Desafíos para 5G

Se prevé que la red de quinta generación (5G) admita una gran cantidad de tráfico de datos. Está destinado a servir a millones de conexiones inalámbricas. Con la utilización de ciertas tecnologías avanzadas como Small Cells, Massive MIMO, etc., 5G puede admitir una amplia gama de dispositivos y aplicaciones que darán lugar a un futuro mejorado de Internet de las cosas (IOT). Sin embargo, estas tecnologías tienen sus propios desafíos que dificultan el establecimiento de 5G. 

Tecnologías y desafíos: 
estos se explican a continuación. 
 

• Ondas milimétricas: 
  5G utiliza ondas milimétricas llamadas así porque tienen longitudes de onda que se encuentran entre 1 mm y 10 mm. 

• Figura – Rango de Ondas Milimétricas para 5G 
  Son ondas de alta frecuencia que oscilan entre 3 GHz y 300 GHz de las cuales se ha propuesto el rango de 24 GHz a 100 GHz para 5G. Esto permitirá que una gran cantidad de dispositivos y tecnologías puedan usar el ancho de banda, y también dará como resultado una mejor transmisión de videos de mayor calidad y otro contenido multimedia. 

  Sin embargo, esto expone aún más ciertos obstáculos para 5G. 
  Dado que las ondas milimétricas son ondas de alta frecuencia, son más susceptibles al bloqueo de edificios, árboles y otras estructuras. Además, pueden ser atenuados por las nubes y las lluvias. Por esa razón, las torres celulares tradicionales que se utilizan hoy en día a gran escala pueden volverse inútiles. Es así porque la relación entre la frecuencia de la onda y el tamaño de la antena es inversamente proporcional. Aquí es donde entra la próxima tecnología. 
   

• Célula pequeña: 
  ‘Células pequeñas’ es un término para Nodes de acceso de radio de baja potencia que ayudan a proporcionar servicios tanto en áreas interiores como exteriores. Las antenas de celdas pequeñas tienen un alcance de 10 m a 2 km. 
  Para ampliar la cobertura de una macrocelda, se utilizan sistemas de antenas distributivas (DAS) junto con la torre celular. Los DAS toman una señal de la estación base y la potencian para aumentar el área de alcance de la señal. Las celdas pequeñas serán un componente crucial para las redes 5G, ya que aumentan la capacidad, la densidad, la velocidad y la cobertura de la red. 

  Además de toda la comodidad que brindan las celdas pequeñas, existen algunos desafíos o inconvenientes durante su implementación, que son: 

  1. Las celdas pequeñas deben ser de bajo costo porque están configuradas para menos suscriptores dentro de un rango menor. 
      
  2. La cantidad de celdas pequeñas requeridas para construir una red 5G puede dificultar su instalación en áreas rurales. 
      
  3. Debería ser fácil para el operador de red móvil diagnosticar problemas potenciales y mantener celdas pequeñas. 
      
  4. Deben ser físicamente pequeños y livianos para instalarse en postes de alumbrado público, costados de paredes de edificios, etc. 
      
  5. Estos deben tener una alta confiabilidad climática. 
      
• MIMO masivo: 
  MIMO es una tecnología de comunicación por radio y significa Multiple Input Multiple Output. Como marco básico de MIMO es tener múltiples antenas en el transmisor y el receptor. MIMO garantiza una comunicación fiable a altas velocidades de datos, ya que aprovecha las múltiples rutas que existen entre los distintos transmisores y receptores. 

Para tecnologías más antiguas, una celda puede tener solo hasta diez antenas, pero para 5G, la misma celda puede tener hasta cien antenas, lo que significa que una sola celda puede servir a muchos más usuarios al mismo tiempo y con mayor eficiencia y velocidad. Pero todo tiene un costo, esto es, que MIMO masivo tiene sus propias complicaciones; Las antenas transmiten información en todas las direcciones a la vez, esto podría causar una gran cantidad de interferencia. Este problema se puede resolver utilizando otra técnica 5G llamada formación de haces. 

• Beamforming: 
  Beamforming es una técnica MIMO en la que el transmisor o la antena enfoca un haz de señal estrecho en la dirección del receptor. Requiere que el transmisor conozca el canal inalámbrico. 
  Múltiples antenas colocadas en las proximidades, que transmiten una señal en tiempos ligeramente variados, se despliegan en el trabajo de formación de haces. Las ondas superpuestas producirán una interferencia constructiva o destructiva que hará que la señal sea fuerte o débil respectivamente. Si esto se ejecuta correctamente, la formación de haces enfoca la señal en su camino. 

  El punto de acceso forma un haz angosto que tiene una alta ganancia en una dirección específica, en lugar de un ángulo amplio. Este haz apunta al abonado del que tiene que recibir datos, se cruza con el haz del abonado y recibe sus datos. Las limitaciones incluyen los recursos informáticos necesarios, ya que requieren más tiempo y potencia. La formación de haces computacionalmente es la combinación lineal de las salidas de los elementos con los que se puede calcular un haz. 
   

• Acceso múltiple no ortogonal (NOMA): 
  NOMA se utiliza para abordar desafíos como la alta eficiencia espectral y la conectividad masiva. El enfoque típico de NOMA es agrupar usuarios y superponer sus señales de datos usando diferentes potencias de transmisión antes de transmitir la señal del grupo de la misma manera, usando la misma formación de haces. NOMA superpone múltiples usuarios en el dominio de potencia, aunque su forma de onda de señal básica podría basarse en OFDMA (acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal). 

  Hay ciertas limitaciones y desafíos asociados a esta técnica. Estos son: 

  1. La multiplexación de dominio de código tiene el potencial de mejorar la eficiencia espectral, pero requiere un alto ancho de banda de transmisión y no es fácilmente aplicable a los sistemas actuales. 
      
  2. En NOMA, dado que cada usuario requiere decodificar las señales de algunos usuarios antes de decodificar su propia señal, la complejidad computacional del receptor aumentará en comparación con OMA, lo que generará un retraso mayor. 
      
  3. La información de las ganancias de canal de todos los usuarios debe enviarse de vuelta a la estación base (BS), pero esto da como resultado una sobrecarga de retroalimentación de información de estado de canal (CSI) significativa 
      
  4. Además, si se producen errores durante los procesos SIC en cualquier usuario, aumentará la probabilidad de error de decodificación sucesiva. 
      
• Red definida por software (SDN): 
  en SDN, el plano de control está físicamente separado de su respectivo plano de datos, es decir, la aplicación y la capa del sistema operativo están separadas del hardware, centralizando su inteligencia y abstrayendo su arquitectura. Un solo plano de control se compone de todos los planos de control individuales y hace exactamente el mismo trabajo que antes, solo que para una mayor cantidad de dispositivos en conjunto, lo que significa que hay una lógica de control definida de manera centralizada. La comunicación entre los dos aviones se realiza a través de API. Para hacer que el controlador cambie la comunicación, se pueden usar protocolos como OpenFlow. 

  Hay dos desafíos principales en la implementación de SDN: 
  (i). Problema de colocación de reglas: 

  • El reenvío en SDN se realiza utilizando tablas de flujo definidas por el controlador centralizado. El tamaño de la memoria denominada memoria direccionable de contenido ternario (TCAM) es limitado. 
     
  • Además de esto, la TCAM es muy costosa. 
     
  • Los controladores definen la regla de flujo de acuerdo con los requisitos y deben poder manejar todas las requests que se vuelven propensas a causar demoras. 
     
  • Si tenemos muy pocos controladores para una red grande, podría congestionarse. 
     

Independientemente de las tecnologías más avanzadas listas para ser puestas en servicio por la red de quinta generación, hay una cantidad significativa de otros desafíos que frustran el establecimiento exitoso de 5G en todo el mundo. Estos se enumeran a continuación:  

• La falta de coordinación de frecuencias a nivel mundial. Se observa que diferentes países tienen diferentes frecuencias. 
   
• Realizar mediciones calibradas de frecuencias y ancho de banda es muy costoso, lleva mucho tiempo y requiere mucha experiencia. 
   
• La distorsión de intermodulación (IMD) podría deberse a la proximidad de las bandas de 5G NR y los sistemas LTE heredados. 
   
• La capacidad de cubrir amplios rangos de espectro geográfico y adaptarse a las huellas de la red celular actual con rangos de alta frecuencia es un gran desafío en sí mismo. 
   
• Es menos probable que las áreas rurales y suburbanas disfruten de la inversión en 5G, y esto podría ampliar la brecha digital. 
   

Sin embargo, estudios económicos independientes pronostican que las redes y los servicios 5G generarán ganancias económicas muy significativas para esta década.