¿Qué espectro de frecuencias usará la tecnología 5G y cómo se compara con 4G?

Sin embargo, la naturaleza ubicua de la tecnología inalámbrica en las aplicaciones de consumidor, automotriz, industrial e incluso militar/aeroespacial transformó el potencial de la tecnología inalámbrica celular de una plataforma de comunicación interpersonal en un ecosistema de red inalámbrico altamente flexible. Esto resulta evidente con los cambios en las capacidades y frecuencias entre 4G LTE y las tecnologías 5G previstas. Este artículo ilumina los detalles sobre el cambio en rendimiento, frecuencias y requisitos de los sistemas 4G LTE a 5G.

Las aplicaciones emergentes cambian el uso de las frecuencias y el rendimiento de la red celular

Aunque las generaciones celulares inalámbricas previas también tenían aplicaciones diferentes a la banda ancha móvil, el grueso de los servicios celulares 2G, 3G y ahora 4G LTE se diseñaron y están dedicados a la banda ancha móvil. Los estándares y las tecnologías de las generaciones celulares previas se destinaron predominantemente a los usuarios de banda ancha móvil celular en las regiones urbanas y suburbanas, con menos énfasis en las regiones rurales. El objetivo de las tecnologías 5G, sin embargo, va más allá de entregar banda ancha móvil solamente. Ofrece mejoras clave que habilitan una gama mucho más amplia de aplicaciones: banda ancha móvil mejorada (eMBB), comunicaciones ultraconfiables de baja latencia (URLLC), comunicaciones masivas tipo máquina (MMC) y acceso inalámbrico fijo (FWA).

Banda ancha móvil mejorada (eMBB)

Dónde 5G eMBB difiere de la banda ancha móvil 4G son las tasas de transferencia de datos extremos de 5G y el objetivo de una cobertura urbana ubicua. Con eMBB, las metas de IMT-2020 son la entrega de un estándar que permita velocidades de descarga punta de hasta 20 Gbps y tasas de transferencia de dato confiables para los usuarios en los entornos urbanos de al menos 100 Mbps con solo 4 ms de latencia. Aunque las velocidades de banda ancha móvil 4G actuales pueden alcanzar velocidades punta de cientos de megabits por segundo, la mayoría de los usuarios urbanos reciben menos de 10 Mbps de velocidad con latencias de decenas de milisegundos. Más allá de la descarga rápida de video 5G, eMBB habilitará contextos que abrirán las puertas a las aplicaciones de realidad aumentada y realidad virtual en tiempo real, en todo el entorno urbano.

Este rendimiento requiere actualizaciones en el conjunto tecnológico completo de la red celular, así como mejoras tecnológicas en los dispositivos móviles. Gran parte de este cambio en la arquitectura de red está ocurriendo ahora que las principales empresas de telecomunicaciones implementan más células pequeñas para habilitar el rendimiento eMBB, donde las arquitecturas de macrocélulas homogéneas tradicionales han demostrado ser incapaces, sobre todo en los entornos urbanos densamente poblados.

Comunicaciones ultraconfiables de baja latencia (URLLC)

Aunque algunas áreas disfrutan de un rendimiento celular inalámbrico que puede considerarse como de categoría empresarial, la mayoría de los sistemas celulares actuales no tienen la capacidad de entregar los requisitos de confiabilidad o latencia necesarios para las aplicaciones críticas como los vehículos autónomos, la atención de salud móvil, la automatización de fábricas o la respuesta ante emergencias. El objetivo de 5G URLLC es la entrega de comunicaciones altamente confiables, seguras y de baja latencia (menos de 1 ms), suficientemente robustas para el uso en aplicaciones de vida o muerte.

Para mejorar la confiabilidad de la red celular y reducir la latencia, hace falta realizar cambios en la manera de funcionar del dispositivo móvil, la estación de base y las comunicaciones de red. Estas mejoras incluyen nuevas formas de onda, hardware de menor latencia y estrategias de red inalámbrica probables que permitan agilidad de frecuencia, redundancia y tipos de arquitectura de red alternativas a las redes en estrella.

Comunicaciones masivas tipo máquina (MMC)

La mayoría de los usuarios inalámbricos celulares hoy en día son personas con teléfonos móviles, pero las redes celulares del futuro probablemente estarán dominadas por dispositivos de la Internet de las cosas (IoT) que se comunican entre ellos, entregan información de los sensores y responden a datos de control en zonas urbanas modernizadas, fábricas, instalaciones industriales y redes de transporte. Gran parte, quizás la mayoría, de las comunicaciones celulares del futuro serán entre máquinas, lo que implica requisitos muy diferentes a los usuarios humanos.

Los dispositivos de IoT y máquina dispersos probablemente requieran una gama muy diversa de requisitos de comunicación, por lo que un protocolo de comunicación único para todos los usos no resultará viable. Por lo tanto, los nuevos estándares 5G probablemente incluirán métodos de protocolo de comunicación adaptables, de modo que los sistemas como los sensores operados por batería de bajo consumo y bajos requisitos de tasas de transferencia de datos podrán usar la misma tecnología de red que los robots autónomos con gran velocidad de datos y baja latencia, por ejemplo. Las generaciones celulares anteriores utilizaron bandas de frecuencia específicas para determinadas aplicaciones, lo que probablemente no será la solución para las generaciones celulares del futuro, ya que la congestión del espectro vuelve más valiosa cada banda de frecuencia.

Punto de acceso inalámbrico (FWA)

Aunque no son ampliamente utilizados, las redes celulares 3G y 4G permiten una gama de sistemas de acceso seudofijos, con puntos de acceso y módems celulares. Sin embargo, la capacidad mejorada de las redes 5G en la tasa de transferencia de datos y baja latencia permite un caso de uso de negocio atractivo para entregar FWA para competir con otros servicios de Internet del último tramo. Con un mayor ancho de banda y tecnologías de antena más avanzadas, muchos expertos predicen que las redes 5G podrán brindar un rendimiento similar a la fibra óptica y entregar Internet y conectividad económica para los mercados desarrollados y en desarrollo. Más allá de la múltiple entrada y múltiple salida masiva (mMIMO) y las antenas capaces de formar rayos, los servicios de FWA también requieren un ancho de banda más allá de lo que está disponible en el espectro inferior a 6 GHz de las redes celulares actuales. Harán falta grandes cantidades de ancho de banda, probablemente superior a 1 GHz, para entregar un servicio similar a la fibra óptica. Por lo tanto, las redes celulares 5G incluyen bandas de frecuencia de ondas milimétricas para permitir nuevas aplicaciones y mejoras drásticas en la tasa de transferencia de datos comparado con las generaciones previas.

Comparación de las frecuencias entre 5G y 4G

Las primeras redes celulares GSM operaban a 850 MHz y 1900 MHz. Las redes 2G y 3G cambian el método de modulación pero en gran medida usan las mismas porciones del espectro con bandas de frecuencia reorganizadas. A medida que evolucionó 3G, se incluyeron bandas de frecuencia adicionales, así como espectro en torno a 2100 MHz. Las tecnologías 4G LTE aportaron espectro y bandas de frecuencia adicionales, específicamente en torno a 600 MHz, 700 MHz, 1,7/2,1 GHz, 2,3 GHz y 2,5 GHz. Todas estas frecuencias de red celular funcionan mediante licencias (Tabla 1).

Los planes para las bandas de frecuencia de 5G son mucho más complejos, ya que el espectro de frecuencias inferiores a 6 GHz para 5G abarca 450 MHz a 6 GHz, y las frecuencias 5G de ondas milimétricas abarcan 24,25 GHz a 52,6 GHz, e incluyen también un espectro que no está sometido a licencias. Además, puede haber espectro 5G en el rango de 5925 MHz a 7150 MHz y en el rango de 64 GHz a 86 GHz. Por lo tanto, 5G incluirá todos el espectro celular anterior más una gran cantidad del espectro en el rango inferior a 6 GHz, y este corresponde varias veces al espectro celular actual (Tabla 2 y Tabla 3). La versión inicial de 3GPP de los estándares de 5G NR (New Radio) no autónoma incluyó varias bandas de frecuencia inferiores a 6 GHz, denominadas FR1 (Tabla 2). La segunda versión de 5G de 3GPP después de IMT-2020 incluirá bandas de frecuencia FR2 en el espectro de ondas milimétricas (Tabla 3).

Al igual que con las generaciones celulares y las versiones de 3GPP anteriores, varios países y regiones probablemente también adoptarán un espectro único para los usos de 5G. En los EE. UU., por ejemplo, la FCC está considerando abrir 5925 GHz a 6425 GHz y 6425 GHz a 7125 GHz para el uso sin licencia y está realizando consultas para agregar capacidad de banda ancha móvil en el espectro de 3,7 GHz a 4,2 GHz. Actualmente, la FCC está subastando espectro en los rangos de 27,5 GHz a 28,35 GHz, 24,25 GHz a 24,45 GHz y 24,75 GHz a 25,25 GHz, para el uso de 5G de ondas milimétricas. La FCC también podría considerar abrir las frecuencias de banda media de 3,7 GHz a 4,2 GHz para 5G y también podría considerar abrir las bandas de seguridad pública de 4,9 GHz para el acceso a 5G. Además, la FCC también puede ofrecer bandas adicionales para 5G en las bandas de 2,75 GHz, 26 GHz y 42 GHz. En diciembre de 2018, la FCC anunció una subasta de incentivo de 37,6 GHz a 38,6 GHz, 38,6 GHz a 40 GHz y 47,2 GHz a 48,2 GHz. La mayoría de los otros países en desarrollo están realizando consideraciones similares para asignar el espectro para 5G.

Una de las principales razones para poner a disposición espectro adicional para 5G son las limitaciones físicas asociadas al rendimiento y el ancho de banda. Los planes de banda 4G concentraron entre 5 MHz y 20 MHz de ancho de banda por canal, mientras que el estándar 5G FR1 permite entre 5 MHz y 100 MHz de ancho de banda por canal. Como el ancho de banda es directamente proporcional al rendimiento máximo, el aumento por cinco del ancho de banda produce aproximadamente cinco veces más rendimiento. Además, 3GPP versión 15 estableció nuevas formas de onda y la adición de π/2 BPSK como método de modulación. Las formas de onda adicionales son la multiplexación por división de frecuencias ortogonales dispersa por transformada de Fourier discreta (DFT-S-OFDM) para FR1 y la OFDM de prefijo cíclico (CP-OFDM) para FR2.

Aunque el hardware, la tecnología y la infraestructura de comunicaciones de RF están disponibles y son capaces de satisfacer algunos de los requisitos de las primeras especificaciones de frecuencia y rendimiento de 5G, la mayoría de las promesas de 5G todavía están fuera del alcance de las tecnologías actuales. Estos desafíos incluyen un hardware económico capaz de operar en las frecuencias necesarias, la integración en los dispositivos portátiles/móviles y una infraestructura de red altamente distribuida. Ahora que se siguen implementando servicios 4G LTE en los EE. UU. y otros países, probablemente transcurrirán varios años antes de que los servicios 5G más allá de las capacidades de 5G FR1 sean viables.

Conclusión

Cada nueva generación de tecnología celular incluyó cambios en las bandas de frecuencia y los modos de operación. Eso no es diferente para el desarrollo de las tecnologías 5G. Lo que sí es diferente, es la cantidad de espectro de frecuencia nuevo que se agrega y en qué parte del régimen del espectro electromagnético residen esas frecuencias. Además, la necesidad de un mayor ancho de banda también está llevando a los principales legisladores y fabricantes de dispositivos a extraer el máximo rendimiento de las sobrecargadas bandas de frecuencia celular inferior a 6 GHz por medio de una variedad de técnicas que componen múltiples bandas celulares y aumentan el ancho de banda de un canal. Las aplicaciones emergentes, como la Internet de las cosas (IoT) y las comunicaciones de máquina a máquina (M2M) también están motivando a la industria para investigar una variedad de modos de operación para que 5G se ajuste a una diversidad de aplicaciones. De muchas maneras, 5G se está diseñando para convertirse en una solución modular para los desafíos de la conectividad inalámbrica universal.

Tabla 1

Tabla 2

Tabla 3

Tabla 4

Recursos

http://www.3gpp.org/specifications/specifications

Espectro GSA para redes 5G terrestres: desarrollos de licencias en el mundo (diciembre de 2018)