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Tecnologías de la información y comunicación

Llega hasta un millón de dispositivos por Km2

5G, la promesa en vías de cumplirse

Manuel Arenas18/03/2019
La conectividad 5G ya es una realidad. El estándar 3GPP Release 15 se ha completado en este primer trimestre de 2019, con especificaciones para conectividad en apartados como V2X (Vehicle to Everything) basado en 5G, el core de las redes de comunicaciones para ofrecer servicios multimedia, IoT y otros ámbitos de aplicación.

En realidad, no se puede hablar de saltos bruscos en las tecnologías de telecomunicaciones móviles. 3GPP ha ido apurando al máximo las posibilidades de las diferentes generaciones tecnológicas como GSM, 2G, 3G o 4G incluyendo en cada generación funcionalidades propias de la siguiente, aunque de un modo forzado. Al dar el salto a la siguiente generación, estas funcionalidades “forzadas” se implementan de un modo mucho más ágil y holgado.

Por ejemplo, muchas de las funcionalidades necesarias para desplegar redes de “cosas” conectadas en escenarios IoT, ya se pueden implementar en las redes LTE 4,5G. Narrowband-IoT, por ejemplo, ya es posible con la tecnología actual. En este caso, lo que diferencia a 5G de 4G, entre otros factores de los que hablaremos luego, es la densidad de dispositivos que se pueden conectar, que con 5G llega hasta un millón de dispositivos por km2.

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5G, no solo para móviles

La clave para entender por qué 5G supone un cambio radical frente a las anteriores iteraciones tecnológicas en las redes móviles es su fin. Mientras que con 1G hasta 4G el objetivo era el de conectar los dispositivos móviles para realizar llamadas primero y para acceder a redes de datos después, con 5G el objetivo es conectar cualquier tipo de dispositivo, sea un móvil, un sensor, un coche, un dron o un robot industrial.

Esta extensión del concepto de conectividad, requiere también que las nuevas redes de comunicaciones sean capaces de manejar un abanico de frecuencias de transmisión mucho más amplio, para satisfacer necesidades como una mayor cobertura en zonas más extensas o como un mayor número de dispositivos concentrados en una región geográfica muy reducida. Además, con 5G se tienen que ofrecer servicios de todo tipo: desde aquellos con una baja prioridad, como la navegación en páginas web, hasta otros de muy alta prioridad, como los que permiten que un coche pueda conducir de forma autónoma o semiautónoma, o los que permiten operar remotamente sistemas industriales o médicos.

Los requisitos propuestos para 5G contemplan: densidad de conexiones de dispositivos de 200.0000 dispositivos por Km2 (las especificaciones teóricas de 5G contemplan hasta un millón), tasas de transferencia de entre 100 Mbps y 1 Gbps, con picos de entre 10 Gbps y 50 Gbps. Latencia de 1 ms. Eficiencia energética que permita autonomías de entre varios días hasta años sin necesidad de recarga. Una fiabilidad y disponibilidad mayor que con LTE o una mayor cobertura. (Fuente: http://www.3glteinfo.com/5g-for-internet-of-things/)

Los casos de uso propuestos por 3GPP bajo el paraguas de la iniciativa Smarter son: un ancho de banda en movilidad mejorado (eMBB) compatible con tecnologías como Ultra Alta Definición, holografía, presencia virtual, etcétera. Por otro lado, las comunicaciones críticas tendrán que estar integradas en 5G. Aquí hablamos de comunicaciones críticas en escenarios de emergencias como las que ahora dependen de redes de comunicaciones como Tetra. Pero también hablamos de control industrial, drones, vehículos, juegos interactivos o robótica.

Otro campo de aplicación de 5G está en las comunicaciones M2M masivas para servir a infraestructuras, salud, transporte, wearables, etcétera. Con 5G también será posible manejar las redes desde el punto de vista de las redes definidas por software o SDN para implementar Network Slicing, enrutado, interconectividad entre redes o mejorar la eficiencia energética de los sistemas de comunicaciones. Otro caso de uso está en las comunicaciones de vehículos con otros vehículos o con la infraestructura (V2X) en escenarios de Sistemas de Transporte Inteligentes (ITS) o conducción autónoma.

Refinando un poco más estos casos de uso, podemos quedarnos con tres de más alto nivel de abstracción: comunicaciones “clásicas” para dispositivos móviles y conectividad de banda ancha (eMBB), comunicaciones M2M masivas (mMTC) y comunicaciones ultra fiables y de ultra baja latencia (URLLC). Las tecnologías de radio de siguiente generación permitirán dar servicio en campos como la automoción, la salud, la energía y otras utilities o la manufactura, entre otros (Fuente: http://3gpptrend.cm.nctu.edu.tw/20160909/1.%E8%94%A1%E5%AE%9C%E5%AD%B8%E5%8D%9A%E5%A3%AB_5G-Standardization-20160829.pdf)

 

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Del hardware a las redes definidas por software SDN y NFV

El gran cambio que llega con las redes 5G es la transición entre un equipamiento en el core de la red que está basado en equipos de hardware dedicados, tales como routers o gateways, a un equipamiento basado en servidores y tecnologías cloud o SaaX (Software as a X). Se pasa de redes definidas mediante el hardware a redes definidas mediante software. Y se pasa de funciones de red definidas por los equipos de hardware a funciones de red virtualizadas sobre los paquetes de datos que manejan los servidores dentro de un escenario de cloudificación donde las operadoras trabajarán con tecnologías cloud en vez de “on premise”. Elementos como la escalabilidad, la disponibilidad o el pago por uso son claves para la adopción de tecnologías cloud en vez de 'on premise' y en las tecnologías de comunicaciones se aplican de un modo especialmente fuerte.

Es decir, pasamos de las 'redes definidas por hardware' a las SDN o Software Defined Networks y de las funciones de red tradicionales ligadas a las reglas programadas en los equipos de red, a las NFV o Network Function Virtualization (funcionalidades de red virtualizadas). Este cambio es el que hace posible gran parte de las virtudes y características de 5G, como el 'network slicing', capaz de crear 'rodajas' de las redes 5G perfectamente diferenciadas y aisladas de otras incluso utilizando el mismo medio de transmisión.

Por ejemplo, si tenemos un quirófano donde varios cirujanos de todo el mundo están operando a distancia usando un robot quirúrgico, se podría crear un canal de comunicación exclusivo de alta prioridad, alta fiabilidad y ultra baja latencia virtualizando las funciones de red sobre los servidores del core de la red 5G. El equipamiento de radio permitirá conectar a los cirujanos que estén operando a través de tecnologías 5G, ya sea a través de redes móviles o de otros tipos de redes integradas en el servicio de cirugía remota.

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Infografía: del core de 4G al core de 5G, mostrando cómo se implementan funcionalidades de las redes 5G como el network slicing. Fuente NETMANIAS www.netmanias.com.

Otra ventaja es que estos canales se pueden levantar y bajar al vuelo. Es decir, si tenemos una autopista sensorizada mediante dispositivos IoT en redes 5G, no será necesario que la empresa que ofrezca servicios de transporte inteligente de control de flotas o de vehículos tenga levantados, digamos, tres mil canales de comunicación para servir a tres mil vehículos. Dependiendo del tráfico de cada momento se pueden levantar al instante los canales de comunicación V2V o V2X necesarios para ofrecer servicios de conducción autónoma o asistida.

Por supuesto, aparte del core de la red basado en software, es necesario mantener la infraestructura de hardware radio que hace que los dispositivos móviles accedan a estos servicios a través del aire. El equipamiento de radio (las estaciones base), precisa de un hardware capaz de hacer realidad las virtudes de 5G. Tecnologías como las de MIMO masivo, con decenas de streams simultáneos capaces de ofrecer conectividad de alta velocidad a un número de dispositivos significativamente mayor que en la actualidad, o con latencias extremadamente bajas, están presentes en las antenas de las redes de comunicaciones 4,5G y 5G.

Los requisitos mínimos que debe cumplir una conexión 5G se pueden resumir en la siguiente tabla:

Funcionalidad Descripción Objetivo 5G Escenario de uso
Tasa de transferencia de pico Máxima tasa de transferencia de datos en la estación base 20 Gbit/s  eMBB
Transferencia de datos para experiencia de usuario Ancho de banda real dentro de la zona de cobertura (hotspot) 1 Gbit/s eMBB
Transferencia de datos para experiencia de usuario Ancho de banda real dentro de la zona de cobertura 100 Mbit/s eMBB
Latencia Retraso en la Comunicación debido al equipamiento de red 1 ms URLLC
Movilidad Máxima velocidad a la que se pueden aplicar políticas de QoS 500 km/h eMBB/URLLC
Densidad de conexiones Número de dispositivos por unidad de área 106/km2 MMTC
Eficiencia energética Datos enviados/recibidos por unidad de energía consumida por dispositivo o la red Igual a 4G eMBB
Eficiencia espectral Transferencia de datos por unidad de ancho de banda inalámbrico y por celda de red 3–4x 4G eMBB
Capacidad de tráfico Tráfico total de datos por unidad de área 1000 (Mbit/s)/m2 eMBB

Fuente: Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/5G

Con 4G se pueden conseguir índices de rendimiento solamente algo peores, aunque con la limitación impuesta por el hardware empleado en el despliegue del core. En 4G, por ejemplo, establecer canales de comunicaciones exclusivos, supone definir reglas complejas en decenas o centenares de equipos de hardware físicos distribuidos en otras tantas estaciones base, mientras que en 5G se trata de definir políticas de uso sobre aplicaciones de software, generalmente en la nube. Además, la capacidad de procesamiento de los servidores es muchos órdenes de magnitud mayor que a capacidad de procesamiento de equipos de comunicaciones dedicados.

La escalabilidad o la integración de nuevas funcionalidades es otra de las ventajas de la transición hacia SDN y NFV, aunque como contrapartida es necesario extremar el apartado de la seguridad. Los sistemas son más vulnerables cuando se migran a software. En cualquier caso, el uso de técnicas de machine learning aplicadas a las redes parece que será un componente esencial de 5G una vez que se complete la transición hacia las redes de siguiente generación 'Stand Alone'.

El paso de 4G a 5G

Estamos en los albores de la transición a 5G. En otras generaciones el salto ha sido más gradual y fluido debido a la invariabilidad del core. O al menos a que el core de la red no exigía un cambio radical en su funcionamiento. Pero con 5G, el core de la red pasa de estar basado en hardware de red a estar basado en software de red.

La interfaz entre la parte radio y el core se mantiene hasta cierto punto, aunque se ha mejorado en aspectos como la modulación, el uso de más bandas de frecuencia, incluyendo las milimétricas, o la implementación de funcionalidades como MIMO Masivo.

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Bandas empleadas en 5G. Fuente: Qualcomm.

Las bandas de más frecuencia permiten dar servicio en zonas congestionadas, mientras que las bandas de menor frecuencia permiten maximizar el alcance y la cobertura de la red.

Con todo, el paso de 4G a 5G precisa de un cierto protocolo en el que básicamente se trabaja con dos escenarios: Stand Alone (SA) y Non Stand Alone (NSA). Stand Alone se refiere a las redes en las que tanto la parte radio como la parte core son Next Radio (NR) y Next Gen Core (NGCN). Pero, de momento, los escenarios de transición contemplan la convivencia con EPC (Evolved Packet Core) y radio LTE.

En una primera fase, 5G se centrará en el escenario de uso eMBB, o comunicaciones móviles mejoradas, por lo que no será preciso desplegar toda la “artillería” pesada del core 5G basado en software de red. Las tecnologías de comunicaciones radio que usan bandas de frecuencia más variadas y con mejor aprovechamiento espectral o modulaciones más densas para datos junto con MIMO masivo o despliegues picoCell (pCell), emparejadas con módem 5G en los dispositivos, pueden ser suficientes en un primer momento para hacer valer las virtudes de 5G.

En 2019, prácticamente todos los despliegues de 5G serán NSA para aplicaciones eMBB (Enhanced Mobile BoradBand). En 2020 ya es de esperar que empiecen los despliegues SA, combinados o no con NSA.

El problema aquí es de índole financiera: los márgenes de beneficios de las operadoras no dejan de caer, y las inversiones necesarias para cambiar el core de las redes 5G es muy alto. Según IDC, el total del negocio de infraestructuras 5G (Radio, core, virtualización de redes y cableado y ruteado de fibra del backend) pasará de unos 528 millones de dólares en 2018 a unos 26.000 millones en 2022 a un ritmo de crecimiento del 118% anual.

El coste de las frecuencias es también importante, con lo que el Capex de las operadoras crecerá, según Heavy Reading (http://www.heavyreading.com/details.asp?sku_id=3568&skuitem_itemid=1789) desde unos 600 millones de dólares en 2018, hasta 88.000 millones en 2023. De todos modos, estamos ante negocios potenciales en los que las operadoras no solo ofrezcan la conectividad como su único producto, sino también servicios asociados a la conectividad. Por ejemplo, en el caso del IoT, las operadoras pueden ofrecer potencialmente servicios de analítica, protección o gestión de los datos, entregando a las empresas que instalan las redes de sensores los datos procesados, seguros y analizados, cumpliendo además con las normativas de protección de datos o seguridad.

MWC 2019, el punto de partida

En esta primera fase de 5G, los esfuerzos estarán enfocados al eMBB, para mejorar las velocidades de transferencia y latencias de cara a ofrecer servicios multimedia y otros que se beneficien sobre todo de la mejora en la transmisión de datos móviles. Más adelante se empezarán a desplegar servicios que aprovechen la inteligencia y versatilidad de las nuevas redes de siguiente generación con su nuevo core y las tecnologías de redes definidas por software, virtualización de funciones de red y “cloudificación”.

La experiencia eMBB depende sobre todo de los dispositivos móviles, por lo que muchos fabricantes han aprovechado el MWC 2019 para presentar sus terminales con tecnología 5G. De momento, estamos antes soluciones de conectividad, más que de inteligencia de red. En estos meses el core de las redes móviles seguirá siendo el heredado de 4G dentro del escenario de despliegue 5G non Stand Alone o NSA.

Los móviles que se han dejado ver en MWC 2019 son los de Huawei, con su Mate X plegable y 2.300 euros de precio aproximado, LG V50 ThinQ, Samsung Galaxy S10 5G, ZTE Axon 10 Pro 5G, OnePlus 5G y Xiaomi Mi Mix 3 5G con un precio de 599 euros.

De momento, estamos ante terminales que en muchos casos no se han podido ni siquiera tocar más allá de verlos en una vitrina, pero durante los meses que siguen empezarán a estar disponibles. La penetración de 5G será lenta al principio, aunque se espera que aproximadamente un 50% de las redes sean 5G en EE UU en 2025, y que el 30% aproximado sea el porcentaje de adopción de 5G en Europa, con un 16% mundial.

IoT, la salud, el transporte, la robótica, la industria y otras verticales son clave para que 5G sea adoptado rápidamente. El mercado de los móviles será solo una parte del total de las comunicaciones 5G. Las demos de este año no han sido especialmente jugosas. Lo eran más hace años, cuando se jugaba con posibilidades. Pero ahora se trata ya de la realidad, que suele ser más aburrida que las expectativas.

Ericsson, Nokia, Huawei, Cisco, DT, ZTE, Intel, AT&T, Verizon entre otras empresas, están ya embarcadas en el despliegue de redes e infraestructuras 5G, así como servicios. En las siguientes ediciones posiblemente el MWC cambie de forma radical y se oriente precisamente a presentar las aplicaciones prácticas de 5G más que la tecnología, con la que ya estaremos familiarizados para entonces.

Evolución de la velocidad en redes de comunicaciones

1985, 1G. TACS (Total Access Communication System). 2,4 kbps

1991, GSM, 2G. datos y voz. 9,6 kbps – 114 kbps. WAP

2001, 2,5G, 120 kbps – 384 kbps. 3G o UMTS, 384 kbps – 42 Mbps. Con HSPA se llega a 168,8 Mbps

2008, 4G, 1 Gbps

2019, 5G, 20 Gbps

Glosario

  • 4G EPC – 4G Evolved Packet Core. GSM se basa en conmutación de circuitos (CS). En GPRS tenemos conmutación de paquetes (PS). El core de la red tiene dos dimensiones, circuitos y paquetes. En 3G se mantiene esta dualidad. EPC LTE
  • E-UTRAN – Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network. Es la combinación de E-UTRA, el equipamiento de usuario (UE) y eNodeB
  • eMBB - enhanced Mobile BroadBand
  • eNodeB – Evolved Node B, viene a ser la estación base. El elemento que conecta a los dispositivos móviles con la red core, que a su vez se conecta con los sistemas de transmisión de datos y de voz a través de sistemas de comunicaciones varios. Node B son las estaciones base de 3G (UMTS) y BTS (Base Transceiver Station) son las estaciones base de GSM.
  • EPC – Evolved Packet Core, Convergen voz y datos en las redes LTE 4G y se usa el Internet Protocol (IP) para voz y datos. Incluye elementos como el PGW o Packet Data Network Gateway, el SGW o Serving Gateway, HSS o Home Subscriber Server, ePDG o Evolved Packet Data Gateway o el MME o Mobile Management Entity.
  • gNodeB – son las estaciones base de 5G y sustituyen a las eNodeB de LTE.
  • GSM – Global System for Mobile communications
  • IMT – International Mobile Telecommunication system. IMT-2020 es parte de un programa de IMT para caracterizar las tecnologías de comunicaciones móviles con tres escenarios de uso principales: eMBB, mMTC y uRLLC.
  • ITU – International Telecommunication Union (https://www.itu.int/). Una de sus tres divisiones es ITÜ-R o ITU Radiocommunication Sector (https://www.itu.int/en/ITU-R/)
  • LTE – Long Term Evolution
  • mMTC – massive Machine Type Communications
  • MSC - Mobile Switching Center. Pieza central en los sistemas de conmutación de circuitos. El MSC tiene diferentes interfaces para conectarse con la red PSTN, con el SGSN y con otros MSC
  • NR – Next Generation Radio o New Radio Access. Sustituye a LTE.
  • RAN – Radio Access Network. Compuesta por la unidad digital (DU) y la unidad de radio (RU)
  • SGSN - Serving GPRS Support Node. Es la pieza central para la conmutación de paquetes. El SGSN contiene la información de subscripción, el IMSI (International Mobile Subscriber Identity), la información de ubicación y el área en la que el móvil está registrado entre otras informaciones.
  • UMTS – Universal Mobile Telecommunication System
  • uRLLC - Ultra-reliable and low latency communications
  • VRI – Virtual Radio Instance

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