Innovaciones en arquitectura de red y espectro para el 5G

Se espera que el 5G requiera espectro tanto en bandas de baja frecuencia (sub-1GHz) como de alta frecuencia (20-40GHz), muy superiores a las actuales.

Tras introducir las características de la tecnología 5G, analizar la estrategia de los principales players y ahondar en las oportunidades para la industria, cerramos este monográfico sobre esta tecnología tratando la arquitectura de red y el espectro.

Las redes 5G aportarán innovaciones en términos de arquitectura, ya que necesitarán dotarse de fuertes infraestructuras, las más notables de las cuales serán:

Redes ultra-densas / small cells

Dada la limitada cantidad de espectro sub-3GHz disponible, el diseño de las actuales redes 2G, 3G y 4G será insuficiente para soportar los servicios que se esperan bajo el 5G. El espectro de alta frecuencia carece de las propiedades de propagación necesarias para que el 5G alcance todo su potencial. Por lo tanto, una marcada densificación de small cells, es decir, acercar la antena al usuario final ya sea mediante instalaciones en mobiliario público, en comercios o en puntos estratégicos, será vital para esta nueva tecnología. No obstante, es interesante remarcar que los operadores en España se están centrando en macro cells, dejando, por el momento, a las small cells de lado.

Transición a fibra a gran escala

El alto rendimiento ofrecido por el 5G desde las ubicaciones móviles a los usuarios finales necesita ser respaldado por la Red central del operador. Esto conducirá a la implementación de fibra en la mayoría de las ubicaciones móviles, aunque el espectro de mmWave (30-300 Ghz) en la banda E (70-80 GHz) también se puede usar para proporcionar una retroalimentación de microondas de muy alta capacidad.

RAN en cloud

En las RAN (Radio Access Network) tradicionales, cada estación base dispone de su propia BBU (Base Band Unit), con la radio integrada o localizada de manera remota en la cima de la torre. Desde aquí, se plantean dos posibles evoluciones:

–       RAN centralizado: Se trata de una evolución del concepto establecido de estaciones base (“hoteles”), donde varias unidades de radio remotas (RRUs) se conectan a una única BBU, compartiendo recursos de forma flexible. La BBU puede ser local o remota. Sus principales ventajas se relacionan con la eficiencia tanto en costes como a nivel energético.

–       RAN en cloud: Consiste en una arquitectura en la que China Mobile fue pionera, la cual establece una separación funcional entre recursos remotos y compartidos. Estos últimos se virtualizan y se implementan como funciones de red virtual (NFV) en un servidor o en la nube. Esta opción, además de presentar ventajas en cuanto a ahorro de costes y energía, también puede soportar economías de red radicalmente nuevas y una amplia gama de servicios, actuando como un precursor de la segmentación de red 5G.

Las redes 5G dependerán en gran medida de tecnologías emergentes como SDN (Software Defined Networking), NFV (Network Function Virtualization), MEC (Mobile Edge Computing) y FC (Fog Computing).

En telecomunicaciones, un “carrier grade” o “carrier class” se refiere a un sistema o un componente de hardware o software extremadamente fiable y testado. Los sistemas carrier grade son probados y diseñados para cumplir o exceder los estándares de alta calidad de “cinco nueves”, y proporcionan una recuperación de fallos muy rápida (normalmente menos de 50 milisegundos).

Satisfacer las demandas de calidad de servicio y experiencia de sus usuarios, fuerza a los operadores a desplegar nuevos tipos de infraestructura y tecnologías carrier grade, así como sistemas de antenas MIMO (con la capacidad de emitir en múltiples direcciones en el mismo momento), sistemas distribuidos (DAS), small cells y cabezas de radio remotas (RRH), entre otros.

Aun así, la mayor parte de la carga del tráfico seguirá estando en manos de las macro-celdas, por lo que antes de desplegar la infraestructura de nuevas tecnologías, los operadores deberán tener una clara estrategia para mejorar sus redes de transporte actuales, que son las que sostienen las redes macro. Para este cometido deberán migrar a un ambiente SDN y NFV como medida para reducir las complejidades y costes de sus redes de transporte.

La virtualización de funciones de red, en combinación con la creación de redes definidas por software (SDN), tendrá una influencia enorme en la creación de redes 5G que permitirán un mayor dinamismo en la gestión de los servicios. El resultado será una ampliación en los esquemas y modelos de negocio presente y futuros.

Problemática y potencial solución

Los costes de la inversión necesaria para desplegar el 5G suponen un serio problema frente a las expectativas que ha despertado en la población.

Los operadores están buscando las fórmulas de reducir esa inversión a la vez que esperan que los casos de uso logren monetizar la tecnología de forma mucho más tangible a como lo han hecho el 4G y la fibra.

Una potencial solución la encontramos en el ejemplo de un operador español que ha decidido darle otro enfoque al despliegue masivo de antenas para el 5G, usando los hogares como parte sustancial de la red móvil. La visión del operador, que tiene casi 6 millones de clientes de banda ancha fija en España (cada uno de ellos con un router), es usar sus routers como plataforma para la red móvil. Si al router se le añade un pequeño nodo radioeléctrico, una pequeña antena (denominada picocelda o femtocelda), se solucionan muchos de los problemas relacionados con poner antenas en el mobiliario público. Con una femtocelda integrada en el router, es el cliente el que provee al operador de una conexión con fibra. El principal problema de esta opción es el coste de sustituir los routers actuales por otros con el equipo de radio para telefonía móvil incorporado, que tendrán un coste más elevado. Si un router actual de fibra cuesta alrededor de 50 euros, uno con antena móvil podría costar 500 euros, aunque diversos expertos consultados apuntan que al industrializar su producción podría acabar en unos 200 euros. La realidad es que no es necesario sustituir todos los routers actuales, ya que previsiblemente solo se cambiarán en aquellos hogares o locales que ofrezcan buena cobertura en las vías públicas.

El problema es que el 5G requiere un despliegue muy capilar, costoso y complejo de construir y mantener; y al mismo tiempo, la industria no logra facturar más y se está demostrando que el 4G y la fibra no logran monetizarse como se esperaba. El esfuerzo invertido en estos ya ha disparado la relación capex/ventas y no parece posible seguir manteniendo estos ratios. La inversión requerida unida a un contexto de estancamiento en el crecimiento de ingresos dificulta en gran medida el despliegue del 5G.

Espectro

En cuanto al espectro, a continuación presentamos diferentes bandas con valor comercial y sus características:

Tal y como se puede apreciar en el gráfico, por debajo de 5GHz encontramos un buen ancho de banda disponible, marcos de licenciamiento definidos (en Europa) y un 3GPP estandarizado pero con capacidad incompleta para el 5G.

En bandas de espectro de 20-30GHz se mantiene el foco en el desarrollo de equipamiento y en los trials, y vemos que la banda exacta varía por región, desde los 24,5GHz hasta los 29,5GHz. Por lo que respecta a las bandas superiores a 30GHz, no son una prioridad inicial para los estándares 3GPP. No obstante, existe un creciente interés de la industria en opciones futuras (ej: 40,5-43,5GHz).

Se espera que el 5G requiera espectro tanto en bandas de baja frecuencia (sub-1GHz) como de alta frecuencia (20-40GHz), muy superiores a las actuales. La utilización de estas bandas tiene la ventaja de una mayor velocidad de transmisión, pero también un serio problema: un bajo radio de cobertura y una escasa capacidad de penetración.

Es decir, un enlace por encima de 60 GHz será efectivo en campo abierto o cuando vayamos andando por la calle, pero difícilmente traspasará la pared de un edificio para darnos cobertura en el interior. De ahí la necesidad de utilizar otras bandas a frecuencias inferiores y de que el regulador no descarte también las de 3,6, 3,8, o 4,2 GHz.

Como ya comentamos, nos encontramos en plena carrera tecnológica hacia el 5G. Quedan unos años intensos de pruebas, subastas por espectros, acuerdos y estandarizaciones alrededor del mundo, aunque se calcula que en 2025 ya podremos disfrutar de forma generalizada de la tecnología que nos abrirá las puertas al internet de las cosas.