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El camino a 5G

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La tecnología inalámbrica ha revolucionado la forma en que vivimos y trabajamos, especialmente con la introducción de teléfonos inteligentes, sensores inalámbricos e IoT. El ecosistema de aplicaciones para entretenimiento, negocios y tareas de misión crítica está impulsando el cambio tecnológico a niveles sin precedentes.

En general, existe la expectativa de que 5G sea una plataforma de innovación que brinde la capacidad de llevar nuevos servicios al mercado rápidamente. Esto permitirá a los proveedores de servicios aprovechar las oportunidades del mercado y satisfacer dinámicamente las necesidades cambiantes de los consumidores y las empresas.

Algunos de estos casos de uso incluyen:

  • Internet móvil de las cosas (IoT) que conecta miles de millones de sensores y máquinas.
  • Banda ancha ultrarrápida que ofrece gigabytes de ancho de banda.
  • Comunicación de misión crítica que permite latencia muy baja y retroalimentación casi en tiempo real con alta confiabilidad y permite nuevas aplicaciones como conducción autónoma y cirugías remotas.

Para comprender esta evolución, es esencial recorrer algunas de las diversas mejoras de red que se han implementado a lo largo de los años y cómo estas mejoras se complementan entre sí para ofrecer una solución integral.

Requisitos 5G:

Mejoras de tecnología de radio

El conjunto de tecnologías de acceso por radio necesarias para satisfacer los requisitos futuros debe ser adaptable pero eficiente para soportar un conjunto diverso de servicios para conectividad masiva, capacidad masiva, ultra confiabilidad, baja latencia, etc.

La red debe adaptarse al uso al que sirve.

Consideremos el caso de uso que involucra autos conectados. En este caso, una red 5G debe ofrecer conectividad continua para garantizar un servicio confiable. La mayoría de los dispositivos conectados producen múltiples tipos de tráfico de datos, enviando menos datos de usuario que un teléfono inteligente típico. Pero el tipo de datos continuos provenientes de los automóviles conectados requerirá mucha señalización en relación con el pequeño volumen de datos del usuario, que nuevamente es dramáticamente diferente a las características de tráfico de los teléfonos inteligentes estándar. Esto requerirá baja latencia y alta disponibilidad, tiempo de conectividad sensible que requiere seguridad mejorada, mucho más alta que un teléfono inteligente. La red también debe poder realizar actualizaciones de aplicaciones over-the-top (OTT)  y parches de seguridad. Dentro del mismo vehículo, los pasajeros pueden estar viendo videos de alta definición simultáneamente; en este caso, se requiere la misma red para cumplir con varios conjuntos distintos de características de rendimiento. La misma área de la red también puede tener que soportar IoT industrial u otros servicios que tengan un conjunto separado de requisitos de servicio.

A diferencia de las inflexiones tecnológicas anteriores, como 2G a 3G o 3G a LTE, el servicio de radio 5G será una combinación de mejoras LTE más una superposición de nuevas tecnologías de acceso por radio (NR).

 

Controladores clave de las Tecnologías de Acceso de Radio  5G (RAT)

Banda ancha móvil mejorada (eMBB): eMBB proporciona velocidades más altas para aplicaciones como transmisión, acceso web, videoconferencia y realidad virtual. Para ello utiliza agregación de portadora, esquemas de modulación superiores, integración más estricta de LTE con bandas no licenciadas, MIMO masivo, Multipunto Coordinado (CoMP),  Soporte de Red Heterogenea (HetNet) y Conectivdad Dual

Ondas milimétricas:

Ciertos casos de uso de eMBB exigen conectividad tipo fibra, lo que significa ofrecer un rendimiento de varios gigabits por. Este nivel de capacidad de red solo se lograría si se dispusiera de más  espectro.

El espectro de onda milimétrica es la banda por encima de 28 GHz y es significativamente grande en comparación con los diferentes servicios con licencia y sin licencia ofrecidos debajo del espectro de 6 GHz. Una onda milimétrica ofrece un mayor ancho de banda y rendimiento debido al gran tamaño del

ancho de banda de transmisión disponible. Alta frecuencia significa longitudes de onda estrechas, lo que significa que mmWave es más vulnerable a gases, lluvia y humedad,y como resultado sufren una gran pérdida de propagación y son más susceptibles al bloqueo.

Aunque la mala propagación es característica de mmWave y una preocupación importante, reduce significativamente el tamaño del conjunto de antenas, ya que la longitud de onda (λ) es directamente proporcional al tamaño del elemento de antena, permitiendo conjuntos de antenas más grandes con elementos de antena más pequeños.

Los conjuntos de antenas más grandes pueden mitigar las pérdidas de propagación, especialmente mediante el uso de técnicas avanzadas de formación de haces. Sistemas experimentales que usan matrices de antenas han demostrado comunicaciones confiables a 28 GHz, incluso en condiciones densas, urbanas, sin línea de visión, para distancias hasta 200 metros. Las matrices de antena del lado del terminal tienen limitaciones de espacio, pero es posible cierta formación de haz básica.

Del lado de la estación base, las matrices pueden incluir cientos de antenas en un enfoque llamado “MIMO masivo”. MIMO masivo también podría mejorar el SINR a través de la formación de haces estrechos, acercando el sistema a un entorno con ruido limitado.Por lo tanto, combinando el beneficio de la disponibilidad potencial de diez veces la cantidad de espectro, y usando una combinación de frecuencias altas y bajas, pueden ser instrumentos para la operación de 5G. Las bandas inferiores se pueden usar para una cobertura y control robustos, mientras que las bandas superiores pueden proporcionar acceso oportunista para altas velocidades de datos

 

Comunicación tipo máquina evolucionada (eMTC):

La tecnología celular actual no está muy bien optimizada para eMTC. Las soluciones y servicios de área amplia de baja potencia (LPWA) han existidodurante muchos años, pero están fragmentados y no estandarizados, lo que lleva a ciertas deficiencias, como poca confiabilidad, poca seguridad y compleja implementación, así como altos costos operativos y de mantenimiento.

IoT de banda angosta (NB-IoT):Para superar estos desafíos, 3GPP comenzó a trabajar en la estandarización de los requisitos para la nueva tecnología de banda angosta basada en celulares dirigido a la IoT. Algunos de los requisitos clave para IoT se pueden resumir de la siguiente manera:

  • Larga duración de la batería: más de 10 años, ya que muchos dispositivos IoT funcionarán con baterías y, a menudo, el costo de reemplazar las baterías en el campo no es viable.
  • Bajo costo del dispositivo:menos de 5 USD por módulo, para un caso de negocios positivo cuando se necesitan integrar miles de millones de dispositivos, esto es imprescindible.
  • Bajo costo de implementación:plug-and-play para reducir OpEx.
  • Cobertura extendida: pérdida de acoplamiento máxima (MCL) de 164 dB, 20 dB mejor que el Servicio General de Paquete por Radio (GPRS), generalmente los dispositivos NB-IoT tienden a colocarse en lugares con poca señal, como sótanos y áreas rurales remotas.
  • Soporte para una gran cantidad de dispositivos: 40 dispositivos por hogar o 50K por celda.

Aunque NB-IoT está integrado en el estándar LTE, puede considerarse como una nueva interfaz aérea y, por lo tanto, no es totalmente compatible con versiones anteriores de 3GPP. Sin embargo, está diseñado para lograr un excelente rendimiento de coexistencia con las tecnologías GSM, GPRS y LTE heredadas.

NB-IoT requiere un ancho de banda de sistema mínimo de 180 kHz para el DL y UL, respectivamente. La elección del ancho de banda mínimo del sistema habilita varias opciones de implementación para NB-IoT como se muestra en la figura a continuación.

 
implementacion iot

Opciones de implementación para NB-IoT

  • Standalone: GSM sigue siendo la tecnología móvil dominante en muchos mercados y la gran mayoría de las aplicaciones celulares M2M utilizan GPRS / EDGE para la conectividad Al replantear las portadoras GSM para transportar tráfico NB-IoT, los operadores GSM pueden garantizar una transición sin problemas a LTE para MTC en el futuro. Este enfoque también acelerará el tiempo de comercialización de IoT y maximizará los beneficios de una infraestructura a escala global
  • In-Band: La opción en banda LTE proporciona la implementación más eficiente en cuanto a espectro y costo de NB-IoT para proveedores de servicios con servicio LTE. La portadora de NB-IoT es un elemento de red autónomo que utiliza un único bloque de recurso físico (PRB). Si no hay tráfico de IoT, se puede utilizar un bloque de recurso físico (PRB), de una portadora disponible de NB-IoT, para otros fines, ya que el uso de infraestructura y espectro de LTE y NB-IoT están totalmente integrados. El planificador de la estación base multiplexa el tráfico NB-IoT y LTE en el mismo espectro, que minimiza el costo total de operación para MTC, que aumenta con el volumen de tráfico de MTC.
  • Banda deprotección: Se aplica tanto a WCDMA como a LTE

Una tercera alternativa es implementar NB-IoT en una banda de protección, lo que permite que NB-IoT funcione sin causar interferencia. En contraste con otras tecnologías LPWA, las capas físicas NB-IoT se han diseñado con los requisitos de coexistencia en la banda de protección LTE. Nuevamente, como LTE, NB-IoT usa OFDMA en el DL y SC-FDMA en el UL, el diseño ha adoptado completamente la numerología LTE, utilizando subportadoras de 15 kHzen UL y DL, con una opción adicional para subportadoras de 3.75 kHz en UL para escenarios con intensidad de señal limitada.

 

Latencia

Uno de los objetivos principales de 5G es ofrecer comunicaciones ultra confiables y de baja latencia (URLLC). URLLC se encuentra en el corazón de aplicaciones de misión crítica como ser el control de drones, cirugías remotas y autos sin conductor. Este tipo de aplicaciones son, potencialmente, las que entregarán los mayores beneficios sociales, impulsado por una alta confiabilidad y un tiempo de recorrido de red extremadamente corto. Según 3GPP TR 38.913 (V0.3.0, marzo de 2016), los objetivos se identifican como 0.5 mseg para DL y 0.5 mseg para UL para URLCC y 4 mseg para UL y 4 mseg para DL para eMBB. Algunos de los elementos de trabajo propuestos para alcanzar esos objetivos pueden resumirse como:

Transmisión múltiple no ortogonal: La ortogonalidad en OFDM evita la interferencia y crea una gran capacidad, pero requiere una amplia señalización y aumenta el retraso. El acceso múltiple no ortogonal (NOMA) y el acceso múltiple codificado disperso (SCMA) podrían complementar el acceso ortogonal aprovechando las técnicas avanzadas de cancelación de interferencia, reduciendo así la latencia.

Nueva transmisión de radio multiportadora: LTE utiliza OFDM, pero otros posibles esquemas multiportadora incluyen transmisión Filter-Bank Multi-Carrier (FBMC), transmisión universal multi-portadora filtrada (UFMC) y multiplexación generalizada por división de frecuencia (GFDM)como parte de la nueva interfaz de radio 5G. Potencialmente, puede disminuir la latencia en la transmisión de UL debido a menores requisitos de sincronización.

Mobile-Edge Computing: ETSI está estandarizando Mobile-Edge Computing, una tecnología que permite un entorno de aplicación programable en el borde de la red, dentro de la RAN. Los objetivos incluyen latencia reducida, operación de red más eficiente para ciertas aplicaciones y una experiencia de usuario mejorada. Aunque MEC enfatiza 5G, también se puede aplicar a redes 4G LTE.

 

Backhaul y Fronthaul

Como se discutió anteriormente, las tecnologías de red 5G demandarán un ancho de banda extremo y, para ciertos casos de uso, latencia ultra baja. Para lograr esos objetivos se requiere un fronthaul y un backhaul. Fronthaul de fibra con tecnología CPRI u OBSAI, que es el vínculo entre RRH y la BBU, se han implementado ampliamente en RAN distribuida.

CPRI / OBSAI permite a los operadores evolucionar sus redes a una arquitectura RAN centralizada (C-RAN) que permite un uso mucho más eficiente de los recursos y servicios diferenciados.

En C-RAN, los proveedores de servicios están co-ubicando un grupo de BBU en una ubicación remota; mientras que las radios remotas son conectadas a las BBU a través de un enlace de fibra. La ubicación conjunta de las BBU permite a los proveedores de servicios aprovechar al máximo los esquemas de coordinación celularofrecido en LTE-Advanced. Por ejemplo, la función multipunto coordinado (CoMP) requiere una estrecha coordinación entre varios eNode-Bs geográficamente separados (eNBs). Los eNB se coordinan dinámicamente para proporcionar transmisiones y programación conjunta, así como el procesamiento conjunto d eseñales recibidas De esta manera, dos o más eNBs pueden servir al Equipo de Usuario (UE) en el borde de una celda para mejorar la recepción de señal /transmisión y aumentar el rendimiento, particularmente en condiciones de borde de celda. Sin embargo, para lograr eso, los eNB deberían poder proporcionar un muy bajo nivel de latencia. El procesamiento adicional requerido para la recepción y transmisión de múltiples sitios podría aumentar significativamente las demoras. Teniendo las BBU ubicadas conjuntamente en una arquitectura C-RAN ayuda en esos escenarios.

Los enlaces de Fronthaul basados ​​en CPRI ya son conocidos por sus estrictos requisitos de delay y jitter. Sin embargo, en el entorno de RAN en la nube, la necesidad de coordinar estrechamente la transmisión para implementaciones de radio densas creará requisitos sin precedentes para el rendimiento, la latencia, el tiempo y la sincronización.

Actualmente, la CPRI está limitada a una capacidad de 24 Gbps, que es suficiente para transportar aproximadamente 2 Gbps de tráfico desde el sitio de la celda. Por ejemplo, un

El canal LTE de 20MHz que puede entregar hasta 150 Mbps en la dirección del DL requerirá una velocidad de datos CPRI de 2.5 Gbps. Esto puede no ser suficientepara redes 5G, donde los sitios celulares pueden estar entregando datos a decenas de Gbps por sector. El ancho de banda de Fronthaul no es el único desafío para despliegues 5G. Estos desafíos han creado múltiples iniciativas por parte de la industria para ayudar a los operadores de redes móviles. Proyectos como la interfaz Fronthaul de próxima generación (NGFI) y el foro 5G-Xhaul están trabajando para proporcionar plataformas a proveedores, y proveedores de servicios, para implementar redes 5G con diferentes capacidades de red y demandas de latencia.

La propuesta de NGFI se basa en dos cosas:

  1. División funcional entre la funcionalidad BBU y RRU, donde algunas de las funciones de procesamiento de banda base se mueven a la RRU, por supuesto esto cambiará la arquitectura BBU y RRU.
  2. Fronthaul cambia de una conexión punto a punto a una red de múltiple a múltiple Fronthaul, utilizando protocolos de conmutación de paquetes.

Al igual que el Fronthaul, también se espera que el Backhaul evolucione con las redes celulares 5G. La fibra aún es la mejor opción donde hay fibra oscura disponible, o donde no es costoso desplegar fibra, pero con la disponibilidad de grandes porciones de espectro en la banda mmWave, especialmente en la banda V y la banda E, esperamos ver más implementaciones de fibra híbrida y soluciones de backhaul inalámbricas. La propagación de mmWave es limitada y sensible a las condiciones climáticas,y requieren LOS, pero con mejoras tecnológicas como MIMO masivo y dado que los puntos finales están fijos para el backhaul, los problemas anteriores serán menos desafiantes para garantizar una conexión de retorno confiable.

En resumen, el backhauling inalámbrico es una alternativa prometedora a los enlaces de fibra y, en lugar de competir con la está, complementará las soluciones de fibra y puede considerarse como una extensión de fibra.

 

¿Por qué las pruebas se vuelven más importantes en 5G?

A medida que el crecimiento de los usuarios de la red se estabiliza, los proveedores de servicios buscan mejorar su ROI. Sin embargo, algunos de estos ofrecerán grandes desafíos en términos de calidad, confiabilidad y disponibilidad de la red. Por ejemplo, misión crítica las aplicaciones demandarán una red que no puede fallar, lo que significa garantizar que la calidad de la red estará en el centro del despliegue de la red y función de gerencia. Ya sea la interfaz de fibra, que hará todo el trabajo pesado en la red, o la interfaz aérea que gestionará todos las aplicaciones críticas o el núcleo de red ágil, todas ellas deben ser continuamente monitoreadas y optimizadas.

La calidad de la red dependerá del rigor de la prueba y la medición durante el ciclo de vida completo de la red. Es esencial asegurar que todos los componentes de red y sus interfaces se entregan de acuerdo a diseño para reducir CAPEX y OPEX.

 

Conclusión

En las redes 5G, las funciones de prueba virtual, diagnóstico, auto-optimización, inteligencia artificial y análisis serán tan necesarias como las funciones de red centrales que admiten. Una vez implementadas, estas capacidades permiten la optimización dinámica, la garantía y las funciones de solución de problemas. Con la cartera completamente integrada de instrumentos y sistemas habilitados para la nube de VIAVI, la automatización del software,y servicios para pruebas de red, optimización de rendimiento y garantía de servicio, los proveedores de servicios pueden estar seguros de que sus inversiones están protegidas. Altamente flexible e interoperable, cada solución permite a los operadores de red aprovechar las inversiones anteriores y optimizar los flujos de trabajo para mayor eficiencia operativa y de capital. Los clientes obtienen inteligencia e información integrales para poder administrar redes cada vez más complejas y ecosistemas de servicios.

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