Rumbo a la Quinta Generación

Esto no sucede todos los días. Estamos siendo testigos del nacimiento en directo del diseño y puesta en práctica de una nueva tecnología que viene llamada a revolucionar las comunicaciones móviles tal y como las conocemos hasta ahora.

 

El principio de diseño industrial que dictamina que “el diseño sigue a la función” podría ser aplicado al diseño de esta nueva tecnología y al posterior análisis de requerimientos, aunque al contrario de lo que suele suceder en el diseño industrial, los casos de uso para el 5G no se encuentran todavía completamente definidos.

 

De la definición clara y del cumplimiento de los objetivos definidos por los casos de uso, podrá depender en último término el éxito o no de la tecnología 5G. En caso de que no se cumpliesen los objetivos de uso para los que se diseña la tecnología, viviríamos una evolución más que una revolución tecnológica, una prevalencia del diseño sobre la funcionalidad.

 

Hasta el año 2022 es poco probable que se vean en producción despliegues extensivos de 5G, por lo que hasta entonces, lo que estaremos viviendo será un proceso de evolución tecnológica parecido a los saltos tecnológicos vividos con anterioridad.

 

A continuación haremos un breve resumen de los casos de uso, objetivos de diseño y requerimientos del 5G, centrándonos únicamente en un pequeño número de aspectos relacionados con características funcionales y de diseño de la tecnología. Como veremos a continuación, estos objetivos de diseño imponen una serie de requerimientos tecnológicos a implementar.



Por último, veremos un pequeño caso práctico de aplicación de esta nueva tecnología.

 

Casos de Uso

 

Los casos potenciales de uso de la tecnología 5G pueden clasificarse en tres grandes grupos en función de los requerimientos establecidos por las aplicaciones de nueva generación.

 

  • Más ancho de banda en el acceso móvil.
  • Menor latencia y alta fiabilidad en las comunicaciones.
  • Comunicaciones máquina a máquina masivas.


Las nuevas aplicaciones pueden requerir una o múltiples de las características anteriores, por lo que la clasificación es flexible. La ITU-T ha establecido una clasificación orientativa de los tipos de aplicaciones en función del la funcionalidad demandada.



La especificación 5G New Radio (NR) en modo de operación Standalone (5G extremo a extremo) incluye un nuevo conjunto de especificaciones para el Core de Red 5G que va más allá de lo definido en la especificación Non-Standalone (integración con 4G). La especificación Non-Standalone permite despliegues 5G NR utilizando sistemas 4G existentes, y por tanto, cuenta con sus limitaciones y restricciones.

 

5G NR en modo Standalone incluye las siguientes especificaciones de servicio:

 

  • enhanced Mobile Broadband Service (eMBB): aplicaciones que requieran grandes cantidades de ancho de banda móvil, por ejemplo la difusión de vídeo UHD.
  • Ultra-Reliable Low-Latency Communications (uRLLC): aplicaciones en tiempo real, como conducción autónoma o telemedicina.
  • massive Machine Type Communications (mMTC): aplicaciones fundamentalmente de conectividad entre máquinas, pudiendo suponer una alternativa real a la conectividad WiFi. Se aplicaría por ejemplo a todo el mundo IoT (agricultura, vehículos, smart city).


Las aplicaciones que formen parte de funciones críticas requerirán, además de una o varias de las funcionalidades anteriores, un despliegue de 5G lo suficientemente amplio. Ese es el motivo por el que algunas aplicaciones no podrán implementarse en una fase inicial de 5G y podrían retrasarse hasta que la cobertura sea lo suficientemente amplia. Esto aplica tanto a aplicaciones existentes en la actualidad como a otras que todavía no conocemos.

 

Objetivos de Diseño

 

Los objetivos de diseño de 5G pueden dividirse en funcionales y estructurales. Ambos se encuentran relacionados, aunque es posible establecer claras diferenciaciones entre ellos.

 

Los objetivos funcionales se corresponden con aquellas funciones que realizará la tecnología, analizando el cumplimiento de los objetivos de diseño marcados inicialmente. Los objetivos funcionales serían la latencia, el throughput, el número de conexiones simultáneas a la red o aspectos relacionados con la movilidad.

 

Los objetivos estructurales van mucho más allá de los funcionales, pues se corresponde con el análisis de cada una de las partes que componen el sistema y cómo estas se relacionan entre sí para posibilitar el cumplimiento de los objetivos funcionales.



Los objetivos funcionales de diseño son en ocasiones contrapuestos, lo que supone un reto adicional en el diseño del sistema en su conjunto. Por ejemplo, throughput y número de conexiones por unidad de superficie o latencia y movilidad a alta velocidad.

 

Requerimientos

 

Basándonos en los casos de uso descritos con anterioridad, analizaremos brevemente los requerimientos de 5G desde un punto de vista del servicio


Enhanced mobile broadband services (eMBB)

 

  • Flexibilidad y resiliencia para soportar servicios de ancho de banda ultra alta (UHB)
    • Simplificación en el mecanismo de gestión de sesiones y portadoras.
    • Métodos de transporte de tráfico multicast más eficientes.
    • Distribución de funciones de red al extremo de la red (network edge).
    • Network slicing.


Massive machine type communication-based services (mMTC)

 

  • Soporte de un número masivo de dispositivos IoT de un modo eficiente.
    • Minimizar la congestión causada por un número masivo de dispositivos conectados simultáneamente.
    • Mantenimiento de QoS extremo a extremo incluso cuando el número de dispositivos conectados a la red simultáneamente sea muy elevado.
    • Gestión de diversos patrones de tráfico de modo eficiente
      • Unicast, multicast, anycast.
      • Tráfico a ráfagas de poco volumen generado por un número masivo de dispositivos.


Ultra-reliable and low latency communication-based services (uRLLC)

 

  • Muy baja latencia y alta fiabilidad en el transporte de datos
    • Niveles de servicio mejorados con una latencia muy reducida.
    • Mejora de la señalización móvil con el objetivo de mejorar dicha latencia (para la reducción drástica de la latencia extremo-a-extremo se requiere el despliegue completo del core 5G).

 

Un Ejemplo, los Vehículos Autónomos

 

El potencial de la tecnología 5G como habilitadora en el desarrollo del vehículo autónomo (AV) es todavía desconocida. Sin embargo, lo que sí se puede deducir son los efectos que podría tener sobre las redes de comunicaciones actuales el soporte de las comunicaciones entre el vehículo y la red (V2N), algo que supondría multiplicar hasta por 100 los actuales niveles de tráfico móvil y para lo que las infraestructuras actuales no están diseñadas.

 

Dependiendo del grado de autonomía del vehículo, las necesidades de comunicaciones de datos varían, tanto en volumen como en su naturaleza.

 

Fases de Conducción Autónoma

 

Los expertos han definido hasta 5 niveles de conducción autónoma. Cada uno de los niveles describe hasta qué punto el vehículo asume tareas y responsabilidades del conductor, así como la interacción entre el vehículo y el conductor.



Conducción tradicional:

  • Nivel 0: no existe conducción autónoma. El conductor controla todos los aspectos de la conducción.


Conducción asistida:

  • Nivel 1: asistencia al conductor. Los sistemas proporcionan información al conductor, pero nunca toman el control del vehículo (aviso cambio involuntario de carril).
  • Nivel 2: conducción parcialmente automatizada. El vehículo puede llegar a tomar el control en determinadas situaciones, pero el conductor es el responsable de la conducción del vehículo (aparcamiento autónomo, detectores de fatiga).


Conducción autónoma:

  • Nivel 3: conducción altamente automatizada. En ciertas situaciones, el conductor podría desatender la conducción por algunos períodos de tiempo (conducción automatizada en atascos).
  • Nivel 4: conducción automatizada completa. El vehículo toma el control y conduce autónomamente la mayor parte del tiempo, pero el conductor debe ser capaz de tomar el control.
  • Nivel 5: conducción autónoma. El vehículo asume todas las funciones de conducción del vehículo. No es necesario conductor, todos los ocupantes del vehículo son considerados como pasajeros.


Los niveles de conducción autónoma (3 a 5) están aún en fase de pruebas en la actualidad y aunque existen ya modelos comerciales que incorporan algunas de las funcionalidades anteriormente descritas, su modelo de funcionamiento se basa fundamentalmente en un procesamiento a bordo del propio vehículo.

 

Tasa de Penetración en el Mercado

 

Se espera que la tasa de penetración en el mercado de los vehículos autónomos (niveles 3 a 5) supere el 50% a partir del año 2035. Dejando al lado los motivos culturales y/o éticos que supone el concepto de conducción autónoma, las causas de una incorporación tan lenta en el mercado de esta nueva tecnología podría deberse, entre otras causas, a las siguientes:

 

  • Escasez de ancho de banda necesario para las comunicaciones V2N.
  • Soporte para la conectividad de un enorme número de vehículos.
  • Capacidad de reacción en tiempo real a eventos que se produzcan durante la conducción.

 

Necesidades de Comunicaciones

 

Las necesidades de comunicación del vehículo autónomo se pueden clasificar en:

 

  • Comunicaciones entre el vehículo y la infraestructura (V2I).
  • Comunicaciones entre vehículos (V2V).
  • Comunicaciones entre el vehículo y la red (V2N).



De las tres, la que nos ocupa aquí es la comunicación entre el vehículo y la red. El propósito  de este tipo de comunicaciones es conectar el vehículo con la red para proporcionarle por ejemplo datos al sistema de navegación con información del estado del tráfico en tiempo real, actualizaciones del software del vehículo, acceso a contenido multimedia, o acceso a sistemas de procesamiento de datos en la nube para aquellas tareas relacionadas con la conducción autónoma que no pueden resolverse por medio de comunicaciones V2I o V2V.

 

Las comunicaciones V2N necesitan, en mayor o menor medida, cada uno de los requerimientos descritos anteriormente: gran cantidad de ancho de banda por vehículo, la posibilidad de conectar a la red un gran número de vehículos (sobre todo en zonas con gran densidad de población) y una latencia mínima para poder realizar tareas de conducción autónoma en aquellos casos en los que las comunicaciones entre vehículos (V2V) o entre vehículo e infraestructura (V2I) no sean de aplicación.

 

Conclusiones

 

Nos encontramos en una fase inicial en lo que se refiere a 5G, y el futuro es todavía demasiado incierto. Las aplicaciones actuales se podrán beneficiar sin lugar a dudas de la evolución tecnológica a 5G, pero lo más interesante está aún por llegar, pues históricamente la tecnología siempre ha actuado como facilitadora para que surjan nuevas aplicaciones que aún no conocemos.

 

El éxito del despliegue 5G dependerá de las aplicaciones que se desarrollen en el futuro, pero el desarrollo futuro de las aplicaciones también dependerá de que el diseño sea un éxito y los requerimientos no se queden en papel mojado.

 

Hasta que el coche totalmente automático tome el control, conduzca con cuidado.