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Desde los albores del siglo XXI, se están produciendo grandes transformaciones en la sociedad. Muchas de estas transformaciones han sido desencadenadas por la generalización del acceso a cualquier tipo de información. En este contexto, las comunicaciones móviles e inalámbricas han jugado un papel clave. Actualmente, miles de millones de ciudadanos en todo el mundo hacen uso de los teléfonos móviles inteligentes, Internet y otras tecnologías innovadoras, que ofrecen un amplio abanico de servicios y de opciones para los usuarios, con un grado de interactividad y capacidad de elección nunca visto.

Hoy en día, la fusión entre las tecnologías inalámbricas e Internet, junto con el desarrollo de terminales móviles multimedia avanzados, tales como teléfonos inteligentes o tabletas, se encuentra en plena explosión. Como consecuencia de ello, en las últimas dos décadas han aparecido un número creciente de tecnologías innovadoras para redes de banda ancha móvil (redes celulares), redes de área local inalámbricas (WLAN), redes de sensores inalámbricos (WSN), objetos inteligentes (RFID), redes heterogéneas.

A modo de ejemplo los siguientes indicadores muestran la relevancia y pujanza del sector de las comunicaciones móviles. A finales del 2015  alrededor de 4700 millones de usuario (aproximadamente el 63% de la población mundial) disponía de una subscripción a un operador móvil, el número de dispositivos móviles en todo el mundo era superior a 7300 millones, el número de puestos de trabajo directos del sector era de 12.8 millones de personas mientras que indirectamente se empleaban  otros 11,8 millones de personas y el volumen de negocio representaba alrededor del 4% del PIB mundial. Para el año 2020 se estima que alrededor 5600 millones de usuarios (un 72% de la población mundial) ya dispondrá de una subscripción a un operador móvil, el número de dispositivos móviles en todo el mundo crecerá hasta 8900 millones aproximadamente, el número de puestos de trabajo del sector será del orden de 28,7 millones de los cuales  15,3  millones serán empleos directos y el resto indirectos y el volumen de negocio representará alrededor del  4,2% del PIB mundial[1]

Para hacer frente a los importantes retos que plantean las comunicaciones móviles en el horizonte 2020, las tecnologías actualmente desplegadas UMTS, HSPA+ y LTE no van a ser suficientes. Por esta razón, distintos organismos de investigación y estandarización vienen desarrollando desde hace algunos años actividades de investigación destinadas a definir los denominados sistemas de quinta generación móvil o 5G, que se implementará a partir del 2020.

A diferencia de las generaciones anteriores, en donde fundamentalmente los objetivos de la investigación estaban encaminados a proporcionar mayor capacidad desde el punto de vista del Operador y mayor velocidad de conexión desde el punto de vista del usuario, en el desarrollo de los sistemas 5G las necesidades de los usuarios, en términos de  los servicios  que pueden demandar en los próximos años, juegan un papel relevante.

En este sentido, la Unión Internacional de las Telecomunicaciones (UIT) ha identificado recientemente un marco de referencia sobre los servicios a proporcionar por los futuros sistemas 5G, que básicamente engloba las siguientes tres grandes líneas:

  • Comunicaciones Móviles de banda ancha mejoradas (enhanced mobile broadband - eMBB en terminología anglosajona ),
  • Comunicaciones ultra-fiables y de baja latencia (ultra-reliable & low latency communications - uMTC),
  • Comunicaciones máquina a máquina o tipo máquina masivas (massive machine type communication- mMTC).

En el escenario eMBB el usuario dispondrá una nueva experiencia de ultra alta definición  (UHD) que le permitirá experimentar contenidos de realidad virtual[2] y realidad aumentada[3], especialmente en áreas de baja movilidad. Para ello la nueva tecnología desarrollada deberá proporcionar una tasa de datos mucho más alta comparada con las velocidades de datos actualmente existentes. Así mismo este escenario contempla situaciones de alta concentración de usuarios en un área relativamente pequeña, como por ejemplo campos de futbol y estadios olímpicos, conciertos multitudinarios o zonas con grandes superficies comerciales. En estos entornos, el reto es garantizar al usuario una conectividad similar a la que puede tener en otros entornos no congestionados. Ello conlleva que, desde el punto de vista del Operador, el despliegue de la nueva tecnología 5G ha de ser capaz de aumentar la capacidad operacional de la red varios órdenes de magnitud con respecto a una situación de despliegue clásico en zonas no congestionadas y hacerlo, además, de forma flexible ya que este tipo de situaciones en general se producen de forma puntual y muy localizadas en el tiempo.

El escenario uMTC corresponde, entre otros, a casos de uso tales como fabricación industrial, cirugía médica remota o conducción y seguridad en vehículos autónomos; casos de uso que requieren capacidades muy estrictas en términos de latencia y fiabilidad en las comunicaciones. En este tipo de  escenario, también incluye las denominadas Comunicaciones de los servicios de Seguridad Pública (Public Safety Communications) en donde son esenciales sistemas de comunicaciones inalámbricas fiables entre los miembros de los cuerpos de seguridad pública, quienes,  además de adquirir conciencia de la situación cuando responden a emergencias, deben mantenerse conectados entre sí y con el centro de control para garantizar una actuación eficiente y segura.

En general, además del uso de cámaras de video y conexiones de voz entre los miembros del equipo de seguridad pública, cada vez más también hay que considerar el uso de:

  • Cámaras de seguridad de alta resolución que monitorean los espacios públicos y la propiedad con las imágenes / video capturadas para alertar a las autoridades cuando ocurren incidentes o se detectan personas o intereses.
  • Sistemas de vigilancia basados en drones o robots para monitorear áreas remotas.
  • Sensores inalámbricos y dispositivos de rastreo utilizados para detección de intrusiones, detección de peligros biológicos y químicos y seguimiento de personal de emergencia.

Si bien ya existen tecnologías basadas en la  transmisión en “streaming” de señales de video y audio, desarrolladas para entornos eMBB, que no requieren de características especiales para ser usadas en entornos de seguridad pública, no es menos cierto que este tipo de aplicaciones  deben desarrollarse capacidades específicas destinadas tanto para las comunicaciones en grupo (a distintos niveles jerárquicos), comunicaciones entre dispositivos (D2D) sin usar la infraestructura de red,  como para comunicaciones tipo Pulsar para hablar  (“Push-to-Talk”) en el caso de misiones críticas.

Finalmente mencionemos que para hacer frente a los requerimientos de escenarios tipo  uMTC,  las nuevas tecnologías desarrolladas precisaran de latencias inferiores a 1 milisegundo y fiabilidades del orden 99,999%  entre otros parámetros críticos a considerar.

Por lo que respecta a las comunicaciones tipo máquina (MTC), de forma general puede decirse que se corresponden con el despliegue de abundantes dispositivos de bajo coste con larga duración de la batería y destinados a transmitir ráfaga cortas. En otras palabras, el escenario contempla una conectividad masiva y eficiente capaz de soportar una enorme cantidad de dispositivos en los denominados entornos Internet de las cosas (IoT), y que será uno de los aspectos esenciales de los sistemas de quinta generación. Obsérvese que la Internet de las cosas ha de permitir sensar y controlar remotamente objetos utilizando la infraestructura de red  desplegada, creando la oportunidad de una integración directa entre el mundo físico y el mundo digital.

Para la provisión de servicios IoT  se requiere de objetos capaces de asegurar una conexión móvil razonablemente fiable y  flexible; objetos que han de proporcionar una comunicación de bajo coste, energéticamente eficiente, escalable y prácticamente ubicua. Estos cuatro aspectos representan, entre otros, una serie de retos tecnológico a considerar en el desarrollo de los nuevos sistemas de comunicaciones móviles.

Para hacer frente a los retos que plantean estos escenarios anteriormente descritos, una pléyade de tecnologías innovadoras, que entre otras incluye: el despliegue ultra denso de celdas pequeñas (Small cells), el uso de redes de acceso en nube (Cloud RAN), tecnologías en ondas milimétricas y MIMOS masivos, o el empleo de técnicas de virtualización de red y redes basadas en software (SDN-VNF), se están considerando en las propuestas de sistemas 5G desarrolladas en los diferentes foros de estudio y estandarización.

Por otra parte, tomando en consideración los retos planteados en los párrafos anteriores, desde el punto de vista de requisitos técnicos, los sistemas de quinta generación deberán cumplir, entre otros, los siguientes:

  • Desde el punto de vista de la red, se requieren velocidades de transmisión de pico superiores a 20 Gbps.
  • Una velocidad de transmisión media por usuario entre 100 Mbps y 1 Gbps, dependiendo del entorno (comunicaciones exteriores o comunicaciones en el interior de edificios) y la movilidad del usuario  (alta movilidad hasta 500 Km/h  o baja movilidad usuarios estáticos o cuasi).
  • La experiencia del usuario debe de ser, en la medida de lo posible, independiente de su posición dentro del área de cobertura de la celda, debiéndose garantizar una velocidad de transmisión de al menos 100 Mbps en el límite de la zona de cobertura.
  • La red debe adaptarse dinámicamente a las necesidades de cada aplicación y / o dispositivo (Context Aware Communications).
  • La capacidad del nuevo sistema debe multiplicarse, al menos, por un factor 1000 con respeto a la capacidad de los sistemas actuales de cuarta generación. En este sentido para servicios eMBB se debe garantizar una capacidad real del orden de 10 Mbps/m2 y para servicios del tipo IoT una conectividad masiva del orden de 100 conexiones/Km2 o más.
  • Por lo que respecta a la latencia del segmento inalámbrico de las comunicaciones, ésta debe reducirse ente un factor entre 5 y 10 respecto a las latencias de los actuales sistemas. Además, en algunos escenarios del tipo uMTC, se deben garantizar, en el segmento inalámbrico de la conexión, latencias ultra bajas del orden de 1 ms. y valores de fiabilidad  del orden del 99,99%.
  • La eficiencia energética debe aumentarse, al menos, en un factor 10, lo que implica un ahorro de hasta el 90% de energía por servicio prestado. Además, el consumo de energía debe adaptarse a las condiciones reales del tráfico cursado.
  • El nuevo sistema debe proporcionar una reducción significativa tanto de los costes de inversión (CAPEX) como de los costes de explotación (OPEX). Para conseguir la reducción de costes de explotación se hará uso intensivo de técnicas de configuración y gestión automatizada de la red (Algoritmos SON- Self Operation Network)

Finalmente indicar que en el Congreso Mundial de Telefonía Móvil (Mobile World Congress) que se celebrará en Barcelona entre 27 de Febrero al 2 de Marzo de este año, está previsto que se presenten algunos desarrollos e iniciativas destinados a facilitar la transición gradual desde los actuales sistemas de 4G, como LTE-Advanced, a los nuevos sistemas de quinta generación, pavimentando de esta forma el camino para el desarrollo e implantación de estas innovadoras tecnologías.

 

Dr. Ferran Casadevall Palacio

Director del Máster Interuniversitario UPC-VIU en Sistemas de Comunicaciones Móviles.

Grupo de Investigación en Comunicaciones Móviles (GRCM)

 

Referencias bibliográficas:

  • Jeffrey G. Andrews and alters, “What Will 5G Be?”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 32, nº. 6, Junio 2014.
  • Erik Dahlman and alters, “5G Wireless Access: Requirements and realization”, IEEE Communications Magazine — Communications Standards Supplement , Diciembre 2014 December 2014.
  • YUAN Yifei, ZHU Longming, “Application Scenarios and Enabling Technologies of 5G”, China Communications, Noviembre 2014
  • Recommendation ITU-R M.2083-0, IMT-Vision – Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond, Septiembre 2015.
  • Ericsson White paper, “5G radio access “, June 2013.
  • Nokia Solutions and Networks White paper, “5G Use Cases and Requirements”, Abril 2014.

[1] http://gsmamobileeconomy.com/

[2] Realidad Virtual describe la interfaz hombre-ordenador a que permite al usuario experimentar e interactuar como si la presencia física fuera real.

[3] El término Realidad Aumentada se refiere a una interfaz hombre-ordenador que sintetiza objetos virtuales en un entorno real de modo que puedan ser percibidos como si realmente existieran en el mundo real