¿Qué son las redes 5G y cómo funcionan?

Los usuarios de telefonía móvil quieren más velocidad en la trasmisión de datos y servicios más estables. La siguiente generación de redes inalámbricas el «5G», promete estas ventajas y muchas más. Con 5G, los usuarios podrán descargar un video en alta definición en tan solo un segundo (tarea que puede tomar hasta 10 minutos con 4G LTE). Los expertos dicen que estas redes potenciaran el desarrollo de otras nuevas tecnologías, como la conducción autónoma, la realidad virtual o el Internet de las cosas.

Si todo sale bien, las empresas de telecomunicaciones esperan lanzar comercialmente las redes 5G a principios del año 2020. Ahora mismo, el 5G aún se encuentra en planeación. Las compañías están trabajando juntas para definir exactamente cómo será. Sin embargo, todas están de acuerdo en algo: entre más aumente el número de dispositivos móviles y usuarios que demanden una conexión inalámbrica, las redes 5G tendrán que soportar muchísimo más tráfico a velocidades mucho más altas que las estaciones que conforman las redes celulares de hoy en día.

Para lograr esto, los ingenieros están diseñando una serie de nuevas tecnologías, que al juntarlas pueden transmitir datos con menos de un milisegundo de retraso< (comparado con cerca de 70 milisegundos en la redes 4G actuales) y brindar picos de descarga de 20 gigabits por segundo (comparado con 1GB/S en 4G) para los usuarios.

En este momento, aún no está claro cuáles tecnologías serán utilizadas por las redes 5G, pero existen algunas favoritas. Estas incluyen ondas milimétricas (Millimeter Waves), celdas pequeñas (Small Cells), massive MIMO, Full duplex y beamforming. Para entender la diferencia entre el 5G y las redes 4G actuales, es necesario comprender estas 5 tecnologías y conocer lo que significan para los usuarios de redes inalámbricas.

Millimeter Waves

Las redes inalámbricas actuales tienen un problema: cada día más personas y dispositivos están consumiendo más datos que antes, pero, permanecen juntas en el mismo espectro de radio frecuencia que los operadores móviles utilizan desde siempre. Esto significa menos ancho de banda para todos, causando un servicio más lento e inestable.

Una forma de solucionar el problema es tan simple como trasmitir señales en una nueva franja del espectro de radio frecuencia, una que no haya sido usada antes por dispositivos móviles. Es por esto que los proveedores están experimentando con la transmisión en ondas milimétricas (Millimeter Waves), que utilizan frecuencias más grandes que las ondas de radio que se han usado todo este tiempo para teléfonos móviles.

Las ondas milimétricas se transmiten en frecuencias entre los 30 y los 300 gigahertz, comparado con las frecuencias debajo de los 6 GHz que utilizamos para los celulares en el pasado. Son llamadas ondas milimétricas porque varían su longitud desde 1 hasta 10 mm, en comparación con las ondas de radio que transmiten los smartphones, con decenas de centímetros de longitud.

Hasta ahora, solo los operadores satelitales y los sistemas de radar usan ondas milimétricas aplicadas en el mundo real. Ahora, algunos operadores celulares han comenzado a usarlas para enviar datos entre puntos estacionarios, como dos estaciones base.

Hay un inconveniente con las ondas milimétricas. Estas no pueden viajar con facilidad a través de edificios u obstáculos y pueden ser absorbidas por los árboles o desvanecerse en la lluvia, por esto las redes 5G probablemente mejoraran las torres celulares tradicionales con una tecnología nueva, llamada celdas pequeñas (Small cells).

Small Cells

Las celdas pequeñas son estaciones portátiles a pequeña escala, que requieren menos energía para operar y pueden ser ubicadas unas a otras a una distancia de 250 metros en las ciudades. Para prevenir caídas en la señal, los operadores pueden instalar miles de estas estaciones en una ciudad para formar una red densa, que funciona como un equipo de relevos, recibiendo señales de otras estaciones base y enviando datas a los usuarios en cualquier locación.

Si bien las redes celulares tradicionales también han llegado a depender de un número creciente de estaciones base, lograr un rendimiento de 5G requerirá una infraestructura aún mayor. Afortunadamente, las antenas en de las celdas pequeñas pueden ser mucho más pequeñas que las antenas tradicionales. Este tamaño hace la diferencia al ser más sencillo poner celdas en postes de luz, en las azoteas de los edificios o incluso en nuestra casa.

Esta diferencia radical en la estructura de la red debería proporcionar un uso más específico y eficiente del espectro de radio frecuencia. Tener más estaciones significa que las frecuencias que una estación usa para conectarse con dispositivos en un área, pueden ser reutilizadas por otra estación en un área diferente para servir a otro cliente. Sin embargo, hay un problema: la gran cantidad de celdas pequeñas que se necesitarían para construir una red 5G puede dificultar la instalación de esta tecnología en áreas rurales.

Adicionalmente, para transmitir ondas milimétricas, las estaciones base del 5G deben tener muchas más antenas que las estaciones base actuales de las redes móviles, para esto se puede sacar provecho de otra nueva tecnología: el Massive MIMO.

Massive MIMO

Las estaciones base de las redes 4G actuales tienen docenas de puertos para antenas que manejan todo el tráfico celular: 8 para transmitir y 4 para recibir, pero, las estaciones base del 5G pueden soportar cerca de 100 puertos, lo que significa que con más capacidad las estaciones base pueden enviar y recibir señales de muchos más usuarios al mismo tiempo, incrementando de esta forma la capacidad de las redes móviles 22 veces más.

Esta tecnología es llamada massive MIMO. MIMO es el estándar de «Entrada multiple» (multiple-input), «Salida multiple»(multiple output). Se usa para describir sistemas inalámbricos que usan dos o más transmisores y receptores para enviar y recibir más de una dato a la vez. Massive MIMO llevó este concepto a un nuevo nivel utilizando docenas de antenas en una misma matriz.

Se pueden encontrar algunas estaciones base que implementan MIMO, pero hasta ahora, massive MIMO solo ha sido testeado en laboratorios y algunos campos de prueba. Massive MIMO es una tecnología prometedora para el futuro del 5G. Sin embargo, instalar muchas antenas para transmitir señales inalámbricas puede causar mucha interferencia si dichas señales se cruzan, es por esto que las estaciones 5G deben incorporar beamforming.

Beamforming

Beamforming es como un sistema de señalización de tráfico para señales de celular, el cual se encarga de encontrar la ruta más eficiente para transmitir datos a un usuario en particular. Esto reduce la interferencia para usuarios que están cerca durante el proceso, dependiendo la situación y la tecnología. Hay varias formas para implementarlos en las redes 5G.

El Beamforming puede ayudar a las matrices de massive MIMO a ser más eficientes. El primer reto para el massive MIMO es reducir la interferencia mientras transmite más información desde muchas más antenas al mismo tiempo. Una estación base de massive MIMO usa un algoritmo de procesamiento de señales para encontrar la mejor ruta de transmisión de datos a cada usuario a través del aire, luego puede enviar paquetes de datos en muchas direcciones, rebotando entre edificios y otros objetos de forma coordinada. Mediante el cálculo de los movimientos de los paquetes y el tiempo de llegada, se forman haces que permite que muchos usuarios y antenas de massive MIMO intercambien mucha más información a la vez.

Para las ondas milimétricas, el beamforming es usado primordialmente para solucionar diferentes problemas: Las señales de celular son muy fáciles de bloquear por objetos y tienden a debilitarse a largas distancias. En este caso, el beamforming puede ayudar a enfocar una señal para que apunte solo en la dirección del usuario, en lugar de transmitir en muchas direcciones a la vez. Esto fortalece las posibilidades de que la señal llegue intacta y reduce la señal para los demás usuarios.

Además de aumentar las velocidades de transmisión de ondas milimétricas y aumentar la eficiencia del espectro con el massive MIMO, los ingenieros también intentan alcanzar el alto rendimiento y baja latencia que se esperan en las redes 5G. Para esto se busca implementar una tecnología llamada full duplex, que modifica la forma en que las antenas entregan y reciben los datos.

Full Duplex

Las estaciones base y los celulares actuales se basan en transceptores que deben tomar turnos para transmitir y recibir información en la misma frecuencia. También operan en diferentes frecuencias cuando un usuario desea transmitir y recibir información al mismo tiempo.

En las redes 5G, un transceptor debe ser capaz de transmitir y recibir datos al mismo tiempo y en la misma frecuencia. Esta tecnología es conocida como full duplex, y pueden doblar la capacidad de las redes inalámbricas. Imagínate a dos personas hablando al mismo tiempo pero que son capaces de entenderse. Lo que significa que su conversación podría tomar la mitad de tiempo y su próxima discusión podría comenzar más pronto.

Algunos ejércitos ya utilizan la tecnología full duplex, pero usan equipos muy grandes. Para hacer que la tecnología full duplex funcione en dispositivos móviles, los investigadores deben diseñar un circuito que pueda encaminar las señales entrantes y salientes para que no colisionen mientras una antena está transmitiendo y recibiendo datos al mismo tiempo.

Esto es complicado debido a la tendencia de las ondas de radio a viajar hacia adelante y hacia atrás en la misma frecuencia, un principio conocido como reciprocidad. Pero recientemente, los investigadores han creado transistores de silicio que actúan como interruptores de alta velocidad para detener el retroceso de estas ondas, lo que permite transmitir y recibir señales en la misma frecuencia al mismo tiempo.

Con estas y otras tecnologías, los ingenieros esperan construir la red 5G que será usada por los futuros usuarios de smartphones, jugadores de realidad virtual y carros autónomos. Ahora mismo los investigadores y las compañías tienen grandes expectativas para el 5G. Prometen muy baja latencia y velocidades de transmisión de datos récord para los usuarios. Si logran resolver los retos que supone implementar esta tecnología, y logran que todos estos sistemas trabajen juntos, los servicios de la red 5G pueden llegar a los usuarios en los próximos 5 años.