Los desafíos para cumplir con los indicadores clave de desempeño del 5G: backhaul del 5G

Hay un sinnúmero de protocolos avanzados, tecnologías de radio y mejoras de infraestructura que se aprovechan para lograr los indicadores clave de desempeño (KPI) establecidos por el estándar IMT-2020. Este artículo se centra en el redireccionamiento del 5G y en la forma en que los requisitos de latencia y rendimiento pueden lograrse mediante tipos específicos de gNB y tecnologías de backhaul.

¿Para qué sirve el 5G?

En su forma más básica, el objetivo del 5G es proporcionar la llegada de una conectividad perfecta para el usuario, a pesar de los obstáculos aparentes. Estos obstáculos varían según del escenario, en un entorno urbano puede significar congestión e interferencia dentro del espectro que se utiliza. En un entorno rural, esto puede significar una falta generalizada de acceso, debido a la imposibilidad de llegar a la estación base local. También puede implicar una conexión lenta de las aplicaciones de transmisión de una gran cantidad de datos, como el uso de video de alta definición, la realidad aumentada/virtual (AR/VR), la conducción autónoma o el uso de Internet Táctil (TI). Otro caso de uso también podría incluir una aplicación industrial que intentara recibir datos de miles de nodos sensores, con el fin de rastrear/monitorear el equipo de la máquina, todo esto sin problemas.

Todos estos escenarios anteriores tienen consigo sus respectivas consideraciones de diseño en cuanto a la arquitectura de la estación base, del backhaul y el uso del espectro. Por este motivo, muchos de los parámetros y estándares de diseño publicados giran en torno a los parámetros clave de rendimiento del 5G. Los KPI constituyen los límites nominales y máximos para los diferentes casos de uso del 5G. Por lo general, los casos de uso se definen de la siguiente manera:

• • Banda ancha móvil mejorada (eMBB)
• • Comunicaciones ultraconfiables de baja latencia (uRLLC)
• • Comunicaciones masivas tipo máquina (mMTC)

De todos los diversos tipos de transmisión (por ejemplo, audio, navegación web, redes sociales, descargas de software, etc.), se espera que la transmisión de videos represente el 74 por ciento del tráfico de datos móviles para 2024^[1]. Además, predijo que para 2023, el 70 por ciento de la población mundial tendrá conectividad móvil, lo que elevará el número de dispositivos conectados a la red a casi 30 000 millones, un 60 por ciento más que en 2018^[2]. Por este motivo, el escenario de casos de uso del eMBB gira en torno a la satisfacción de las altas demandas de transferencias de datos a pesar de la gran capacidad.

Por otra parte, las mMTC son la conexión simultánea de decenas de miles de millones de dispositivos que, por lo general no transmiten/reciben grandes cantidades de datos y, por lo tanto, implican rendimientos relativamente bajos. Esto se debe al aumento de los dispositivos conectados a la Internet de las cosas (IoT), se espera que 50 mil millones de dispositivos estén habilitados para IoT para el año 2030^[3]. Como su nombre lo indica, los escenarios de las uRLLC requieren comunicaciones confiables de baja latencia. Esto se aplica, por ejemplo, en aplicaciones médicas/para prendas de vestir, críticas para la misión (militares), de seguridad pública o de automatización de fábricas, donde cualquier retraso o tiempo de inactividad en las comunicaciones conlleva riesgos de inactividad de las fábricas, equipos dañados o víctimas fatales.

Cumplimiento de los indicadores clave de desempeño

El IMT-2020 (Telecomunicaciones Móviles Internacionales-2020) estandariza los requisitos de una red 5G y la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) lo publicó en 2015. Sin embargo, se trata de un esfuerzo de colaboración entre la UIT y la otra organización principal de estándares celulares del 3GPP (proyecto de asociación de tercera generación). Recientemente, en julio de 2020, la UIT llegó a la conclusión de que el 5G del 3GPP (Releases 15 y 16) cumple los requisitos de la fase 1 y la fase 2 del 5G, lo que hace viable el cumplimiento de los requisitos tecnológicos del estándar IMT-2020^[4]. Los KPI generales del 5G establecidos por el IMT-2020 se pueden ver en la figura 1.

Figura 1: requisitos del 5G. 

Se han desarrollado una serie de objetivos y mejoras tecnológicas para cumplir con los KPI del 5G. En la figura 2 se enumeran algunas de las mejoras del 3GPP y la forma en que los diversos aspectos de la radio y del sistema ayudan a satisfacer las necesidades de todas las verticales de la industria y los tres principales casos de uso.

Figura 2: integración vertical de la industria con la versión 16 del 3GPP ^[4]. [Crédito de la imagen: UIT]

Tecnologías habilitantes clave para el 5G

Existen algunos “pilares“ tecnológicos importantes que permiten los KPI del 5G en varios casos de uso, incluido el MIMO de gran tamaño y el uso del espectro de ondas milimétricas. Además, el aumento de la actual infraestructura del 4G con la Nueva Radio (NR) 5G en el 5G no autónomo (NSA) es una fase crítica para alcanzar, en última instancia, los verdaderos 5G. Queda fuera del alcance de este artículo profundizar en los detalles de estas tecnologías y su implementación en la infraestructura del 5G. Sin embargo, la conexión de los diversos gNB del 5G al 5GC es un desafío clave para cumplir con los requisitos de rendimiento, latencia y eficiencia espectral. Aquí es donde la arquitectura del backhaul del 5G juega un papel clave. El tipo de estructura de backhaul varía en función de una serie de parámetros. En la figura 3 se muestran algunos rangos básicos utilizados por la Asociación público-privada de infraestructura del 5G (5G-PPP) para calificar los KPI básicos, con el fin de clasificar sus seis principales casos de uso (es decir, áreas urbanas de gran densidad, banda ancha, vehículos conectados, oficinas inteligentes, IoT y TI)^[5].

Figura 3: parámetros a considerar en torno a varios casos de uso del 5G^[5]. 

Detalles esenciales del backhaul del 5G: la división funcional

La arquitectura de la red de acceso por radio de próxima generación (NG-RAN) del 3GPP es una topología de red desagregada en la que una estación base de NR 5G (gNB) tiene su funcionalidad dividida entre una unidad centralizada (CU) y una o más unidades distribuidas (DU) con la posibilidad adicional de una unidad de radio separada (RU).

En general, la CU procesa protocolos de tiempo no real, mientras que los DU están destinados a procesar protocolos de nivel PHY y servicios en tiempo real para satisfacer las necesidades de baja latencia de aplicaciones específicas. Los escenarios de implementación varían según el tipo de estación base y el operador de red móvil (MNO). En cada uno de estos casos, la red de fronthaul, midhaul y backhaul variará. La Tabla 1 enumera las diversas topologías de los escenarios de implementación de RAN. En cada uno de ellos, el uso de una red fronthaul o midhaul varía según el tipo de implementación. Por ejemplo, un punto de acceso o una pequeña celda podría tener un RU, DU y CU integrados donde no habría fronthaul, o midhaul, sino solo backhaul al 5GC.                                        

Tabla 1: escenarios de implementación de RAN 

Como se muestra en la figura 4, la división funcional dentro del gNB puede ser una división de capa baja (LLS) o una división de capa alta (HLS) dentro del modelo de interconexión de sistemas abiertos (OSI), un modelo que muestra las capas funcionales dentro de un sistema de redes. Por lo general, la HLS permite una menor latencia y un mayor rendimiento de las comunicaciones que una LLS. La división intra-PHY, o una división funcional dentro de la capa física, tiene el beneficio de soportar características de NR como la acumulación de portadores (CA), la red de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO), la multipunto coordinada (CoMP) y la conectividad dual (DC). Normalmente, el protocolo CPRI se utilizaba para permitir la comunicación entre la unidad de banda base (BBU) y el cabezal de radio remoto (RRH). Sin embargo, dado que la CPRI no escala con gNB equipados con una división intra-PHY, el protocolo mejorado de CPRI (eCPRI) se estandarizó desde entonces para apoyar la descomposición funcional para el fronthaul (la comunicación entre RU y DU).

Figura 4: puntos de división entre las funciones CU y DU con una (a) división de capa alta (b) división de capa baja y (c) división en cascada^[6]. [Crédito de la imagen: UIT]

Estas divisiones funcionales en la capa física requieren la coordinación de las capas superiores, lo que hace que los requisitos de latencia sean muy estrictos. Por ejemplo, el 3GPP establece límites en el Error de alineación de tiempo (TAE), o la mayor diferencia de tiempo entre cualquiera de las dos señales de NR para una configuración/modo de transmisión específicos, del orden de cien nanosegundos para estas señales de NR, ya que las tramas de estas señales en el dominio radiado no están perfectamente alineadas a tiempo^[7]. Esto requiere un alto grado de sincronización, ya que el máximo retardo de trama unidireccional para las comunicaciones puede llegar a ser tan bajo como 25 µs (uRLLC) con una sincronización de tiempo total de 1,5 µs^[8].

En la tabla 2 se enumera la latencia unidireccional de varios tipos de backhaul basados en las entradas del operador enumeradas en los estándares del 3GPP, así como en el backhaul inalámbrico en las frecuencias sub-GHz y mmW^[9]. El proceso de ARQ híbrido (HARQ) ubicado en el MAC se habilita en el 5G para cumplir con los requisitos de baja latencia. Este proceso requiere un tiempo de recorrido de 5 ms, que corresponde a una distancia de 40 km de fibra entre CU y DU^[10]. En otras palabras, hay una amplia variedad de señales de NR y escenarios de uso que incluyen tanto señales sincronizadas como no sincronizadas entre pequeñas celdas, así como entre pequeñas celdas y macroceldas. El xhaul debe variar según corresponda, donde las celdas pequeñas y las macroceldas que utilizan operaciones como la coordinación de interferencias, CA y CoMP, pueden mejorarse mediante implementaciones sincronizadas de agrupaciones de celdas pequeñas y comunicaciones coordinadas. Esto requiere una distribución específica del gNB entre CU, DU y RU, con una descomposición funcional particular, así como una troncal adecuada para el backhaul (fibra o inalámbrica).

Tabla 2: la tecnología de backhaul y la respectiva latencia y rendimiento unidireccional^[9]. 

Entre la tecnología de backhaul se puede elegir: fibra o inalámbrica

Así como el 5G utiliza una gran variedad de tecnologías de radio y el espacio del espectro para lograr una conectividad perfecta, la infraestructura para el fronthaul, el midhaul y el backhaul es flexible, al igual que entre las tecnologías alámbricas e inalámbricas. Según el área y el escenario de uso, hay configuraciones de sitios conocidos y tipos de gNB que se utilizan. Como se muestra en la tabla 3, esto puede variar entre una celda pequeña o una macrocelda en la que el gNB podría aprovechar el espectro de mmW, MIMO 5G, o incluso un eNB^[11][12]. Los entornos urbanos densos pueden alcanzar altas capacidades, de manera confiable, a través de una infraestructura pesada de pequeñas celdas con acceso a fibra para el 5GC en distancias cortas de transmisión para comunicaciones de baja latencia. Los principales problemas de accesibilidad se dan en los entornos suburbanos y rurales; en estos casos, se pueden lograr altas tasas de transferencia de datos a través del backhaul inalámbrico mediante una macrocelda y, más recientemente, mediante el backhaul satelital con un satélite de alto rendimiento de órbita geosincrónica (GEO) o constelaciones de órbita terrestre baja (LEO).

Tabla 3: diversas áreas de cobertura y sus respectivos parámetros^[11][12]. 

En cualquier caso, el 5G requiere una mayor cantidad de instalaciones de fibra profunda con las opciones de microondas y el backhaul de ondas milimétricas. Según la investigación de ABI, el backhaul de fibra crecerá hasta el 39,6 % de los enlaces de backhaul para las macroceldas en 2025, mientras que el backhaul de microondas ocupará el 45,1 % de esa cuota de mercado. La tercera mayor tecnología de backhaul pronosticada es el backhaul de ondas milimétricas con un 6,1 %. Las implementaciones de fibra, a menudo, son costosas y de tiempo prohibitivo para la fase inicial del 5G. Por este motivo, se especificó el backhaul de acceso integrado (IAB) como parte de la versión 16 del estándar del 3GPP. Este tipo de backhaul utiliza los gNB ya establecidos (por ejemplo, celdas pequeñas, terminal inalámbrico fijo, macrocelda, etc.) para hacer backhaul de una señal a través de una serie de saltos, con las mismas o diferentes bandas de frecuencia.

Satisfacer los requisitos de latencia, rendimiento y distancia en 5G con backhaul

El uso cuidadoso de la fibra y el xhaul inalámbrico es esencial para cumplir con los requisitos de rendimiento y latencia del 5G a través de grandes distancias y/o obstáculos de señal. Este problema complejo se resuelve a través de un sinfín de técnicas y tecnologías, entre las que se incluyen el IAB, el backhaul de microondas, el backhaul de ondas milimétricas y la opción de fronthaul o midhaul (o ambos) para una LLS o HLS en un gNB.

En general, los entornos urbanos densos utilizan bastante las celdas pequeñas de fibra para el backhaul y la conectividad, mientras que los entornos más rurales dependerán de las conexiones inalámbricas a través de un enlace inalámbrico de ondas milimétricas o de microondas.

Referencias

1. https://www.ericsson.com/491e34/assets/local/mobility-report/documents/2018/ericsson-mobility-report-november-2018.pdf
2. Cisco. “Documentación técnica (2018–2023) del Informe anual de Internet”. Marzo de 2020.
3. https://www.statista.com/statistics/802690/worldwide-connected-devices-by-access-technology/
4. https://www.itu.int/en/ITU-T/Workshops-and-Seminars/201807/Documents/3_Erik_Guttman.pdf
5. 5G PPP, “Versión 1: casos de uso del 5G PPP y los modelos de evaluación de rendimiento”.
6. GSTR-TN5G de UIT-T, “Soporte de red de transporte IMT-2020/5G“. Febrero de 2018.
7. 3GPP, “TS 38.104 V16.5.0: Red de acceso por radio del Grupo de especificaciones técnicas; NR; transmisión y recepción por radio de estaciones base (BS)“. 3GPP, septiembre de 2020.
8. G.8271 de UIT-T, “Límites de la red para la sincronización de tiempo en redes de paquetes“, Unión Internacional de Telecomunicaciones, octubre de 2017.
9. 3GPP, “TR 36.932 V16.0.0; Escenarios y requisitos para las mejoras de las celdas pequeñas para E-UTRA y E-UTRAN“, Tech. Rep., 3GPP, julio de 2020.
10. L. M. P. Larsen, A. Checko y H. L. Christiansen, “Una encuesta de las divisiones funcionales propuestas para las redes crosshaul móviles 5G“, en IEEE Communications Surveys & Tutorials, volumen 21, n.° 1, páginas: de 146 a 172, primer trimestre de 2019, doi: 10.1109/COMST.2018.2868805.
11.  3GPP, “TR 38.913 V16.0.0: Estudio de escenarios y requisitos para tecnologías de acceso de próxima generación“. 3GPP, julio de 2020.
12. https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/workshops/fsimt2020/Documents/2-Wireless%20X-Haul%20Requirements.pdf