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5G: un territorio de revoluciones a medias mapeado

Con el reciente lanzamiento de los estándares 3GPP 5G New Radio (NR), las primeras redes 5G reales, las de transporte 5G-Ready continúan evolucionando hacia un territorio a medias mapeado.

Por Andres Madero, Director de Arquitectura de Red en Infinera.

La próxima generación 5G no es precisamente un reemplazo sino una extensión y evolución de la infraestructura de transporte móvil 4G existente, la actitud de “esperemos y veamos” no es una opción. Al observar detenidamente su infraestructura a través del lente 5G, los operadores de telefonía móvil proactivos identifican oportunidades para asegurarse de que todas las actualizaciones y extensiones sean pasos en la dirección correcta: hacia el futuro, hacia 5G.

Con los primeros despliegues comerciales de 5G ya anunciados para 2018, es de esperar que los primeros teléfonos 5G sean anunciados en el Mobile World Congress 2019, inicialmente a un precio superior para personas que exigen lo último, a pesar de la mínima disponibilidad de redes 5G. Es la naturaleza humana, como aspirar a tener un carro super-deportivo en un mundo con límites de velocidad de 70 km/h.

Aparecerá en los titulares de prensa, seguro, pero las noticias reales no son tan obvias. Con la transición de 2G a 3G a 4G, el público se ha acostumbrado a la idea de que un nuevo estándar significa una red completamente nueva, con proveedores que compiten por ser los primeros en implementarlo. Los operadores quieren competir por estar a la vanguardia en la comercialización de 5G, pero esta vez no estamos reemplazando la red 4G, sino extendiendo su alcance hacia celdas 5G más pequeñas y evolucionando hacia nuevos estándares 5G. Desde el principio, 4G no fue inmutable: desde su lanzamiento ha habido una serie continua de actualizaciones 4G para agregar nuevas funcionalidades, muchas de ellas orientadas a soportar nuevas redes 5G.

¿Por qué 5G?

El verdadero impulso para 5G no es un conjunto único de aplicaciones, sino un amplio grupo que normalmente orbita en torno a uno de los tres centros de gravedad:

Figura 1: La fuente del ecosistema de servicios 5G UIT-T.

 

La banda ancha mejorada amplía naturalmente las capacidades del ancho de banda de 4G por usuario para permitir que 5G se perfile como un reto en los mercados de banda ancha residenciales y comerciales. 5G superará, al menos, en diez veces la velocidad de 4G, lo que hará posible el almacenamiento en la nube de video clips en HD y soporte para video 4K.

Las comunicaciones masivas originadas en máquinas están orientadas hacia Internet de las Cosas (IoT), con hasta un millón de conexiones por kilómetro cuadrado, o 100 dispositivos en una habitación. En comparación, 4G actualmente sólo llega a unos pocos miles por celda. Aunque los despliegues iniciales de IoT se han especializado en una población de dispositivos muy simples, como sensores de tráfico y medidores inteligentes que envían y reciben pulsos de datos relativamente pequeños, estamos simplemente viendo las ondas que preceden a un potencial tsunami.

Si bien es cierto conectar cámaras de vigilancia al sistema aumentará considerablemente el tráfico de datos, las próximas aplicaciones de comunicaciones ultra confiables y de baja latencia, como automóviles sin conductor, control industrial y telemedicina, son los servicios que realmente aumentarán la presión. Estas aplicaciones requieren comunicaciones seguras que nunca fallen, con una latencia de la red disminuida en un factor de 10 desde los estándares 4G a unos impresionantes 1 ms para dar tiempos de respuesta indetectables.

Muchos de los servicios 5G previstos utilizarán una combinación de estas capacidades; por ejemplo, la realidad virtual (VR) requerirá alta capacidad y ultra-fiabilidad con baja latencia. VR es más que solo un juego: tiene el potencial de transformar la educación, la capacitación, el diseño virtual y la atención médica. Si se espera que un cirujano diagnostique con precisión, o incluso realice una operación remota, la resolución de la imagen de realidad virtual debe aproximarse a la resolución de una retina humana. Esto requiere al menos 300 Mbps, casi 60 veces más que el video HD actual, con latencia indetectable y, por supuesto, ultra confiabilidad.

Estos son el tipo de hechos, cifras y aplicaciones interesantes que aparecen en los titulares. El verdadero trabajo, sin embargo, es proporcionar una red completa que pueda soportar dichos niveles de servicio. ¿Qué significa esto para el proveedor de servicios móviles que ya ha realizado una gran inversión en infraestructura 4G?

¿Cómo llegar allá?

5G logra su ancho de banda masivo al operar en bandas de frecuencia más altas, en el espectro de ondas milimétricas. En estas frecuencias, las señales no viajan tan lejos y son más fácilmente obstruidas por paredes, obstáculos, lluvia o niebla, lo que requiere una línea de visibilidad clara.

Una descarga lenta hacia un teléfono inteligente, o un corte en una conversación telefónica, es molesto, pero rara vez desastroso, y las tecnologías anteriores no fueron mejores. Sin embargo, la fiabilidad extrema es esencial para automóviles sin conductor u otros servicios críticos de 5G. No podemos permitirnos puntos ciegos, como un edificio que sombrea la señal.

La cobertura total significa que se deben agregar muchas más celdas, más pequeñas, a la red. El acceso 4G existente debe extenderse como capilares en una fina red de células pequeñas que retroalimentan las arterias de transporte existentes. Esto requiere una gran inversión, parcialmente compensada por el hecho que las antenas 5G pueden ser mucho más pequeñas y usar menos energía. También conservarán la energía enfocando las señales con mayor precisión en lugar de emitir de manera pareja en todas direcciones a la vez.

Para soportar este comportamiento celular más dinámico, necesitamos una mayor inteligencia en el borde de la red. Además de usar múltiples antenas para apuntar señales de manera más eficiente, 5G también reconocerá el tipo de señales que se envían y reducirá la potencia cuando se necesite menos. Tener una gran cantidad de pequeñas celdas en las proximidades también habilita el Coordinated Multi-Point (CoMP), una técnica mediante la cual las estaciones base cercanas responden simultáneamente y cooperan para mejorar la calidad del servicio.

Si bien la nueva red de acceso por radio hace todo lo posible para minimizar la latencia, no sirve para nada si algunas señales tienen que viajar hasta y desde un centro de datos distante. Otra tendencia será Mobile Edge Computing (MEC), donde el almacenamiento en caché, la capacidad de cómputo y las aplicaciones críticas se acercarán a la red para reducir la latencia y la congestión en la red de transporte y optimizar la calidad del servicio.

Desafíos de la fibra

Las redes celulares existentes dependen en gran medida de los enlaces de fibra óptica para conectar las torres de telefonía celular a la red central. A pesar de que la conexión inalámbrica de alta velocidad puede llenar el vacío cuando el tiempo o el costo imposibilitan la colocación de fibra, la única tecnología que admite consistentemente la oleada de demanda y calidad de servicio de 5G será la fibra. Cada celda de una red capilar 5G es mucho más pequeña que una típica 4G, pero hay tantas, y las aplicaciones son tan exigentes, que la demanda total de ancho de banda en la red de transporte será enorme.

Figura 2: Cobertura de celdas 4G y 5G.

 

Tengamos presente, entonces, que es necesario llevar la fibra lo más cerca posible a las celdas pequeñas para satisfacer esta demanda. Esta evolución hacia “profundidad de fibra” no se logrará simplemente multiplicando los equipos de fibra existentes y desplegándolos en el espacio metropolitano según sea necesario; eso sería una operación colosalmente costosa tanto en cuanto a gasto inmobiliario como de equipos. En cambio, habrá una necesidad de instalar muchos nodos de red más compactos y eficientes en el uso de la energía, donde sea que puedan ser acomodados económicamente. Esto podría incluir nodos remotos de telecomunicaciones, gabinetes en la vía pública, armarios con temperatura controlada; es decir, ubicaciones bastante inadecuadas para albergar bastidores de equipos que están optimizados para un entorno de telecomunicaciones controlado.

Seleccionar el equipo adecuado ya no será una simple cuestión de pedirle a un proveedor preferido que cumpla con los niveles de rendimiento requeridos, sino será necesario estudiar más detenidamente las especificaciones para ver si los dispositivos son lo suficientemente resistentes, compactos y eficientes para sobrevivir donde el espacio y el suministro de energía son limitados, y los niveles de temperatura y humedad son más extremos. Con un aumento masivo en la cantidad de instalaciones de fibra, los gastos de puesta en servicio y operación también se dispararán, a menos que se tenga un cuidado especial para elegir el equipo óptico más compacto, confiable y fácil de mantener.

Los principales proveedores de equipos ópticos están conscientes de estos desafíos, por lo que desarrollan soluciones más adecuadas para redes con profundidad de fibra. Las unidades de acceso optimizado más recientes pueden entregar 100 Gbps a tan solo 20 vatios, empaquetando más de 400 Gbps en una unidad de rack estándar; es decir, aproximadamente ocho veces la densidad de los equipos de la generación anterior.

Además, la industria ha estado trabajando para lograr que la visión de la óptica WDM-PON autoajustable de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) alcance los niveles de rendimiento requeridos para satisfacer los requisitos de capacidad y alcance de las redes 5G. Con ello se alivia la presión de poner en servicio y mantener extensas redes ópticas DWDM, al reemplazar la carga impuesta a los técnicos de determinar y ajustar las longitudes de onda en cada instalación. La tecnología de autoajuste seleccionará automáticamente la longitud de onda correcta sin requerir configuración alguna por parte del ingeniero, permitiéndoles tratar las instalaciones de DWDM con la misma simplicidad que sistemas más básicos.

Presión en la red de transporte

Este entorno de acceso 5G mucho más denso, incluso con una mayor inteligencia ubicada hacia el borde, ejercerá una gran presión sobre la infraestructura ascendente. En tiempos de cambio, los patrones de compra tienden a estabilizarse hacia la conveniencia que implica el aprovisionamiento ofrecido por un proveedor único con el que hay familiaridad. Con el cambio a 5G, ya estamos viendo una mayor presión competitiva entre los operadores móviles y entre los operadores mayoristas que alojan servicios de transporte 5G. Esto está obligando a los compradores a exigir un mayor rendimiento, una mayor eficiencia y especificaciones más exigentes, impulsando un cambio hacia las soluciones más agregadas de su clase.

No solo se necesita un mejor desempeño. También se están produciendo otros cambios significativos en la medida que las redes 4G evolucionan hacia 5G. La tecnología del centro de datos, como la conmutación spine-leaf y la segmentación de redes migrarán en grado creciente hacia la red de transporte para proporcionar la flexibilidad necesaria que permita soportar una inteligencia más distribuida y la necesidad de MEC. Donde 4G comenzó con tubos de transporte sin inteligencia pero de alto rendimiento conectando las torres al núcleo de la red, ahora estamos evolucionando hacia una arquitectura de transporte más flexible, definida por software.

Además de una mayor ancho de banda, hay otras necesidades que quedarán desatendidas por muchas soluciones ópticas existentes. Entre los refinamientos requeridos para 5G, Carrier Aggregation permite el uso de varios carriers diferentes en las mismas bandas de frecuencia para aumentar el rendimiento de los datos, al igual que CoMP (descrito anteriormente) hace uso de las celdas vecinas. Estas soluciones requieren nuevos niveles de precisión de sincronización, así como una baja latencia. Es necesario que los operadores móviles que actualmente están comprando equipos consideren atentamente las especificaciones para asegurarse que no están invirtiendo en sistemas que quedarán obsoletos en la medida que 5G se vaya desplegando. Ya existen algunas redes de transporte móvil que, aunque son 4G nominalmente, cumplen con las exigentes especificaciones de latencia y sincronización de 5G.

Conclusión

La preparación para 5G es un desarrollo continuo, y podemos esperar más anuncios tempranos de servicios 5G sobre la base de que cumplen con velocidades 5G u otros criterios, sin proporcionar el servicio móvil 5G completo. Como ser dueño de un carro super-deportivo, es una combinación de revuelo publicitario y estatus. Es comprensible que los proveedores y las naciones estén dispuestos a demostrar 5G mucho antes de los plazos propuestos por el organismo de estándares 3GPP.

Los principales eventos deportivos, con su enorme cobertura televisiva mundial, ofrecen una oportunidad increíble para que los operadores exhiban sus capacidades 5G. Los Juegos Olímpicos de Londres 2012 fueron los primeros “Juegos Olímpicos de teléfonos inteligentes”, donde los espectadores podían ver simultáneamente un primer plano de los juegos en sus teléfonos. Los Juegos Olímpicos de Verano 2020 en Tokio y los Juegos Olímpicos de Invierno 2022 en Beijing competirán entre sí para resaltar la forma en que estas naciones están impulsando el 5G móvil, al igual que en su momento Europa lo hizo con 3G y Norteamérica con 4G. Europa y América del Norte también buscan exhibir 5G, como el reciente anuncio de Elisa de lo que se afirma es el primer servicio 5G comercial del mundo en Finlandia. Para 2022, podemos esperar que haya un número significativo de espectadores de los Juegos Olímpicos de Invierno de Beijing que utilicen dispositivos de Realidad Virtual 5G con un efecto espectacular.

Mientras tanto, los operadores móviles deben trabajar de manera constante hacia estas capacidades con el transporte móvil 5G-Ready que optimiza las redes 4G actuales y proporciona el alto rendimiento requerido para un total de 5G en el futuro. Los operadores pueden evitar invertir en tecnología de transporte móvil encaminada hacia la obsolescencia, buscando asesoramiento de expertos a la vanguardia de equipos y diseño de redes ópticas.

Adolfo Manaure

Entusiasta seguidor de la tecnología y las innovaciones que cambian el mundo. Director Editorial y COO en The HAP Group.