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IoT en la era 5G

Para un millón de dispositivos por kilómetro cuadrado, la tecnología 5G tiene que ser inteligente, así lo afirma Sylvia Lu.

En junio de 2018, el ecosistema 5G alcanzó otro hito importante cuando 3GPP aprobó un nuevo conjunto de especificaciones de radio 5G NR Standalone (SA) en el RAN#80 de La Jolla, California. Esto determinó el final de las especificaciones de radio para la fase 1 de 5G NR (versión Release 15 de 3GPP), un paso trascendental hacia la comercialización del 5G. A menudo, me han preguntado qué podría hacer el 5G en el contexto de las tecnologías de área amplia de baja potencia (LPWA, por sus siglas en inglés). ¿No está diseñado el 5G para aplicaciones de alta velocidad y baja latencia que requieren mucha energía? Las soluciones tecnológicas como NB-IoT (IoT de banda estrecha) y LTE-M, especificadas en el 4G, ¿no abordan ya las LPWA? ¿Qué más se podría hacer para el IoT en la era 5G? Un repaso a la relación entre el 5G y el NB-IoT y el LTE-M ayuda a responder estas preguntas.

5G, NB-IOT y LTE-M

Como normal general, para que se califiquen como «5G» las soluciones tecnológicas especificadas en cualquier organización de desarrollo de estándares (SDO, por sus siglas en inglés), estas tienen que cumplir los requisitos mínimos del 5G de la norma IMT-2020 tras una evaluación. Sin embargo, actualmente el 5G se ha utilizado en un contexto mucho más amplio, haciendo referencia a una amplia gama de nuevos servicios que habilitarán las tecnologías inalámbricas del futuro. Los miembros de la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) han definido los requisitos mínimos de rendimiento técnico para 5G IoT y las comunicaciones masivas tipo máquina (5G mMTC): vida útil de la batería del dispositivo de al menos 10 años (preferentemente, 15 años), ampliación de cobertura de 20 dB y soporte para un millón de dispositivos por kilómetro cuadrado.

3GPP comunicó a la UIT a principios de año que enviará las tecnologías NB-IoT y LTE-M como soluciones 5G candidatas para cumplir con los requisitos de 5G mMTC. Así que se espera que ambas tecnologías se conviertan en componentes fundamentales del 5G. Además, soluse ha tomado la decisión de garantizar que los casos prácticos de LPWA seguirían abordándose a medida que evolucionan las tecnologías NB-IoT y LTE-M como parte de las especificaciones 5G, lo que confirma el estado de NB-IoT y LTEM como estándares 5G. Existen dos factores principales que han llevado a esta decisión: el retorno de la inversión y la durabilidad de los dispositivos LPWA instalados. El primer motivo es que la industria aproveche y maximice las inversiones de LPWA que ya ha realizado a nivel global. Más de 60 redes comerciales LPWA se han lanzado ya en todo el mundo, según la Asociación GSM. Por lo tanto, hay un interés en optimizar la durabilidad de las redes, las infraestructuras y los dispositivos.

El segundo motivo es que se espera que la mayoría de dispositivos LPWA duren más de 10 años y se puedan implementar en entornos hostiles, como alcantarillas (para la medición hídrica), en lugares remotos (para alarmas o vigilancia ambiental), o en los chasis de vehículos (alarmas de seguridad) y la agricultura inteligente. Por consiguiente, es fundamental que las redes 5G centrales sean compatibles con dispositivos LPWA a fin de garantizar una larga vida de servicio del IoT. Para que esto sea posible, 3GPP está investigando opciones en el marco de la versión Release 16 para que la red 5G central soporte las redes de acceso de radio NB-IoT y LTE-M, así como para que garantice que las tecnologías NBIoT y LTE-M puedan coexistir con NR en las bandas de frecuencia 5G NR, incluida, por ejemplo, la flexibilidad de implementar NB-IoT y LTE-M en un portador NR. Esto permitirá una migración más fluida hacia 5G para los dispositivos LPWA implementados en la actualidad, con solo una actualización de software en el futuro, si fuera necesario, lo que confirma de nuevo el estado a más largo plazo de NB-IoT y LTE-M como parte de los estándares 5G.

¿Qué novedades trae el 5G para el IoT?

El caso práctico principal para la primera fase de 5G NR trataba sobre la banda ancha móvil mejorada, aunque ha añadido ciertas características para evitar la colisión entre NR y LTE-M o NB-IoT, como el alineamiento de red del subportador (para enlace de subida y de bajada), la configuración de recursos reservada y unidades de programación flexibles. No obstante, la fase 2 de 5G NR (Release 16) llevará soluciones de conectividad a una gran variedad de sectores, entre ellos, el industrial, el de manufactura, el automovilístico y el de los satélites. La mayoría exigen unos requisitos estrictos, como alto rendimiento, alta fiabilidad, baja latencia, alta disponibilidad y conectividad densa. La fase 2 de 5G NR se centra en mMTC y URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications [comunicación ultrafiable y de baja latencia]). Si observamos las especificaciones TS 22.261 y TS 22.804 de 3GPP, es evidente que existen muchos casos prácticos diferentes respaldados por una gran variedad de requisitos e indicadores clave de rendimiento diferentes.

Un ejemplo concreto es el caso práctico de Factory of the Future, que revoluciona la forma en la que se produce, envía y entrega la mercancía a lo largo de toda su vida útil. Aprovechar la conectividad inalámbrica para proporcionar el nivel de flexibilidad, movilidad, versatilidad y ergonomía que se necesita es fundamental y es uno de los casos prácticos importantes a la hora de diseñar NR-IIoT en la versión Release 16. NR-IIoT (New Radio Industrial IoT) es una nueva característica que se debe estudiar en 3GPP para facilitar nuevos casos prácticos de IIoT, concretamente, para la automatización de fábricas, la distribución la energía eléctrica y la industria del transporte. El nuevo sistema aprovechará estructuras de intervalo de tiempo de transmisión (transmission time interval, TTI) reducido para baja latencia, así como métodos para una fiabilidad mejorada definida en la versión Release 15 URLLC. Time Sensitive Networking (TSN) permitirá servicios clave necesarios en la automatización de fábricas, incluida la sincronización de tiempo y la programación de referencia precisa. Se considerarán el FR1 (rango de frecuencia 1, de 450 MHz a 6 GHz) y el FR2 (de 24,25 GHz a 52,6 GHz).Además, la industria de las telecomunicaciones está dispuesta a expandir la plataforma para el sector automovilístico, proporcionando soluciones de conectividad para V2X (vehículos con cualquier receptor: vehículo con vehículo, vehículo con infraestructura, vehículo con red, vehículo con peatón) en la banda 47 (5,9 GHz) y superior. Los estándares iniciales para respaldar los servicios básicos de V2X (no críticos para la seguridad) se completaron en las versiones Release 14 y 15.

En la era 5G se espera un enfoque en casos prácticos avanzados, incluidos grupos de vehículos, sensores ampliados y conducción avanzada y remota. Todo ello requiere un rendimiento exigente en términos de fiabilidad, latencia y disponibilidad. 3GPP está analizando todo esto en el estudio NR-V2X.

¿Qué novedades trae la versión Release 16?

NB-IoT y LTE-M se introdujeron en la versión Release 13, que proporcionó la esencial y fundamental interfaz aérea de banda estrecha para dispositivos LPWA de complejidad ultrabaja. Esta permite que un número masivo de dispositivos estén conectados a una red en un alcance sumamente exigente, al mismo tiempo que se dispone de una muy larga vida útil de la batería. En las versiones Release 14 y 15 se añadieron varias mejoras y características adicionales.

La versión Release 14 se centraba en la reducción del consumo de energía (por ejemplo, se introdujo Release Assistance Indicator) y la ampliación de casos prácticos. A este respecto se añadieron características adicionales, entre ellas, apoyo al posicionamiento, multidifusión, movilidad en modo conectado, velocidad de datos más alta y compatibilidad con equipo de usuario (User Equipment, UE) tipo de potencia 6 (14 dBm) para permitir el uso de baterías de pequeño tamaño con una capacidad limitada de corriente de pico. Las características comunes para NB-IoT y LTE-M en la versión Release 15 incluyen más reducciones de consumo de energía y latencia (en forma de NWUS y MWUS, las señales «wake-up» para NB-IoT y LTE-M respectivamente) y mayor reducción del tiempo de adquisición del sistema. NB-IoT también añadió Time Division Duplex (TDD) y compatibilidad con celda pequeña.

El trabajo en curso de la versión Release 16 para NB-IoT y LTE-M se basa en el funcionamiento de red y las mejoras de eficiencia (por ejemplo, la señal «wake-up» del grupo UE), así como en preparar una migración más fluida a las redes 5G centrales. A medida que las tecnologías para IoT se vayan ampliando en los próximos años, cada vez más dispositivos se unirán a la lista de «cosas» que forman los nuevos ecosistemas IoT en los diferentes sectores. Las tecnologías NB-IoT y LTE-M seguirán desempeñando un papel fundamental en la era 5G. Además, aprovechar la conectividad inalámbrica resultará crucial para proporcionar el nivel de flexibilidad, movilidad, versatilidad y ergonomía que se necesita para cumplir con los requisitos de Factory of the Future y las demandas de vehículos autónomos conectados. Todo esto supondrá un gran avance a la hora de demostrar todo el potencial de las tecnologías 5G en la era 5G del internet de las cosas.

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