5.8:5G, Radio de Quinta Generación

Al igual que con 4G habrá evolución a largo plazo del estándar 5G y esto será compatible hacia arriba con 4G. A pesar de que 4G se promocionó como la evolución a largo plazo de 3G, en la capa física era fundamentalmente incompatible. 5G es fundamentalmente compatible con 4G en la capa física y se espera que los servicios de telefonía celular sigan funcionando de la misma manera que si se estuviera utilizando 4G. La primera iteración (es decir, evolución) de 5G se llama N ext Radio (N R) y comienza con 3GPP Release 15, ver Figura 5.9.4, y la operación comenzó en la segunda mitad de 2018.

El estándar 5G completo admite tres casos de uso y un nivel de servicio significativamente mejorado sobre 4G. Uno de los casos de uso es la banda ancha móvil mejorada (eBB) con velocidades máximas de datos\(20\text{ Gbit/s}\) y velocidades de datos sostenidas de\(100\text{ Mbit/s}\). Se admite alta movilidad\(500\text{ km/s}\) de hasta. Otro caso de uso es la comunicación masiva de máquina a máquina (mMTC) que admite el Internet de las cosas (IoT) con alta densidad de dispositivos (hasta\(10^{6}/\text{km}^{2}\), largo alcance, baja velocidad\((1\text{ kbit/s}–100\text{ kbit/s})\) de datos y una duración de la batería de\(10\) un año que permite. El tercer caso de uso es la ultra confiabilidad y baja latencia (URLLC) con menor latencia de interfaz\(1\text{ ms}\) aérea y menor que la latencia\(5\text{ ms}\) global de extremo a extremo,\(99.9999\%\) confiabilidad, velocidades de datos hasta\(10\text{ Mbit/s}\) y soporte de alta movilidad.

Muchos escenarios requieren una latencia de extremo a extremo ultra confiable y muy baja, tal vez tan baja como\(1\text{ ms}\). Los primeros despliegues de 4G tuvieron latencias de\(80\text{ ms}\) o más y variaron considerablemente entre los proveedores de servicios. A lo largo de los años desde que se lanzó 4G las latencias se han reducido considerablemente pero en 4G no es posible tener latencias de interfaz aérea menores que la velocidad de\(10\text{ ms}\) fotogramas de 4G. Un límite fundamental en 4G se debe a la duración de\(0.5\text{ ms}\) tiempo de una ranura, ver Figura 5.9.6. Un concepto en 5G es tener más ranuras por\(1\text{ ms}\) submarco manteniendo la subestructura para una compatibilidad ascendente. En 4G hay dos ranuras por subchasis. Los posibles desarrollos en 5G son\(1\)) tener más ranuras por subtrama y\(2\)) (lo que parece ser similar) tener más símbolos por ranura. Con\(16\) ranuras por submarco, la duración de la ranura es\(0.0625\text{ ms}\). La evolución a largo plazo del 5G continuará y logrará latencias generales de\(1\text{ ms}\) o menos.

Un concepto importante de 5G es ser totalmente compatible con la infraestructura 4G y la única infraestructura nueva que se requiere es aquella para dar soporte a nuevos servicios. Había dos ideas centrales detrás de 4G: OFDM y MIMO y estas se utilizan en 5G OFDM. OFDM en 4G utilizó dos espacios fijos de subportadora, pero 5G tiene varios anchos de banda de subportadora diferentes, incluido un ancho de banda de subcanal de\(480\text{ kHz}\), y un ancho de banda de subcanal de bajo ancho de banda de\(7.5\text{ kHz}\) para acomodar la movilidad de alta velocidad Como con 4G, se usa agregación de portadoras, pero ahora los flujos de bits en hasta \(32\)se combinan los portadores. También los anchos de banda de canal son hasta\(400\text{ MHz}\) comparados con el ancho de banda de\(20\text{ MHz}\) RF máximo de 4G.

5.11.1 Radio de malla

En 5G una malla inalámbrica elimina la necesidad de una estación base fija para comunicarse directamente con una unidad final [32]. Si hay un nodo entre la estación base y un usuario móvil, un nodo intermedio, posiblemente otro usuario móvil, se puede usar de manera efectiva como retransmisor. Esto reduce los requisitos generales de energía y los niveles de interferencia, lo que a su vez conduce a una mayor capacidad de carga de datos. Este concepto se puede extender para utilizar múltiples nodos intermedios formando una malla densa con considerable tolerancia a los efectos de multitrayecto e interferencia. Un beneficio significativo de esto se puede ver al señalar que en un entorno urbano el poder puede caerse por la cuarta potencia de la distancia. Otro beneficio es que el impacto del desvanecimiento se puede reducir en gran medida, ya que los caminos en la malla se desvanecerán de forma independiente. Esto se verá incrementado por muchas células pequeñas llamadas femtocélulas y picocélulas que manejan el tráfico en áreas geográficas pequeñas como edificios, aeropuertos e instalaciones deportivas.

5.11.2 Radio Cognitiva

La radio cognitiva explota el hecho de que gran parte del espectro EM permanece sin usar aun cuando las bandas reservadas para las comunicaciones celulares hayan alcanzado su capacidad. Esta situación es consecuencia de la asignación de bandas para servicios dedicados que pueden no estar activos en un momento y lugar en particular. Ejemplos son las bandas no utilizadas reservadas para canales de televisión y las bandas reservadas para la comunicación en tiempos de emergencia. Una radio cognitiva detecta su entorno y se adapta en tiempo real a las necesidades de comunicación de un usuario tomando prestado temporalmente el espectro no utilizado [33, 34]. Como resultado, el espectro se usa de manera más eficiente. Una radio cognitiva evita causar interferencias con las comunicaciones de otros usuarios al detectar el uso del espectro, cambiar la frecuencia, ajustar el nivel de potencia y alterar los protocolos de transmisión. Si se toma prestada una banda con licencia, entonces una radio cognitiva deja de usar esta parte del espectro si el licenciatario de la banda se vuelve activo. Este comportamiento también se denomina gestión dinámica del espectro.

5.11.3 MIMO Masivo

MIMO en 4G utiliza múltiples antenas en la estación base y en los terminales para aumentar las velocidades de datos globales siempre que haya múltiples rutas entre el transmisor y el receptor. Por ejemplo, con dos antenas de estación base que transmiten flujos de bits separados pero en la misma banda de frecuencia y dos antenas de recepción no correlacionadas, conocidas como\(2\times 2\) MIMO, la velocidad de datos máxima teórica es el doble de lo que podría soportar la comunicación de línea de visión. En 5G puede haber un número muy grande de antenas de transmisión a pesar de que hay pocas antenas receptoras por unidad terminal ya que múltiples unidades terminales significan que efectivamente puede haber un número muy grande de antenas receptoras.

5G opera a frecuencias por debajo\(6\text{ GHz}\) y a frecuencias de ondas milimétricas. Debajo\(6\text{ GHz}\)\(8\times 8\) MIMO es compatible con el estándar pero puede haber cien o más antenas de estación base. Por ejemplo. Con antenas de\(128\) estación base y cuatro antenas receptoras por unidad\(32\) terminal, las unidades terminales pueden ser compatibles en la misma banda de frecuencia. En general, el sistema tiene un rendimiento mucho mayor, teóricamente un máximo de\(128\) veces más de lo que podría soportar un solo enlace de línea de visión. Este concepto, es decir, no todas las antenas receptoras necesitan estar en la misma plataforma, se llama MIMO masivo.

Masiva MIMO utiliza la caracterización del canal como en MIMO convencional pero utiliza esta información para formar múltiples haces cada uno dirigido a cada unidad terminal. Esta situación se muestra en la figura\(\PageIndex{1}\) donde hay múltiples antenas de transmisión/recepción en cada estación base pero relativamente

Figura\(\PageIndex{1}\): Un sistema MIMO masivo con haces desde las antenas de la estación base a cada unidad terminal.

pocas antenas de transmisión/recepción en cada unidad terminal. Al inicio de cada intervalo de correlación, es decir, el tiempo durante el cual un canal no cambia significativamente, cada unidad terminal transmite un código a la estación base. Cada unidad terminal utiliza un código ortogonal y así la estación base es capaz de caracterizar los canales desde cada una de las unidades terminales hasta la estación base. La estación base es entonces capaz de usar sus antenas en una matriz en fase para formar un haz para transmitir datos solo al terminal previsto. La situación real es un poco diferente ya que no se forma un solo haz sino que se emite una señal ponderada desde cada una de las antenas de la estación base con el efecto de que toda la potencia que sigue múltiples rutas se une en la unidad terminal prevista. Aún así este proceso se llama beamforming. Se utilizan diferentes vigas para cada estación base. En la segunda mitad del intervalo de correlación, la unidad terminal transmite de nuevo a la estación base y la estación base utiliza su conformación de haz a la inversa para crear efectivamente múltiples haces de recepción, cada uno dirigido a una unidad terminal. Por supuesto, estos no son estrictamente haces sino que utilizan el modelo de canal para combinar las señales de cada una de las antenas de recepción de estación base para recibir de manera efectiva señales con la mayor relación de señal a interferencia de cada terminal.

MIMO masivo tiene una ventaja de rendimiento incluso con línea de visión siempre que las unidades terminales no estén una encima de la otra, ya que las rutas desde cada una de las antenas de estación base a cada uno de los terminales no estarán correlacionadas. La dirección del haz también se puede utilizar para concentrar la energía transmitida en una dirección particular.

5.11.4 Sistemas de antena activa

Las antenas adaptativas, o sistemas de antenas activas (AAS), también se conocen como antenas inteligentes y adaptan una matriz de antenas para dirigir un haz de antena entre un transmisor y un receptor, eliminar interferencias o usar las firmas espaciales proporcionado por diversas rutas de propagación para transferir más información de la que se puede enviar a través de un solo enlace [35]. Todo esto se hace usando procesamiento de señal en lugar de reconfiguración de hardware.

En un enfoque, se usa una antena inteligente para cambiar entre una serie de haces de antena fijos, generalmente estrechos, en lo que es análogo a una matriz de antenas altamente sectorizadas. La conmutación requiere conocimiento del ángulo de llegada y los haces rastrean una unidad móvil. Una versión sencilla de este concepto se utiliza en la radio 3G y 4G. Además de enfocar la potencia disponible en los nodos de comunicación previstos, la formación de haces a través de la conmutación de haces también minimiza la interferencia.

Las antenas adaptativas aumentan las velocidades de transferencia de datos, reducen la interferencia y reducen la cantidad de potencia de transmisión requerida.

5.11.5 Operación de Frecuencia de Microondas

La operación de baja frecuencia se refiere a 5G que opera a continuación\(6\text{ GHz}\). Las bandas que se están adoptando para el despliegue en etapa temprana son las\(700\text{ MHz}\),\(3300–4200\text{ MHz}\) y\(4400–5000\text{ MHz}\) bandas pero la cobertura completa no está disponible en todos los países. Muchos predicen que la mayor parte de la comunicación 5G estará en estas frecuencias, particularmente en\(3.5\text{ GHz}\), hasta mediados o finales de la década de 2020. Es importante para 5G que haya espectro disponible a nivel mundial. La\(700\text{ MHz}\) banda es de particular interés ya que proporcionará una amplia cobertura de área y penetración profunda en los edificios y por lo tanto es un candidato para proporcionar enlaces de alta confiabilidad importantes para las aplicaciones 5G mMTC. A esta frecuencia 5G es compatible con 4G pero con características evolucionadas como soportar hasta agregación de\(32\) portadoras y\(8\times 8\) MIMO en lugar de la agregación de cinco portadoras y (generalmente)\(3\times 3\) MIMO máximo de 4G. También 5G en el rango de baja frecuencia admite modulación QAM 256 pero luego el orden de modulación QAM compatible con 4G ha evolucionado con las últimas versiones 3GPP.

5.11.6 Operación de Ondas Milimétricas

Las velocidades de datos muy altas de 5G se obtienen operando a frecuencias de onda milimétrica (onda mm) donde hay mucho más ancho de banda disponible. Las bandas en las que se enfocan son las\(24.25–29.5\text{ GHz}\) y\(37–40.5\text{ GHz}\). (Sí, técnicamente no\(24.25–29.5\text{ GHz}\) son ondas milimétricas lo que requiere una longitud de onda para ser\(10\text{ mm}\) o menos, pero eso se está llamando ondas mm en la comunidad 5G). A frecuencias de onda mm se puede lograr una conformación de haz muy estrecha si se usa el mismo tamaño general de antena. Sin embargo hay una penalización, la atenuación de la señal es alta y no es posible enviar señales a través de paredes y a edificios. Como tales unidades montadas en ventana son necesarias para recibir señales. Se prevé que la operación de onda milimétrica use solo\(2\times 2\) MIMO, pero aún así usar MIMO masivo, sea útil para la movilidad de baja velocidad, pero proporcione velocidades de datos muy altas.

5.11.7 Acceso múltiple no ortogonal

Una de las características distintivas de 4G y 5G es OFDMA, un esquema de acceso múltiple ortogonal (OMA). OFDMA en (tanto 4G como) 5G asigna un bloque de recursos dedicado a cada usuario y la ortogonalidad asegura que casi no haya interferencia entre usuarios. La utilización del sistema es óptima cuando cada bloque de recursos se utiliza completamente. Sin embargo este no es el caso de los dispositivos IoT, cuyo soporte es una de las principales características del 5G. Cuando los dispositivos IoT se comunican, generalmente se intercambia muy poca información y por lo tanto, la mayor parte del bloque de recursos utilizado por un dispositivo IoT no se usa. El crecimiento esperado del 5G verá una gran proliferación de dispositivos IoT con estos dispositivos que tienen diversos requisitos de velocidad de datos y latencia. La comunicación con cada dispositivo IoT asignando un bloque de recursos dedicado no utiliza la capacidad de manera efectiva. Además, el uso de la misma potencia de transmisión de estación base para cada usuario se dice que es 'injusto' ya que cada usuario normalmente tiene una calidad de canal diferente y un usuario que tiene una calidad de canal más pobre que necesita operar con modulación de orden inferior. La 'injusticia' surge porque la capacidad del canal no es igualmente compartida sino que lo sería si la estación base transmitiera mayores potencias al usuario con un canal más pobre. El acceso múltiple no ortogonal (NOMA) está diseñado para abordar este desequilibrio y asegurar un uso óptimo de cada bloque de recursos y, por lo tanto, del sistema de comunicación.

El concepto clave de NOMA es que los dispositivos de baja tasa compartirán un bloque de recursos, utilizarán diferentes velocidades de símbolos, y el nivel de potencia de transmisión desde la estación base a cada usuario se ajustará de acuerdo con la calidad del canal de comunicación [36, 37]. En NOMA, y a diferencia de OFDMA, habrá interferencia entre usuarios y se han desarrollado esquemas que permitirán separar a los usuarios individuales. Un posible esquema de NOMA para separar usuarios mediante el uso de multiplexación de dominio de código con cada usuario que comparte un bloque de recursos al que se le asigna un código único. El concepto es muy similar al utilizado en WCDMA pero aplicado a nivel de bloque de recursos.

El esquema dominante de NOMA en 5G y el que se implementará por primera vez (al momento de escribir este libro) en una futura versión 3GPP del estándar 5G es la transmisión de superposición multiusuario (MUST). La cancelación sucesiva de interferencias (SIC) es el esquema utilizado para separar a los usuarios.

En MUST a los usuarios se les asignan diferentes niveles de potencia y utilizarán diferentes tasas de símbolos. Por ejemplo, un usuario distante con un canal de mala calidad recibirá más potencia en NOMA y un usuario con un buen canal recibirá menos ya que la potencia máxima disponible desde el transmisor de estación base es fija. El resultado es que el rendimiento de los usuarios cercanos y distantes será similar. Esto se llama 'equidad' y es particularmente importante cuando el sistema está operando en o cerca de su capacidad. Una ventaja adicional de NOMA es que se reducen las demandas sobre el hardware del transmisor de estación base. Una de las consecuencias de tener una tasa de símbolos común en OFDMA es que el PMEPR es mayor de lo que sería si hubiera un rango de tasas de símbolos. Por lo tanto, NOMA dará como resultado que la señal de RF total se transmita desde la estación base que tenga un PMEPR más bajo.

Se espera que haya un aumento significativo en el rendimiento ya que muchos usuarios, piensan en los dispositivos IoT, solo necesitan comunicarse a velocidades de datos muy bajas. Los sistemas celulares actuales alcanzan un límite abrupto en su rendimiento. En NOMA la sobrecarga se soporta a costa de la interferencia entre usuarios. Los estudios han demostrado que un triple aumento de la incapacidad es posible con esquemas de NOMA que toleran la sobrecarga y la interferencia entre usuarios [37].

5.11.8 Resumen

El sistema 5G introduce muchas estrategias de optimización del sistema y se requiere un alto nivel de optimización del sistema en quizás cientos de estaciones base para lograr todo el potencial. Los sistemas 5G irán inevitablemente seguidos por 6G y este es el tema de la investigación actual. La característica definitoria es que 6G está siendo apuntado para operar por encima\(100\text{ GHz}\) y proporcionar anchos de banda enormes ya que hay disponibles anchos de banda muy amplios.