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El espectro mmWave abre el 5G

 estandarización mundiales avanzan para definir la próxima generación de redes inalámbricas, los objetivos y metas para el 5G están obligando a los investigadores a cambiar el modo de pensar. Aumentar la eficacia espectral de una red basada en 4G no es suficiente para permitir la función de pasos en velocidades de datos, latencia y capacidad necesaria para que los tres casos de uso de 5G de alto nivel (Figura 1), como define 3GPP, proporcionen datos de banda ancha móvil instantáneos y extendidos. El caso de uso de Enhanced Mobile Broadband (eMBB), como se define en IMT 2020, prevé velocidades de datos pico que superan los 10 Gbps, que es 100 veces más rápido que el 4G. Las velocidades de datos están vinculadas empíricamente con el espectro disponible, conforme al teorema de Shannon-Hartley, que dice que la capacidad es una función del ancho de banda (es decir, el espectro) y el ruido del canal. Con un espectro por debajo de 6 GHz totalmente asignado, un espectro por encima de 6 GHz, concretamente en el intervalo de mmWave, presenta una alternativa atractiva para abordar el caso de uso del eMBB. ¿Pero con qué frecuencia de mmWave?

 

Opciones de espectro

 

La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) y 3GPP se han alineado en un plan para dos fases de investigación para estándares de 5G. La primera fase define un periodo de investigación para frecuencias por debajo de 40 GHz para abordar el subconjunto más urgente de necesidades comerciales antes de septiembre de 2018. La segunda fase, programada para que empiece en 2018 y termine en diciembre de 2019, aborda los indicadores claves de rendimiento que describe IMT 2020. Esta segunda fase se centra en las frecuencias hasta 100 GHz. Para alinear globalmente la estandarización de las frecuencias de mmWave, la UIT publicó una lista de frecuencias propuestas globalmente viables entre 24 GHz y 86 GHz en la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones el pasado noviembre (WRC 15):

 

• 24,25–27,5 GHz

 

• 31,8-33,4 GHz

 

• 37-40,5 GHz

 

• 40,5-42,5 GHz

 

• 45,5-50,2 GHz

 

• 50,4-52,6 GHz

 

• 66-76 GHz

 

• 81-86 GHz Poco después de la propuesta de la UIT, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de Estados Unidos publicó un Aviso Anticipado de la Legislación Propuesta (NPRM) el 21 de octubre de 2015, que recomendaba nueva legislación de servicio flexible entre las bandas de 28 GHz, 37 GHz, 39 GHz y 64–71 GHz.

 

¿Cuáles son las “mejores” frecuencias?

 

Mientras que la UIT, 3GPP y otros organismos de normalización decidieron que 2020 sería el plazo para definir el estándar 5G, los proveedores de móviles trabajaron con un calendario acelerado para ofrecer el servicio 5G. En Estados Unidos, Verizon y AT&T planean probar una primera versión de 5G en 2017. Corea está trabajando para realizar pruebas de 5G en los Juegos Olímpicos de 2018, y Japón desea demostrar las tecnologías de 5G en los Juegos Olímpicos de Tokio en 2020. A través de estos distintos grupos y motivaciones, está surgiendo un conjunto de frecuencias candidatas para el 5G: 28 GHz, 39 GHz y 73 GHz. Estas tres bandas de frecuencia han surgido por diversos motivos. Primero, a diferencia de la de 60 GHz, que tiene aproximadamente 20 dB/km de pérdida por la absorción de oxígeno, tienen unos índices de absorción de oxígeno muy inferiores. Esto hace que sean más viables para las comunicaciones a larga distancia. Estas frecuencias también funcionan bien en entornos multirruta y pueden utilizarse para comunicaciones fuera del alcance visual (NLoS). Al combinar antenas muy direccionales con la formación de haces y el seguimiento de haces, mmWave puede ofrecer un enlace fiable y muy seguro. El Dr. Ted Rappaport y sus alumnos de la Escuela de Ingeniería Politécnica de la NYU ya han empezado a investigar las propiedades de canales y el posible rendimiento para 28 GHz, 39 GHz y 73 GHz. Han publicado varios trabajos con medidas de propagación y estudios sobre posibles cortes de servicio en estas frecuencias. Los datos y la investigación en estas frecuencias, junto con la disponibilidad del espectro en todo el mundo, hacen que estas frecuencias sean el punto de partida para crear prototipos de mmWave. Como se mencionó anteriormente, los proveedores de servicio están impacientes por acceder al amplio espectro de mmWave sin asignar. Son los que más influyen para las frecuencias utilizadas en este espectro. En febrero de 2015, Samsung realizó sus propias medidas de canal y mostraron que 28 GHz es una frecuencia viable para las comunicaciones de móviles. Estas medidas validaron la pérdida de ruta prevista para entornos urbanos (el exponente de pérdida de ruta es 3,53 en enlaces NLoS), y Samsung asegura que estos datos sugieren que puede admitirse un enlace de comunicaciones de mmWave para más de 200 m de distancia. Su investigación también incluye trabajos con antenas de sistema en fase. Samsung ha empezado a caracterizar diseños que podrían encajar con sistemas en fase dentro de teléfonos móviles. En Japón, NTT DOCOMO se ha asociado con Nokia, Samsung, Ericsson, Huawei y Fujitsu para realizar sus propias pruebas de campo a 28 GHz junto con otras frecuencias. En septiembre de 2015, Verizon anunció que realizará pruebas de campo con socios principales como Samsung en Estados Unidos en 2016. En noviembre de 2015, Qualcomm realizó experimentos a 28 GHz con 128 antenas para demostrar la tecnología mmWave en un entorno urbano denso. Mostró cómo la formación del haz direccional puede utilizarse para las comunicaciones de NLoS. Con el anuncio de FCC de que puede utilizarse el espectro de 28 GHz para las comunicaciones móviles, se prevén más experimentos y pruebas de campo en Estados Unidos. Verizon también ha completado un acuerdo con XO Communications para alquilar el espectro de 28 GHz con opción de comprarlo a finales de 2018. Sin embargo, hay que señalar que la banda de 28 GHz no se incluye en Nokia utilizó el hardware de creación de prototipos de NI para demostrar la primera demostración por aire que funcionaba a 73 GHz. La empresa siguió evolucionando el prototipo con demostraciones públicas para mostrar los nuevos logros. Antes del Mobile World Congress (MWC) de 2015, el sistema de creación de prototipos tenía una capacidad de salida de datos de más de 2 Gbps con una antena de lente y seguimiento de haces. Nokia mostró una versión MIMO de este sistema que funciona a más de 10 Gbps en la Cumbre de 5G de Brooklyn en 2015, y menos de un año después en el MWC de 2016, la empresa demostró un enlace bidireccional por aire que funcionaba a más de 14 Gbps. Nokia no fue la única empresa que mostró una demostración de 73 GHz en el MWC de 2016. Huawei también presentó un prototipo con Deutsche Telekom que funciona a 73 GHz. Esta demostración, que utilizaba MIMO multiusuario, mostraba una eficacia de alto espectro y la posibilidad de velocidades de salida de más de 20 Gbps para usuarios individuales. Se prevé más investigación de 73 GHz en los próximos años. Una de las características que definen esta frecuencia que la diferencia de 28 GHz y 39 GHz es el ancho de banda contiguo disponible (más de 2 GHz), que es el mayor de los espectros de frecuencia propuestos. Por comparación, 28 GHz ofrece 850 MHz de ancho de banda y las dos bandas alrededor de 39 GHz ofrecen 1,6 GHz y 1,4 GHz de ancho de banda en Estados Unidos. la lista de la UIT de frecuencias globalmente viables. Aún está por determinar si será la opción de frecuencia a largo plazo para las aplicaciones mmWave de 5G. La disponibilidad del espectro en Estados Unidos, Corea y Japón, junto con el compromiso de los proveedores de servicio de EE. UU. con las primeras pruebas de campo, podrían incorporar los 28 GHz en la tecnología de móviles de EE. UU., independientemente de los estándares globales. El deseo de Corea de mostrar la tecnología de 5G en los Juegos Olímpicos de 2018 también podría incorporar los 28 GHz en los productos de consumo antes de que los organismos de normalización finalicen los estándares de 5G. El hecho de que esta frecuencia no se encontrara en la lista de espectros de Telecomunicaciones Móviles Internacionales (IMT) no pasó desapercibido y ha atraído cierta atención de la FCC.

 

Prototipos que hacen avanzar mmWave

 

Aunque la posible gran adopción de 28 GHz para el 5G quizá tarde en aparecer, si es que aparece, claramente es importante ahora mismo. Las comunicaciones móviles en los últimos años también se han centrado en las frecuencias de banda E de 73 GHz. Nokia utilizó las medidas de canal que tomó la NYU a 73 GHz para empezar su investigación con esta frecuencia. En 2014 en la conferencia anual de usuarios de NI, NIWeek, Como mencioné anteriormente, según Shannon, más ancho de banda equivale a más salida de datos, y esto ofrece a los 73 GHz una gran ventaja con respecto a otras frecuencias mencionadas. Las bandas de 39 GHz se están investigando, pero la investigación y el apoyo público no se han materializado de forma significativa. Esta frecuencia incluye algunas características que pueden convertirla en un intervalo de frecuencias de mutuo acuerdo para una adopción mayor. El FCC ha propuesto 39 GHz para el posible uso en móviles. Verizon, aunque se centra en 28 GHz para sus pruebas de campo iniciales en 2017, tiene acceso a 39 GHz mediante su relación comercial con XO Communications, que posee numerosas licencias en 39 GHz. Sin embargo, el reconocimiento y apoyo público de la investigación de 28 GHz y 73 GHz son más visibles que los de otra investigación de frecuencias. Para capitalizar en la promesa de mmWave para 5G, los investigadores deben desarrollar nuevas tecnologías, algoritmos y protocolos de comunicación, ya que las propiedades fundamentales del canal de mmWave son distintas de los modelos para móviles actuales y son relativamente desconocidas. La importancia de crear prototipos de mmWave no se debe subestimar, especialmente en este periodo de tiempo prematuro. Crear prototipos de sistemas de mmWave demuestra la viabilidad y factibilidad de una tecnología o concepto de un modo que no pueden demostrar las simulaciones. Los prototipos de mmWave, que se comunican en tiempo real y por aire en varios escenarios, revelarán los secretos del canal mmWave y permitirán la innovación, adopción de tecnología y la proliferación.

 

Retos

 

mmWave para móviles plantea varios retos, como la disponibilidad de silicio comercial ya preparado y componentes analógicos, así como otras piezas elementales para desarrollar sistemas. Esto entorpece la comercialización. Piense en un subsistema de banda base capaz de procesar una señal multigigahercio. La mayor parte de las implementaciones actuales de LTE normalmente utilizan canales de 10 MHz (20 MHz como máximo), y la carga computacional aumenta linealmente con el ancho de banda. En otras palabras, la capacidad computacional debe aumentar con un factor de 100 o más para abordar las necesidades de velocidad de datos del 5G. Para realizar las computaciones de capas físicas del sistema mmWave para la infraestructura, las FPGA son una tecnología esencial para desarrollar prototipos en tiempo real. Al fin y al cabo, la motivación para pasar a mmWave es la existencia de grandes cantidades de ancho de banda contiguo. Además de las placas de FPGA, un sistema de creación de prototipos mmWave requiere DAC y ADC modernos para capturar hasta 2 GHz de ancho de banda contiguo. Algunos RFIC del mercado actual incluyen chips que convierten entre frecuencias mmWave y banda base, pero estas opciones son limitadas y principalmente cubren la banda sin licencia de 60 GHz. Los ingenieros pueden utilizar las etapas de IF y RF como alternativas a los RFIC. Una vez que desarrollen soluciones de IF y banda base, los ingenieros tienen más opciones que ofrecen proveedores para cabezales de radio mmWave que las que tienen para RFIC de banda base, pero aún no demasiadas. Desarrollar un cabezal de radio mmWave requiere destreza en el diseño de microondas y RF. Se trata de un conjunto de destrezas totalmente distinto del que se utiliza para desarrollar placas de FPGA, por lo que aunar todo el hardware necesario requiere un equipo con conocimientos diversos. Las FPGA deben considerarse componentes principales en un sistema de creación de prototipos de banda base mmWave, y programar un sistema multiFPGA capaz de procesar canales multigigahercios aumenta la complejidad del sistema.

 

El mmWave para el 5G es inevitable

 

Para abordar la complejidad y los retos de software que asumen los investigadores de comunicaciones, el sistema de transceptor de mmWave de NI ofrece un conjunto configurable de hardware de creación de prototipos mmWave junto con una capa física mmWave en código fuente. Esta capa representa los aspectos fundamentales de una banda base del sistema mmWave y ofrece abstracciones para el procesamiento y movimiento de datos en varios FPGA para simplificar la integración. Estas herramientas están diseñadas para acelerar la transición de nuevos prototipos en los sistemas y productos que serán cruciales para el desarrollo de la tecnología 5G. Aunque aún no está claro el futuro del 5G, mmWave sin duda será una de las tecnologías que se utilizarán para definirlo. La gran cantidad de ancho de banda contiguo disponible por encima de 24 GHz es necesaria para satisfacer las necesidades de salida de datos, y los investigadores ya han utilizado prototipos para mostrar que la tecnología de mmWave puede ofrecer velocidades de datos por encima de 14 Gbps. La gran pregunta sin respuesta es qué frecuencia se adoptará de forma masiva para el 5G.



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