Innovacions en arquitectura de xarxa i espectre per al 5G

S’espera que el 5G requereixi espectre tant en bandes de baixa freqüència (sub-1GHz) com d’alta freqüència (20-40GHz), molt superiors a les actuals.

Després d’introduir les característiques de la tecnologia 5G, analitzar l’estratègia dels principals players i aprofundir en les oportunitats per a la indústria, tanquem aquest monogràfic sobre aquesta tecnologia tractant l’arquitectura de xarxa i l’espectre.

Les xarxes 5G aportaran innovacions en termes d’arquitectura, ja que necessitaran dotar-se de fortes infraestructures, les més notables de les quals seran:

Xarxes ultra-denses / smart cells

Donada la limitada quantitat d’espectre sub-3GHz disponible, el disseny de les actuals xarxes 2G, 3G i 4G serà insuficient per suportar els serveis que s’esperen sota el 5G. L’espectre d’alta freqüència manca de les propietats de propagació necessàries perquè el 5G assoleixi tot el seu potencial. Per tant, una marcada densificació de small cells, és a dir, apropar l’antena a l’usuari final ja sigui mitjançant instal·lacions en mobiliari públic, en comerços o en punts estratègics, serà vital per a aquesta nova tecnologia. Tanmateix, és interessant remarcar que els operadors a Espanya s’estan centrant en macro cells, deixant, de moment, a les small cells de banda.

Transició a fibra a gran escala

L’alt rendiment oferit pel 5G des de les ubicacions mòbils als usuaris finals necessita ser sostingut per la Xarxa central de l’operador. Això conduirà a la implementació de fibra a la majoria de les ubicacions mòbils, tot i que l’espectre de mmWave (30-300 Ghz) a la banda E (70-80 GHz) també es pot utilitzar per proporcionar una retroalimentació de microones de capacitat molt alta.

RAN al cloud

A les RAN (Radio Access Network) tradicionals, cada estació base disposa de la seva pròpia BBU (Base Band Unit), amb la ràdio integrada o localitzada de manera remota al cim de la torre. Des d’aquí, es plantegen dues possibles evolucions:

• Ran centralitzat: Es tracta d’una evolució el concepte establert d’estacions base (“hotels”), on diverses unitats de ràdio remotes (RRUs) es connecten a una única BBU, compartint recursos de forma flexible. La BBU pot ser local o remota. Els seus principals avantatges es relacionen amb l’eficiència tant en costos com a escala energètica.

• RAN al cloud: Consisteix en una arquitectura en la qual China Mobile va ser pionera, la qual estableix una separació funcional entre recursos remots i compartits. Aquests darrers es virtualitzen i s’implementen com funcions de xarxa virtual (NFV) a un servidor o al núvol. Aquesta opció, a més a més de presentar avantatges pel que fa a estalvi de costos i energia, també pot suportar economies de xarxa radicalment noves i una àmplia gamma de serveis, actuant com un precursor de la segmentació de xarxa 5G.

Les xarxes 5G dependran en gran mesura de tecnologies emergents com SDN (Software Defined Networking), NFV (Network Function Virtualization), MEC (Mobile Edge Computing) i FC (Fog Computing).

En telecomunicacions, un “carrier grade” o “carrier class” sa referència a un sistema o un component de hardware o software extremadament fiable i estat. Els sistemes carrier grade són provats i dissenyats per complir o excedir els estàndards d’alta qualitat de “cinc nous”, i proporcionen una recuperació d’errors molt ràpida (normalment menys de 50 mil·lisegons).

Satisfer les demandes de qualitat de servei i experiència dels seus usuaris, força als operadors a desplegar nous tipus d’infraestructura i tecnologies carrier grade, així com sistemes d’antenes MIMO (amb la capacitat d’emetre en múltiples direccions al mateix moment), sistemes distribuïts (DAS), small cells i caps de ràdio remotes (RRH), entre altres.

Tanmateix, la major part de la càrrega del tràfic seguirà estant a les mans de les macro-cel·les, pel que abans de desplegar la infraestructura de noves tecnologies, els operadors hauran de tenir una clara estratègia per millorar les seves xarxes de transport actuals, que són les que sostenen les xarxes macro. Per aquesta comesa hauran de migrar a un ambient SDN i NFV com a mesura per a reduir les complexitats i costos de les seves xarxes de transport.

La virtualització de funcions de xarxa, en comparació amb la creació de xarxes definides per software (SDN), tindrà una influència enorme en la creació de xarxes 5G que permetran un major dinamisme en la gestió dels serveis. El resultat serà una ampliació dels esquemes i models de negoci present i futurs.

Problemàtica i potencial solució

Els costos de la inversió necessària per a desplegar el 5G suposen un seriós problema davant les expectatives que ha despertat en la població.

Els operadors estan buscant les fórmules de reduir aquesta inversió a la vegada que esperen que els casos d’ús aconsegueixin monetitzar la tecnologia de manera molt més tangible a com ho han fet el 4G i la fibra.

Una potencial solució la trobem a l’exemple d’un operador espanyol que ha decidit donar-li una altra perspectiva al desplegament massiu d’antenes pel 5G, utilitzant les llars com a part substancial de la xarxa mòbil. La visió de l’operador, que té quasi 6 milions de clients de banda ampla fixa a Espanya (cadascun d’ells amb un router), és utilitzar els seus routers com a plataforma per la xarxa mòbil. Si al router se li afegeix un petit node radioelèctric, una petita antena (denominada picocel·la o femtocel·la), se solucionen molts dels problemes relacionats amb posar antenes al mobiliari públic. Amb una femtocel·la integrada al router, és el client el que aprovisiona a l’operador d’una connexió amb fibra. El principal problema d’aquesta opció és el cost de substituir els routers actuals per altres amb l’equip de ràdio per a telefonia mòbil incorporat, que tindran un cost més elevat. Si un router actual de fibra costa al voltant de 50 euros, un amb antena mòbil podria costar 500 euros, tot i que diversos experts consultats apunten que al industrialitzar la seva producció podria acabar costant uns 200 euros. La realitat és que no és necessari substituir tots els routers actuals, ja que previsiblement tan sols es canviaran en aquelles llars o locals que ofereixin una bona cobertura a les vies públiques.

El problema és que el 5G requereix un desplegament molt capil·lar, costòs i complex de construir i mantenir, i al mateix temps, la indústria no aconsegueix facturar més i s’està demostrant que el 4G i la fibra no es monetitzen com s’esperava. L’esforç invertit en aquests ja ha disparat la relació capex/vendes i no sembla possible seguir mantenint aquestes ràtios. La inversió requerida unida a un context d’estancament en el creixement d’ingressos dificulta en gran mesura el desplegament del 5G.

Espectre

Pel que fa a l’espectre, a continuació presentem diferents bandes amb valor comercial i les seves característiques:

Tal com es pot apreciar al gràfic, per sota de 5GHz trobem una bona amplada de banda disponible, marcs de llicenciament definits (a Europa) i un 3GPP estandarditzat però amb capacitat incompleta pel 5G.

A bandes d’espectre de 20-30GHz es manté el focus en el desenvolupament d’equipament i en els trials, i veiem que la banda exacta varia segons la regió, des dels 24,5GHz fins als 29,5GHz. Pel que respecta a les bandes superiors a 30GHz, no són una prioritat inicial pels estàndards 3GP. No obstant això, existeix un creixent interès de la indústria en opcions futures (ex: 40,5-43,5GHz).

S’espera que el 5G requereixi espectre tant en bandes de baixa freqüència (sub-1GHz) com d’alta freqüència (20-40GHz), molt superiors a les actuals. La utilització d’aquestes bandes té l’avantatge d’una major velocitat de transmissió, però també un problema seriós: un baix rati de cobertura i una escassa capacitat de penetració.

És a dir, un enllaç per sobre de 60 GHz serà efectiu a camp obert o quan estiguem caminant pel carrer, però difícilment traspassarà la paret d’un edifici per donar-nos cobertura a l’interior. D’aquí la necessitat d’utilitzar altres bandes a freqüències inferiors i que el regulador no descarti també les de 3,6, 3,8, o 4,2 GHz.

Com ja vam comentar, ens trobem en plena carrera tecnològica cap al 5G. Queden uns anys intensos de proves, subhastes per espectres, acords i estandarditzacions al voltant del món, tot i que es calcula que l’any 2025 ja podrem gaudir de manera generalitzada de la tecnologia que ens obrirà les portes a la internet de les coses.