universidad de los andes departamento de ingeniería de
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Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería de Sistemas y
Computación
Tecnologí as Emergentes hacia 5G
Proponente:
Luis Alberto Moreno Chanchay
Director:
Yezid Enrique Donoso Meisel
1. INTRODUCCION
1.1. Objetivos
Esclarecer el cambio de paradigma tecnológico que marcaría la evolución a
5G.
Determinar los cambios tecnológicos propuestos para 5G.
Realizar un análisis comparativo de los cambios entre 4G y 5G.
1.2. Justificación
En la actualidad, el dramático el crecimiento de los servicios de datos
móviles [1], especialmente impulsado por el internet inalámbrico y la
inmensa variedad de dispositivos inteligentes conectados a internet, han
llevado a iniciar las investigaciones y desarrollos hacia las futuras tecnologías
para las redes móviles de 5ta Generación. Estas futuras redes móviles de 5ta
Generación, abreviadamente 5G, tienen que cumplir con elevados
requerimientos de tráfico, desempeño, consumo de energía y, por supuesto,
de costos de comercialización e implementación.
1.3. Descripción del Proyecto
Con la actual finalización del despliegue de la tecnología 4G-LTE en las
principales ciudades Colombia [3], y la maduración de esta tecnología
alrededor del mundo. Se ha creado una expectativa acerca del próximo
cambio generacional de las redes móviles y sus consecuentes cambios y/o
avances tecnológicos.
En este proyecto se buscará clarificar, mediante la búsqueda de
información en trabajos de investigación recientes, publicaciones y entre
otras fuentes de información, el debate actual generado acerca de lo que
debe y puede ser el estándar 5G en redes móviles. Con esto se quiere
establecer los requerimientos necesarios a futuro, debido a la tasa de
crecimiento del tráfico y subscriptores, y los retos tecnológicos subsecuentes
que pueden dar cabida a la evolución generacional hacia el 5G. Además,
se incluirá un análisis comparativo, haciendo especial énfasis a los cambios
que generan la consecución del cambio generacional, entre los resultados
encontrados para la tecnología 5G y el estándar actual que define la
tecnología 4G.
Figura 1 Tecnologías de redes móviles. [23]
2. GENERACIONES DE REDES MÓVILES
2.1. Vista general de las tecnologías de cada
generación de redes móviles
Generación Tecnologías Tipo Características Cambio disruptivo
1G TACS, NMT,
AMPS
Analógic
a
Únicamente Servicio de voz.
Digitalización del canal de
control.
Comunicaciones
móviles
2G GSM/EDGE TDMA Servicio de datos de baja
velocidad. GPRS.
Servicio de mensajes cortos.
SMS.
Servicios simples de
multimedia. MMS, WAP.
Cambio de
analógico a digital.
Inclusión de
capacidades de
datos sobre la red.
3G UMTS/HSPA,
CDMA200
WCDMA Conmutación por paquetes
y por circuitos.
Aplicaciones multimedia
Velocidad de transmisión
mucho mayor.
Cubrimiento global
Roaming global.
Uso de paquetes de
datos sobre la red(IP)
Excepto por el
servicio de voz
4G LTE-A,
WiMAX 2.0
OFDMA Totalmente conmutacion
de circuitos.
Voz sobre IP
Mayor bandwidth
HDTV
Funcionamiento
total con paquetes
de datos(IP)
Altísima velocidad
de transmisión
Primeras generaciones móviles (1G a 2.75G)
Antes de empezar a discutir acerca de la nueva generación de redes móviles,
comencemos por realizar un corto recorrido por la evolución de las redes móviles,
las cuales desde su inicio ha tenido cambios significantes y un enorme crecimiento.
Para la primera generación de redes móviles se destacaron 3 tipos de sistemas
análogos, Nordic Mobile Telephones (NMT) y Total Access Communications Systems
(TACS), para Europa, y el Advanced Mobile Phone System(AMPS) para Norte
América. Estas tecnologías únicamente podían prestar el servicio de voz y lo
realizaban por modulación analógica, aunque su señalización de control era
digital.
Posteriormente, la segunda generación móvil (2G) fue marcada por un cambio del
paradigma, logrando el paso de una modulación analógica a una digital, es decir,
ahora todas las transmisiones se realizan digitalmente. Consecuentemente, se logro
un uso eficiente del espectro, servicios de datos -como GPRS, SMS, MMS y WAP- , y
avances en los servicios de roaming. Para el uso de la modulación digital se
implementaron 2 diferentes métodos de acceso, TDMA(Time Division Multiple
Access) -Mayormente extendido- y CDMA(Code Division Multiple Access). Para
proveer un estándar unificado único, en Europa, fue desarrollado y desplegado el
Global System for Mobile Communications(GSM), el cual es el estándar por defecto
en las comunicaciones móviles en alrededor de 219 países y territorios, con un 90%
del mercado[23]. El GSM, como estándar de segunda generación(2G), emplea
como método de acceso TDMA, el cual permite a un número de usuarios acceder
a una misma frecuencia de radio por medio de la distribución de los segmentos de
datos en distintos espacios de tiempo, y a pesar de la fragmentación de los datos,
esta no será percibida por los usuarios. En Estados Unidos, por otro lado, fue
desarrollado e implementado redes con tecnología CDMA(IS-95), la cual separa la
transmisión en pequeños segmentos que posteriormente son codificados de tal
forma que se pueda identificar cada una de las transmisiones.
Con la expansión de las redes y el surgimiento de nuevas necesidades de los
usuarios, fue necesario la integración de nuevas aplicaciones mas avanzadas a los
servicios de voz tradicionales. En este caso, también se mitigaron algunas de las
limitaciones de GSM añadiendo capacidades para el manejo de paquetes de
datos a las -con velocidades usuales entre 9.6Kb/s a 14.4Kb/s-, y de esta manera se
dio aparición a tecnologías como GPRS(General Packet Radio Service) y WAP
(Wireless Application Protocol). Estas nuevas capacidades, que fueron introducidas
para el mejoramiento de GSM, son las llamadas redes 2.5G.
Redes móviles de tercera generación (3G)
Para la tercera generación de redes móviles(3G), al contrario de las anteriores
generaciones móviles, se buscó una estandarización alrededor de la industrial
móvil, agregando interoperabilidad e interfuncionamiento de los sistemas móviles,
en miras a evitar la fragmentación que tenia el sistema. En base a esta
característica clave, se crearon, y posteriormente se aprobaron unánimemente, las
especificaciones técnicas para la tercera generación de redes móviles bajo el
estándar International Mobile Telecommunications-2000(IMT-2000) desarrollado por
la International Telecommunication Union(ITU)[26].
A partir de las especificaciones definidas por la IMT-2000, se desarrollaron e
implementaron estándares como: Universal Mobile Telecommunications
System(UMTS) y CDMA2000. El sistema UMTS, estandarizado por el grupo 3GPP, ha
sido implementado mayormente por las regiones que poseían una infraestructura
GSM, por eso en muchos casos se ha definido como la evolución del GSM, a pesar
de que usa otros métodos de acceso. La interfaz de radio, original y mas extendida,
para el sistema UMTS es la Wideband Code Division Multiple Access(WCDMA),
mientras que la Time División Synchronous Code Division Multiple Access(TD-
SCDMA) fue desarrollado y es solamente utilizada en China[27]. Con el continuo
mejoramiento de UMTS, la 3GPP definió HSPA+ el cual provee de una velocidad de
bajada de hasta 56 Mbit/s y de 22 Mbit/s de subida. Mientras que la
implementación de UMTS, en algunos casos, implico el uso de nuevos rangos de
espectros y ,ademas, una mayor densidad de estaciones bases, lo que generó
grandes inversiones por parte de los operadores, el sistema CDMA2000 es una
evolución de su iteración previa de 2G(IS-95), por lo cual hay retrocompatibilidad
con las redes ya establecidas. Actualmente, la ultima release implementada, y
presumiblemente la ultima, es la CDMA2000 1xEV-DO ofreciendo velocidades de
bajada de hasta 4.9 Mbit/s por canal, una implementación típica incluye 2 o 3
canales aumentando la velocidad de bajada hasta 14.7 Mbit/s[26]. Para 2005,
Qualcomm anuncio la finalización del desarrollo del sucesor de CDMA2000, y
posible competidor para LTE en la cuarta generación de redes móviles(4G)[2].
Cuarta generación de redes móviles(4G)
Para la cuarta generación de redes móviles, al igual que la tercera generación de
redes móviles, se definieron un conjunto de requerimiento para los estándares de
4G nombrados como la especificación International Mobile Telecommunications
Advanced(IMT-Advanced). Esta especificación, realizada por la International
Telecommunications Union-Radio communications sector(ITU-R), establece que los
sistemas IMT-Advanced son sistemas móviles que incluyen nuevas capacidades de
IMT que van más allá de los especificados para IMT-2000[25]. Se espera que estos
sistemas, soporten y ofrezcan calidad de servicio(QoS) a una multitud de
aplicaciones y servicios con diferentes niveles de requerimientos, entre ellos, de
transferencia de datos, latencia y jitter, en un entorno cada vez mas multi-usuario,
de tal forma que tenga capacidades para soportar acceso a internet de ultra-
banda ancha, telefonía IP, mobile TV, y entre otros servicios de multimedia de alta
calidad[24]. La característica clave para 4G es la transición total del uso del
conmutación por circuitos a la conmutación por paquetes, es decir una red
totalmente IP.
2.2. LTE-Advanced
El avance de LTE a LTE-Advanced se enfocaron en el aumento de la capacidad,
cumpliendo completamente los requerimientos dados por la ITU en el IMT-
Advanced.
Se añadió capacidad agregando un mayor ancho de banda con un máximo de
100 Mhz, en componentes o grupos de máximo 20 Mhz. Esta agregación
incrementa la capacidad del carrier y puede ser utilizada tanto en FDD, como en
TDD. Asimismo, se aumento la eficiencia del espectro a un máximo de 30bps/Hz en
la Release 10.
Se incrementó el bitrate de la transmisión por medio del uso de Multiple-Input
Multiple-Output con multiples antenas. LTE-Advanced soporta hasta una
configuración de 8x8 MIMO en el enlace de bajada, y de 4x4 en el enlace de
subida.
Posibilidad de un funcionamiento eficiente con redes heterogéneas, es decir con
una combinación de celdas grandes y pequeñas, mediante la introducción de
Relay Nodes(RN). Estos nodos están conectados via interfaz de radio a los Donor
eNB(DeNB), y se ubican en las zonas de borde para mejorar la cobertura y la
capacidad de las celdas. Los RN ofrecerán soporte a las mismas funcionalidades
de un eNB, sin embargo, el DeNB al que esta conectado es el responsable por la
selección de MME.
Coordinated Multi Point operation(CoMP) esta funcionalidad mejora el rendimiento
de la red en las celdas de borde. Esta técnica coordina los puntos de
transmisión/recepción para añadir velocidad o confiabilidad a la transmisión. Hay
dos formas de transmisión, (1) Joint Transmission donde se transmite en la misma
frecuencia el mismo subframe por dos o más puntos de transmisión, y (2) Dynamic
Point Selection donde también se hay por dos o mas puntos de transmisión, pero
cada subframe es programado y solo se transmite por uno de ellos[22].
3. CAMINO HACIA LA 5G Actualmente, la 5ta Generación de Redes móviles o 5G, ha generado un extenso
e interesante debate alrededor de su definición como sucesora de la actual 4G.
Teniendo en cuenta, que las previas cuatro generaciones de redes móviles ha
tenido una cambio de paradigma que marco claramente la separación entre una
generación y su sucesora, es necesario que la futura 5G incluya un cambio de
paradigma similar, y no sea, como muchos escépticos la han calificado, un avance
incremental de 4G.
3.1. REQUERIMIENTOS DE LA FUTURA 5G
3.1.1. Requerimientos de capacidad
En la actualidad, los niveles de crecimiento, no solo del número de dispositivos
conectados, sino también del volumen de información consumido por cada uno
son de orden exponencial. Con un crecimiento de trafico de alrededor del 78%
para el periodo comprendido entre 2012-2016[1]. Sumando a esto, se tiene previsto
que los futuros desarrollos en servicios y aplicaciones requerirán altos niveles de
exigencia en sus requerimientos, tanto de velocidad de conexión y latencia, como
de confiabilidad de la red. Estas futuras aplicaciones como realidad aumentada(ej.
Google glass),e-Health, multimedia 3D y “tactile Internet”[4] requerirán un
incremento de 100 veces en velocidad de transmisión y una reducción en la
latencia a cerca de 1ms.
Figura 2 - Retos claves para 5G. [30]
Paralelamente, se debe soportar los distintos escenarios de movilidad. Desde
escenarios de alta movilidad, como en trenes de alta velocidad e incluso aviones,
como también, escenarios de baja o nula movilidad, como en sensores M2M.
Asimismo, para los dispositivos M2M, se debe de garantizar fiabilidad y resiliencia en
la red.
3.1.2. Transparencia en la experiencia de usuario
Al igual que en 4G, la tecnología 5G quiere continuar teniendo ubicuidad en las
conexiones, de tal forma que sea transparente para los usuarios la realización de
handover, tanto vertical como horizontal, entre las distintas tecnologías
inalámbricas, incluyendo los estándares de IEEE[28]. De esta manera los dispositivos
tendrían conectividad en todo momento y lugar, con un ofrecimiento de servicios
independiente de la red que se este utilizando.
Ademas, no solamente es el requerimiento de convergencia e interoperabilidad
de las diferentes tecnologías inalámbricas necesario, sino también, la calidad de la
experiencia de la red dentro del área de cobertura. Es decir, tanto la velocidad de
transferencia, como la latencia real alcanzable debe ser consistente
independientemente la posición del usuario. De esta manera, se lograría calidad y
transparencia en el funcionamiento de la red ofreciendo una alta calidad en la
experiencia de usuario.
3.1.3 Radio Cognitiva - Redes sensibles al contexto
Siendo la interoperabilidad un requerimiento para 5G, sumado a MTC y la gran
diversidad de dispositivos conectados a la red, es totalmente necesario que la red
sea capaz de proveer, con inteligencia y eficiencia, solamente los recursos
estrictamente necesarios para su correcto funcionamiento[28]. Es decir, el sistema
debe reconoce su entorno —propagación de la radio, fuerza de la señal, calidad
de la banda o condiciones solicitadas por el usuario, entre otros— para determinar
la opción apropiada dentro de las redes inalámbricas.
Esta funcionalidad es llamada Radio Cognitiva o Redes sensibles al contexto,
donde la red es capaz de adaptarse dinámicamente a las necesidades debido a
su conocimiento del entorno. Asimismo, también tiene habilidades de aprendizaje,
de tal forma que aprende de las interacciones del usuario. Todas estas habilidades
va apuntadas a dos objetivos: (1) Ofrecer una comunicación altamente confiable
en cualquier lugar y momento, y (2) Utilizar eficientemente el espectro de radio.
3.1.4 Escalabilidad y flexibilidad de la red
En número de dispositivos esperado para Internet of Things(IoT) es mucho superior
que los pretendidos por la tecnología 4G. Estos nuevos dispositivos tienen otros
requerimientos diferentes de velocidad de transmisión y latencia, y los cuales
deben funcionar a la par de los servicios tradicionales. Las redes 5G deben ser
capaces de soportar de manera eficiente el trafico característico de los servicio
M2M, como también soportar los requerimientos de eventos catastróficos como
terremotos o ataques terroristas.
Esta escalabilidad esta ligada a la flexibilidad del sistema, se requiere que la
arquitectura de red de la tecnología 5G permita evolucionar a las Radio-Access
Networks(RANs) independientemente del core de la red[29]. Ademas, la
arquitectura de red debe permitir la conectividad a múltiples redes y entre múltiples
tecnologías (multi-RAT), es decir proveer acceso por las múltiples tecnologías de
radio cumpliendo requerimientos de seguridad y continuidad ,y también, facilitar
la inclusión de nuevas tecnologías de acceso al core de la red sin modificación
alguna.
Con miras en el aumento de la flexibilidad, la virtualización de funciones que
tradicionalmente están atadas al hardware de red y el uso de software para la
creación inteligente de redes programables, son la clave para lograr una
flexibilidad real en la arquitectura de red para 5G.
3.1.5 Comunicaciones energeticamente eficientes
Una de las principales metas para las futuras redes 5G es el mejoramiento de las
eficiencia energética. Por un lado, con el esperado crecimiento de dispositivos en
la Internet of Things, cerca de 26 mil millones de dispositivos para el 2020[5], es
necesario que las redes garanticen una reducción en el consumo de energía. De
esta manera, el desarrollo aplicaciones con diferentes tipos de sensores dentro de
las redes, seria sustentable a largo plazo.
Y aunque es necesario lograr un uso eficiente del espectro, también es necesario
lograr (1) una disminución en el consumo de energía de las diferentes funciones de
red, y (2) un aprovechamiento de las distintas fuentes energía disponibles. Es decir,
la transmisión de datos no deben consumir energía, irradiada o utilizada por la
infraestructura, de manera excesiva, y al mismo tiempo, se deben de utilizar fuentes
de energía del ambiente, como energía solar, eólica, e incluso de las mismas
señales de radio(SWIPT).
Finalmente, también se requiere que, el consumo de energía se pueda adaptar a
las condiciones del tráfico. En otras palabra, es necesario tener conciencia del
contexto para ajustarse a este y, consecutivamente, optimizar el consumo de
energía.
3.1.6 Diversidad en los espectros de radio-frecuencias
Para las las redes 5G, se espera que haya una co-existencia de las actuales Radio
Access Technologies(RTAs) con las nuevas futuras tecnologías de acceso, al igual
que, un funcionamiento dentro de redes de múltiples capas[29]. Las nuevas
tecnologías de acceso proponen el uso de bandas de espectro por encima de los
6Ghz, es decir, habrían cambios sustanciales en manera de propagación, como
también, en la gestión de los servicios de movilidad. Esto, consecuentemente,
podría obligar a un rediseño completo de las funciones del plano de control y de
usuario, para lograr un funcionamiento transparente entre las diferentes RTA(multi-
RAT) y también, entre los diferentes tamaños y tipos de celdas (ej. pico-cells, femto-
cells, phantom-cells o virtual-cells).
3.2. RETOS Y TECNOLOGÍAS CLAVES PARA 5G
3.2.1. Multi-User MIMO
Multiple-input Multiple-output(MIMO) es una tecnología que aumenta la
capacidad de un enlace inalámbrico por medio del aprovechamiento de
fenómenos como la propagación multicamino. Esta tecnología ya fue incluida en
estándares como 3GPP LTE[6], IEEE 802.11n y IEEE 802.11ac. En donde básicamente,
entre mayor cantidad de antenas en el transmisor/receptor, y mayor numero de
grados de libertad que pueda proporcional el canal, resultará en un mejor
rendimiento en términos de velocidad de transmisión y de fiabilidad del canal[6].
Y aunque, ya esta incluida en varios estándares, para los investigadores, aun no se
ha utilizado todo su potencial. Para lograr una alta eficiencia del uso del espectro,
se han realizado investigaciones para tener cada Base Station(BS) en
comunicación con varios usuarios de manera concurrente[8]. Este nuevo concepto
en la tecnología MIMO se ha defino, por algunos investigadores, como Multi-User
MIMO(MU-MIMO) o Massive MIMO.
El gran interés que ha provocado Multi-User MIMO como una de las tecnologías
claves para 5G, se basa en tres características fundamentales: (1) La capacidad
de la red puede ser incrementada drásticamente mediante la simple adición del
antenas a las celdas existentes, (2) La combinación coherente de las grandes redes
de antenas puede potencialmente reducir el consumo de energía de los
transmisores[7], (3) Los diseños para Multi-User MIMO pueden ser extremadamente
robustos, de tal forma que, en caso de una falla en una o pocas antenas no se
afectará el funcionamiento del sistema[6].
Sin embargo, esta tecnología tiene aún ciertos desafíos por resolver para ser una
realidad. Entre los aspectos que la tecnología aun tiene por clarificar su
funcionamiento están:
PILOT CONTAMINATION:
Uno de los factores claves para el esperado desempeño de esta tecnología,
es la rápida y precisa obtención de la información del canal. Para la
obtención de esta información, en los sistemas que emplean duplexación
por división de tiempo(TDD), se utiliza el canal de subida para estimar el
canal. Para esto, se hace uso de transmisiones ortogonales de secuencias
“pilot" en el canal de subida para luego calcular el respectivo canal de
bajada. En un caso optimo, todas las secuencias “pilot" serian ortogonales,
pero estas deben ser reutilizadas para no consumir una excesiva cantidad
de recursos[8]. Por consiguiente, se producirá interferencia entre las
secuencias “pilot" transmitidas por los usuarios en las celdas
adyacentes[7],[9], e inevitablemente, conllevara a una baja calidad en las
estimaciones de los canales.
Figura 3 - Pilot Contamination - La estimación del canal de la BS-2 ha sido contaminada por un usuario (User-1) de otra celda. [8]
Actualmente, se ha encontrado que mediante la utilización de técnicas de
reutilización apropiadas, en términos de frecuencias y tiempo, de las
secuencias “pilot” se pueden superar los efectos de la saturación[10]. Otros
trabajos han propuesto la posibilidad de compartir información de las
secuencias “pilot" entre antenas[8].
CAMBIOS ARQUITECTURALES:
No solo el despliegue de una gran cantidad de antenas, sino también en
general la visión de Multi-User MIMO implica una seria modificación a nivel
de arquitectura. Al contrario de las tradicionales estructuras de BSs con
pocas antenas alimentadas con pocos amplificadores de alto poder, ahora,
cada antena utilizará una baja cantidad de energía[6], por lo tanto,
tendríamos una inmensa cantidad de antenas alimentadas por
amplificadores de bajo poder[8].
3.2.3 Ultra densificación
Con el objetivo de mejorar la eficiencia espectral por unidad de area, se propone
una extrema densificación de nodos activos mediante la reducción del tamaño de
las celdas. Esta estrategia ya ha sido demostrada durante las pasadas
generaciones móviles[8]. Mientras que en las primeras generaciones las celdas
abarcaban un area de cientos de kilómetros cuadrados, ahora, abarcaran un area
reducida a unos cientos de metros.
Estas pequeñas celdas o femtocells han sido y sigue siendo un tema de alta
popularidad entre las publicaciones investigativas[11]. Esto debido a beneficios
como: (1) la reducción en el número de usuarios compitiendo por recursos del BS,
y (2) la reducción significativa del consumo de energía. Y aunque sea un tema
bastante discutido y tenga resultados comprobados, la ultra densificación presenta
ciertos problemas:
COORDINACIÓN DE LA INTERFERENCIA: Posibilidad de una fuerte, impredecible, y
mas variada interferencia. En donde, la señalización crearía problemas entre
las distintas capas de la red[11].
MOVILIDAD Y HANDOVER: Por la misma característica de crear una area de
menor rango, las femtocells presentan problemas para proveer movilidad.
Una de las razones es la dificultad para el descubrimiento de las BSs, por su
característica de alta densidad[11].
COSTO: La alta densificación trae consigo un crecimiento en el número de
equipos para garantizar su funcionamiento. Y aunque el costo del equipo no
es determinante, si lo es su instalación, mantenimiento y backhaul.
3.2.4 Uso de frecuencias de milímetros
A pesar de las distintas tecnologías propuestas para el aumento de la capacidad
de las celdas, el mejoramiento en de eficiencia del espectro y los distintos cambios
arquitecturales para la futura 5G para ajustarse al crecimiento de la demanda,
puede que no sea suficiente para suplir los requerimientos de esta. Ademas, los
espectros de frecuencias utilizados actualmente por las redes móviles, están
extensivamente explotados por las telcos alrededor del mundo. Por esta razón,
también se esta investigando el potencial nuevos espectros de frecuencias.
Las bandas con ondas de milímetros, entre 30 y 300 Ghz, están disponibles, permiten
un ancho de banda mayor que las redes celulares actuales, y son adecuadas para
las redes 5G[12]. Un mayor ancho de banda es necesario para lograr velocidades
de transmisión de Gbps. Por estas razones son candidatas potenciales a lograr los
requerimientos de las redes 5G.
Sin embargo, el uso de estas ondas milimétricas posee ciertas dificultades como
perdidas en la trayectoria, problemas en la calidad de la propagación, absorción
por lluvia, bajo nivel de difracción y alta atenuación de la señal alrededor de
obstáculos[8]. Para superar estas dificultades, se ha planteado que el uso de
sistemas con multiples antenas puede crear una ganancia eléctrica orientable,
junto con el uso de femtocells —area de 100 a 200 metros— se mejorará el rango y
la atenuación de la señal.
Figura 4 - Pilot Contamination - La estimación del canal de la BS-2 ha sido contaminada por un usuario (User-1) de
otra celda. [8]
Es decir, que al combinar un ancho de banda mayor con una ganancia de
multiplexado espacial, proveniente del uso de transmisiones con multiples antenas,
lograría que las bandas con ondas mm ofrezcan tremenda capacidad para el uso
en las redes 5G[12].
Para asegurar su éxito es necesario que funcione correctamente a la par con los
otros sistemas no adaptados a las frecuencias altas. Para esto una propuesta clave
es el uso de “phantom cells”[13], donde las estas frecuencias serian utilizadas para
el payload de la transmisión con su respectiva BS de mmWaves, mientras que el
plano de control estaría controlado por una BS macro.
3.2.5. Arquitectura Multi-RAT
Uno de los grandes retos para las redes 5G es lograr un funcionamiento
transparente con la gran heterogeneidad de las redes inalámbricas, donde se
incluye los sistemas legados 2G, 3G, 4G, pero también tecnologías de acceso
inalámbricas como WiFi, Bluetooth o ZigBee, asimismo, comunicaciones Device-to-
Device(D2D), y además se de tener en cuentas las futuras nuevas tecnologías de
acceso (ej. Frecuencias con ondas mm). Es decir, en cuanto más nos acercamos
hacia 5G, las redes serán cada vez más heterogéneas[8], y será responsabilidad de
la arquitectura 5G lograr una integración entre las diversa variedad de tecnologías
de acceso radioelectrico(RAT).
Para lograr este objetivo se debe de determinar cual es la optima asociación entre
los dispositivos, los cuales actualmente traen integrados multiples RATs[14], y las
multiples RATs disponibles en el entorno, teniendo en cuenta que operan en
distintas frecuencias y con distintos protocolos. Para esto se han realizado
propuestas para la separación de los planos de control y de payload del usuario,
ofreciendo la una separación de requerimientos necesarios para los datos de
señalización y para los datos del usuario[14].
Una aproximación teórica a solución del problema es tratada en [15], donde se
propone el concepto de terminales mobiles para las redes de 5G. Este terminal
debe poseer las diferentes RTAs, y ademas, un software para la definición de las
radios en conjunto con un esquema de modulación. El terminal debe ser capaz de
realizar la selección final y más adecuada entre las redes inalámbricas
disponibles[16]. Esta selección es definida por la lectura del contexto en el que se
encuentra el terminal móvil, y también, por las necesidades del solicitadas por el
terminal.
A nivel del red, también se han desarrollado técnicas para ofrecer la instanciación
funciones de redes en demanda[17]. A este framework arquitectural para creación
de redes programables se le denomina Software Defined Networking(SDN). En el
este, se define una arquitectura donde (1) los planos de datos y control esta
separados, (2) la inteligencia y estado de la red están lógicamente centralizados,
y (3) la infraestructura de red subyacente se abstrae de la aplicación[17]. De esta
manera, la necesidad de cambios físicos para la gestión de multi-RAT en la
arquitectura se puede reducir a su minima expresión.
3.2.6. Flexibilidad de la red
Para dar soporte a los requerimientos que la redes de 5G, también es necesario
realizar cambios estratégicos en el core de la red. De esta manera, la red puede
responder ágilmente a cambios en el entorno, siendo más flexible y escalable.
Actualmente, hay dos tecnologías que están llevando la delantera: (1) Software
Defined Networking(SDN), y (2) Network Functions Virtualisation (NFV), ambas tienen
como visión el desacoplamiento de hardware del software y el movimiento de
funciones de red hacia el software[19].
Figura 5 - Propuesta para una red inalámbrica integrada. [30]
SOFTWARE DEFINED NETWORKING (SDN): Como ya se definió anteriormente, el SDN
permite la separación de los planos de datos y de control. Ademas, la
exposición de características de red a través de una interfaz permite la
manipulación de lo servicios ofrecidos por la red[8]. En la actualidad, esta
siendo estandarizada por la Open Networking Foundation(ONF)[18].
NETWORK FUNCTIONS VIRTUALISATION (NFV):La utilización de NFV permite llevar
funciones de red que tradicionalmente están atadas al hardware a correr
en en una infraestructura de cloud[8]. Esta funcionalidad es clave para las
redes 5G, debido a que añadiría características escalabilidad y flexibilidad
a las funciones de red. De esta forma, la red podría ajustarse ágilmente a la
demanda, como también, la agregación de funcionalidades de hardware
especifico sera menos costoso y se realizaría en un tiempo mas corto.
Estas tecnologías esta empezando a ser exploradas y actualmente están dirigidas
solamente al Core de la red, pero pronto también se quiere extender su
funcionalidad a muchas de funciones de hardware de la red(ej. Base Stations). A
esta visión se le ha denominado Cloud-RAN.
4. TECNOLOGÍA 4G VS 5G La visión de la futura arquitectura de las redes móviles 5G tiene una clara meta, la
cual es el permitir el funcionamiento entre las distintas RATs del los dispositivos
conectados a la red. Cada una de las RATs es autónoma e independiente, y es
vista como un canal IP de conexión hacia internet. Asimismo, este funcionamiento
heterogéneo propuesto también se presenta entre los distintos niveles de capas de
infraestructura, es decir, el funcionamiento debe ser eficiente y transparente
cuando haya una conexión a femto-cells, pico cells o macro cells. Comparándolo
con las redes móviles de 4G, estas tuvieron que incluir el funcionamiento de redes
heterogéneas en sus releases recientes.
A pesar de que en 4G hubo un mejoramiento en el uso del espectro, en 5G esta
consideración es uno de los puntos principales para soportar la creciente demanda
por usuario y el increíble crecimiento del número de dispositivos conectados.
Ademas, este mejoramiento en el uso del espectro debe ofrecer una flexibilidad
para adaptarse a los cambios de una red heterogénea.
4G LTE-Advanced Rel.10 Futura 5G
Year Presente desde el 2000 Se espera para el 2020
Peak data rate: DL: 3 Gbps, UL: 1.5 Gbps DL: Decenas de Gbps
Latency (Roundtrip) Alrededor de 15ms Alrededor de 1ms
Transmission bandwidth: Soporte hasta 100Mhz con
bloques de 20Mhz Soporte hasta 28Ghz
Peak spectrum
efficiency:
DL 30 bps/Hz. UL 15 bps/Hz.2.40
bps/Hz/cell
Soportar mas bits/s/Hz por
nodo
C-plane capacity:
Por lo menos 300 usuarios
activos sin DRX en un
bandwidth de 5Mhz
Incremento de 100 veces
de lo soportado por 4G
Spectrum bands Bandas por debajo de 3Ghz Bandas entre 30-300Ghz
Mobility:
Soporte para velocidades de
hasta 350Km/h, o inclusive
500Km/h dependiendo de la
frecuencia de la banda.
Soportar mobilidad en
trenes de alta velocidad e
incluso aviones.
Información tomada de [8], [20], [21],[22]
Concepto de NFV y SDN no esta incluido para 4G, estas técnicas para aumentar la
escalabilidad de las redes 5G son claves para tener una red más eficiente y
adaptabilidad al crecimiento de la demanda. Estos conceptos también reducirían
la complejidad en las conexiones y posiblemente eliminando los sobrecostos de los
cargos de interconexión al crear un sola infraestructura de red con un numero
reducido de entidades de red.
5. CONCLUSIONES
Las redes móviles 5G tendrán enfrentar una variedad de escenarios con distintos
tipos de requerimientos. Estos requerimientos tiene que lograr mejoras en la
velocidad de transmisión, eficiencia del uso del espectro, reducción en el consumo
de energía e incluso nuevos espectros. De manera, que puedan enfrentar los retos
que el crecimiento del trafico de la redes móviles les pueda proponer.
Por otro lado, el increíble crecimiento en los requerimiento de capacidad a suplir
por las redes inalámbricas, ha producido una excitante carrera por la creación de
nuevas tecnologías para las futuras redes 5G. Estas tecnologías involucra la
exploración de espectros de ondas superiores a 30Ghz, la densificación de nodos,
la integración de la heterogeneidad de las redes de acceso y cambios en el Core
de la red, todas estas tecnologías pueden ser claves para las futuras redes móviles.
Aun así, poco se percibe de una característica disruptiva, como el que se obtuvo
en las anteriores generaciones, que cambie el paradigma del funcionamiento de
las redes inalámbricas. En mi concepto, se puede destacar los cambios propuestos
para el Core de la red—NFV y SDN. Estos cambios añadirían mayor flexibilidad y
escalabilidad al sistema. El cual se acomodará a la demanda de la red, lo que en
alguna medida podría reducir costos y soportar picos inesperados en situaciones
de emergencia.
Para concluir, el desarrollo de la red 5G tiene que madurar los conceptos de todos
estos retos y tecnologías claves para ser un candidato para reemplazar la actual
4G.
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