en la RAN sin la necesidad de volverse a escribir el software.
Siguiendo las discusiones anteriores, la C-RAN se puede ver, por un lado como una
aplicación de NFV y SDN y por otro lleva a cabo tanto una completa centralización y una
distribución de las funciones de la RAN que no es el caso de una implementación general
NFV. Por tanto, la arquitectura C-RAN cuando integra las tecnologías NFV y SDN posee
una escalabilidad y flexibilidad que permite ajustar el desarrollo de futuras redes móviles y
es una solución efectiva en cuanto a costos para encarar los desafíos en los escenarios que
requiere el desarrollo de la 5G [43]. La Figura 43 muestra la arquitectura genérica C-RAN:
Figura 43: Arquitectura C-RAN [43].
2.4.1.1 Ventajas de la C-RAN
Tanto las celdas macro como las pequeñas celdas se pueden beneficiar de la arquitectura C-
RAN. Para despliegues de estaciones base macro, la agrupación de BBU centralizada permite
una utilización más eficiente y reduce el costo de despliegue y operación. Por otro lado, las
funcionalidades derivadas del estándar LTE como son: CoMP y mitigación de interferencias,
pueden ser soportadas eficientemente por la C-RAN y es un aspecto esencial en el despliegue
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 88
de pequeñas celdas y que da lugar a la formación de redes heterogéneas, lo que es imperativo
en el despliegue de la 5G. Otras ventajas de la arquitectura C-RAN son:
• Adaptabilidad al tráfico no uniforme y escalabilidad.
• Ahorro de energía y costos gracias a la ganancia por multiplexado estadístico. En la
agrupación de BBU y la utilización de virtualización.
• Incremento del desempeño
• Decrecimiento de tiempo de atraso.
• Facilidad en las actualizaciones de la red y el mantenimiento.
• Beneficios en la ejecución de despliegues
2.4.2 Solución HetNet
Para incrementar la capacidad de la red celular en áreas de alta densidad con altas demandas
de tráfico, se colocan nodos de baja potencia dedicados para servicios de datos solamente y
con una gran capacidad [61]. Estos nodos, denominados pequeñas celdas constituye un
complemento de las estaciones macro y son el componente clave de las redes heterogéneas
o simplemente HetNet. La ventaja clave de la arquitectura HetNet es la de poder desacoplar
los planos de control y de usuario. A las pequeñas celdas solamente se le asigna el plano de
control, mientras que el encabezamiento del canal de control y las señales de referencia
específicas de la celda de estos nodos pueden desplazarse completamente a estaciones macro.
Desafortunadamente este tipo de arquitectura donde las pequeñas celdas y la estación macro
reutilizan los mismos recursos del espectro incrementa el nivel de interferencia. Por esta
razón es importantes la introducción de mecanismos avanzados de supresión de
interferencias mediante técnica avanzadas de procesamiento de la señal y coordinación. Este
tipo de arquitectura es propuesta por la 5G utilizando la estación macro en bandas de
frecuencias bajas y las pequeñas celdas en frecuencias altas. En la Figura 44 se muestra un
esquema de la arquitectura HetNet con el despliegue de las macro y pequeñas celdas.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 89
Figura 44: Arquitectura HetNet [61].
2.4.3 H-CRAN (CRAN Heterogéneo)
Para llevar a cabo los adelantos anticipados por los sistemas 5G y superar los desafíos
derivados de las arquitecturas C-RAN y HetNet se presenta una solución denominada redes
de nube heterogéneas para acceso de radio abreviada, H-CRAN, la cual es compatible con
las diferentes redes C-RAN y HetNet. La motivación de H-CRAN es la de integrar la
tecnología de computación de nube dentro de la red HetNet para realizar el procesamiento
de señal cooperativo y funcionalidades de red a gran escala y de este modo, los desempeños
en cuanto a eficiencia espectral (SE) y eficiencia de energía (EE) son sustancialmente
mejorados más allá de los existentes en HetNet y C-RAN [61]. En el sistema 5G basado en
H-CRAN, los planos de control y de usuario están desacoplados. Las estaciones base macro
(MBS) son usadas principalmente para brindar señalización de control a toda la red H-CRAN
y proporcionan una cobertura continuada, mientras las Unidades de Radio Remotas (RRH)
son utilizadas para brindar la transmisión de datos de alta velocidad en los puntos de acceso
de gran demanda de servicios.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 90
El procesamiento de señal cooperativo en gran escala y las técnicas de red en H-CRAN son
de tres tipos. El primero comprende técnicas de procesamiento de señal espaciales avanzadas
en la capa física, incluyendo MIMO centralizado y el procesamiento cooperativo espacial
distribuido a gran escala. El segundo tipo comprende la gestión cooperativa de los recursos
de radio a gran escala y circulación en la capa MAC y las superiores. El tercero comprende
la gestión de inteligencia y auto-organización en la capa de red para soportar auto-
configuración, auto-optimización y auto-reparación en el escenario de comunicaciones ultra
densas con un enorme número de nodos desplegados aleatoriamente [62]. En la figura 45 se
muestra un esquema de la arquitectura funcional de la H-CRAN.
Figura 45: Arquitectura funcional H-CRAN [62].
2.4.3.1 CC-CoMP
Las aplicaciones potenciales de CC-CoMP en H-CRAN existen escenarios homogéneos y
heterogéneos, que se denotan como intra-nivel e inter-nivel, respectivamente. En el CC-
CoMP dentro del nivel que se muestra como escenario 1 en la figura 46, los nodos en el
mismo nivel, es decir, entre HPN o entre RRH, deben transmitir de manera coordinada. Dado
que todas las RRH en H-CRAN están conectadas con el grupo BBU, dicha colaboración
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 91
puede realizarse a través de la formación de haz virtual, donde los proyectores se pueden
formar en el grupo BBU. Además, el CC-CoMP de nivel intermedio que se muestra como
escenario 2 en la figura 46 se basa en las colaboraciones entre RRH y HPN, y tales
colaboraciones de nivel pueden suponer una gran carga de complejidad computacional en el
conjunto de BBU. Por lo tanto, para aliviar la carga del conjunto de BBU, los esquemas
distribuidos en la estructura H-CRAN centralizada podrían ejecutarse parcialmente [62].
Para mitigar eficientemente la interferencia entre niveles, el CoMP tradicional en 4G debería
funcionar en un estado perfecto e ideal para lograr importantes ganancias de procesamiento
cooperativo, lo que suscita grandes complejidades, mayores requisitos de sincronización,
complicados esfuerzos de estimación de canal y una gran sobrecarga de señalización.
Afortunadamente, como la evolución de CoMP, el CC-CoMP se basa en el procesamiento
cooperativo espacial a gran escala en el grupo centralizado de BBU, en el que se resuelven
la mayoría de los desafíos de CoMP
Figura 46: Escenarios típicos de CC-CoMP en H-CRAN [62].
2.4.3.2 CC-CRRM
Para desencadenar completamente las ventajas potenciales de H-CRAN, el CC-CRRM
inteligente es urgente y existen varios desafíos técnicos involucrados. En primer lugar, CC-
CRRM debe admitir el tráfico de datos móviles en ráfagas y en tiempo real, como los juegos
móviles, las comunicaciones de vehículo a vehículo y las aplicaciones de transmisión de
video de alta definición. Por lo tanto, CC-CRRM debe tener la capacidad de detección de
retardo de tiempo. La mayoría de los RRM tradicionales se basan en heurísticas y hay una
falta de conocimiento teórico sobre cómo diseñar CC-CRRM con retraso. En segundo lugar,
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 92
el CC-CRRM debe ser escalable con respecto al tamaño de H-CRAN, mientras que los RRM
tradicionales no son factibles debido a la enorme complejidad computacional, así como a la
latencia / complejidad de señalización involucrada. Estos desafíos se vuelven incluso peores
para las H-CRAN porque hay más RRH delgados conectados al grupo de BBU a través del
fronthaul restringido. A diferencia de la RRM de capa cruzada convencional, que está
diseñada para optimizar el recurso de una sola estación base, el CC-CRRM implica recursos
de radio compartidos entre todos los RRH / HPN, y por lo tanto la escalabilidad en términos
de computación y señalización es un obstáculo clave [62]
Para abordar los problemas anteriores y hacer el avance práctico de las H-CRAN, el CC-
CRRM debe tener caracteres de retardo y de capa cruzada. Con precisión, el CC-CRRM para
H-CRAN puede considerarse como un problema de optimización estocástica basada en la
computación en la nube, que adapta los recursos de radio (como potencia, velocidad de datos,
CC-CoMP / LS-CMA, programación de usuarios y RRH / HPN) de acuerdo con la CSI en
tiempo real y la información del estado de la cola (QSI). En la práctica, las señalizaciones y
los controles generalmente se aplican en el nivel de trama en las capas PHY o inferiores,
mientras que generalmente se realizan en escalas de tiempo más largas en las capas superiores
de MAC y de red. Según la propiedad estructural del problema de control estocástico y la
separación de escalas de tiempo, el problema de control estocástico para H-CRAN se puede
descomponer en varios problemas de dimensión inferior y se puede resolver mediante
técnicas de aprendizaje en línea estocásticas, como se muestra en la figura 47.
El CC-CRRM sensible al retardo para H-CRAN es adaptable tanto al QSI global como al
CSI, que no solo captura la oportunidad de transmisión indicada por el QSI, sino que también
captura la urgencia de los flujos de datos indicados por el CSI. Con la separación de las
escalas de tiempo, el CC-CRRM requiere la sobrecarga de señalización reducida y la
complejidad computacional. [61] El aprendizaje en línea estocástico en lugar de los métodos
heurísticos garantiza que la solución CC-CRRM sea robusta a la incertidumbre en la
estimación de CSI, las estadísticas de arribo de tráfico de ráfagas y otros parámetros clave.
Sin embargo, dado que el CC-CRRM sensible al retardo se basa en el QSI y el CSI globales,
la maldición de la dimensionalidad subyacente asociada con los estados del sistema y la
dinámica de la cola acoplada complicará la derivación de un CC-CRRM escalable en las H-
CRAN.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 93
Figura 47: Descomposición de la optimización estocástica de escala de tiempo mixta para
CC-CRRM [62].
2.4.3.3 CC-SON
En la capa de red de las H-CRAN, los calendarios de funciones auto organizados son críticos
para garantizar que los RRH y HPN gigantes funcionen con un alto rendimiento de EE. La
tecnología de red de auto organización (SON) es capaz de minimizar las intervenciones
humanas en los procesos de redes, que se propuso reducir los costos operativos para los
proveedores de servicios en los sistemas celulares LTE y HetNet [62]. Teniendo en cuenta
que debe configurarse y optimizarse un gran número de parámetros, la topología es dinámica
debido a la activación / desactivación de los RRH de forma adaptativa, y los recursos de radio
se comparten y procesan de forma cooperativa, CC-SON en H-CRAN es la clave para
integrar la planificación de la red, configuración, y optimización en un proceso automático
unificado que requiere intervenciones manuales mínimas con la centralización de la
computación en la nube. CC-SON permite a los operadores optimizar sus operaciones, no
solo reduciendo la complejidad de la gestión de la interferencia cocanal en las H-CRAN, sino
también ahorrando costos operativos para todos los RRH y HPN [62]. CC-SON se utiliza
para armonizar todos los enfoques de gestión de red y mejorar la eficiencia operativa general.
Por otro lado, la disponibilidad de las soluciones CC-SON lleva a identificar estrategias de
optimización poderosas, a mitigar las interferencias entre canales y a mejorar el rendimiento
de EE.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 94
2.4.3.4 LS-CMA
La técnica LS-CMA, también conocida como MIMO masiva, está equipada con cientos de
antenas de baja potencia en un sitio HPN ubicado conjuntamente, que se presenta para
mejorar la capacidad, ampliar la cobertura y disminuir la complejidad del despliegue de la
antena. Debido a la ley de los grandes números, la condición de propagación del canal se
puede endurecer, lo que puede garantizar que la capacidad de transmisión aumente
linealmente a medida que aumenta el número de antenas, y los rendimientos de EE también
pueden mejorarse. En comparación con la configuración tradicional de una sola antena, el
LS-CMA para HPN puede aumentar la capacidad 10 veces o más y al mismo tiempo mejorar
los rendimientos de EE irradiados en el orden de 100 veces en [61], donde se despliega la
matriz lineal de 100 elementos en HPN, y se asume el backhaul ideal.
Mediante el uso de HPN con LS-CMA, en lugar de implementar un gran número de RRH en
algunas áreas de cobertura, se pueden liberar los fronthaul limitados entre los RRH y el grupo
BBU. Además, como se muestra en la figura 48, en comparación con los HPN sin LS-CMA,
o los escenarios C-RAN convencionales, los HPN con LS-CMA reducen sus interferencias
a los RRH / HPN adyacentes, ya que el LS-CMA puede servir un área grande, que amplía la
distancia de servicio y diluye la densidad de las RRH activas.
Figura 48: Escenarios típicos para LS-CMA en H-CRAN [61].
2.4.3.5 LS-CSSP
Para los nodos ultra densos desplegados en las redes celulares tradicionales o HetNet, aunque
el impacto del desvanecimiento a gran escala se alivia, la existencia de varias interferencias
cocanales se convierte en el rendimiento del cuello de botella. El LS-CSSP, que incluye
modos distribuidos y centralizados, es prominente para mejorar el rendimiento de SE con la
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 95
tasa de gigabits como se muestra en la figura 49. El LS-CSSP distribuido se basa en la
multiplexación espacial, que a su vez comparte los mismos recursos de radio entre los RRH.
Al transmitir de forma colaborativa entre múltiples RRH, que pueden tratarse como una
matriz de antenas virtuales, la interferencia se puede evitar espacialmente sin ocupar recursos
de radio adicionales [61].
Figura 49: LS-CSSP centralizado y distribuido en H-CRAN [61].
2.4.3.6 LS-CRRM
Para optimizar los rendimientos de las H-CRAN, se requieren esquemas de administración
de recursos de radio más avanzados que la red celular tradicional debido a los recursos
informáticos adicionales. Dado que los recursos de radio físicos pueden reutilizarse
completamente entre las RRH, la interferencia entre niveles entre las RRH y las ACE debe
suprimirse con técnicas avanzadas de LS-CRRM. La reutilización de frecuencia fraccional
suave tradicional (S-FFR) se considera una técnica eficiente de coordinación de interferencia
entre células y entre niveles, en la que el área de servicio se divide en regiones espaciales, y
cada subregión tiene asignadas diferentes sub-bandas de frecuencia. Por lo tanto, los UE de
la zona del borde de la celda no interfieren con los UE de la zona central de la célula, y con
un método de asignación de canal eficiente, los UE de la zona del borde de la celda no pueden
interferir con los UE de la zona del borde de la celda vecinos [61]. Teniendo en cuenta que
el ACE se utiliza principalmente para entregar la señalización de control y garantizar la
cobertura sin problemas, el requisito de QoS de los HUE no es alto, mientras que el requisito
de QoS para los UE que acceden a los RRH (denotados como RUE) es de alta prioridad. En
consecuencia, se debe proponer un esquema de S-FFR mejorado para suprimir la
interferencia entre niveles ACE y RRH en la figura 50 (a), donde solo se asignan recursos de
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 96
radio parciales tanto a los RUE como a los HUE con el requisito de QoS bajo, y otros recursos
de radio se asignan a RUE con altos requisitos de QoS.
Figura 50: FFR mejorado y evaluaciones de rendimiento de los esquemas LS-CRRM en H-
CRAN, donde H-CRAN consta de 1 ACE y 4 RRH, el número de RUE es 4, el número de
HUE es 8, el número de RB es 10, el ancho de banda de cada RB es 15 kHz y la tasa media
de llegada de HUE como 3 kbits / ranura [61].
Para evitar la congestión del tráfico y obtener rendimientos casi óptimos en las H-CRAN, el
esquema LS-CRRM debe tener en cuenta la información del estado de la cola (QSI) para
garantizar la equidad entre los UE y mejorar la eficiencia de utilización del recurso de radio.
En particular, el problema de optimización conjunta que toma en cuenta el control de
admisión de tráfico, la asociación RRH / MBS, RB y la asignación de potencia en función de
las restricciones de consumo de energía promedio e instantáneo debe investigarse, y el
rendimiento de la correspondiente asignación de potencia RB conjunta-asociación (JARP )
el esquema se evalúa en la figura 50 (b), IEEE NETWORKS 13, donde el esquema de
asignación de RB y potencia de asociación aleatoria (RAJRP) y el esquema de asignación de
potencia igual (JAREP) de asociación conjunta y RB se comparan como líneas de base [61].
Para RAJRP, el HUE accede aleatoriamente a la RRH objetivo con la probabilidad
proporcional al rendimiento virtualmente, y la RB y la potencia se optimizan conjuntamente
utilizando nuestro algoritmo. Para JAREP, la asociación y los RB se optimizan
conjuntamente utilizando nuestro algoritmo y la potencia promedio máxima se asigna por
igual a todos los RB de cada RRH.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 97
2.4.3.7 LS-SON
Para cumplir con la funcionalidad universal de plug and play, para eliminar el tráfico de la
red central y administrar los recursos de radio y computación utilizando los controles
conscientes del servicio, las funciones de auto-organización a gran escala son críticas para
garantizar que los RRH y ACE gigantes trabajen en La manera inteligente. Se propuso SON
para reducir los costos operativos para los proveedores de servicios en sistemas celulares
LTE y HetNet [61]. Teniendo en cuenta que se deben configurar y optimizar demasiados
parámetros debido a las combinaciones de convergencia heterogénea y cloud computing en
H-CRAN, y que los recursos de radio se comparten y virtualizan, LS-SON es la clave para
integrar ultra aprendizaje, ultra planificación, ultra configuración, y ultra optimización en un
proceso automático unificado que requiere intervenciones manuales mínimas con la
centralización de la computación en la nube. El LS-SON no solo reduce la complejidad de la
gestión de las interferencias cocanales en H-CRAN, sino que también ahorra costos
operativos para todos los RRH y ACE. LS-SON se utiliza para armonizar todos los enfoques
de gestión de red y mejorar la eficiencia operativa general. Por otro lado, la disponibilidad
de soluciones LS-SON lleva a identificar estrategias de optimización poderosas, a suprimir
las interferencias entre canales y a mejorar el rendimiento de EE y SE.
Debido a la existencia de un Nodo C centralizado cubicado con la SDN en los sistemas 5G
basados en H-CRAN, las funcionalidades de autoconfiguración, optimización automática y
recuperación automática se implementan en la arquitectura SON centralizada. Dado que el
Nodo C necesita converger múltiples RAN y procesar los RRH con la computación en la
nube, como se muestra en la figura 51, las funcionalidades entre RAN e intra-RAN SON
deben implementarse en el Nodo C.
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 98
Figura 51: H-CRAN auto organizadas [61].
2.5 La Arquitectura de Celda Fantasma
Una alternativa de estructura de la red móvil a utilizar en 5G lo constituye la denominada
Celda Fantasma, considerada en la 3GPP a partir de la Edición 12 [63]. El concepto de celda
fantasma se basa en una arquitectura de red de múltiples capas en la que se dividen el plano
de control y el de usuario entre la celda macro y las pequeñas celdas, utilizando bandas de
frecuencia diferentes. Las motivaciones y los mayores beneficios de esta arquitectura son
similares a los de las redes C-RAN avanzadas que se han utilizado en el estándar LTE-A, y
que incluyen incremento de capacidad mediante pequeñas celdas, fácil despliegue de las
bandas de frecuencias altas y despliegue de las pequeñas celdas sin impacto en la gestión de
movilidad. Sin embargo, el concepto de arquitectura de celda fantasma incluye un amplio
rango de funcionalidades avanzadas tales como, agregación entre nodos, requerimientos más
relajados para el progreso de backhaul y la señalización y un descubrimiento de las pequeñas
celdas mejorado [63]. El concepto de celda fantasma se toma como línea de base para la
integración futura de redes de múltiples capas utilizando bandas de frecuencia bajas y altas,
En esta arquitectura las pequeñas celdas manejan el tráfico de las sesiones de datos de alto
caudal en el plano de usuario mientras que la capa celular macro controla la señalización del
plano de control. La celda macro y las pequeñas celdas forman una relación maestro-esclavo
a través de la cual la celda macro envía la información de control relevante al usuario
conectado a la pequeña celda. Esta arquitectura hace a la pequeña celda prácticamente
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 99
invisible al usuario conectado a ella. De aquí el nombre de celda fantasma. En la Figura 52
se muestran los principios de esta arquitectura.
Figura 52: Arquitectura de Celda Fantasma. Separación del plan de usuario y de control
[63].
Conclusiones del capitulo
Las redes móviles 5G se están haciendo implementadas hoy en día para responder a la
conectividad masiva y para reducir aún más la latencia de las redes actuales 4G. Por lo que,
para lograr las ganancias significativas en capacidad y razón de transferencia de datos
experimentada por el usuario es necesario un salto significativo en la extensión del espectro,
con el objetivo de lograr gestionar multitudes de servicios y aplicaciones que pueden ofrecer.
Sin embargo, 5G usa integración de las bandas de bajas frecuencias y las bandas de altas
frecuencias mediante técnicas de acceso de radio. Las bandas de las altas frecuencias pueden
ofrecer oportunidades para un espectro más amplio, sin embargo, tienen limitaciones de
cobertura debido principalmente a mayores pérdidas por trayectoria. Basados en estas
condiciones las principales tecnologías de acceso de radio propuestas para la evolución hacia
las redes móviles 5G son: integración de las bandas de las altas frecuencias y las bandas de
las bajas frecuencias mediante Phantom Cell o Celda Fantasma, explotación de las bandas de
las altas frecuencias mediante Massive MIMO y mejoras en las bandas de las bajas
frecuencias mediante el Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA). En este caso es necesario
hacer recurso a las nuevas arquitecturas de redes ya que, con la amplificación del espectro,
las actuales redes 4G no responden debido a que necesitarían muchos cambios en su
arquitectura. Por lo tanto, las nuevas redes móviles 5G implantan arquitecturas tales como
C-RAN, H-CRAN, Celda fantasma y otras, para dar solución a los problemas de la gestión
del espectro.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 100
CAPÍTULO 3. Mejoras tecnológicas y desafíos de las redes 5G
3.1 Tendencias tecnológicas
3.1.1 Tecnologías para mejorar la interfaz de radio
En sentido general, las modulaciones, codificaciones, técnicas de acceso múltiple, junto con
el despliegue de las antenas, principalmente MIMO 3D y pequeñas celdas, han constituido
un enfoque de mayor relevancia para las redes 5G; es por esta razón que se han propuesto
estas tecnologías con la finalidad de mejorar la interfaz de radio.
3.1.1.1 Formas de onda, modulación y codificación, y esquemas de acceso múltiples
avanzadas
Para abordar los nuevos desafíos que se espera que las redes 5G resuelvan, se han propuesto
varios tipos de modulación, como el filtrado, el modelado del pulso y la precodificación para
reducir de Fuga de Banda (OOB) de señales OFDM. El filtrado [64] es el enfoque más
sencillo para reducir la fuga OOB y, con un filtro adecuadamente diseñado, la fuga sobre la
banda de detención se puede eliminar en gran medida.
La forma del pulso [65] puede considerarse como un tipo de filtro basado en subportadoras
que reduce las superposiciones entre las subportadoras incluso dentro de la banda de un solo
usuario. Sin embargo, generalmente tiene una larga cola en el dominio del tiempo según
principio de incertidumbre de Heisenberg Gabor. La introducción de la precodificación para
transmitir datos antes de la modulación OFDM es también un enfoque eficaz para reducir las
fugas.
Además de los enfoques antes mencionados para reducir la fuga de señales OFDM, algunos
nuevos tipos de modulaciones también se han propuesto específicamente para redes 5G. Por
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 101
ejemplo, para lidiar con la alta propagación del Doppler en escenarios eV2X, los datos de
transmisión se pueden modular en el dominio de retardo Doppler [64].
Las modulaciones anteriores se pueden usar con acceso múltiple ortogonal (OMA) en redes
5G para mejorar aún más el acceso de radio.
Para los sistemas OMA, los bloques de recursos se dividen ortogonalmente en dominios de
tiempo, frecuencia o código, y, por lo tanto, existe una interferencia mínima entre los bloques
adyacentes y hace que la detección de señales sea relativamente simple. Sin embargo, OMA
solo puede admitir un número limitado de usuarios debido a las limitaciones en el número de
bloques de recursos ortogonales, lo que limita la SE y la capacidad de las redes actuales. Para
admitir un número masivo y dramáticamente diferentes clases de usuarios y aplicaciones en
redes 5G, se han propuesto varios esquemas de NOMA ya que permite más bloques de
usuarios, lo que facilita la gestión del espectro.
Son múltiples formas de onda, modulación y codificación, y esquemas de acceso múltiple
avanzadas utilizado en el 5G para mejorar la interfaz de radio, donde se puede profundizar el
estudio en [64].
3.1.1.2 Tecnologías avanzadas de antena
Las técnicas de múltiples antenas, aquí denominadas características AAS, incluyen
formación de haz y MIMO. Estas características ya se utilizan con los sistemas
convencionales en las redes LTE de hoy [66]. La aplicación de las características de AAS a
una radio AAS da como resultado mejoras significativas en el rendimiento debido a los
mayores grados de libertad que proporciona el mayor número de cadenas de radio, también
conocidas como MIMO masivo [67].
3.1.2 Tecnologías de red
El aumento en la cantidad de conexiones de red, que van desde los teléfonos inteligentes
hasta los decodificadores multimedia en el hogar, y respaldado por el aumento constante de
los servicios en línea, está cargando actualmente las tecnologías de implementación
heredadas y las estrategias del operador. Si bien una base de clientes sólida es el objetivo
comercial para operadores y proveedores de servicios, estos tienen un costo, creando
escenarios de QoS complejos y aumentando el gasto de capital (Capex) y el gasto operativo
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 102
(Opex) para dar soporte a nuevos lotes de clientes [68]. Actualmente, para respaldar esta
creciente base de clientes y extender la conectividad en línea a nuevas áreas, se requiere el
despliegue de nuevos enlaces y más ancho de banda, así como más infraestructura de
servicios y centros de datos, lo que aumenta considerablemente los costos asociados con estas
extensiones. Se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras y se han aplicado a nuevas
estrategias para adaptar dinámicamente las redes y servicios de acuerdo con la demanda. En
las siguientes subsecciones, nos centramos en los tres mecanismos más impactantes para el
próximo 5G, a saber, Redes definidas por software y Virtualización de funciones de red, red
avanzada de auto organización y la C-RAN.
3.1.2.1 Arquitectura SDN Y NFV
SDN permite que el software reconfigure dinámicamente los aspectos de reenvío de la red, a
través de una separación lógica del control y las rutas de datos. Mientras que la NFV permite
que los operadores de red y servicios aprovechan un grupo existente de recursos de red y
procesamiento, para generar la infraestructura subyacente necesaria de manera virtual, en
lugar de implementar físicamente una nueva infraestructura de red y servidor.
Para abordar estas interfaces, se introducirán ideas de clase de tráfico. Además, para admitir
rápidamente el corte de la red por la red de transporte, y los sistemas de SDN y la
virtualización de la función de la red (NFV) serán compatibles con la red de transporte, por
ejemplo, separando los planos de control y de datos a través de la abstracción de la ruta de
datos basada en paquetes comunes. Estos datos unificados y el plano de control interconectan
el acceso por radio 5G y las funciones de red principales, alojadas en una infraestructura de
nube dentro de la red. La red de transporte 5G consistirá en una infraestructura de red óptica
e inalámbrica integrada. [69] La arquitectura propuesta de 5G con NFV y SDN se centra en
la infraestructura física que tiene una red de acceso por radio, una red de transporte y la red
central (ver figura 53).
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 103
Figura 53: Infraestructura de la red SDN Y NFV [69].
Esta arquitectura tampoco es apropiada porque falta el concepto de software y programación.
Este concepto es importante en 5G con SDN y NFV. Por lo tanto, el marco de software y
programabilidad de 5G se explica con más detalle en [69] y [70].
3.1.2.2 Red avanzada de auto organización (SON)
“Algunas de las primeras funciones de SON surgieron de redes 3G como UMTS y se han
incluido más funciones de SON en 4G. Si bien, SON aún está lejos de poder tomar el control
de la administración de la red inalámbrica, su filosofía de auto-organización muestra un gran
potencial para futuras redes aún más complicadas, como 5G. Se anticipa que 5G tendrá un
ancho de banda agregado mucho más alto, un rango de frecuencia mayor y, por lo tanto, una
mayor variedad de coberturas de celdas, muchos más puntos de transmisión y un orden
MIMO mucho mayor. Esto requerirá una mayor coordinación entre los sitios y un mayor
número de tecnologías. Por lo tanto, la red 5G planteará grandes desafíos operativos. Por lo
que se propone el NG (nueva generación) SON que será una tecnología clave para que los
operadores aborden estos desafíos” [71]. No solo será una parte integral y obligatoria de 5G,
sino que también será un habilitador clave para el éxito de 5G.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 104
3.1.2.3 C-RAN
La estructura C-RAN ha sido mejorada de tal forma que los operadores pueden desplegar
redes móviles más rápidamente utilizando diferentes tecnologías de acceso mientras
comparten la misma infraestructura. Con este fin, el costo del despliegue se reduce, los
recursos de red se utilizan de manera efectiva y el rendimiento a menudo se reduce.
3.1.3 Tecnologías para mejorar los escenarios de banda ancha móvil
3.1.3.1 Implementación de pequeñas celdas para mejorar la calidad de servicio
Las demandas de datos móviles en las redes celulares ocurren predominantemente (70%) en
áreas interiores, mientras que la estrategia de planificación de radio tradicional no está
preparada para abordar este problema [72]. El tema de la cobertura es especialmente
desafiante para grandes edificios como centros comerciales, hoteles, Oficinas de la empresa
y del gobierno, donde múltiples superficies interiores de diferentes propiedades
electromagnéticas impiden la propagación de la señal. La densidad típica de suscriptores
interiores en los edificios mencionados anteriormente es alta, pero la calidad de servicio
(QoS) que se les entrega es actualmente baja.
El despliegue de las pequeñas celdas permitirá incrementar la capacidad, y facilitará una
buena gestión del espectro, para adaptarse a los parámetros de conectividad del usuario.
3.1.3.2 DASH (Dynamic adaptive streaming over HTTP)
El tráfico de Internet debido a las aplicaciones de video está aumentando gracias a la difusión
de nuevos dispositivos como tabletas, teléfonos inteligentes, televisores inteligentes que
están conectados a Internet a través de conexiones inalámbricas y por cable de banda ancha.
La transmisión de video, en forma de distribución de video generada por el usuario, como en
el caso de YouTube, o para ofrecer películas y series de televisión, como en el caso de Netflix,
es la aplicación que está impulsando este crecimiento [73]. A pesar de que el TCP ha sido
considerado en el pasado como inadecuado para transportar flujos de video, actualmente los
videos se transmiten a través de HTTP con el TCP, y los navegadores web que implementan
el estándar HTML5 ahora pueden reproducir videos sin el uso de ningún complemento
externo.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 105
El enfoque más común para distribuir video es la transmisión progresiva de descargas: el
contenido del video está codificado a una tasa de bits determinada y se envía al usuario como
cualquier otro archivo a través de una conexión HTTP. El problema con este enfoque es que,
aunque las conexiones TCP son elásticas, el contenido de video transportado a través del
socket TCP no es elástico; por lo tanto, un desajuste persistente entre la tasa de bits de
codificación y el ancho de banda disponible de la red puede dar lugar a interrupciones en la
reproducción. Otro inconveniente de este enfoque es que los dispositivos móviles, como
tabletas o teléfonos inteligentes, pueden no ser capaces de reproducir un video de alta
definición debido a sus recursos computacionales limitados [74].
3.1.3.3 eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast and Multicast Service)
eMBMS es la última tecnología PTM de 3GPP LTE completamente estandarizado. El
estándar eMBMS puede ser predominantemente, descrito por dos metodologías de
implementación, es decir, MBSFN y SC-PTM.
Las implementaciones de MBSFN consisten en un grupo de celdas que forma una
transmisión completamente sincronizada, eliminando interferencia de la célula para el
servicio de difusión dentro de la zona de dato. La compensación aquí viene a la inflexibilidad,
particularmente en cuanto a la planificación de recursos, que es rígida y en gran parte fija por
la duración del servicio. [75] Con MBSFN, la transmisión y multicast utiliza el canal físico
multicast (PMCH) para una transmisión independiente que permite la sincronización SFN.
Un canal físico diferente permite usar configuraciones que no se permiten con unicast, que a
su vez proporcionan longitudes prefijadas cíclicas (CP) extendidas de 16,6, 33,3 y 200 µs
[76]. Debido a la transmisión SFN, MBSFN utiliza un patrón de señal de referencia más
denso que el patrón utilizado para unicast. Como principal inconveniente, el uso de técnicas
de ingreso y de salida múltiple (MIMO) que proporcionan la ganancia de multiplexación no
se define para MBSFN, lo que reduce la eficiencia espectral máxima.
El método SC-PTM se introdujo con el objetivo de aumentar la flexibilidad de la asignación
de recursos para implementaciones de PTM. Desde entonces ha evolucionado a la etapa 5G.
En la capa de control de acceso al medio (MAC), aparte del canal de tráfico de multidifusión
(MTCH), el canal de tráfico de multidifusión celular (SC-MTCH) se define a transmitir datos
de tráfico de la red al UE utilizando SC-PTM. En la capa física (PHY), SC-PTM permite un
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 106
solo celular para transmitir a un grupo de usuarios a través de enlace de canal compartido
(PDSCH), utilizado por la transmisión unicast. Compartir un canal físico también implica
usar el mismo operador [75].
3.1.4 Tecnologías para mejorar las comunicaciones tipo máquina
En los últimos años, el desarrollo de una visión 5G llevó al consenso de que la última
generación de sistemas de comunicación celular se verá impulsada por una serie de casos de
uso emergentes [77], mientras que las generaciones anteriores de sistemas celulares se han
diseñado principalmente para aumentar eficiencias espectrales para habilitar aplicaciones
hambrientas de ancho de banda para usuarios humanos. De hecho, el Proyecto FP7 METIS
desarrolló un concepto de sistema 5G en el que esta búsqueda bien aceptada para tasas de
datos más altas se resume en un servicio denominado "Banda Ancha Móvil Extrema"
(eMBB) [77]. Sin embargo, además de eMBB, los nuevos casos de uso y las aplicaciones
también requieren servicios fundamentalmente nuevos. La introducción del nuevo paradigma
de las comunicaciones de tipo máquina (MTC), además del tráfico de tipo humano, plantea
importantes desafíos hacia una solución de radio unificada. Por tanto, la mejora en las
comunicaciones tipo máquina se podrá estudiar aún más en [78].
3.1.5 Tecnologías para mejorar la eficiencia energética de la red
El consumo de energía se ha convertido en una de las principales preocupaciones en el diseño
y el funcionamiento de los sistemas de comunicación inalámbricos. De hecho, mientras que
durante más de un siglo las redes de comunicación han sido diseñadas principalmente con el
objetivo de optimizar métricas de rendimiento como la tasa de datos, el rendimiento, la
latencia, etc., en la última década, la eficiencia energética ha emergido como una nueva
tecnología. Figura prominente de mérito, debido a preocupaciones económicas,
operacionales y ambientales. El diseño de la próxima generación (5G) de redes inalámbricas
tendrá que considerar necesariamente la eficiencia energética como uno de sus pilares
fundamentales. De hecho, los sistemas 5G ofrecerán una cantidad de dispositivos sin
precedentes, proporcionando conectividad ubicua y servicios innovadores y exigentes. Se
prevé que para 2020 habrá mucho más dispositivos conectados. Por tanto, para realizar todo
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 107
esto es necesario que el 5G tenga en cuenta el despliegue de las pequeñas celdas ya que
permite minimizar el gasto de energía, maximizando la vida útil de las baterías.
3.1.6 Tecnologías para mejorar la privacidad y seguridad
A medida que se acerca la era 5G, el volumen de tráfico de datos y la variedad de servicios
aumentarán a niveles nunca antes vistos. El servicio de IoT es solo uno de los muchos.
Cuando se trata de 5G, no se trata simplemente de ser un medio para la comunicación. Se
puede ver como un catalizador para minimizar el límite entre el mundo digital y el mundo
físico. El diseño de seguridad 5G es un sistema integral que brinda protección de seguridad
para todo el mundo conectado [79]. Sin embargo, la mejora de tecnología de privacidad y
seguridad se puede apreciar de las siguientes formas [80]:
• Protección de seguridad diferenciada: El diseño de seguridad E2E se adapta a
diferentes industrias verticales. En ese caso, el diseño de la protección de seguridad
debe considerar cómo cumplir con varios requisitos de seguridad.
• Flexibilidad: Para brindar un mejor soporte y una respuesta rápida a los requisitos de
la industria vertical, es bueno que las capacidades de seguridad de E2E se puedan
alinear rápidamente con los cambios en el negocio. En ese caso. solicitaría una
implementación y adaptación de seguridad E2E flexible y altamente eficiente.
• Protección de la privacidad: 5G verá cómo los servicios de APP prosperan
vigorosamente. Junto con este próspero, los datos de privacidad personal también
crecen de forma masiva, incluidos los identificadores de dispositivos, las ID de
usuarios y las preferencias de los usuarios. Teniendo en cuenta esto, la protección de
la privacidad se puede construir de extremo a extremo, sin que ninguna parte de la
cadena de seguridad sea vulnerable a las filtraciones de privacidad.
• La seguridad como servicio: Frente a la convergencia de TI y CT, la industria de las
telecomunicaciones está buscando aumentar su fortaleza y servir mejor a las
industrias verticales. Los sistemas de comunicaciones telefónicas han hecho bien en
proteger la privacidad del usuario, y los usuarios han desarrollado un nivel de
confianza relativamente bueno con la seguridad de los sistemas de comunicación. 5G
podría continuar ampliando la confianza del usuario al abrir capacidades de seguridad
como un servicio para usuarios individuales e industrias verticales.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 108
• Administración de la identidad: Las infraestructuras de software y hardware se
ejecutan en un entorno de múltiples proveedores. Con el fin de mitigar el acceso no
autorizado a los recursos de la red, una gestión de identidad estricta es una posible
necesidad.
• Protección de datos: La integridad y la protección de confidencialidad se
proporcionan a través de la transmisión de datos para evitar que los datos sean
interceptados o redireccionados a destinos no autorizados.
3.1.7 Tecnologías que permiten mayores tasas de datos
En redes 5G, se desea proporcionar una velocidad de datos basada en varios gigabits por
segundo para la comunicación mediante el uso de MIMO masivo, mmWave y nuevas formas
de onda. Existe una gran demanda de un aumento radical en la capacidad y el ancho de banda
de diferentes redes celulares e inalámbricas.
Las velocidades de datos en una futura red de 5G de generación inalámbrica deben aumentar
hasta varios gigabits por segundo. Esta alta velocidad de datos se puede procesar mediante
el uso de antenas orientables de espectro mmWave. Esta longitud de onda milimétrica más
pequeña se puede integrar con antenas direccionales para obtener un rendimiento más alto
porque MIMO masivo como técnica de procesamiento espacial puede proporcionar
polarización ortogonal y adaptación de formación de haz [81].
3.2 Desafíos que enfrentan las redes móviles 5G
3.2.1 Desafíos en el paso desde 4G a 5G
Los desafíos que enfrentan las redes 5G son numerosos; ya que la complejidad de estas redes
la hace más difícil de implementar, entre los que se mencionan los que se han considerado
más importantes [82]:
• Terminales de usuario multi-modo: por medio de 4G, será necesario diseñar un solo
terminal de usuario que pueda operar en diferentes redes inalámbricas y superar los
problemas de diseño, como las restricciones en el tamaño del dispositivo, su costo y
la utilización de la energía. Este problema se puede resolver mediante el uso de
software de enfoque de radio.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 109
• Elección entre varios sistemas inalámbricos: cada sistema inalámbrico tiene sus
características y funciones distintivas. La elección de la tecnología más apropiada
para un servicio específico en un lugar específico y en un momento específico. Esto
se aplicará al hacer la elección de acuerdo con el mejor ajuste posible de los requisitos
de QoS (Calidad de servicio) del consumidor.
• Seguridad: se deben diseñar mecanismos de protección reconfigurables, adaptables y
ligeros.
• Infraestructura de red y soporte de QoS: la integración de los sistemas actuales no
basados en IP y basados en IP y la garantía de QoS para los servicios de extremo a
extremo que utilizan diferentes sistemas es un desafío.
• Carga y facturación: es difícil acumular, manejar y acumular la información de la
cuenta de los consumidores de muchos proveedores de servicios. De la misma
manera, la facturación de los consumidores también es una tarea difícil.
• Ataques en el nivel de aplicación: aplicaciones de software que ofrecerán una nueva
característica al consumidor, pero que iniciarán nuevos errores.
• Jamming y Spoofing: la simulación es una señal de GPS falsa que se envía, en cuyo
caso el receptor de GPS considera que las señales llegan desde un satélite y calculan
las coordenadas incorrectas. Los delincuentes pueden hacer uso de tales técnicas. El
bloqueo se produce cuando un transmisor que envía señales a la misma frecuencia
cambia una señal de GPS.
• Cifrado de datos: si un receptor GPS se comunicará con el transmisor principal,
entonces el enlace de comunicación entre estos dos no es difícil de romper y el
consumidor debe usar datos cifrados.
3.3 IoT y el número de conexión
El acceso a IoT va a crear un incremento masivo en el número de dispositivos y las
conexiones a través de las redes móviles. Las redes basadas en 3GPP tienen límites en el
plano de control en cuanto al número de usuarios que pueden ser así como limitantes en
cuanto al número de usuarios planificado transmitir o recibir en los nodos de la red y los
límites son insuficientes para manejar el crecimiento Generado por IoT. Por lo tanto, se
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 110
requieren mecanismos de control de acceso y la reducción de la señalización en el plano de
control para los usuarios de IoT.
3.4 Volumen de datos
El volumen de los datos es el impulsor principal para el despliegue de la 5G. La cantidad de
datos que se requiere a través de las redes móviles continúa a un ritmo de un 50% anual hasta
el 2030, debido fundamentalmente al incremento de la resolución la pantalla y el desarrollo
del video en 3D, por tanto, la capacidad de los datos extremo a extremo en la red tendrá que
ser incrementada tanto en la interfaz de radio como en las redes de acceso y el núcleo de red.
3.5 Incrementar la capacidad sin incremento de costo
El incremento de la capacidad de los datos en la red sin un significativo la inversión en el
costo de la operación en el futuro. Una tecnología desarrollada para ello es la separación de
los planos de control y de usuario de forma tal que la señalización en el primero se desempeña
en la estación macro mientras que el plano de usuario se aplica a las celdas dentro de la
cobertura de la estación macro lo que resulta en un aumento de la capacidad en el plano de
usuario sin añadir complejidades. Utilizar más eficientemente los sitios, el espectro y la
infraestructura.
3.6 Arquitectura de despliegue rápido y seguro
Como ha sucedido con las generaciones móviles anteriores, la velocidad de su despliegue ha
dependido de la elección adecuada de la capacidad de backhaul que puede ser asignada a
cada nuevo sitio, así como su capacidad y flexibilidad. La 5G tiene que desafiar el despliegue
de otras arquitecturas más bien como las redes concentradas (C-RAN), como una evolución
necesaria para complementar la separación de los planos de control y el usuario con el
objetivo de redirigir más redes flexibles más en la nube Lo que .Bajo este concepto, algunas
de las funciones de la red son más allá del sitio celular para integrarse como un servicio de
banda base consolidado en la nube, lo que ofrece una reconfiguración más fácil debido a que
tanto la señalización en el núcleo como la inteligencia son mantenidos dentro de la nube y la
solución para el mejoramiento de la misma se traduce en la flexibilidad de despliegue y
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 111
solamente los elementos físicamente localizados son los transceptores para brindar
información de conexión a los usuarios.
3.7 Información en tiempo real de los servicios críticos
Los servicios de emergencia, monitoreo médico y otros servicios de atención de datos en
tiempo real y alto nivel de confiabilidad. Las redes inalámbricas son cada vez más usadas
para estas finalidades. Por su parte, los servicios de policía, bomberos y ambulancias.
Mientras tanto, en la actualidad, estos servicios se mostrarán mediante redes dedicadas, por
lo general, de capacidad limitada, y que requieren grandes inversiones para garantizar una
cobertura razonable [81]. Pero los requisitos son más rápidos. Por tanto, se requieren
innovaciones y tecnologías de redes nuevas para escenarios ultra confiables, donde se debe
asumir la habilidad de conectar y operar en infraestructuras severamente degradadas o con
pérdidas completas. Esto se realiza mediante comunicación directa dispositivo, un backhaul
e interconexión adecuada y una reconfiguración de la red flexible.
3.8 Lidiando con la realidad aumentada
En la medida en que la realidad se incrementa se despliega en dispositivos personales, la
demanda sobre el desempeño de la red se incrementa dramáticamente. El aspecto clave es la
latencia, la verdad y la realidad. Si los tiempos de demora no son lo suficientemente
pequeños, los servicios de realidad virtual no pueden suministrados. Los servicios con baja
latencia.
3.9 M2M y automovilismo
A pesar de que se habla mucho de la comunicación M2M y su papel en la IoT, hay un sector
que ha estado presionando en esta área es automovilismo. Ya existen aplicaciones de
conectividad inalámbrica para automóviles en el desarrollo o en las pruebas iniciales y el
despliegue, donde se utiliza información en el vehículo como un concentrador con la red
celular como backhaul. En estos casos el vehículo funciona como la base de radio en la red
debido a su potencia de batería disponible.
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 112
3.10 Retos del operador para la densificación de redes
La densificación de la red tiene como objetivo principal mantener a los clientes contentos al
proporcionar con servicios mejores a los esperados. Demasiados usuarios en el mismo.
La celda afectará la accesibilidad y usabilidad. Los operadores necesitan proporcionar a los
usuarios con una calidad óptima manteniendo el Costo Total de Propiedad (TCO) a un
mínimo. Las siguientes secciones describen estos desafíos.
3.10.1 Gestión de interferencias y movilidad
Una red densificada plantea preocupaciones particulares para un operador móvil. Las redes
predominantemente basadas en macros se convertirán en pequeñas redes celulares con un
puñado de macros. Los operadores necesitan una estrategia coherente a largo plazo para
desplegar celdas pequeñas porque si las celdas no están planeadas desde el principio, los
niveles de interferencia pueden aumentar dramáticamente.
Un segundo aspecto es la movilidad y el deseo de los suscriptores por los más altos posibles
rendimientos y la mayor fiabilidad de conexión. El rendimiento puede ser dañado por las
transferencias, en particular las transferencias entre sistemas que deben ser minimizados. Las
redes del mañana deberán equilibrar cuidadosamente el rendimiento, movilidad y mitigación
de interferencias.
3.10.2 Análisis de TCO
El costo total de propiedad (TCO) para celdas pequeñas es crítico porque en una red
densificada los números de sitios se multiplicarán exponencialmente. TCO comprende tanto
los gastos de capital como los gastos operativos (CAPEX, OPEX) y por lo general se calcula
durante al menos tres años para reflejar el verdadero costo de "vida útil" de una red. Hay
varios componentes diferentes que componen el TCO para celdas pequeñas, de las cuales la
construcción y adquisición del sitio son a menudo los componentes de mayor costo, a pesar
de ser un costo único. De los costos recurrentes, la transmisión de backhaul generalmente
encabeza la lista, seguida por la energía, el costo de arrendamiento y gastos de apoyo.
Un enfoque a largo plazo puede evitar costes innecesarios. Por ejemplo, en el corto es posible
que sea mejor actualizar un sitio de macros existente a 6 sectores para agregar capacidad para
un punto de acceso particular. Sin embargo, a largo plazo, podría ser mejor reemplazar los
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 113
sitios de macros con celdas pequeñas en su lugar. Desde una perspectiva de TCO, puede ser
más barato ir inmediatamente a la opción a largo plazo.
3.10.3 Ubicación del sitio
Un buen TCO depende de la facilidad con que se pueda llevar la potencia y la transmisión al
sitio de células pequeñas. Por el contrario, la selección del sitio macro depende de dónde la
antena puede proporcionar la mejor cobertura y capacidad. Teóricamente, el número de sitios
disponibles es mayor para las celdas pequeñas debido a antenas de más baja altura, pero
elegir la ubicación correcta puede ser aún un reto.
3.11 Desafíos de despliegue de la red e implicación
Naturalmente, el despliegue de la innovadora tecnología 5G no será sin sus desafíos. Muchos
de estos desafíos se verán afectados por decisiones normativas y políticas en casi todos los
niveles de gobierno. Dado que los servicios celulares y la infraestructura de
telecomunicaciones que los habilita están tan profundamente integrados en nuestras vidas, es
lógico que las políticas gubernamentales tengan un gran impacto en el despliegue de las
tecnologías 5G. Reconocer esto permite a la industria de las telecomunicaciones identificar
formas de trabajar con los distintos niveles de gobierno para desarrollar políticas y
regulaciones que sean beneficiosas para todas las partes: consumidores, industria y gobierno.
Los dos desafíos principales serán asegurar un espectro adecuado para permitir los casos de
uso que se prevén para la tecnología 5G y facilitar el desarrollo y despliegue de la
infraestructura para satisfacer el crecimiento de la demanda de servicios celulares.
3.11.1 Espectro
El espectro, particularmente el espectro con licencia, históricamente ha jugado un papel clave
en el despliegue de nuevas tecnologías celulares. [83] Las bandas de espectro móvil con
licencia a menudo se han reagrupado para utilizar el espectro de 600MHz para la última
tecnología inalámbrica móvil.
Para cada generación sucesiva de tecnología celular, se necesita espectro adicional para
satisfacer la creciente demanda de los consumidores y catalizar el desarrollo tecnológico. 5G
no será una excepción. 5G necesitará espectro adicional para satisfacer las altas demandas a
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 114
la red, y tendrá éxito en proporcionar beneficios al consumidor y maximizar los beneficios
económicos [84].
Sin embargo, sin los recursos de espectro adecuados será difícil realizar beneficios
considerables. A lo largo de los años, [84] ha habido avances tecnológicos significativos
como 4x4 MIMO, 256 QAM y agregación de portadores que han contribuido a mayores
eficiencias espectrales y, por lo tanto, mayores rendimientos y capacidad. Pero estos avances
tecnológicos solo pueden llegar hasta el momento sin los activos de espectro subyacentes en
los que funcionan. Ya hay una gran demanda en el espectro existente en uso por los
operadores celulares para servicios 4G y estas demandas no disminuirán a medida que la
tecnología 5G continúe desarrollándose. Una escasez de espectro adicional podría obligar a
los operadores celulares a priorice el espectro para ofrecer servicios 4G, lo que dificulta
enormemente la inversión en tecnología 5G y limita sus beneficios.
Los gobiernos y los reguladores pueden hacer su parte para garantizar que esto no ocurra al
crear un espectro para satisfacer las necesidades celulares futuras. Identificar bandas de
espectro adecuadas en todos los rangos, desde banda baja hasta mmWave, será fundamental
para permitir el éxito de la tecnología 5G. La utilización eficiente de estos recursos de
espectro escasos debe ser el objetivo principal y puede lograrse a través de subastas de
espectro.
Dado que 5G apunta a mejoras en tres frentes, banda ancha móvil mejorada, conectividad a
gran escala y servicio de baja latencia ultra confiable, habrá diferentes necesidades de
espectro que las generaciones anteriores de tecnología celular. Al igual que las propiedades
de estas diferentes bandas de espectro varían, también lo hace su aplicabilidad al rango de
casos de uso 5G y verticales de la industria. Para cumplir con los requisitos de todos los casos
de uso, los operadores celulares necesitarán ambos La amplitud de los activos de espectro en
estas bandas y la profundidad de los activos de espectro dentro de las bandas para satisfacer
la demanda proyectada.
Asegurar que haya activos de espectro disponibles en todas estas bandas es fundamental y
requerirá un esfuerzo gubernamental concertado y una planificación estratégica junto con la
industria para identificar bandas candidatas subutilizadas que cumplan con los requisitos
[83]. Si bien es probable que estas decisiones se tomen a nivel del gobierno nacional, no se
deben tomar en forma aislada. La importancia de crear un ecosistema global para 5G con
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 115
bandas de espectro armonizadas no puede ser subestimada. Las bandas de espectro comunes
ayudan a realizar economías de escala y aceleran el desarrollo, despliegue y adopción de
tecnologías celulares.
Este enfoque holístico para crear un suministro suficiente de activos de espectro en todos los
rangos de frecuencia fomentará la inversión en tecnología 5G y promoverá su adopción. Será
difícil realizar plenamente el potencial económico de 5G sin los activos de espectro con
licencia necesarios; Pero hacer que el espectro esté disponible es simplemente el primer paso.
Para utilizar ese espectro es necesario contar con políticas y regulaciones que promuevan el
desarrollo de la infraestructura 5G y permitan la construcción y el despliegue oportunos de
la arquitectura de la red.
3.11.2 Desarrollo y despliegue de infraestructuras
La tecnología 5G tendrá necesidades de infraestructura únicas porque abordará los desafíos
de la banda ancha móvil mejorada, la conectividad a gran escala y los servicios de baja
latencia ultra fiables. Las diferentes bandas de frecuencia que se utilizarán en el rango de
banda baja a mmWave tienen características únicas e impactarán la infraestructura que se
necesita. Un buen ejemplo sería el uso del espectro mmWave para proporcionar servicios
inalámbricos fijos y velocidades extremas. Si bien el servicio inalámbrico fijo puede ser
convincente, habrá desafíos inherentes para realizar esto a escala. La propagación limitada
del espectro de mmWave y su limitada penetración de objetos requerirán un número mucho
mayor de sitios para brindar cobertura que los diseños de redes celulares actuales. La
necesidad de un mayor número de sitios tiene implicaciones de capital obvias, elevando el
costo de proporcionar un servicio de este tipo y requiriendo una densidad de población y
participación de mercado suficientes para ser rentable [85]. Es probable que estas
restricciones limiten el uso del espectro de mmWave a áreas urbanas o áreas suburbanas
posiblemente densas.
Centrándose en el espectro de banda media, se prevé que el espectro en este rango se utilizará
para proporcionar capacidad de red y velocidades más altas. Se espera que la banda media
proporcione una combinación de velocidad y capacidad de red adicional. Dada la reducida
gama de espectro en el rango de 3.5 a 7.0 GHz, [86] es probable que esa capacidad adicional
venga en forma de densificación. Esto implicará el uso de celdas pequeñas de manera precisa
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 116
y dirigida para aliviar la congestión y aumentar las redes celulares, probablemente empleando
antenas más pequeñas y de poca altura. De alguna manera, este enfoque podría verse como
un uso más eficiente del capital para las mejoras de la red, pero también requerirá un gran
volumen de nuevos sitios e implementaciones, lo que según las regulaciones actuales
probablemente sea un proceso engorroso y lento.
También es probable que los servicios 5G aprovechen técnicas innovadoras como la
computación de borde y las redes de acceso de radio centralizadas (C-RAN). C-RAN creará
grupos centralizados de procesamiento de banda base para optimizar la experiencia del
usuario y mejorar la eficiencia espectral, particularmente en los bordes de las celdas, a través
de una mejor coordinación de recursos [85]. La computación perimetral tiene el potencial de
reducir la latencia y mejorar la velocidad al mover las capacidades de procesamiento de datos
tradicionalmente ubicadas en la red central más cerca del usuario final. La integración de
estas dos técnicas ejercerá una mayor presión sobre los procesos existentes de ubicación y
despliegue.
A nivel estatal y local del gobierno, debe ser una prioridad definir claramente las pautas de
procesamiento de la aplicación del sitio y los motivos de las denegaciones de la aplicación.
Los límites de tiempo también deben implementarse en el procesamiento de la solicitud y se
deben evaluar tarifas razonables basadas en el costo para el acceso a los postes de servicios
públicos estatales y locales y los derechos de paso. A nivel del gobierno federal, debería
haber un mayor acceso a las propiedades federales; El terreno para la ubicación de la antena
y las células pequeñas, debido a su impacto visual limitado, no deben someterse a una
revisión ambiental e histórica rigurosa. Realizar estas mejoras en los procesos de ubicación
y permisos reducirá las barreras para la expansión de las redes celulares, lo que les permitirá
satisfacer la demanda de los consumidores y las necesidades de 5G [86].
La infraestructura de telecomunicaciones para 5G también podría beneficiarse de la
alineación de la política fiscal para facilitar el acceso a los sitios de antena. Dado que se
espera que la tecnología 5G desempeñe un papel integral en la mejora de la seguridad del
transporte y la eficiencia de la vía a través de vehículos conectados y la comunicación de
máquina a máquina, los ingresos de un aumento del impuesto federal sobre el gas podrían
ayudar a desarrollar las redes 5G. Un posible enfoque sería otorgar fondos estatales para
proyectos de infraestructura después de que demuestren políticas de ubicación beneficiosas
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 117
para la creación de redes 5G robustas. Esto incentivaría a los estados a desempeñar un papel
en la configuración de las redes 5G que contribuirían al bien público.
Conclusiones del capitulo
Los principales desafíos que enfrentan las redes móviles de quinta generación IoT, M2M,
incremento de la capacidad sin incrementar el costo, gestión de interferencia y movilidad,
volumen de datos, espectro y desarrollo de nuevas infraestructuras se muestran como puntos
clave para poder hacer realidad las redes 5G; ya que a partir de allí se ha llevado nuevos
pensamientos, lo que condujo a mejoras tecnológicas tales como desarrollar arquitectura
SDN y NFV que permite separar los planos de control y de datos a través de la abstracción
de la ruta de datos basado en paquetes comunes, así facilitando una mejora gestión de la red,
y C-RAN para reducir el costo del despliegue de las redes.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 118
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
Con la realización de este trabajo de diploma se arriban a las siguientes conclusiones:
• La tecnología 5G logra una eficiencia espectral mejorada utilizando despliegue de
antenas MIMO masivo y celdas pequeñas, además alcanza una razón de transferencia
de datos hasta los 20 Gbps.
• Las tendencias del mercado más significativas en los servicios móviles en la
actualidad, la llamada Internet of Things (IoT) así como servicios de redes
inalámbricas más extensos, imponen requisitos tales como: un incremento de 100
veces en la razón de transferencia de datos, una latencia de aproximadamente 1ms,
un incremento de 10-100 veces en el número de dispositivos y un incremento del
tráfico de 1000-5000 veces, que conducen hacia la necesidad de una red móvil 5G.
• La mejora en la arquitectura de Phantom cell con la configuración de separación del
plano de control y el plano de usuario con nodos separados se muestra como una
alternativa factible para soportar la escalabilidad del sistema y la integración de las
bandas de las altas frecuencias y las bajas frecuencias.
• La solución MIMO 3D, con un gran número de elementos de antena permite
incrementar la eficiencia espectral y su aplicación en las frecuencias mmWave se
presenta como una solución potencial que permitirá una razón de transferencia de
datos más alta mediante el uso de mayores anchos de banda.
• La nueva técnica de Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA) utilizando SCMA,
MUSA, PDMA y PDMA permite mejorar la gestión de recurso de los usuarios y así,
optimizando la red.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 119
• 5G usa tecnología de Radio Cognoscitiva para admitir el acceso de espectro dinámico
(DSA), para permitir a los sistemas seleccionar el espectro de frecuencia en el que
operarán en una ubicación determinada y en un período de tiempo determinado para
optimizar el uso del espectro disponible y evitar la interferencia con otras radios u
otros sistemas.
• La arquitectura C-RAN cuando integra las tecnologías NFV y SDN posee una
escalabilidad y flexibilidad que permite ajustar el desarrollo de futuras redes móviles
y es una solución efectiva en cuanto a costos para encarar los desafíos en los
escenarios que requiere el desarrollo del 5G.
• La arquitectura H-CRAN emplea técnicas como CC-SON, LS-CMA, CC-CRRM,
etc. para proporcionar mayor flexibilidad a la red.
• Los desafíos enfrentados en el paso de 4G a 5G han contribuido en el desarrollo y
fortalecimiento de las nuevas tecnologías implementadas en las redes 5G.
• Se han mejorado muchas de las tecnologías, tales como C-RAN, M2M, SDN y NFV,
y Redes SON para optimizar aún más las nuevas redes 5G.
Recomendaciones
Con respecto a todo lo que se ha expuesto anteriormente, se realizan las siguientes
recomendaciones:
• Se recomienda dar seguimiento al estudio de este trabajo dado que las mejoras
tecnológicas y nuevas arquitecturas de acceso de radio actualmente están en
desarrollo.
• Consultar el presente trabajo como guía para la búsqueda y estudio de los
procedimientos y técnicas de acceso capaces de satisfacer las especificaciones de las
redes 5G para la implementación de tecnologías de acceso de radio.
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ANEXOS 126