¿Mil veces más datos? Cómo la tecnología 5G lo hará posible...




Ciencias físicas

Cuando vemos la evolución de la red de comunicación móvil, representada por la letra G (generación inalámbrica móvil), advertimos que se ha dado un cambio en la naturaleza del sistema, su velocidad, frecuencia y tecnología. Cada generación tiene algunos estándares, capacidades técnicas y nuevas características que la diferencian de la anterior.

Desde el punto de vista técnico, ¿cómo es posible que una red de quinta generación pueda manejar mil veces más el tráfico de datos?

Antes, la tecnología era estrictamente tecnología móvil celular; ahora ya incluye las comunicaciones inalámbricas y es mucho más amplio que solo el uso del teléfono, ya que éste dejó de ser el único dispositivo con el que ponemos interactuar. A la lista se unen las tabletas y otros dispositivos.

La primera generación (1G) nace en 1980, siendo una tecnología totalmente analógica con muchas restricciones de capacidad y duración de batería. En 1991 llega la 2G, dando paso a la tecnología digital. Para 2001, la 3G ya permitía el uso del manejo de internet directamente desde el dispositivo, la forma más usual era en los teléfonos celulares.

En 2010 llega la 4G. Para ese entonces el teléfono se vuelve parte de las personas. Con él se puede manejar todo, desde correos, telefonía, mensajes instantáneos, acceso a internet y el intercambio de documentos. Esto se conoce como banda ancha móvil y se trabaja con grandes capacidades, pues se tiene un incremento en la velocidad de hasta un 1 gigabit por segundo (Gbps).

2020 está más cercano de lo que podemos ver. Con él llegará la tecnología 5G, que tendrá mayor capacidad, velocidad y aplicaciones para nuevos servicios, además de un sistema mucho más rápido y el hecho de poder manejar 10 Gbps, cuando actualmente se manejan velocidades mucho menores. Pero sobre todo, se tendrá que manejar un tráfico mucho mayor al que actualmente manejan los operadores celulares.

El tráfico de comunicaciones de cara a la tecnología 5G tiene un aumento considerable, ya que ahora la sociedad se encuentra conectada inalámbricamente. Además existe mayor demanda de Gbps por persona cada mes. En 2015 una persona consumía aproximadamente menos de 1 Gbps por mes. Para 2021 se estima que la cifra aumente a 6.5 Gbps por persona mensualmente, algo que nuestros teléfonos actuales no soportarían.

Lo que genera este aumento en el tráfico es el internet de las cosas; esto es, la interconexión digital entre objetos cotidianos con internet. Con ella habrá tráfico de datos más grande y completo.

Se estima que el tráfico de datos aumentará anualmente a más de 50%, representado en mil veces más tráfico que requieren, por lo mismo, de nuevas tecnologías. Contrario a lo que se podría pensar, las tecnologías 3G y 4G no serán obsoletas, sino que van a convivir con la entrante 5G, aunque no serán adecuadas para manejar las alta tasas de tráfico previsto. A nivel global, se espera un importante despunte de 5G a partir de 2020, con aproximadamente mil millones de suscriptores de banda ancha móvil.

“Desde el punto de vista del manejo de la información, de generación de datos, se dará en dos vías: comunicación máquina-máquina, y comunicación vehículo-vehículo. Para 2025 se tendrán 100 millones de vehículos conectados en el mundo. Solo esto generará un tráfico 10 exabytes por mes”, comento el Dr. David Covarrubias, investigador del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones del CICESE.

Para cubrir óptimamente este incremento, es necesario usar tres tecnologías: alta densidad de celdas, que cubre más puntos de acceso por kilómetro cuadrado; alta eficiencia espectral, que envía señales directas a mayor número de usuarios, y finalmente mayor espectro. Todo ello en conjunto permitirá emitir simultáneamente un mayor número de haces de radiación y, por lo tanto, atender un mayor número de usuarios. Estas tres tecnologías se han trabajado desde hace tiempo en el CICESE.

Para la densificación de celdas se debe pensar en cómo está conformada físicamente una comunicación inalámbrica por telefonía móvil o tabletas. Lo que se busca es manejar un mayor tráfico de datos dentro de cada celda, operando mil veces más por área. Antes el radio de cobertura de la emisión del haz electromagnético era del orden de kilómetros cuadrados, ahora con la tecnología 5G es de apenas unas cuantas decenas de metros, esto simboliza un cambio muy importante. El área de cobertura se divide en celdas, cada una de ellas tiene su estación base que, a su vez, radía con la tecnología 4G sectorialmente a la celda, con cobertura de kilómetros cuadrados.

“Significa que se está atendiendo a un mayor número de usuarios, ya que se cuenta con más celdas. La distancia entre la cobertura es más pequeña, pero existe un problema de interferencia que hay que resolver. Por lo tanto, la capacidad se mantiene si los bits por segundo se mantienen en cada celda”, mencionó el Dr. David Covarrubias

Por otro lado se encuentra la eficiencia espectral; esto es, cuántos bits por segundo por Hertz se van a colocar en el medio de comunicación inalámbrico. “Es muy caro incrementar dicho parámetro, ya que por la teoría de la información, cada vez que se duplica la eficiencia espectral, se requiere a su vez duplicar 17 veces el nivel de potencia y eso no resulta muy adecuado por los problemas que trae consigo”, agregó el Dr. David Covarrubias.

La solución para cubrir la demanda son múltiples transmisiones simultáneas dirigidas a todos los usuarios en celdas pequeñas. Antes se tenía una antena por sector, pero con la tecnología MIMO (multiple input, multiple output) se tienen más antenas en el área, lo que mejora la eficiencia espectral. Es decir, se tiene un mayor número de elementos activos de la antena, pero además, enfocan efectivamente la energía.

Por otra parte, se necesita un mayor espectro de frecuencias, y para ello es necesario que se trabaje con un espectro mucho mayor. Hasta ahora se ha trabajado con VHF (very high frecuency) y UHF (ultra high frecuency) a menos de 6 Gigahertz. El problema es que todas las comunicaciones se encuentran alojadas ahí, lo que hace que se sature y sea imposible trabajar con nuevos servicios y aplicaciones en esa banda de frecuencias.

La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) propuso 11 nuevas bandas de frecuencia que proporcionan un ancho de banda disponible de 252 Gigahertz. Esto implica que las bandas de frecuencia deban trabajar en las comunicaciones 5G entre 30 y 300 Gigahertz, es decir, con una longitud de onda muy pequeña, que va de 10 a 1 milímetro.

“Al ser milimétricas, cuando existe interacción con las gotas de lluvia se puede crear interferencia en la señal. Ahora se está trabajando con longitud de onda de 13 cm. Bajarlo a una longitud de 1 milímetro es difícil y puede causar situaciones no deseadas”, comento el Dr. David Covarrubias.

Una de ellas es el efecto por la energía ionizante. Tenemos miles de glándulas sudoríficas en el cuerpo y cada una de ellas actúa como una antena, lo que significa que cuando incide la señal (de ondas milimétricas), ésta se amplifica, causando serios problemas a la salud, entre ellos quemaduras e incomodidad en la piel. “Si te expones a ellas se calienta la piel. No significa que vaya a morir la gente, pero la sensación suele ser muy molesta”, agregó el Dr. Covarrubias.

“¿Qué nos corresponde a nosotros como investigadores? Prepararnos en este tipo de problemáticas y retos que se nos presentan para que podamos enfrentarlos. Hay pocos grupos en México que trabajan en estos aspectos. El CICESE es uno de ellos, por lo que es importante que los alumnos aprovechen su formación académica, que diversifiquen sus asignaturas y que mantengan en mente esta necesidad y el reto que es para nosotros. No estamos viviendo una era de cambio, sino un cambio de era”, expuso el Dr. Covarrubias.

  

Palabras clave: 5G, comunicaciones móviles, comunicaciones inalámbricas, David Covarrubias

anterior