Arquitecturas, Redes de Acceso y Tecnologías Principales ...

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

“ Arquitecturas, Redes de Acceso y Tecnologías Principales para el

despliegue de las Redes Móviles 5G ”

Autor: Didier Grace Jourdane Maganga Mouloungui

Tutor: Msc. Frank Zurbano Quintana

, junio de 2019

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las

Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez

Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada

casa de altos estudios.

Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:

Atribución- No Comercial- Compartir Igual

Para cualquier información contacte con:

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Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830

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Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

Arquitecturas, Redes de Acceso y Tecnologías

Principales para el despliegue de las Redes Móviles

5G

Autor: Didier Grace Jourdane Maganga Mouloungui

[email protected]

Tutor: Msc. Frank Zurbano Quintana

[email protected]

Santa Clara

2019

"Año 60 de la Revolución"

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central

“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de

Ingeniería en Telecomunicación y electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por

la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que

además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.

Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de

la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo

de esta envergadura referido a la temática señalada.

Firma del Autor

Firma del Jefe de Departamento

donde se defiende el trabajo

Firma del Responsable de

Información Científico-Técnica

i

PENSAMIENTO

Solo el Hombre que no se rinde logra cumplir sus sueños.

“Jourdane Maganga”

ii

DEDICATORIA

Dedico este trabajo en memoria de mi padre y mi hermana Olga; siempre me recuerdo de la

atención que me prestaban y llevo su amor en mi corazón para siempre. Se le dedico también

a toda la Familia Maganga (Gaston, Borget, Fringue, Olga, Armand, Edwige, Evelore,

Odilon,) y en particular a mi mamá (Rosalie Simbou Mouloungui) por su infinito amor.

iii

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por la buena salud que me ha otorgado durante los seis años de estudios,

y también por su infinito amor en mi vida.

Agradezco a toda la familia Maganga por sus consejos y financiamiento que hoy en día me

han ayudado a lograr mi sueño de graduar en ingeniería de telecomunicación y electrónica.

Agradezco a mis profesores por ayudarme a lograr este sueño, y también a mis compañeros

de aula por ayudarme a encontrar el equilibrio en mis estudios. En particular, agradezco a mi

tutor Frank Zurbano Quintana por brindarme muchos conocimientos a fin de llevar a cabo

este trabajo.

Agradezco al estado del Congo por ofrecerme la oportunidad de estudiar en Cuba. Agradezco

a mis hermanos Guychel, Holssen, Marvin, Ramaoum, Carmel, Savoir, Vivaldy, Carel,

William y Emanuel por preocuparse mucho de mis estudios. También, agradezco a Princia,

a Vanessa, al colectivo de estudiantes congoleños de pinar, al colectivo de estudiantes

extranjeros en Cuba y a la sociedad cubana por brindarme el equilibrio entre la vida escolar

y social.

iv

TAREA TÉCNICA

1. Conocer en que consiste el 5G y las definiciones relacionadas con él.

2. Caracterización del estado y la problemática mundial relacionada con el desarrollo

de las redes móviles de Quinta Generación (5G), las posibles soluciones y los

desafíos para implementar estas soluciones

3. Presentación de las diferentes soluciones tecnológicas que se proponen para el

despliegue de 5G.

4. Elaboración de la arquitectura propuesta que se plantea para el despliegue de las

redes móviles 5G.

5. Elaboración del informe

Firma del Autor Firma del Tutor

v

RESUMEN

En la actualidad, surgen altas demandas para las redes móviles, por lo que se

realiza la implementación de las redes móviles 5G, ya que representa un avance

revolucionario en cuanto a latencia, conectividad masiva, velocidad de datos,

eficiencia energética, confiabilidad y flexibilidad. Sin embargo, Estas capacidades

están dirigidas a lograr una virtualización con realidad aumentada, conectividad de

alta velocidad, Internet de las Cosas (IoT), etc. Las mejoras en las técnicas de

acceso como NOMA, MIMO 3D, densificación de la red, junto con las formas de

onda y las arquitecturas como C-RAN, H-CRAN y las celdas fantasmas ofrecen

escalabilidad y flexibilidad a las redes 5G para cumplir con las altas demandas. Sin

embargo, con la gran complejidad de implementación que presenta las redes 5G,

se ha llevado a cabo una investigación acerca de los desafíos que pueden enfrentar,

así como las mejoras tecnológicas para dar respuesta a este problema.

vi

TABLA DE CONTENIDOS

PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i

DEDICATORIA .................................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii

TAREA TÉCNICA ................................................................................................................ iv

RESUMEN ............................................................................................................................. v

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1

CAPÍTULO 1. Definiciones, objetivos y problemática actual de las redes móviles 5G ... 6

1.1 Definiciones de las redes móviles 5G ...................................................................... 6

1.1.1 Generalidades sobre la tecnología 5G .............................................................. 8

1.1.1.1 Diferencias en la evolución de las tecnologías de redes móviles ................... 10

1.1.1.1.1 Tecnología 1G ................................................................................................. 11

1.1.1.1.2 Tecnología 2G ............................................................................................. 11

1.1.1.1.3 Tecnología 3G ............................................................................................. 12

1.1.1.1.4 Tecnología 4G ............................................................................................. 14

1.1.1.1.5 Tecnología 5G ............................................................................................. 15

1.1.2 Necesidad del uso de la tecnología 5G en la sociedad ....................................... 16

1.1.3 Funcionamiento básico de la tecnología 5G ....................................................... 18

1.2 Objetivos del 5G .................................................................................................... 20

1.2.1 Mejora de la velocidad de datos ......................................................................... 21

1.2.2 Mejora de la gestión del espectro ....................................................................... 22

1.2.3 Reducción de la latencia ..................................................................................... 26

1.2.4 Internet de las cosas (IoT) .................................................................................. 28

vii

1.2.5 Industria 4.0 ........................................................................................................ 31

1.2.6 Ciudades inteligentes (Smart cities) ................................................................... 33

1.3 Problemática actual de las redes móviles 5G ......................................................... 34

Conclusiones del capítulo ................................................................................................. 37

CAPÍTULO 2. Mejoras en las técnicas de acceso y arquitecturas para el logro exitoso de

las redes móviles 5G ............................................................................................................. 38

2.1 Tecnologías de modulación propuestas ................................................................. 39

2.1.1 OFDM/CP-OFDM (Modulación por División de Frecuencias Ortogonales con

prefijo cíclico) ................................................................................................................... 39

2.1.2 F-OFDM (Filtered-OFDM) ................................................................................ 41

2.1.3 W-OFDM (Wide-OFDM) .................................................................................. 42

2.1.4 UF-OFDM (Universal Filtering-OFDM) ........................................................... 43

2.1.5 UW-OFDM (Unique Word-OFDM) .................................................................. 45

2.1.6 CE-OFDM (Constant Envelope-OFDM) ........................................................... 46

2.1.7 FBMC (Filtering Bank Multi-Carrier) ................................................................ 48

2.1.7.1 QAM-FBMC (Quadrature Amplitude Modulation-FBMC) ........................... 50

2.1.7.2 FBMC/OQAM (Offset Quadrature Amplitude Modulation/FBMC) ............. 51

2.1.8 UFMC (Universal Filtered Multi-carrier) .......................................................... 53

2.1.9 GFDM (Multiplexación por división de frecuencias generalizadas) ................. 54

2.1.10 BFDM (Bi-Ortogonal Frequency Division Multiplexing) ................................. 56

2.1.11 SEFDM (Spectrally Efficient Frequency Division Multiplexing) ..................... 57

2.2 Métodos de acceso propuestos ............................................................................... 59

2.2.1 OFDMA (Acceso Multiple por División de frecuencia ortogonal) .................... 59

2.2.2 NOMA (Acceso Multiple No Ortogonal) ........................................................... 60

2.2.2.1 SCMA (Sparse Code Multiple access) ........................................................... 61

viii

2.2.2.2 MUSA (Multi User Shared Access) ............................................................... 62

2.2.2.3 PDMA (Pattern Division Multiple Access) .................................................... 63

2.2.2.4 IDMA (Interleave-Division Multiple-Access) ................................................ 64

2.2.2.4.1 RI (Random Interleaver) ............................................................................. 65

2.2.2.4.2 MRI (Master Random Interleaver) .............................................................. 65

2.2.2.4.3 TBI (Tree Based Interleaver) ...................................................................... 66

2.3 Tecnologías y estrategias de acceso ....................................................................... 68

2.3.1 MIMO Masivo 3D .............................................................................................. 68

2.3.2 Densificación de las redes celulares existentes .................................................. 69

2.3.3 Comunicaciones D2D (Device to Device) ......................................................... 71

2.3.4 Virtualización ..................................................................................................... 72

2.3.5 Comunicación en Bandas Milimétricas .............................................................. 73

2.3.6 Transmisión y Recepción Simultánea (Full Duplex Communication) ............... 74

2.3.7 Tecnologías de repetidores ................................................................................. 75

2.3.7.1 Principio del repetidor pasivo ......................................................................... 76

2.3.8 Backhaul Autónomo 5G ..................................................................................... 77

2.3.9 Pequeñas Celdas y Redes Heterogéneas Ultra densas ........................................ 78

2.3.9.1 Redes Heterogéneas Ultra densas ................................................................... 78

2.3.9.2 Pequeñas Celdas ............................................................................................. 79

2.3.10 Espectro de super-banda ancha .......................................................................... 79

2.3.11 Femto Cell móvil ................................................................................................ 81

2.3.12 Radio cognoscitiva ............................................................................................. 82

2.3.13 Tecnologías de Virtualización de las funciones de red (NFV) ........................... 84

2.3.14 Tecnología SDN (Red Definida por Software) .................................................. 85

ix

2.4 Arquitectura de Sistema y sus estrategias .............................................................. 86

2.4.1 C-RAN (Cloud Radio Access Network) ............................................................ 86

2.4.1.1 Ventajas de la C-RAN .................................................................................... 87

2.4.2 Solución HetNet ................................................................................................. 88

2.4.3 H-CRAN (CRAN Heterogéneo) ......................................................................... 89

2.4.3.1 CC-CoMP ....................................................................................................... 90

2.4.3.2 CC-CRRM ...................................................................................................... 91

2.4.3.3 CC-SON .......................................................................................................... 93

2.4.3.4 LS-CMA ......................................................................................................... 94

2.4.3.5 LS-CSSP ......................................................................................................... 94

2.4.3.6 LS-CRRM ....................................................................................................... 95

2.4.3.7 LS-SON .......................................................................................................... 97

2.5 La Arquitectura de Celda Fantasma ....................................................................... 98

Conclusiones del capitulo ................................................................................................. 99

CAPÍTULO 3. Mejoras tecnológicas y desafíos de las redes 5G .................................. 100

3.1 Tendencias tecnológicas ....................................................................................... 100

3.1.1 Tecnologías para mejorar la interfaz de radio .................................................. 100

3.1.1.1 Formas de onda, modulación y codificación, y esquemas de acceso múltiples

avanzadas………………………………………………………………………………100

3.1.1.2 Tecnologías avanzadas de antena ................................................................. 101

3.1.2 Tecnologías de red ............................................................................................ 101

3.1.2.1 Arquitectura SDN Y NFV ............................................................................ 102

3.1.2.2 Red avanzada de auto organización .............................................................. 103

3.1.2.3 C-RAN .......................................................................................................... 104

3.1.3 Tecnologías para mejorar los escenarios de banda ancha móvil ...................... 104

x

3.1.3.1 Implementación de pequeñas celdas para mejorar la calidad de servicio ..... 104

3.1.3.2 DASH (Dynamic adaptive streaming over HTTP) ....................................... 104

3.1.3.3 eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast and Multicast Service) ............... 105

3.1.4 Tecnologías para mejorar las comunicaciones tipo máquina ........................... 106

3.1.5 Tecnologías para mejorar la eficiencia energética de la red ............................. 106

3.1.6 Tecnologías para mejorar la privacidad y seguridad ........................................ 107

3.1.7 Tecnologías que permiten mayores tasas de datos ................................................ 108

3.2 Desafíos que enfrentan las redes móviles 5G ...................................................... 108

3.2.1 Desafíos en el paso desde 4G a 5G .................................................................. 108

3.3 IoT y el número de conexión ............................................................................... 109

3.4 Volumen de datos ................................................................................................. 110

3.5 Incrementar la capacidad sin incremento de costo ............................................... 110

3.6 Arquitectura de despliegue rápido y seguro ......................................................... 110

3.7 Información en tiempo real de los servicios críticos ............................................ 111

3.8 Lidiando con la realidad aumentada .................................................................... 111

3.9 M2M y automovilismo ......................................................................................... 111

3.10 Retos del operador para la densificación de redes ............................................ 112

3.10.1 Gestión de interferencias y movilidad .............................................................. 112

3.10.2 Análisis de TCO ............................................................................................... 112

3.10.3 Ubicación del sitio ............................................................................................ 113

3.11 Desafíos de despliegue de la red e implicación ................................................ 113

3.11.1 Espectro ............................................................................................................ 113

3.11.2 Desarrollo y despliegue de infraestructuras ..................................................... 115

Conclusiones del capitulo ............................................................................................... 117

xi

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................. 118

Conclusiones ................................................................................................................... 118

Recomendaciones ........................................................................................................... 119

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 120

INTRODUCCIÓN 1

INTRODUCCIÓN

La industria de las telecomunicaciones móviles empezó a tener cambio considerable en

cuanto al desarrollo tecnológico alrededor de los años 70’s. A partir de ahí se vio

evolucionando las tecnologías de comunicaciones móviles que se fueron cambiado cada vez

más por cuatro generaciones de evolución. En los años anteriores los servicios de

telecomunicaciones han experimentado un desarrollo muy importante, dando un salto

considerable hasta hoy en día, donde se puede notar un número considerable de personas que

poseen un teléfono celular y que el número de líneas móviles aumentó al nivel mundial. Sin

embargo, cada vez que se tuvo que evolucionar la generación de las telecomunicaciones

móviles, se tuvo que extender y mejorar la capacidad del sistema, enriqueciendo las

experiencias de los usuarios de estas tecnologías.

El uso de las comunicaciones móviles hoy en día está ocupando un lugar muy importante el

mundo, ya que a través de este se puede reducir las distancias que se puede comunicar dos

terminales muy separados. Por lo que, en el contexto actual, se están convirtiendo en un

complejo entorno de interconexión que abarca muchas tecnologías y soporta millones de

aplicaciones y billones de usuarios, lo cual resulta muy benéfico para la sociedad.

Si se habla de las comunicaciones móviles, nosotros directamente tenemos que pensar en la

flexibilidad y comodidad para los usuarios, y también estar a la vanguardia en la tecnología,

aunque realmente las nuevas tecnologías aún le faltan mejoras e implementaciones, pero es

un gran paso para el futuro contar con velocidades aún mayores y una mayor distancia en lo

que a cobertura se refiere, y además las redes móviles necesitan ofrecer cada vez más un

ancho de banda mayor [1].

INTRODUCCIÓN 2

Con el inmenso crecimiento de las soluciones de conectividad en una multitud de teléfonos

inteligentes, enlaces de vehículos, sensores y muchos otros tipos de dispositivos, la cantidad

de entidades conectadas a la red se está haciendo muy grande. Las operaciones de red

subyacentes requeridas (administración, identidad, seguridad, movilidad, etc.) deben

evolucionar de una manera más escalable para soportar el gran número de dispositivos y

convertirse realmente en el Internet de las cosas (IoT, Internet of Things por sus siglas en

ingles). El contexto enfrenta un desafío similar, que apunta a explotar servicios y aplicaciones

inteligentes, a explotar la cantidad explosiva de datos contextuales que describen a los

usuarios y sus situaciones (como la ubicación, el tiempo, etc.) para poder adaptar su

comportamiento. El sistema de Internet debe incorporar características para sugerir a los

usuarios los elementos que satisfacen sus intereses y las preferencias óptimas para una

situación y contexto particulares. Sin embargo, estas tecnologías aún están en su infancia y

las nuevas exploraciones se consideran necesarias en muchas disciplinas, incluidas la

personalización, el control de la red, la recuperación de información, la extracción de datos

y el marketing. Desde aquí el aumento del tráfico en las redes móviles va a seguir un ritmo

creciente muy rápido en los años que vienen.

Los operadores móviles pretenden crear una mezcla de tecnologías preexistentes que cubren

2G, 3G, 4G, Wifi y otras que permitan mejorar la cobertura y la disponibilidad, e incrementar

la densidad de red en celdas y dispositivos. Buscan lograr como elemento diferenciador crear

una gran conectividad como un “enabler” de servicios de Machine-to-Machine y de Internet

de las cosas (IoT, Internet of Things por sus siglas en ingles). Siguiendo esta perspectiva, la

idea es planear nuevas tecnologías en las redes móviles para permitir baja potencia y,

satisfacer las necesidades y requisitos de la red.

Proyectando el avance del sistema móvil 5G, la tecnología 5G no solo representa un ejemplo

casi perfecto de las comunicaciones inalámbricas, sino que será el componente tecnológico

esencial en la transformación digital de la sociedad y de la economía en el mundo para las

futuras generaciones. El despliegue de la tecnología 5G tendrá un impacto más allá de un

cambio tecnológico en las redes de telefonía móvil y constituye el sustrato tecnológico básico

para desarrollar la transformación digital, un proceso sobre el que existe un acuerdo global

INTRODUCCIÓN 3

de su importancia e impacto en la economía y en el conjunto de la sociedad. Por lo que los

líderes mundiales como Ericsson, Nokia, Docomo y Huawei han entendido la necesidad de

llegar a la evolución hacia redes móviles 5G con el fin de satisfacer la robusta demanda a la

red.

La quinta generación de tecnologías móviles está dirigida a solucionar las demandas y el

contexto empresarial de los próximos años. Se espera habilitar una sociedad móvil

completamente conectada y facultar transformaciones socio-económicas en incontables

direcciones, muchas de las cuales son inimaginables hoy en día, incluyendo aquellas para

productividad, sostenibilidad y bienestar. Las demandas de una sociedad completamente

móvil y conectada están caracterizadas por un enorme crecimiento en conectividad y

densidad de tráfico, la requerida densificación en múltiples niveles para lograr este objetivo

y una amplia gama de modelos de negocio y escenarios.

Por tanto, en 5G hay una necesidad de impulsar el rango de rendimiento para proporcionar,

donde sea necesario como, por ejemplo, un rendimiento mucho mayor, una latencia mucho

menor, una fiabilidad ultra alta, una densidad de conectividad mucho mayor y un rango de

movilidad superior. Se espera que este rendimiento mejorado sea proporcionado

conjuntamente con la capacidad de controlar un entorno altamente heterogéneo y la

capacidad para garantizar seguridad y confianza, identidad y privacidad entre otras.

Mientras extiende el rango de rendimiento de las redes móviles, el 5G debe incluir por diseño

flexibilidad integrada para optimizar la utilización de la red, para acomodar un amplio rango

de entornos de utilización, modelos de negocios y de asociaciones.

En 5G los proveedores y los organismos rectores anticiparon la necesidad de nuevas

interfaces de radio impulsadas por la utilización de bandas de frecuencia más altas, casos de

utilización específicos como Internet sobre las Cosas(IoT) o capacidades específicas como

podría ser bajas latencias, las cuales van más allá de lo que el 4G y sus mejoras pueden

soportar. No obstante, el 5G no es solamente el desarrollo de una nueva interface de radio,

es también un sistema completo que incluye todos los aspectos de la red extremo a extremo,

con un diseño que logra un alto nivel de convergencia y el aprovechamiento de los

mecanismos de acceso actuales y su evolución incluyendo redes fijas y las nuevas en un

futuro.

INTRODUCCIÓN 4

Sin embargo, a parte de la existencia de los estudios que se hicieron, aún no se ha encontrado

una investigación que unifique la diversidad de criterios referidos al tema tratado, por lo que

se necesita detallar más sobre algunos aspectos para facilitar la comprensión sobre las

arquitecturas, redes de acceso y tecnologías principales para el despliegue de las redes

móviles 5G.

Siguiendo la perspectiva del trabajo, el problema de investigación es el siguiente:

¿Cuáles son las innovaciones y/o mejoras tecnológicas que se proponen para lograr el

despliegue del 5G en correspondencia con las probables arquitecturas y métodos de acceso

propuestos?

A partir del problema planteado anteriormente se desprende el objetivo general de este

trabajo: definir los principios, normativas, objetivos y estado actual de la tecnología 5G, así

como las consideraciones y avances técnicos para su despliegue.

Para orientar la presente investigación, se plantean como interrogantes científicas:

• ¿Cuáles son los principios y objetivos que definen el 5G?

• ¿Cuál es el estado y la problemática mundial relacionada con el desarrollo de las redes

móviles de Quinta Generación (5G)?

• ¿Cuáles son las posibles soluciones y estrategias para implementar la tecnología 5G

y a que desafíos se enfrenta?

• ¿Cuáles son las arquitecturas que se proponen para el mejor despliegue de la

tecnología 5G?

• ¿Qué métodos de acceso y variantes tecnológicas son los que proponen para el logro

de los objetivos de la 5G?

Para responder a los precedentes interrogantes nos proponemos como objetivos específicos:

• Explicar la esencia de las redes móviles 5G desde el contexto actual

• Describir las consideraciones actuales sobre la arquitectura propuesta para el

despliegue de la tecnología 5G.

INTRODUCCIÓN 5

• Detallar los diferentes métodos de acceso y las tecnologías asociadas a los mismos.

• Describir los desafíos y mejoras tecnológicas para la implementación del 5G.

Este estudio está justificado por la necesidad de actualización en relación con los avances

tecnológicos que se desarrollan y proponen con la finalidad de hacer posible la

implementación y el despliegue de la quinta generación de tecnologías (5G) móviles en el

mundo. Con este fin se han propuesto varias estrategias por parte de los proveedores de

equipos y las instituciones internacionales encargadas de reglamentar las características

técnicas que deben ser cumplidas para la nueva tecnología y que han dado por resultado la

implementación de nuevas técnicas de acceso, así como propuestas de arquitecturas. Y para

lograrlo se presentan variadas soluciones técnicas en todas las direcciones. Por otro lado, este

estudio constituye una actualización científica de las tecnologías móviles y está orientada a

indicar las direcciones a seguir para el conocimiento del desarrollo de estas tecnologías en el

marco de la quinta generación de móviles.

El presente trabajo tiene un grado de importancia teórico elevado ya que contribuye al estudio

bien estructurado acerca de arquitecturas, redes de acceso y tecnologías principales para el

despliegue de las redes móviles 5G, y brinda una mejor comprensión y utilización de los

estudios referidos al tema por parte de los estudiantes de telecomunicaciones y electrónica,

así como para individuos interesados en conocer acerca de este tema.

Con respecto al tema se ha encontrado que la bibliografía relacionado a este es muy disperso,

por lo que es de suma importancia que existiera un material (libro, documento, etc…)

confiable y actualizado con que los ingenieros, futuros ingenieros en Telecomunicaciones y

cualquier entidad pueda ubicarse con más facilidad.

Este trabajo está estructurado en tres capítulos. El primer capítulo se dedica a exponer los

objetivos, definiciones y la problemática actual de las redes móviles 5G. En el segundo

capítulo se tratará de las diferentes soluciones/mejoras que se han planteado para el logro

exitoso del despliegue de las redes móviles 5G sobre la base de las técnicas de acceso y las

arquitecturas propuestas, y en el tercer capítulo se abordarán los desafíos y mejoras

tecnológicas para la implementación del 5G.

CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 6

CAPÍTULO 1. Definiciones, objetivos y problemática actual de las redes

móviles 5G

1.1 Definiciones de las redes móviles 5G

Las generaciones de tecnología móvil han estado desarrolladas para la mejora de la capacidad

del espectro, la eficiencia y cobertura desde el comienzo de las telecomunicaciones móviles

digitales; favoreciendo a las redes que sigan el ritmo del crecimiento del tráfico. Aunque la

implantación generalizada de las redes 4G todavía no es une realidad para todo el mundo, los

principales operadores y fabricantes ya están trabajando en la estandarización de la quinta

generación de tecnología móvil. “El 5G no será sólo una herramienta para transmitir más

datos en menos tiempo, sino que abre un abanico de posibilidades al internet de las

cosas (IoT) donde será necesario soportar la interacción de millones de dispositivos. Esta

nueva tecnología se encuentra actualmente en una fase temprana de desarrollo, ya que entre

los muchos obstáculos significativos a los que se enfrenta, se encuentra la problemática de la

estandarización” [2]. A pesar de ello, los principales players coinciden en que el 5G no es

solo una necesidad, sino una gran apuesta para el futuro. También, al hablar de tecnologías

5G nos referimos a una red de telefonía móvil universal súper eficiente atenta a la demanda,

y donde los recursos son optimizados continuamente para ofrecer un rendimiento suficiente,

con el fin de que los usuarios perciban una conexión a una red con casi infinito ancho de

banda. Además, el rendimiento de velocidad de datos se ha optimizado por medio de los

diversos componentes presentes en la nueva evolución, que manejan una baja latencia

necesaria para que las aplicaciones que interactúan se conviertan en una unificación de

términos, el cual hace referencia a la IoT.


Cuando se habla de 5G en telecomunicaciones, nos referimos a la quinta generación de

tecnologías de telefonía móvil y es la sucesora a la tecnología 4G. Esta tecnología está

prevista para ser usada a partir de los años 2020. La velocidad a la que permite navegar esta

tecnología en dispositivos móviles está por encima de los 400 megabits por segundo (Mbps).

Y tiene como misión de agilizar la experiencia de navegación y descarga en internet. Grandes

compañías telefónicas, como Samsung y Ericsson, anunciaron a finales del año 2014 que

iniciarían una serie de pruebas que involucraba a la red 5G, como una solución a los

problemas que azotan a las compañías de navegación inalámbrica. Mucho de los

experimentos realizados ha alcanzado una velocidad máxima a los 5Gbps, en donde se puede

apreciar en la figura 1, pero los prototipos diseñados han dado resultados más que

satisfactorios para la mayoría de las compañías que se han sumado a este importante

proyecto. Respecto a la complejidad en la estructura, tecnología, estándares y en mucho más

otros aspectos que puede presentar las redes 5G, surge muchas preguntas para entender mejor

acerca de estas redes, en donde se dará respuestas a algunas de ellas, consideradas como más

importantes, más adelante.

Haciendo una comparación, la velocidad típica de algunas redes 4G LTE es de 33 Mbps y

para saber cuánto más rápido cambian nuestras expectativas en lo que se hace referencia a la

velocidad de descarga de las redes inalámbricas, la velocidad de descarga de las redes 4G

LTE promedio está alrededor de 6.7 Mbps y en ese momento creíamos que era impresionante

pero las nuevas redes 5G están rompiendo casi todos los records en el mundo actual

alcanzando una velocidad inimaginable, más o menos el diez veces de la velocidad de las

redes 4G LTE (ver figura 1).


Figura 1: Velocidad de transmisión de datos en 5G en comparación a la de 4G y 3G [3].

1.1.1 Generalidades sobre la tecnología 5G

“5G es la quinta generación de conectividad internet móvil que promete descargas mucho

más rápidas, una amplia cobertura y conexiones más estables” [3]. Estas redes están

diseñadas para ser mucho más eficiente que las recientes redes 4G. A diferencia con las redes

anteriores, 5G, además favorecerá nuevos casos de uso para datos móviles que se pueden

observar en la figura 2. El 5G, desde un punto de vista general, sería un conjunto en sí de

tecnología, lo que implicaría que 5G será cualquier tecnología que cumpla con ciertos

parámetros, los cuales, se enfoque mucho en la velocidad de transmisión de datos.

La tecnología 5G es la nueva generación de redes de comunicaciones de banda ancha móvil

que aún sigue en desarrollo, para resolver los problemas relacionados con la demanda

explosiva de comunicaciones, aplicaciones móviles y servicios. Visto en esta perspectiva, la

complejidad de esta tecnología hace que existan muchas definiciones y aproximaciones a lo

que se entiende por una tecnología 5G. La mejor forma de definir una red 5G es enumerando

los requisitos que ha de cumplir: una velocidad que alcanzará tasas de 10 Gbps (10 veces

más que los picos de LTE, de 1 Gbps), una capacidad que se espera que tenga entre 100 y

1000 veces más que 4G, un tema especialmente relevante para dar soporte a las aplicaciones

de IoT y al coche conectado (ver figura 3). Una latencia de 2 milisegundos, o sea 50 veces

menos que 4G, lo que hace que sea más fiable que las redes anteriores, algo también

especialmente relevante para las aplicaciones de IoT.

La tecnología 5G hace posible una conexión que permite conectar todo a todo y todas las

cosas a todo el mundo por medio de unas redes flexibles y potentes, que posibilitan una nueva


generación de experiencias en la informática móvil, la conducción autónoma, el Internet de

las Cosas, las ciudades inteligentes y por fin en todos los sectores [4]. Se trata de facilitar un

mejor uso del espectro radioeléctrico y de permitir a muchos dispositivos conectarse al

mismo tiempo, pero las redes 5G tendrán algunos de los desafíos más importantes que no se

debe olvidar de mencionar, que será el poder balancear el consumo voraz de datos con los

límites de las redes, la duración de la batería de los dispositivos móviles y el costo del

servicio.

Por tanto, se desarrollan paralelamente innovaciones tanto del hardware como del software

de los componentes que intervienen en este tipo de tecnologías. Y de ahí, cuando se habla de

5G no se debe imaginar que es un concepto que nació de la nada. Recapitulando lo anterior,

las redes móviles 5G nacieron para cumplir con un fin específico y satisfacer la demanda a

la red, que hoy en día se está haciendo una demanda explosiva. Entonces, se puede ver que

cada vez que avanzan los años la demanda a la red ha sido más robusta y siempre se tenía

que buscar una forma para cumplir con los requisitos de la red. Por lo que es necesario

describir un análisis en las diferencias que han existido en la evolución de las tecnologías de

las redes móviles que nos han llevado hasta las nuevas tecnologías 5G.

Figura 2: Casos de uso de la tecnología 5G [4].


Figura 3: Requisitos más relevantes para 5G [4].

1.1.1.1 Diferencias en la evolución de las tecnologías de redes móviles

Cuando observamos la evolución de las redes de comunicación móvil, la letra G indica la

generación inalámbrica móvil generalmente para brindar información si hubo un cambio en

la naturaleza de la tecnología, la frecuencia, la velocidad y en general en el sistema. Pero

antes de llegar a hablar de la G que representa el tipo de generación de comunicación móvil,

tenemos que recorrer la historia desde cuando la comunicación inalámbrica tuvo sus raíces

en la invención del radio por Nikola Tesla en los años 1880, y que fue presentado de una

manera más formal por Marconi un joven italiano en los años 1894. A partir de la base de la

invención del radio de Tesla, el primer teléfono móvil hizo su aparición en los años 1939,

que se veía que era importante para la comunicación a distancia ya que era en los principios

de la segunda guerra mundial, y es con este fin la compañía Motorola creó un equipo llamado

Handie Talkie H12-16, para permitir el contacto con las tropas vía ondas de radio que en

aquel tiempo no pasaban los 600 kHz. Así, a medida que avanzaban los años los ingenieros

en telecomunicaciones siempre han buscado forma de perfeccionar o mejorar las tecnologías

de comunicaciones anteriores según la necesidad o la demanda que se requeriría para

satisfacer a la red. Por tanto, cada generación de la tecnología móvil ha sido motivada por la

necesidad de diferenciarse de su predecesor. Por lo que, de ahí analizaremos como ha ido

evolucionando las tecnologías de comunicación partiendo del 1G que fue por onda de radio,

hasta llegar al 5G.


1.1.1.1.1 Tecnología 1G

Las redes de primera generación se introdujeron en la década de 1980, eran analógicas y solo

transportaban voz. Esta red usaba los estándares AMPS (Advanced Mobile Phone System,

por sus siglas en inglés) y TACS (Total Access Communication System, por sus siglas en

inglés), y el servicio que proporcionaba era de sólo voz con una tecnología analógica, usando

una velocidad de transmisión que podía variar de 1kbps a 2,4 kbps. Además, El tipo de

multiplexación que usaba era FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia).

También se utilizaba un sistema de conmutación de circuitos con core network PSTN (Public

Switched Telephone Network, por sus siglas en inglés) y las frecuencias empleadas se

encontraban en el rango de 800 a 900 MHz. El sistema empleaba un ancho de banda de RF

de 30 kHz. La banda tenía capacidad para 832 canales dúplex, entre los cuales 21 están

reservadas para el establecimiento de llamada, y el resto para la comunicación de voz. A este

nivel se podía observar que el sistema tenía muchas deficiencias como por ejemplo la mala

comunicación de voz y ninguna seguridad ya que las llamadas de voz se reproducían en las

torres de radio [5] [6].


La segunda generación 2G llegó en la década de los 90s con sistemas como GSM (Global

System for Mobile, por sus siglas en inglés), IS-136, iDEN e IS-95. En estos años, entonces

se lazaron teléfonos 2G (o de segunda generación) que eran digitales e introdujeron nuevas

funciones, como mensajes de texto y mensajes con imágenes.

La tecnología GSM fue la primera en facilitar voz y datos digitales, así como el roaming que

es la posibilidad de un dispositivo inalámbrico de utilizar una cobertura de red distinta de la

principal [6], permitiéndole conectarse a redes segundarias utilizando su identificador en la

red principal. GSM fue el desarrollo más relevante ya que fue el estándar europeo de telefonía

móvil digital [7].

La segunda generación o sea 2G ya utilizaba tecnología digital alcanzando una velocidad de

14kbps a 64 Kbps con una banda de frecuencia de 850 a 1900 MHz para tecnología GSM y

825 a 849 MHz para tecnología CDMA (acceso múltiple por división de código). El ancho


de banda por canal para sistemas que emplean GSM, se divide cada canal de 200 kHz en

bloques de 25 kHz y para sistemas que emplean CDMA, el canal es nominalmente de 1,23

MHz. La técnica de acceso utilizado por 2G fue CDMA, con la multiplexación TDMA

(Acceso Múltiple por División de Tiempo) y también empleaba un sistema de conmutación

de circuitos. Los estándares usados para el desempeño de la 2G fueron los siguientes, GSM

(Sistema Global para Comunicaciones Móviles), IS-95 (CDMA) utilizado en América y

partes de Asia, JDC (Celular Digital Japonés) (basado en TDMA), utilizado en Japón, iDEN

(basado en TDMA), red de comunicación propietaria utilizado por Nextel en los Estados

Unidos. Por fin, los Servicios prestados fueron: voz digital, sms, roaming internacional,

conferencia, llamada en espera, retención de llamada, transferencia de llamadas, bloqueo de

llamadas, número de identificación de llamadas, grupos cerrados de usuarios (CUG),

servicios USSD, autenticación, facturación basada en los servicios prestados a sus clientes,

por ejemplo, cargos basados en llamadas locales, llamadas de larga distancia, llamadas con

descuento, en tiempo real de facturación [5] [8].


Antes de hablar sobre la tecnología 3G tenemos primero que mencionar la 2.5G lo cual fue

la red de paquetes para proporcionar transferencia e Internet de alta velocidad de datos.

En el final del año 1999 y principio del año 2000 hasta el año 2003, la tecnología 2.5G

impactó el mundo llegando a alcanzar una velocidad de transmisión de datos de 115kpbs para

sistemas que usan GPRS y 384 kbps para los que usan EDGE. Los estándares que se

experimentaron fueron GPRS (Servicio General de Paquetes de Radio) y EDGE

(Velocidades de Datos Mejoradas en GSM). La banda de frecuencia empleada fue de 850 a

1900 MHz, usando un sistema de conmutación de paquetes para transferir datos. Además,

para el logro del 2.5G se utilizó el GMSK (Desplazamiento Mínimo Gaussiano keying) para

sistema que usa GPRS, y 8-PSK (Phase Shift Keying, por sus siglas en inglés) para sistema

que usa EDGE como multiplexaciones. Sin embargo, la 2.5G ya podía prestar servicios tales

como multimedia, información basada en la web de entretenimiento, SMS juegos móviles,

búsqueda y directorio, acceso a correo electrónico, videoconferencia, soporte WAP, MMS.


La necesidad de mayores capacidades y mayores velocidades de transmisión de datos que

permitieran la aparición de nuevos servicios dio paso a la tercera generación 3G, que fue un

sistema que se estableció con el fin de proporcionar mayor tasa de datos, mayor capacidad

de voz y datos, facilitar el crecimiento, alta transmisión de datos a bajo coste y soporte a

diversas aplicaciones. Los datos se transfieren por medio de la tecnología llamada Packet

Switching. Y las llamadas de voz se traducen mediante conmutación de circuitos [6] [7].

En los principios del siglo 21, comenzó la 3G (tercera generación), que comenzó a incluir

video llamadas y datos móviles. Esta tecnología empezó a tomar mucha relevancia en el

dominio de la telecomunicación por su importancia en la sociedad ya que brindó nuevos

estándares como UMTS (WCDMA) basado en GSM (Global Systems for Mobile, por sus

siglas en inglés) infraestructura del sistema 2G, estandarizado por el 3GPP, CDMA 2000

basado en la tecnología CDMA (IS-95) estándar 2G, estandarizada por 3GPP2, Interfaz de

radio TD-SCDMA que se comercializó en 2009 y sólo se ofrece en China. La tecnología 3G

llegó a alcanzar una velocidad impresionante para la transmisión de datos, alcanzando los

384Kbps a los 2Mbps con solo una banda de frecuencia de 8 a 2.5 GHz y un ancho de banda

de 5 a 20 MHz. Los servicios prestados son tales como: telefonía móvil de voz, acceso a

Internet de alta velocidad, acceso fijo inalámbrico a Internet, llamadas de video, chat y

conferencias, televisión móvil, vídeo a la carta, servicios basados en la localización,

telemedicina, navegación por Internet, correo electrónico, buscapersonas, fax y mapas de

navegación, juegos, música móvil, servicios multimedia, como fotos digitales y películas,

servicios localizados para acceder a las actualizaciones de tráfico y clima, servicios móviles

de oficina, como la banca virtual. En esta tecnología se utilizó la interfaz de radio llamado

WCDMA (Wideband Code División Multiple Access), también HSPA que es una

actualización de WCDMA que ofrece velocidades de 14,4 Mbps de bajada y 5,76 Mbps de

subida, HSPA+ que puede proporcionar velocidades de datos pico teóricas de hasta 168 Mbps

de bajada y 22 Mbps de subida, y CDMA2000 1X que puede soportar tanto servicios de voz

como de datos y que la máxima velocidad de datos puede llegar a 153 kbps [8] [6].



La tecnología 4G sucede a la tecnología 3G y que hizo su aparición diez años más tarde de

que se haya lanzado la 2G y la 3G. Las redes y teléfonos 4G se hayan sido diseñadas para

admitir Internet móvil y velocidades más altas para las necesidades tales como transmisión

de video y juegos. Y ofrecer, entre otras mejoras, calidad de servicio (QoS) y mayor

seguridad, junto a velocidades de acceso mucho mayor a la de 3G con 100 Mbps y 1 Gbps,

en movimiento y reposo respectivamente.

Con respecto al mundo de las telecomunicaciones, 4G se ha convertido en un sistema de

sistemas y una red de redes, que se alcanza gracias a la convergencia entre las redes de cables

e inalámbricas. Y que la norma LTE es la más extendida, aunque no es la única norma

existente. La cuarta generación o 4G es una tecnología de redes móviles basada

fundamentalmente en protocolo IP y algunos de sus objetivos más destacados son tales como:

ofrecer alta velocidad, seguridad, servicios de bajo coste para servicios de voz y datos, alta

calidad y alta capacidad, internet a través de IP e multimedia. Sin embargo, para que se pueda

utilizar la red de comunicación móvil 4G, se tiene que los terminales de los usuarios deben

ser capaces de seleccionar el sistema inalámbrico de destino. Y para proporcionar servicios

inalámbricos en cualquier momento y en cualquier lugar, se tiene que enfocarse en la

movilidad del terminal.

Los sistemas 4G son sistemas en que la UIT-R especifica sus requisitos. Estos sistemas

emplean estándares como, Long-Term Evolution Time-Division Duplex (LTE-TDD y LTE-

FDD) y WiMAX móvil (802.16m estandarizado por el IEEE). La velocidad alcanzada es de

100 Mbps en movimiento y 1 Gbps cuando se permanece inmóvil. Ya en este caso se podía

utilizar Telefonía IP. Y se usaban las nuevas frecuencias, y el ancho de banda de canal de

frecuencia se puso más amplia, el ancho de banda usado es de 5 a 20 MHz y opcionalmente

hasta 40 MHz. El 4G emplea siguientes tecnologías de multiplexación y de acceso, OFDM

(Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales), MC-CDMA (Multi-Carrier

Code-Division Multiple Access, por sus siglas en inglés), CDMA (Code Division Multiple

Access, por sus siglas en inglés) y LAS-Red-LMDS (del inglés Local Multipoint Distribution

Service). Y los cambios en los tipos de servicios que se ofrece a diferencia de la 3G son,


acceso móvil web, telefonía IP, servicios de juegos, TV móvil de alta definición,

videoconferencia, televisión 3D, computación en la nube, gestión de flujos múltiples de

difusión y movimientos rápidos de teléfonos móviles, Digital Video Broadcasting (DVB),

acceso a información dinámica, dispositivos portátiles [8] [9].


5G es una tecnología inalámbrica basada en la capa física y de enlace de datos, que tuvo su

inicio al año 2015. Y muchas veces le llamamos a esa tecnología OWA (Open Wireless

Architecture, por sus siglas en inglés) por el hecho de ser una tecnología diseñado entre la

capa física y la capa de enlace de datos.

La capa de red se tenía que ser subdividida en capa de red superior para el terminal móvil y

en capa menor para la interfaz para poder realizar esto. Aquí la ruta se basa en direcciones

de IP que serían diferentes en cada red IP en todo el mundo.

En la tecnología 5G la pérdida de velocidad de bits se supera por medio del Protocolo de

Transporte Abierta (OTP). Este protocolo es soportado por transporte y capa de sesión. La

capa de aplicación es para la calidad de la gestión de servicio a través de varios tipos de redes.

5G presenta un mundo Wireless inalámbrico real World Wide Web (WWWW) respecto a las

características que presenta. Llega a alcanzar una velocidad de transmisión de 1 a 10 Gbps

con un ancho de banda 1000 veces el ancho de banda por unidad de superficie y una banda

de frecuencia de 3 a 300GHz, usando las tecnologías de multiplexación y acceso tales como

CDMA y BDMA (Acceso Múltiple por División de Haz) con los estándares banda ancha IP

LAN / W AN / PAN y WWWW. Puede prestar servicio para personas y dispositivos

conectados (YAMP) en cualquier lugar, en cualquier momento. Su aplicación hará que el

mundo real sea una zona WiFi, dirección IP para móviles asignada de acuerdo con la red

conectada y la posición geográfica. Señal de radio también a mayor altitud. Múltiples

servicios paralelos, con los que se puede saber el tiempo meteorológico y en tu posición

geográfica mientras hablas. La educación será más fácil. Un estudiante que se sienta en

cualquier parte del mundo puede asistir a la clase. El diagnóstico remoto es una gran

característica de 5G. Un Médico puede tratar al paciente situado en la parte remota del


mundo. El seguimiento será más fácil, una organización gubernamental y otros

investigadores pueden monitorear cualquier parte del mundo. Se hace posible reducir la tasa

de criminalidad. La visualización del universo, galaxias y planetas serán posibles. Posible

también detectar más rápidamente desastres naturales incluyendo tsunamis, terremotos, y

otros. Entre otras características están, el rendimiento de tiempo real, de respuesta rápida, de

baja fluctuación, latencia y retardo. Muy alta velocidad de banda ancha, velocidades de datos

Gigabit, cobertura de alta calidad, multiespectro. Infraestructura virtualizada con software de

red definido, sistema de costes escalable y bajo. La tecnología 5G, también soporta Internet

de las Cosas y M2M, con 100 veces más de dispositivos conectados, cobertura en interiores

y eficiencia de señalización. La reducción de alrededor del 90% en el consumo de energía a

la red. Su tecnología de radio facilitará versión diferente de las tecnologías de radio para

compartir el mismo espectro de manera eficiente [9].

1.1.2 Necesidad del uso de la tecnología 5G en la sociedad

Cualquier cosa que hacemos ahora con nuestros teléfonos inteligentes podremos hacerla

mejor y más rápida aún. Tener acceso a internet en el móvil hoy en día se volvió en una

necesidad fundamental y ser capaces de hacer video llamadas de calidad y ver contenido en

streaming o en retransmisión sin interrupciones son exigencias cada vez más dominante, ya

que se espera que haya millones de dispositivos conectados alrededor de los años 2020. Así

que los 300 Mb/s de bajada que proporcionan las redes móviles 4G parece que no van a poder

satisfacer las demandas futuras de los usuarios en cuanto a conectividad y velocidad.

Pensemos ahora en los lentes inteligentes con realidad aumentada, en videos de calidad

mucho más alto, en la realidad virtual móvil y en la internet de las cosas que hace a las

ciudades más inteligentes. Por tanto, al conectar nuestros teléfonos u ordenadores, el internet

de las cosas (IoT) aspira a la hiperconectividad, a la capacidad de conectar simultáneamente

nuestras casas, relojes, coches y ciudades a la red. Para analizar, procesar y aprovechar la

cantidad de datos que esto supondría, se necesita una estabilidad constante. Por lo que, la 4G

no puede garantizar estas múltiples conexiones, pues es necesaria la implementación de otro

sistema que sea capaz de soportar estas múltiples conexiones, de ahí interviene la 5G.


La necesidad de usar las redes 5G se puede observar desde el punto de vista de las

aplicaciones que este puede ofrecer. Algunas de las aplicaciones en las que el tiempo de

respuesta resulta crítico y que serían posibles gracias a una mayor estabilidad y a una menor

latencia son los siguientes, en cuanto a los vehículos autónomos: las redes 5G podrán

responder lo suficientemente rápido como para coordinarlos, ya sea automóviles que se

comuniquen con una central de control o para comunicarse entre ellos. Videoconferencias:

establecer una conversación a través de un video súper nítido y con alta resolución será

posible gracias a la comunicación en tiempo real. Entretenimiento: con una conexión 5G, se

podrá hacer streaming de contenidos directamente en los dispositivos de realidad virtual.

Telemedicina: los médicos podrán realizar una operación o cirugía de manera remota. Los

retrasos en la conexión serán tan minúsculos, que los doctores podrán usar robots para operar

a 1.000 kilómetros de distancia. Ahora bien, Imaginemos los drones cooperando entre sí para

llevar a cabo misiones de búsqueda y rescate, evaluaciones de incendios y monitoreo del

tráfico, comunicándose entre sí de manera inalámbrica con redes de 5G [2] .

El 5G, si es una necesidad ya que con multitudes de aplicaciones y servicios que ofrece no

nos podemos pasar de esta tecnología (ver figura 4). Y que necesitaríamos cambiar nuestros

teléfonos actuales ya que la tecnología 5G requiere de un conjunto específico de antenas que

no está disponible aún ya que su teléfono tiene que ser compatible con 5G para conectarse a

la nueva red, estos se podrán obtener a la par con el despliegue de la red en cada país. Sprint

Corporation que es una compañía estadounidense dice que planea lanzar el primer teléfono

5G el próximo año, que será fabricado por LG. El fabricante de chips Qualcomm anunció

recientemente que su chip Snapdragon X50 5G está siendo implementado por algunos

fabricantes de teléfonos para el lanzamiento de dispositivos móviles a partir de 2019 [3].

El avance de la tecnología para la trasmisión inalámbrica de datos y la futura adopción de la

tecnología 5G tendrán un impacto profundo en el Internet de las Cosas, un término muy

utilizado últimamente en el mundo de la tecnología y que se refiere de la conectividad de

prácticamente cualquier dispositivo que va desde un Smartphone, automóviles que se

manejan solos y sensores digeribles. Una vez que todos nuestros dispositivos tengan

conectividad, esperaremos que todos nuestros dispositivos se puedan comunicar de forma


inmediata y fluida. A medida que más dispositivos tengan conectividad, la exigencia en las

redes inalámbricas para soportar tal cantidad de datos alcanzará máximos jamás antes vistos.

Según el centro de innovación 5G, la clave para el éxito de las redes 5G será una profunda

optimización de las conexiones de red para hacer uso de la tecnología que está en las calles

balanceando los patrones de comportamiento de los usuarios (Por ejemplo, la hora del día en

que más usuarios utilizan NetFlix) con los recursos disponibles. Este desafío no es nuevo,

pero es algo que cualquier tecnología 5G tendrá que afrontar.

De acuerdo a Ericsson, “las redes 5G necesitarán alcanzar velocidades de hasta 10 Gigabits

por segundo siendo 100 Megabits por segundo el mínimo en ciudades conglomeradas.

Además, por la naturaleza de los dispositivos que se usarán con las redes 5G como semáforos,

cerraduras de puertas y biotecnología, las redes requerirán reducir la latencia a menos de 1

milisegundo” [10].

Figura 4: Posibles servicios que podrá prestar el 5G [10].

1.1.3 Funcionamiento básico de la tecnología 5G

Todas las redes celulares usan ondas para transportar datos a través del aire, en cuanto mayor

es la banda o la frecuencia, mayor es la velocidad que puede alcanzar. La consecuencia de


una frecuencia más alta, sin embargo, es un alcance más corto. En un principio, para las redes

5G, se utilizó un espectro de superalta frecuencia, que tiene un rango más corto pero mayor

capacidad. Pero debido a los problemas de rango y de interferencia, los operadores están

empezando a explorar un espectro de menor frecuencia (el tipo que se usa en las redes

actuales) para ayudar a llevar 5G a distancias mayores y a través de paredes y otros

obstáculos.

En caso del funcionamiento de las llamadas, lo primero que tenemos que saber, cuando

llamemos uno a otro, tu teléfono convierte tu voz en una señal eléctrica que se transmite a la

torre celular más cercana a través de ondas de radio. Después, atraviese la red de torres

celulares, estaciones base, nodos de distribución, etc. Todo este proceso se hace antes de que

la llamada llegue al teléfono del otro individuo. El principio es lo mismo para la transmisión

de los datos, fotos y videos.

La transmisión de las comunicaciones inalámbricas se hace por medio del espectro de

frecuencia de radio. Y, 5G necesitará frecuencias nuevas de radio más altas ya que pueden

transportar mayor cantidad de información y están menos saturadas, dado que las bandas de

alta frecuencia poseen mucha capacidad, pero sus longitudes de onda cortas hacen que se

bloqueen más fácilmente por obstáculo que pueden encontrar.

Se estime que 5G admitirá hasta 1000 dispositivos más por metro cuadrado que 4G. Así,

aunque las bandas de alta frecuencia poseen mucha capacidad de tráfico de datos, estas no

pueden transmitirse a distancias muy considerables ya que se degradan fácilmente, por eso

que ocurrió la idea de usar pequeñas antenas de múltiple entrada y múltiple salida (MIMO)

para aumentar la robustez de las señales y su capacidad. Probablemente veamos pequeñas

antenas telefónicas cerca del suelo transmitiendo lo que se conoce como ondas milimétricas,

que son ondas electromagnéticas de frecuencia comprendida entre 30 GHz y 300 GHz (banda

de EHF, según la UIT) y se usa para la banda de frecuencias más alta en la gama de las

radiofrecuencias. Eso permitirá que las usen más personas. Pero es costoso, por eso las

compañías de telecomunicaciones todavía no se han comprometido.

Con el fin de alcanzar las grandes velocidades, la tecnología 5G necesitará de un espectro de

muy alta frecuencia. Por tanto, el rango de onda milimétrica cae entre 24 y 100 GHz. Pero el


problema con el espectro de frecuencia superalta, además del corto alcance, es que es

demasiado exigente. Una simple hoja que se atraviese por el camino de la onda ya es

suficiente para producir interferencia, sin contar obstáculos como los edificios. Sin embargo,

las empresas como Verizon están trabajando en el uso de software y algo de transmisión para

evitar estos problemas y al final garantizar conexiones estables [11].

A continuación, en la figura se muestra el escenario de la red 5G en cuanto al uso de antenas

3D MIMO y de las ondas milimétricas para el aumento de la capacidad de la red y robustez

de las señales:

Figura 5: Uso de 3D MIMO y ondas milimétricas para la red 5G [11]

1.2 Objetivos del 5G

Haciendo una breve recapitulación sobre las diferencias en la evolución de las tecnologías de

las redes móviles, podemos observar que siempre la generación tecnológica anterior, de una

forma u otra, ha representado un nuevo impulso al desarrollo de una nueva tecnología. La

evolución de la tecnología de las redes móviles, en paralelo a las nuevas redes, ha venido a

dar respuesta a las nuevas necesidades y servicios digitales que están surgiendo. El objetivo

de toda nueva generación de red móvil es multiplicar la velocidad de la conexión, pero detrás

del 5G hay más que eso. Ya no se trata solo de ofrecer velocidades de vértigo, también hacer


que las conexiones ganen en calidad, por un lado, mejorando el número de terminales al que

puede dar servicio cada antena simultáneamente pero también reducir la latencia.

Con el despliegue de las redes móviles 5G, el mundo está viviendo una transformación nueva

que lo lleva a una evolución más allá de lo que han representado las generaciones anteriores,

ya que consigue englobar y mejorar las cualidades de las precedentes y a posibilitar nuevos

modelos de negocio y nuevas posibilidades técnicas. Así, el 5G da un paso más no sólo al

integrar las capacidades de las anteriores sino al dar respuesta a las necesidades del auge de

la IoT y, por tanto, a los nuevos ecosistemas hiperconectados que requieren al mismo tiempo

la gestión de las comunicaciones y las capacidades de computación integradas en la propia

Red. Sin embargo, las redes móviles 5G definen como objetivos principales que deben

abordarse para su mejor despliegue, tales como incrementar la capacidad o mejorar la gestión

del espectro, mejorar la velocidad de datos, disminuir la latencia, mejorar la calidad de

servicio, conseguir la Internet de las Cosas (IoT), evolucionar el mundo industrial, donde el

concepto de Industria 4.0, y por fin hacer las ciudades más inteligentes. Para satisfacer estas

demandas, las redes móviles 5G deben de cumplir con ciertos requisitos muy exigentes.

1.2.1 Mejora de la velocidad de datos

Las nuevas redes 5G buscan nuevas frecuencias donde alojar el espectro y ofrecer

velocidades gigabit. Como en la evolución tecnológica de las generaciones pasadas, la

velocidad de transmisión de información ha sido uno de los objetivos primordiales ya que es

uno de los aspectos que los usuarios valoran más positivamente. Una encuesta realizada por

Ericsson a sus usuarios demuestra que la velocidad de Internet móvil ofrecida por los

operadores en sus ofertas comerciales se considera el aspecto más importante en la selección

del plan de datos. Esta preferencia representa aproximadamente un tercio de la importancia

relativa total a la hora de escoger un operador de telefonía móvil. [12] Si los operadores

desarrollan redes móviles 5G ofreciendo una velocidad de descarga mínima a 10Gbps y

superiores, van a necesitar mucho más espectro y no será fácil. Un factor determinante para

su futuro sobre las redes 5G será el espectro que se le asigne.

Para el servicio móvil de las tecnologías 4G y 3G, se ha considerado frecuencias por debajo

de los 6GHz, ya que permiten cubrir grandes áreas. Pero hoy en día se necesita desbloquear


nuevas bandas de espectro radioeléctrico en el rango de 6 a 100GHz ya que se requiere

aumentar la velocidad de transmisión de información [13]. Con ella, los tiempos estimados

para la descarga de archivos pueden acelerarse hasta 100 veces, permitiendo el acceso a la

alta definición, realidad virtual, etc. A modo de ejemplo, la descarga de una película en alta

definición que con las actuales redes 4G disponibles emplea aproximadamente 8 minutos

requerirá sólo 4,8 segundos gracias a las futuras redes 5G. En efecto, para que las futuras

redes 5G sean capaces de ofrecer múltiples gigabits por segundo, las nuevas bandas de

frecuencias tienen que estar fundamentalmente asignadas en el rango de 6 a 100GHz [14].

Esto no sólo serán una gran mejora en velocidad, sino que también se espera que reduzcan la

latencia de las redes móviles. Pero hay que tener en cuenta que, si las frecuencias superiores

a 6GHz destacan por su velocidad, también sufren de un gran alcance, sobre todo si

encuentran obstáculos a su paso y que se tiene en mente solucionar estos problemas, con la

idea de que los operadores móviles tendrán que instalar un buen número de sub-estaciones

más pequeñas. En todo caso, se aprovechará todas las ventajas de las bandas de espectro por

encima de los 6GHz no será sencillo, pero si los proveedores de dispositivos y de

equipamiento de comunicaciones quieren que 5G se convierta en algo más que una

actualización de las redes LTE que existan en 2020, todos los retos técnicos y regulatorios

tienen que superarse [15].

1.2.2 Mejora de la gestión del espectro

Mejorar la gestión del espectro o Incrementar capacidad de la red, hablando al mismo tiempo

con diez veces la mejora en la experiencia del usuario (llegando a 100 Mbit/s, incluso en

desfavorables condiciones de la red), se logrará a través el espectro compartido. El uso cada

vez más generalizado de las bandas de frecuencias, necesario para soportar los

requerimientos de velocidades superiores y grandes cantidades de tráfico, ha sido uno de los

elementos principales de la evolución de todas las generaciones de tecnología móvil. La

situación no es distinta para la tecnología 5G. Dado que los servicios 5G ultra rápidos

requerirán cantidades extraordinarias de espectro. Aunque hasta ahora las frecuencias

asignadas al ancho de banda para el uso celular han sido todas por debajo de 6 GHz, en su

mayoría debido a las propiedades de cobertura favorables de la menor frecuencia, pero se

están elaborando técnicas prometedoras para aumentar el uso de las frecuencias asignadas,


lo que requeriría desbloquear nuevas bandas del espectro. Si estas bandas de frecuencias más

altas, cuales son de 6 a 100 GHz no son asignadas a 5G, posiblemente no se puedan

materializar las promesas de la tecnología 5G, de incrementar las velocidades de la banda

ancha móvil ni soportar el creciente tráfico de datos móviles, especialmente en zonas urbanas

congestionadas. Sin embargo, las bandas de 6 a 100 GHz ayudarán a cumplir los altos

requisitos de capacidad y velocidad de datos de la tecnología 5G, y que se pueden dividir en

dos partes según las características de propagación de radio, en ondas de centímetro

(cmWave), cuales son ondas electromagnéticas de frecuencias comprendidas entre 3 y 30

GHz con un rango de longitud de onda de entre 1 a 10 centímetro, y ondas milimétricas

(mmWave) que también son ondas electromagnéticas pero de frecuencias comprendidas

entre 30 y 300 GHz con longitud de onda de 1 a 10 milímetros (ver figura 6).

Para brindar mayor cobertura e incluir todos los casos de su uso, la tecnología 5G necesita

espectro en tres bandas de frecuencia muy importantes, cuales son, frecuencias inferiores a 1

GHz, frecuencias comprendidas entre 1 y 6 GHz, y por encima de 6 GHz. El espectro inferior

a 1 GHz será utilizado para extender la cobertura de la banda ancha móvil 5G de alta

velocidad a zonas urbanas, suburbanas y rurales, y también contribuir al sustento de los

servicios de Internet de las Cosas (IoT). Mientras que el espectro de 1 a 6 GHz ofrecerá una

combinación razonable de cobertura y capacidad para servicios 5G. Hoy en día existe una

cantidad razonable de espectro de banda ancha móvil, ya identificado dentro de esta gama,

que podría ser utilizado para impulsar la primera ola de implementaciones 5G. Hay un

creciente interés en el mundo entero de utilizar el espectro que se encuentra en el rango de

3,3-3,8 GHz como base para los primeros servicios comerciales de 5G. El rango de 3,4-3,6

GHz está casi totalmente armonizado a nivel global y podría llegar a ser el impulsor de las

economías de escala necesarias para los dispositivos de bajo costo. Son varios los países que

están explorando la posibilidad de utilizar una parte de bandas tales como la de 3,8-4,2 GHz

y el espectro en el rango de 4-5 GHz, específicamente entre 4,8-4,99 GHz. Asimismo, existen

otras bandas móviles en el rango de 1 a 6 GHz, utilizadas en la actualidad para los servicios

3G y 4G, que podrían ser redistribuidas gradualmente para ser utilizadas en 5G. Y por fin, el

espectro que está por encima de los 6 GHz es necesario para sustentar la velocidad ultra

rápida de banda ancha móvil contemplada para la tecnología 5G. Estas altas frecuencias son

el elemento clave para alcanzar la mayor rapidez en los servicios 5G. Sin ellas, la tecnología


5G no será capaz de ofrecer velocidades de datos significativamente más rápidas o sustentar

el extenso crecimiento de tráfico móvil que se ha proyectado. Se espera que el espectro por

encima de los 6 GHz incluya una combinación de bandas móviles con y sin licencia. Las

bandas de frecuencia para servicios móviles 5G deben ser acordadas en la CMR-19 y algunas

de ellas son: 8-24,25-27,5 GHz, 31,8-33,4 GHz, 37-43,5 GHz, 45,5-50,2 GHz, 50,4-52,6

GHz, 66-76 GHz y 81-86 GHz. Sin embargo, algunos países están analizando otras bandas

de servicios móviles adicionales, por encima de los 6 GHz, que no han sido incluidas en los

puntos de agenda de la CMR-19, La banda de 28 GHz es de particular interés ya que su uso

para 5G ha sido permitido en los Estados Unidos y está siendo examinada en detalle por

Japón y Corea. Esto complementaría la banda de 24 GHz, la cual sí está bajo estudio de la

CMR-19, y es apoyada por la Unión Europea, ya que un mismo dispositivo podría fácilmente

operar en ambas bandas, ayudando así a reducir el costo de los mismos [13].

La mejora de la gestión del espectro en tecnología 5g se puede observar desde “la creación

de una red de extremo a extremo que funciona con niveles de servicio y criterios de

rendimiento definidos. Es decir, la posibilidad de crear segmentos virtuales de la red (de ahí

su nombre “network slicing”) que facilita que cada segmento o sección pueda gestionarse de

forma virtual e independiente. El corte de red permitiría laminar la red 5G en múltiples redes

virtuales. Esto le confiere una mayor flexibilidad y nuevas capacidades ya que cada segmento

puede utilizarse de forma autónoma y diferencial. En definitiva, el “slicing” ofrece la

posibilidad de eliminar conflictos de priorización de tráfico para diferentes paquetes de datos,

proporcionando así un alto grado de versatilidad que admiten usos diferentes a la vez. Ahora

si utilizamos el símil del tráfico de carreteras, la mejora de la gestión puede venir por el

aumento de las carreteras disponibles, es decir, la reasignación del espectro. Otra opción sería

conseguir que las carreteras sean más eficientes. Siguiendo con el símil, en el tráfico móvil

correspondería al incremento de la densificación a través del aumento de la ubicación y el

despliegue de pequeñas células. Al mismo tiempo, el mejor estado y uso de las carreteras

dinamiza también el tráfico que circula por ellas, lo que correspondería en las inalámbricas

a una mejor gestión del espectro gracias a la utilización de redes definidas por software y

funcionalidad de red más eficientes” [14].


Otra forma de mejorar la gestión del espectro o sea incrementar la capacidad de la red, se

puede observar desde la eficiencia espectral que es una medida de la eficiencia del espectro

y que se utiliza durante la transmisión de datos. Un sistema que está diseñado con diferentes

eficiencias espectrales, al aumentar estas eficiencias espectrales, la capacidad de la red

aumenta sin necesidad de añadir más portadoras. Múltiples componentes afectan la eficiencia

espectral en la conexión de radio, por ejemplo, la modulación, forma de onda de la señal, y

todo el sistema, incluyendo la coordinación entre los nodos, la supresión de interferencias, y

la gestión de recursos de radio de colaboración. LTE ya tiene un alto de radio de eficiencia

espectral, pero todavía permite mejoras que son menos costosas y utilizan menos energía y

son más simples. En este sentido, la mejora de la gestión del espectro permitirá a los

operadores móviles transmitir en más frecuencias, provocando un incremento directo y en

general proporcional de la capacidad de la Red. Por consiguiente, el espectro por arriba de

los 6 GHz, requerirá una nueva generación de antenas, las cuales puedan dirigir múltiples

datos a diferentes usuarios al mismo tiempo ya que al necesitarse frecuencias más altas, la

cobertura será menor, requiriendo un mayor número de emplazamientos de radio (cell

splitting), dando lugar a una nueva generación de estaciones base denominadas MIMO

(Massive Multiple Input, Multiple Output) que prometen un mayor ancho de banda y

mayores velocidades. Su despliegue, que incorporará además otros elementos de antena,

podría aumentar las velocidades de datos y mejorar la calidad de la transmisión. MIMO

masivo tiene la capacidad de mejorar la eficiencia de la energía radiada en cien veces y, al

mismo tiempo, aumentar la capacidad en orden de diez o más. Sistemas con MIMO masivo

utilizan dispositivos con menor consumo de energía y componentes menos costosos. MIMO

masivo permite una disminución sustancial en la latencia de la interfaz aérea; también hace

simple la capa de acceso. La densificación Phantom Cell (Celda fantasma). División del

plano de control y el plano de usuario entre las macros y micro celdas en distintas bandas de

frecuencia [12].


Figura 6: Bandas de frecuencia de 6 a 100 GHz divididas para el uso de cmWave y mmWave

[14].

1.2.3 Reducción de la latencia

El 5G permite no solo que muchos más dispositivos estén conectados al mismo tiempo (hasta

100 equipos por metro cuadrado) sino que puedan responder más rápido a las órdenes

remotas. Ese tiempo, entre el que se da una orden y el dispositivo la ejecuta, se llama latencia

y el 5G conseguirá llevarla hasta los 5 milisegundos. La latencia es la suma de retardos

temporales dentro de una red. Un retardo es producido por la demora en la propagación y

transmisión de paquetes dentro de la red. La alta transferencia de datos en redes con alta

latencia significa que los buffers necesitan ser de más capacidad, aumentando el coste del

dispositivo. La reducción de la latencia de red significa que los buffers se utilizarán menos y

por lo tanto pueden ser más pequeño y se disminuirá en costo. La latencia mínima de

respuesta es fundamental para hacer realidad aplicaciones como la conducción automática de

los coches u operaciones quirúrgicas remotas mediante robots. Dynamic TDD implica que

diferentes células en la red empleen diferentes divisiones TDD (Time Division Duplex)

ascendente-descendente basado en la carga de tráfico para el receptor. Se espera que el

principal modo de operación para redes 5G ultra densas funcionen por encima de 6 GHz sean

TDD dinámico. TDD dinámico es atractivo para su uso en células pequeñas 5G, ya que asigna

el espectro completo al enlace más lo necesita. Un transceptor TDD que es un radio

transceptor que comprende dos cadenas transceptoras reversibles, cada una contiene un

mezclador de radiofrecuencia; y un generador de frecuencia intermedia, para recibir una señal

de banda base que contiene datos para transmisión, y para generar señales en dos frecuencias

intermedias diferentes moduladas con dichos datos; es también más fácil y más barato de

construir que un transceptor FDD (Frequency Division Duplex) que es un transceptor radio

donde se usa la multiplexación de frecuencia y utiliza dos canales, uno de bajada y otro de

subida con una cierta separación en el espectro para evitar interferencias entre ellos. La

longitud de la trama dinámica TDD es sustancialmente más baja, unas diez veces menor que

en LTE [14].

La latencia se puede definir en términos de red como la rapidez con la que la red responde

en el viaje de ida y vuelta desde la solicitud a la respuesta, que generalmente se mide en


milisegundos. Cuando se introdujeron las redes 4G LTE, uno de los entregables claves fue

una latencia de menos de 100 milisegundos. Aunque es una evidencia contrastada que la

latencia ha ido disminuyendo paulatinamente, habiendo conseguido que actualmente el

retardo de una red 4G se encuentra en torno a los 50 ms, la mitad de la que ofrecían las redes

3G, los nuevos servicios que van a ofrecer la tecnología 5G requieren tiempos aun menores

ya que para garantizar la seguridad en un coche que tiene que frenar de forma imprevista el

tiempo estimado de reacción debe ser de 1 ms; así que para los servicios de control remoto

en 5G se necesita una demora mucho más menor. Con la latencia que proporcionan las redes

actuales un coche que circulará a 100 km/h se desplazaría 1,4 metros desde el momento en

que encuentra un obstáculo hasta el momento en que se ejecuta el comando de frenado. En

las mismas condiciones, con la latencia que podría ofrecer una red 5G, el automóvil se

desplazaría solo 2,8 centímetros, tiempo equivalente al rendimiento estándar de los sistemas

antibloqueo de frenos (ABS). La disminución de la latencia de extremo a extremo (end-to-

end) es un requisito primordial para los nuevos servicios como la realidad aumentada, la

medicina de precisión y la cirugía robótica asistida a distancia en el ámbito de la salud, la

seguridad vial, la conducción autónoma en vehículos conectados o la automatización de

fábricas, etc. El escenario de latencia ultra baja podría cambiar el juego, permitiendo

aplicaciones de misión crítica como: automatización industrial, control de drones, realidad

virtual, sensores, telesalud e intervención médica, aplicaciones militares (ver figura 7).

Dependiendo del servicio, la latencia puede ser más o menos crítica, por ello los tiempos

máximos demandados de retardo varían entre decenas de milisegundos y unos pocos

milisegundos. Para el sector del entretenimiento también es fundamental disminuir el tiempo

de latencia para ofrecer una mejor experiencia para el usuario. Es el caso de los juegos online

interactivos para móviles que además de un requerimiento de ancho de banda requieren un

tiempo de reacción mínimo [15].


Figura 7: Diferentes escenarios de la latencia en 5G [15].

1.2.4 Internet de las cosas (IoT)

En los últimos años, las evoluciones en la miniaturización electrónica permitieron el

acoplamiento y la integración de las capacidades de comunicación en un número cada vez

mayor de diferentes tipos de dispositivos, como sensores. A su vez, la disponibilidad de estas

oportunidades de conectividad fomentó la mejora de las tecnologías de radio existentes, así

como el desarrollo de otras nuevas. Específicamente, complementando el conjunto de redes

inalámbricas móviles coordinadas basadas en macro celdas (por ejemplo, Tercera generación

3G, Evolución a largo plazo LTE, Interoperabilidad mundial para acceso de microondas

WiMAX) y la conectividad inalámbrica basada en la competición (por ejemplo, Red

inalámbrica de área local WLAN), hemos visto nuevas implementaciones inalámbricas

dirigidas a las Redes de Área Personal (PAN), como ZigBee, Instituto de Ingenieros

Eléctricos y Electrónicos IEEE 802.15.4, DASH7, WirelessHART y Weightless, que se

suman a las tecnologías Bluetooth e infrarrojas comúnmente disponibles. Este aumento en

las capacidades de comunicación para dispositivos agregó un impulso al área bien

investigada de redes de sensores inalámbricos, fomentando su despliegue en un número sin

precedentes de nuevos casos de uso, posibilidades comerciales y contribuciones de la

sociedad. Además, esta expansión fue más allá de la aplicación exclusiva de las redes de

sensores inalámbricos, en un entorno de conexión a mayor escala, que involucró dispositivos

de naturaleza dispar, desde teléfonos móviles hasta automóviles, equipos de vigilancia,

supervisión de servicios públicos, automatización de la producción, logística, soporte

comercial y muchos más otros. Con el desafío heterogéneo de alcanzar simultáneamente

estos dispositivos a través de diferentes tecnologías de acceso, para diferentes escenarios y


casos de uso, los marcos de control que soportan estos entornos comenzaron a desarrollarse,

aprovechando los conceptos de IP para proporcionar procedimientos de accesibilidad remota.

De esta manera, nació el IoT. Gracias a las personalizaciones de la IP, como 6LoWPAN, el

acceso a las plataformas de los dispositivos se acercó más a las arquitecturas orientadas a

servicios, agregando un diseño de aplicaciones enriquecido e integración a las

comunicaciones de tipo máquina. Al emplear estos conceptos incluso en dispositivos

electrónicos muy simples, a través de protocolos como el CoAP del grupo de Trabajo de

Entornos Restantes (RIM) Restringidos (CoRE) del Grupo de Trabajo de Ingeniería de

Internet (IETF), se agregaron capacidades de control de servicios web a los dispositivos, lo

que permite una integración real y despliegues de escenarios inteligentes. Estos conceptos se

investigaron activamente en proyectos como SODA (Service Oriented Device and Delivery

Architecture), SOCRADES (Infraestructura de capa cruzada orientada a servicios para

sistemas integrados inteligentes distribuidos, SENSEI (Integración de lo físico con el mundo

digital de la red del futuro) y Smart Santander [16]. Estos enfoques permitieron reducir la

brecha entre el mundo físico y el digital y sirvieron para integrar verdaderamente los

dispositivos en plataformas a gran escala, componiendo Smart City, Smart Agriculture y

muchos otros escenarios (ver figura 8), donde la información se obtiene de diferentes tipos.

de sensores (por ejemplo, temperatura, humedad, contaminación, video) se combinó con

políticas y algoritmos de control para producir decisiones automatizadas que impulsan los

dispositivos actuadores conectados a la plataforma (por ejemplo, cambiar los semáforos para

reducir la contaminación de CO2 en áreas superpobladas en Smart Traffic, optimizando

consumo de agua en escenarios de Smart Utilities, o incluso automatización y ajuste

automático de cultivos riego en escenarios de agricultura inteligente). Como consecuencia

de la exposición de las arquitecturas de IoT a una gran cantidad de escenarios diferentes, se

impactaron y evolucionaron diferentes áreas de investigación, teniendo en cuenta los desafíos

y requisitos de su aplicación en estos entornos. De esta manera, se lograron nuevos resultados

de investigación en seguridad, privacidad, eficiencia energética y muchas otras áreas, para

tomar como entrada las contribuciones de su operación en entornos tan ricos y diversos como

IoT. Sin embargo, un efecto secundario del mayor despliegue de plataformas IoT en

diferentes dominios fue la explosión descoordinada del espacio de la solución.

Específicamente, diferentes plataformas, compuestas de diferentes configuraciones de la red


y las pilas de servicios, se desplegaron en diferentes escenarios. De esta manera, en lugar de

implementarse como un tejido común, la IoT generaba diferentes silos de soluciones

verticales, donde los componentes que pertenecían a cada solución diferente no podían

interactuar ni ser intercambiables, sino que funcionaban como islas aisladas. Los factores que

contribuyeron a este factor fueron la disparidad en las interfaces y capacidades de

dispositivos y redes, así como las diferentes semánticas de los dispositivos involucrados (por

ejemplo, sensores y actuadores). Con el fin de facilitar la adopción e integración de las

implementaciones de IoT en un espacio de aplicación en aumento, se está llevando a cabo

una remodelación de paradigmas, reposicionando las soluciones verticales en una

implementación horizontal, donde las diferentes capas proporcionan un sustrato compartido

que es interoperable, multitecnología, multiplataforma y multiescenario [16].

Tecnológicamente pueden diferenciarse tres capas o niveles a los que se hace referencia

cuando se aborda la IoT. El primero corresponde a los dispositivos, sensores y actuadores

cuya función principal es la captación de diferentes variables como la temperatura o la luz,

que se convierten en impulsos eléctricos (datos). El segundo nivel es el “Gateway IoT” o

pasarela, que engloba a los componentes de hardware y software que sirven de punto de

conexión entre la nube y los controladores, sensores y dispositivos inteligentes que

configuran la arquitectura necesaria para el procesamiento de datos. Por último, en la tercera

capa de la plataforma IoT es en la que se encuentran las aplicaciones y servicios de negocio

y consumo. Es decir, de forma simplificada, la tecnología IoT abarca todas las tecnologías

necesarias para que dispositivos físicos capten datos y sean transmitidos para su

procesamiento de cara a desarrollar servicios o aplicaciones. Las posibilidades que ofrece la

IoT parecen infinitas, gracias a los sensores distribuidos estratégicamente por la ciudad, se

podrán regular los semáforos en función del número de coches que se aproximan a un cruce,

adoptar medidas sanitarias según el incremento de contaminación o proceder a la recogida

de la basura cuando los contenedores están llenos. Los miles de millones de sensores y

dispositivos conectados entre sí generarán cientos de millones de datos por segundo que

requerirán una gestión eficiente. La densidad de conexión se define como el número medio

de conexiones activas simultáneas que se pueden soportar en un área determinada, medido

en conexiones por kilómetro cuadrado. En definitiva, los dispositivos IoT se encargan

esencialmente de capturar y transmitir datos. Es por ello que la conectividad de los


dispositivos físicos con las diferentes capas y su procesamiento tiene que ser lo más rápido y

eficiente posible [14].

La correcta conectividad masiva se apoya en nuevas interfaces aéreas que deberían optimizar

los recursos de radio e infraestructura disponibles, abarcando áreas que van desde las mejoras

del protocolo y la gestión de los recursos radioeléctricos hasta el diseño de las ondas. De

nuevo observamos la importancia que la computación en los extremos (“edge computing”)

tiene en las redes 5G ya que permite que los datos sean agregados, resumidos y analizados

en los extremos, minimizando el volumen de los que necesitan ser transmitidos a la nube, lo

que puede incidir positivamente en los tiempos de respuesta y los costes de transmisión de la

red. Es por eso que en la IoT confluyen la computación de borde, la analítica avanzada y la

inteligencia artificial. Aunque el 5G mejora, todavía necesita una mejor gestión del espectro

ya que el incremento requiere la transmisión de infinidad de datos que las actuales redes no

podrían soportar.

Figura 8: Escenario del IoT [16].

1.2.5 Industria 4.0

“Si como hemos visto la velocidad y latencia representan una mejora técnica evidente para

el usuario final, la integración de la computación y análisis en la propia red abren infinidad

de posibilidades desde punto de vista industrial y productivo. El 5G puede suponer la

transformación digital de la producción industrial ya que permitirá mejorar e implementar


nuevos procesos productivos como el control de calidad, simulaciones, prototipados, etc.”

[14].

Un subsector que hay que tener en cuenta dentro de la industria 4.0 es el de la logística

inteligente (“smart logistics”). La capacidad de conexión masiva proporcionada por 5G

permitirá una gestión exhaustiva y una entrega más rápida, fundamental para el comercio

electrónico. Por otra parte, tecnologías como el RFID, muy extendidas y de bajo coste,

permiten informar ya en tiempo real de la posición y estado detallado de la mercancía, y de

otros datos como la temperatura, humedad, etc. De esta forma, el operador y sus clientes

pueden conocer fácilmente las posiciones reales y el estado de todas las entregas, en función

de lo cual el operador y sus clientes pueden planificar las actividades a realizar después de

forma científica.

“Otros sectores que, aunque a priori están alejados de las innovaciones digitales también se

verán impactados directamente por el ecosistema 5G. Es el caso de la Agricultura Inteligente

(ver figura 9). En un futuro cercano se podrán desplegar una gran cantidad de sensores que

permitirán medir y monitorizar en tiempo real el estado y calidad del suelo, la humedad,

nutrientes, etc. pudiendo dar respuestas ad hoc a distintas situaciones con las evidentes

ventajas que supone desde el punto de vista de la eficiencia y del ahorro de costes. Lo mismo

sucederá con las granjas de animales, que podrán monitorizar la posición exacta y las

condiciones sanitarias y nutricionales de cada ejemplar” [14].

Figura 9: Despliegue de sensores para la agricultura de precisión [14].


1.2.6 Ciudades inteligentes (Smart Cities)

“Sin lugar a dudas, el desarrollo de las tecnologías 5G será más evidente en las ciudades en

las que confluya la gestión de servicios públicos y privados a gran escala. Además de la banda

ancha de edificios, incluidos los espacios públicos como los trenes o los vagones del metro,

los usuarios podrán alcanzar velocidades similares a las de la fibra fija, permitiendo que la

tecnología inalámbrica se despliegue en sitios donde las redes fijas son demasiado costosas,

tienen un uso solo estacional o en determinadas situaciones como eventos, catástrofes, etc.

Las redes 5G actuarán como catalizador y aglutinador de otras tecnologías como la IoT o la

inteligencia artificial, lo que permitirá configurar un nuevo ecosistema de servicios públicos”

[14].

Para el despliegue de las redes móviles 5G, la consultora Accenture ha definido tres grandes

áreas de actuación en las que el 5G podrá tener un impacto directo en servicios vinculados a

las smart cities: energía y servicios públicos, transporte y seguridad pública. En el primer

caso las “smart grid” (redes inteligentes) saldrán claramente beneficiadas ya que mejorarán

la eficiencia y reducirán considerablemente los costes al permitir que muchos dispositivos

estén integrados a través de conexiones 5G, lo que favorecerá que sean monitorizados con

mayor precisión, mejorando las previsiones de las demandas energéticas y su eficiencia.

“La iluminación inteligente es también otro claro ejemplo del potencial del 5G: el manejo

automático de la red de iluminación cuando no pasean peatones o haya vehículos presentes

ayudará a disminuir sus costes. En España, ciudades como Barcelona o Madrid ya están

trabajando la “smart lighting” en espacios públicos como monumentos, polideportivos, etc.

Solo en EE.UU. el ahorro estimado gracias a su aplicación podría representar más de mil

millones de dólares al año” [14].

Además, El 5G contribuirá en la reducción de la congestión del tráfico, lo que se traducirá

en una mejora del trasporte público. Se conseguirá una mayor eficiencia de los

estacionamientos públicos y se reducirán los tiempos de espera de los pasajeros,

optimizándose, por allí, la flota de autobuses. También, con la ayuda de la implantación de

coches inteligentes comunicándose entre sí y con semáforos inteligentes, se podrá llegar a

una mejora gestión del tráfico (ver figura 10).


Lo mismo se puede trasladar al tráfico privado. Se estima que en una ciudad de tamaño medio

se puede reducir la congestión del tráfico en un 40%, lo que podría representar un ahorro

aproximado de 100 millones de dólares al año, y la disminución de la contaminación,

potenciando mejoras medioambientales [12]. El estacionamiento inteligente, gracias al

despliegue de sensores de bajo coste conectados a redes 5G, reducirá el tiempo para encontrar

estacionamiento.

Figura 10: Ciudad inteligente, mejor gestión del tráfico [14].

1.3 Problemática actual de las redes móviles 5G

Una vez comiencen a desplegarse, cabe esperar que las redes 5G ofrezcan más velocidad y

capacidad para comunicaciones masivas de máquina a máquina y para proporcionar un

servicio de baja latencia y alta fiabilidad en aplicaciones donde el tiempo es un factor

esencial. Con estos ambiciosos objetivos, las redes 5G se enfrentan a retos operativos

considerables, como alcanzar mayores niveles de estabilidad, seguridad y fiabilidad. Las

redes 5G tienen por finalidad obtener un alto rendimiento en diferentes ámbitos, como zonas

urbanas densas, zonas de cobertura interiores y zonas rurales.

Aunque 4G no ha existido durante mucho tiempo, ha resultado insuficiente para hacer frente

a las necesidades diversificadas en términos de redes más densas y mayor capacidad que

factores como el uso generalizado de teléfonos inteligentes y la aparición de Internet de las

cosas (IoT), se espera que esto no sea culpa de la tecnología; la revolución de los teléfonos

inteligentes no había comenzado cuando se seleccionaron los requisitos y tecnologías 4G, y


las nuevas aplicaciones y servicios siempre están evolucionando. Sin embargo, superar las

limitaciones actuales de 4G es el objetivo principal de 5G, un concepto que es tanto una

evolución de las redes inalámbricas para satisfacer las demandas futuras de datos como una

revolución en la arquitectura para permitir una red consciente de los costos que se pueda

escalar. Por lo tanto, la complejidad de estas redes hace que se encuentre confrontada a ciertos

desafíos donde se destacarán algunos tales como [17]:

• La interferencia entre células, este es uno de los principales problemas tecnológicos

que necesitan ser resueltos. Hay variaciones en el tamaño de las células de macro

tradicionales y células pequeñas concurrentes que conduzcan a la interferencia.

• Control de Acceso Medio Eficiente, en una situación en la que se requiere denso

despliegue de puntos de acceso y terminales de usuario, el rendimiento para el usuario

será baja, la latencia será alto, y puntos de acceso no será competente para la

tecnología celular para proporcionar un alto rendimiento. Tiene que ser investigado

adecuadamente para optimizar la tecnología.

• Gestión de Tráfico, en comparación con el tráfico tradicional en las redes celulares,

un gran número de máquina a máquina (M2M) dispositivos en una célula puede

causar en el sistema serios desafíos a la red de acceso de radio, es decir (RAN)

desafíos, lo que provocará una sobrecarga y la congestión.

• Servicios Múltiples, a diferencia de otros servicios de la señal de radio, 5G tendrían

una enorme tarea de ofrecer servicios a las redes heterogéneas, tecnologías y

dispositivos que operan en diferentes regiones geográficas. Por lo tanto, el reto es de

la normalización para proporcionar dinámica, universal, centrada en el usuario, y los

servicios inalámbricos de datos ricos para cumplir con las altas expectativas de las

personas.

• Seguridad y Privacidad, este es uno de los retos más importantes que 5G necesita

para asegurar la protección de datos personales. 5G tendrá que definir las

incertidumbres relacionadas con las amenazas de seguridad, incluyendo la confianza,

privacidad, seguridad cibernética, que están creciendo en todo el mundo.

• La legislación de Cyberlaw, Cibercrimen y otros tipos de fraude también puede

aumentar con la alta velocidad y la tecnología 5G ubicua. A mayor ancho de banda,

mayor riesgo. La vertiginosa conectividad del 5G dará más opciones a los


delincuentes del ciberespacio, que ya no se limitarán al envío de correos fraudulentos

o a la creación de webs falsas, sino que podrán cambiar el itinerario de un vehículo o

controlar los electrodomésticos de un domicilio u oficina. Asimismo, el intercambio

de material ilegal en la Dark Web podría agigantarse. Por lo tanto, la legislación de

la Cyberlaw es también una cuestión imprescindible, que en gran medida es

gubernamental y político (cuestión nacional como internacional) en la naturaleza.

Al igual que las generaciones anteriores de banda ancha móvil, las redes 5G utilizan el

espectro de radiofrecuencia. Éste se divide en bandas de frecuencias, atribuidas a los servicios

de radiocomunicaciones de manera que cada banda sólo pueda ser utilizada por servicios que

puedan coexistir entre sí. El aumento del tráfico y de la velocidad necesaria para el 5G exigirá

tecnologías con mayor eficiencia espectral y muchísimo más espectro, además del que se

utiliza actualmente para la 3G y la 4G. La mayor parte procederá de las bandas de frecuencias

por encima de 24 GHz, que plantean dificultades considerables en cuando a la propagación

de las ondas radioeléctricas y que también son utilizadas por varios de servicios de

radiocomunicaciones, en particular para las comunicaciones por satélite, la previsión

meteorológica y la vigilancia de los recursos terrestres y del cambio climático [18].

“Todavía hay algunos problemas que superar en la implementación del 5G, sobre todo en lo

relativo a la convergencia entre 4G y 5G, y el tiempo que ambas tecnologías se vean

obligadas a convivir. El problema radica en el despliegue de nuevas antenas que no ocupen

más espacio que el actual, ya que las zonas urbanas se encuentran saturadas. Además, el

consumo de energía de la red 5G es muy superior al del 4G, debido a su complejidad. El 4G

lleva años entre nosotros y ya se encuentra optimizado, pero la eficiencia eléctrica del 5G

debido a su novedad, está lejos de llegar a su máximo” [19].

“Más allá de las amenazas que acechan en el submundo cibernético, no son pocas las voces

que advierten que la transformación digital puede acarrear también riesgos físicos:

especialistas como David Carpenter, director del Instituto de Salud y Medio Ambiente y

colaborador de la Organización Mundial de la Salud (OMS), opina que la instalación masiva

de antenas para implantar el espectro 5G podría producir en la población trastornos

cognitivos, celulares e incluso problemas de fertilidad en los varones” [17].


Conclusiones del capítulo

Hoy en día el mundo se está transformando en totalmente inalámbrico, exigiendo acceso

ininterrumpido a la información en cualquier momento y en cualquier lugar con la mayor

capacidad (un incremento de 10 -100 veces en el número de dispositivos y un incremento del

tráfico de 1000-5000 veces), una mejor calidad, alta velocidad (hasta 10Gbps), mayor ancho

de banda (hasta los 100GHz), reducción de la latencia (hasta 1ms) y reducción de costos. Por

lo tanto, el 5G surge como respuesta a lo mencionado anteriormente, ya que establece como

objetivo un mundo real sin limitaciones con la llegada de nuevos conceptos como la IoT,

Industria 4.0, etc. La tecnología 5G se irá introduciendo paulatinamente en las redes actuales

a medida que las funcionalidades estén disponibles. El reto con el 5G es conseguir cuadrar

una evolución considerable al tiempo que se va preparando las redes de manera que las

nuevas capacidades puedan añadirse. Y, se estima que la tecnología 5G tardará unos 12 años

aproximadamente en madurar, por eso es necesario trabajar desde ya para que sea una

realidad a partir del 2020.

CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 38

CAPÍTULO 2. Mejoras en las técnicas de acceso y arquitecturas para

el logro exitoso de las redes móviles 5G

El proceso de implementación de la generación móvil 5G, así como su despliegue, exigen

mejoras tecnológicas que sirvan para satisfacer los requerimientos de esta tecnología. Hasta

la fecha se están proponiendo una serie de soluciones tecnológicas destinadas a esta finalidad.

Estas soluciones tienen dos direcciones principales: la primera considera los aspectos

tecnológicos, arquitecturas y casos de despliegue a partir de la evolución de los estándares

LTE, mientras que la otra está dirigida a la creación de nuevos estándares y equipos

específicos para la tecnología 5G.

Este capítulo está dedicado a relacionar las diferentes líneas tecnológicas propuestas hasta la

fecha, conjuntamente con una explicación básica de las mismas donde se exponen las

definiciones, características principales, las mejoras técnicas que la justifican y las

referencias bibliográficas asociadas a cada una. En contenido incluye técnicas de

modulación, de acceso, arquitecturas y aspectos relacionados con estrategias y utilización de

funciones pertenecientes a nuevas técnicas inalámbricas, así como aspectos asociados al

entorno y el manejo de la energía.

El objetivo principal del capítulo es recopilar y organizar el significativo número de aspectos

tecnológicos individuales y dispersos que se proponen para el logro del 5G además de brindar

una introducción a sus diferentes aspectos y principios, así como proporcionar una guía

bibliografía para estudios más profundos de las diferentes propuestas tecnológicas.


2.1 Tecnologías de modulación propuestas

En sentido general, las modulaciones candidatas que se proponen para 5G parten del estándar

OFDM con la finalidad de mejorar su desempeño, así como eliminar sus limitaciones al ser

aplicada bajo las exigencias del 5G. A continuación, se relacionan las de mayor impacto.

2.1.1 OFDM/CP-OFDM (Modulación por División de Frecuencias Ortogonales con

prefijo cíclico)

Este tipo de modulación es la clásica de los estándares LTE y continúa siendo una opción

para la 5G.

La idea de OFDM es la de transformar flujos de alta razón de datos en un conjunto de flujos

de baja razón de datos que son transmitidos en paralelo sobre diferentes frecuencias de

subportadoras. Con esta estructura un canal con desvanecimiento selectivo en frecuencia

puede ser transformado en un conjunto de canales con un desvanecimiento de frecuencia

plano. Dicho de otra forma, OFDM divide el ancho de banda disponible en un número de

subportadoras igualmente espaciadas que portan una porción de la información del usuario

en cada subportadora. La propiedad fundamental radica en que cada subportadora es

ortogonal con relación a las otras, lo que permite el solapamiento de los espectros de cada

subportadora sin interferencias entre ellas, y hace que el espectro requerido se reduzca,

brindando un esquema de acceso mejor [20].

El número de sub-portadoras OFDM está en el rango entre cientos y varios miles, con

espaciamiento desde varios cientos de KHz hasta unos pocos KHz. La selección del

espaciamiento depende del entorno en el que opera el sistema incluyendo aspectos como la

máxima dispersión en tiempo esperada y la máxima razón de variación esperada del canal.

Una vez seleccionado el espaciamiento, el número de subportadoras se decide sobre la base

del ancho de banda total de transmisión tomando en consideración una emisión aceptable

fuera de banda [21].

Sin embargo, en el caso de un canal dispersivo en tiempo, la ortogonalidad entre

subportadoras se pierde al menos parcialmente. Esto se debe al solapamiento en el intervalo

de correlación del demodulador en un trayecto con la frontera de símbolo de otro trayecto y


como consecuencia de ello se producirá tanto interferencia entre símbolos como interferencia

entre subportadoras [20].

Para resolver este problema y lograr que OFDM sea insensible a la dispersión en tiempo en

el canal de radio se realiza la inserción de un prefijo cíclico (CP) en la transmisión. La

inserción implica que la última parte del símbolo OFDM es copiada e insertada en el

comienzo del símbolo. Esta inserción incrementa la longitud del símbolo OFDM en la

magnitud de la longitud de la duración de CP, lo que reduce la razón de símbolo OFDM, pero

se logra preservar la ortogonalidad de la subportadora en la medida que el espacio de duración

de la dispersión en tiempo sea más corto que la longitud del CP. La modulación OFDM con

Prefijo Cíclico se denomina CP-OFDM [22].

Esta modulación posee sus desventajas [21] [22] , las cuales se acentúan cuando se pretende

utilizar en 5G y son las siguientes:

• La eficiencia espectral de OFDM está limitada por la necesidad de insertar el prefijo

cíclico (PC) y por sus lóbulos laterales. Esto produce gran pérdida fuera de la banda,

lo que requiere la utilización de bandas de guarda grandes con la consecuente

degradación de la eficiencia espectral.

• Las señales OFDM exhiben valores altos de la relación de potencia pico y promedio

(PAPR).

• La imposibilidad de una estricta sincronización entre sub-portadoras hacen que esta

técnica no sea realmente ortogonal. Esto se manifiesta en mayor grado en el enlace

de subida (UL) donde diferentes terminales móviles transmiten separadamente.

• La forma rectangular de sus pulsos causa una pérdida en frecuencia importante.

• La inserción del PC causa pérdidas de eficiencia espectral (SE).

• Se requiere una sincronización en tiempo y frecuencia muy fina para preservar la

ortogonalidad de las sub-portadoras. Para garantizar un bajo nivel de interferencia

intra-celdas y entre celdas.

• Los lóbulos laterales significantes en OFDM dan por resultado Interferencia entre

portadoras (ICI) cuando la sincronización no es efectiva o cuando hay una gran

movilidad de los usuarios debido al efecto Doppler, lo que degrada el

comportamiento general del sistema.


Por estas razones se procedió a mejorar la modulación OFDM de forma que se eliminarán

las dificultades que presenta. Esto ha llevado a las siguientes variantes: F-OFDM, W-OFDM,

UF-OFDM, UW-OFDM y CE-OFDM. El diagrama en bloque de implementación de OFDM

se muestra en la Figura 11:

Figura 11: Arquitectura OFDM [21].

2.1.2 F-OFDM (Filtered-OFDM)

La propiedad desfavorable del confinamiento del espectro de OFDM se debe a la utilización

de pulsos rectangulares cuya Densidad Espectral de Potencia en el dominio de la frecuencia

es una función Sinc. F-OFDM filtra las subportadoras para lograr una perdida fuera de banda

inferior mientras que mantiene al mismo tiempo una estricta separación de las señales en el

dominio del tiempo y ortogonalidad en el plano complejo. La mayor ventaja de F-OFDM,

además de su completa compatibilidad con OFDM, es su capacidad de adaptarse a satisfacer

varios requerimientos de 5G con una elección flexible del diseño de los filtros. La

arquitectura de un transceptor F-OFDM se muestra en la Figura 12: la única diferencia con

la tradicional OFDM es la adición del bloque de filtro de subportadora que conforma la

densidad espectral de potencia de cada subportadora en el dominio de la frecuencia para la

reducción de las pérdidas fuera de banda [23].

F-OFDM puede satisfacer las necesidades de 5G pues el ancho de banda del sistema es

dividido en sub-bandas y filtradas independientemente, por lo que cada sub-banda puede ser

configurada con parámetros de forma de onda diferentes en dependencia del escenario de

tráfico. Mediante la configuración del filtro, cada sub-banda conseguirá su propia

configuración, y las formas de onda combinadas 5G soportarían configuración dinámica de


parámetros para la interface de aire de acuerdo al tipo de tráfico [23]. El esquema en bloques

de esta arquitectura se muestra en la Figura 12.

Figura 12: Arquitectura de un transceptor F-OFDM [23].

2.1.3 W-OFDM (Wide-OFDM)

En lugar de un filtrado en el dominio de la frecuencia, pueden ser aplicados pulsos en

ventanas no rectangulares en el dominio del tiempo para amortiguar las transiciones en los

bordes de los símbolos, reduciendo así las perdidas fuera de la banda de operación.

Las ventanas en el dominio del tiempo, o filtros prototipos pueden ser diseñados con

flexibilidad para mejorar el confinamiento del espectro. Algunos diseños comunes de las de

las funciones de enventanado están disponibles como son las ventanas Hamming y

Blackman. El reducido lóbulo lateral también facilita la transmisión asincrónica, debido a la

reducida potencia de interferencia causada por errores de frecuencia y tiempo.

W-OFDM es un esquema de transmisión cuya base es el estándar 802.11a. WOFDM es capaz

de resolver problemas relacionados con multitrayecto mediante el envío de símbolos de

entrenamiento; donde los efectos adversos del canal pueden ser reducidos a través de una

simple división por la respuesta de frecuencia del canal. También se emplean códigos de

dispersión correctores de errores tal como el Reed Salomon con el objetivo de dispersar los

símbolos sobre muchas frecuencias, lo que convierte la señal a un espectro extendido de

secuencia directa y que tiene la habilidad de recobrar los símbolos aun cuando estén

totalmente ausente algunas portadoras [20]. Su eficiencia y tolerancia al ruido une lo mejor

de los sistemas de espectro extendido y de banda estrecha.


Para superar los problemas de alto PAPR en la amplitud de la señal y el desvanecimiento

debido a los efectos multitrayecto [20], W-OFDM incorpora aleatorización y estimación de

canal. La aleatorización de los datos en el transmisor tiene el efecto de sanear la señal OFDM

y reduce la necesidad de amplificadores de radio frecuencias muy lineales. Mediante la

inclusión de datos conocidos en cada trama de datos OFDM es posible computar y estimar

el canal de transmisión y utilizar esta estimación para corregir los efectos del canal en los

datos. WOFDM permite la implementación de redes RF multipunto de baja potencia que

minimizan las interferencias con redes adyacentes.

La arquitectura de W-OFDM se podría ver como la misma de F-OFDM con la excepción de

que el bloque de filtro de subportadora es reemplazado por el enventanado en el dominio del

tiempo (ver figura 11).

Figura 13: Arquitectura W-OFDM [20].

2.1.4 UF-OFDM (Universal Filtering-OFDM)

Mientras que F-OFDM filtra todas las subportadoras, UF-OFDM, filtra un bloque de

subportadoras o sea, una sub-banda, con el objetivo de controlar la emisión fuera de banda.

Adicionalmente, es posible que UF-OFDM emplee diferentes estructuras de trama y

numerología en cada sub-banda operativa lo que podría ser un ancho de banda variable,

posibilitando un despliegue adaptativo y tipos de enlace. La Figura 14 muestra el diagrama

en bloques funcional de la modulación.


Figura 14: Esquema en bloques funcionales de la modulación UF-OFDM [22].

De la figura 14 vemos que la señal mapeada es asignada a un predeterminado número de

bloques y numero de subportadoras por cada bloque. Los datos para cada bloque son

calculados utilizando la Transformada Discreta de Fourier Inversa (IDFT), y convertida en

una secuencia de datos en tiempo igual al número total de subportadoras. Como

consecuencia, la señal UF-OFDM se convierte en una serie en tiempo con una longitud

extendida en dependencia del número de la derivación del filtro. La longitud puede ajustarse

igual al de la señal CP-OFDM, por lo que UF-OFDM es altamente compatible con CP-

OFDM [22].

La Figura 15 muestra el bloque funcional de demodulación UF-OFDM basado en

Transformada Rápida de Fourier (FFT). La señal proveniente del modulador es pre-

procesada para filtrar interferencias y luego convertida de serie a paralelo y la demodulación

se realiza mediante FFT al doble del número total de subportadoras. La señal demodulada es

desmapeada a cada grupo de símbolos después de la corrección del canal de radio para cada

subportadora [24].

Figura 15: Esquema en bloques funcional de la demodulación UF-OFDM [24].


2.1.5 UW-OFDM (Unique Word-OFDM)

UW-OFDM es una nueva estructura de señal a transmitir para OFDM donde se sustituyen

los usuales prefijos cíclicos (CP) por secuencias determinísticas denominadas Palabra Única

(UW). Esta palabra es generada introduciendo cierto nivel de redundancia en el dominio de

la frecuencia. Esta secuencia brinda las mismas ventajas que el CP (no interferencia entre

símbolos y diagonalización de la matriz del canal). Dado que estas únicas palabras

representan secuencias conocidas, estas pueden ser utilizadas ventajosamente para tareas de

sincronización y estimación, así como también para mejorar la razón de error del sistema que

es mejor que la del sistema CP-OFDM convencional. Y algo muy importante y diferente de

casi todos los esquemas de señalización de la familia OFDM es que la UW forma parte del

intervalo de la Transformada Discreta de Fourier (DTF) [25]. En la Figura 16 se muestra

las estructuras de transmisión utilizando CP y UW.

Figura 16: Estructuras de transmisión en CP-OFDM y UW-OFDM [25].

La introducción de cierta redundancia en el dominio de la frecuencia puede ser explotada

eficientemente para extender el rango, la confiabilidad, la capacidad y otros factores. En este

sentido, UW-OFDM transforma el usualmente relegado intervalo de guarda en una secuencia

de múltiples propósitos. Además, adaptando la UW y por tanto el intervalo de guarda a

diferentes condiciones del canal no habrá impacto sobre la longitud de la DTF y de este modo

se mantiene inalterable la cadena de procesamiento relevante. Por tanto, UW-OFDM puede

soportar un amplio rango de escenarios de comunicaciones asegurando una alta eficiencia y

posee una densidad espectral superior de la forma de onda generada en comparación a CP-

OFDM [25]. Un diagrama en bloque de la arquitectura UW-OFDM se puede ver en la Figura

17:

http://uwofdm.jku.at/home/symbol structure.png?attredirects=0


Figura 17: Diagrama en bloques UW-OFDM [25].

2.1.6 CE-OFDM (Constant Envelope-OFDM)

Esta modulación se apoya en una modulación de fase no lineal aplicada a una señal OFDM

de multiportadora normalizada a un valor real. Los rasgos de tal forma de onda [26] son los

siguientes:

• Valor del PAPR de 0dB lo que permite la transmisión de las señales a través de

amplificadores con saturación sin distorsión de amplitud ni recrecimiento de espectro

• Las señales de múltiples portadoras con envolvente constante (CE-MC), toman

ventaja de la correlación entre subportadoras como un inherente efecto de diversidad

causado por la intermodulación, lo que es resultado de la modulación de fase no lineal

de las señales de múltiples portadoras con evaluación real. Por tanto, las ventajas de

las modulaciones de portadoras múltiples aún se mantienen, conjuntamente con una

creciente diversidad contra el desvanecimiento multitrayecto

• Las señales multiportadoras con envolvente constante son más resistentes al ruido de

fase que su convencional contrapartida. Esto se debe a que el ruido de fase se torna

aditivo después de la demodulación de fase. El precio a pagar para ganar la

mencionada ventaja competitiva es el incremento de ancho de banda de ocupación de

la señal de RF.

• La codificación de Trellis, conjuntamente con el entrelazado logran un gran

incremento del rendimiento de CE-OFDM cuando se utilizan índices de modulación

bajos.

Las desventajas de esta modulación son en general:


• Al menos el 50% del desempeño (b/s/Hz) sufre una reducción comparado con OFDM

debido al espectro bilateral de la señal RF OFDM de valor real.

• Cuando se utiliza el método de acceso OFDMA la asignación adaptativa de

subportadoras solo es posible en el enlace de bajada.

• Si no se utiliza recodificación espectral el nivel de potencia en los lóbulos laterales

es superior que en el caso OFDM

Las formas de onda de envolvente constante mejoran la robustez e incrementan la cobertura

y la capacidad en el escenario propuesto en comparación con la OFDM convencional.

Estas características hacen de esta modulación atractiva para el caso de bandas de frecuencias

milimétricas y por tanto para el 5G; ya que uno de sus puntos clave es la explotación del

espectro de frecuencias en la banda milimétrica para garantizar razones de datos sin

precedentes a los usuarios móviles y en particular en los entornos de pequeñas celdas con

NLOS. Las figuras 18 y 19 muestran la arquitectura en bloque funcionales del transmisor y

el receptor CE-OFDM respectivamente [26].

Figura 18: Transmisor CE-OFDM [26].


Figura 19: Receptor CE-OFDM [26].

2.1.7 FBMC (Filtering Bank Multi-Carrier)

En esta técnica se aplica un filtrado a cada subportadora. El filtrado prácticamente anula las

componentes fuera de banda de cada subportadora, por lo que se reduce drásticamente la

necesidad de bandas de guarda. El espectro queda bien confinado dentro de los límites, por

lo cual es posible soportar aplicaciones con diferentes necesidades de anchura de banda que

requieren fragmentación de espectro. Ahora bien, al ser este filtrado de banda estrecha, se

produce una respuesta impulsiva larga en el tiempo (recuérdese que una respuesta abrupta en

un dominio, en este caso de la frecuencia, implica justo lo contrario en el otro, generando una

prolongación de la señal en el tiempo), lo cual hace que FBMC no resulte idónea para

comunicaciones de tipo ráfagas de datos o que necesiten latencia pequeña. Si bien FBMC

requiere un mayor procesamiento que OFDM, este tiene un menor costo que las técnicas de

compensación de señal que se necesitan aplicar a un sistema OFDM para mitigar algunos de

sus inconvenientes.

Se define y se configura la función de transferencia HPF del filtro prototipo (PF) para una

subportadora de referencia. Las funciones de transferencia de los filtros de las subsiguientes

subportadoras, se obtienen de la función HPF mediante desplazamientos de frecuencia, ya

que las subportadoras poseen idéntico espectro, solo que desplazado en frecuencia. Por ello

puede integrarse el procesado IFFT con la generación de las respuestas impulsivas de los

filtros en la llamada red polifase (PPN-FFT, una técnica que permite mantener el tamaño de

la FFT, pero añadiendo filtros digitales). Debido a este proceso, tanto en GFDM como en


FBMC se habla de subcanales en vez de subportadoras, ya que este último término se reserva

para el espectro de las señales generadas exclusivamente mediante IFFT, utilizándose en

cambio el de canales para aquellas que ya no se ajustan a este proceso, como es el caso de la

combinación con un filtrado posterior [27].

Para proporcionar unas mejores características del espectro fuera de banda, FBMC aplica

filtrado por cada subportadora. Este enfoque flexible para filtrado en banda base, usando, ya

sea una red polifase o una IFFT extendida (ver figura 20).

Figura 20: esquema FBMC [27].

El filtrado puede usar diferentes factores de superposición (factor K) para proporcionar

diversos niveles de rechazo fuera de banda. Si el factor K es reducido, las características fuera

de banda tienen un perfil de rechazo espectral similar al que tiene la modulación OFDM. En

la figura 21 puede observarse la gran atenuación de los componentes fuera de banda de las

señales FBMC.

Figura 21: Señales FBMC con diferentes valores del factor de solapamiento en comparación

con OFDM [27].


Como se verá, la técnica de FBMC, junto con las modulaciones OQAM y QAM, pueden

alcanzar una interferencia entre símbolos y una interferencia entre portadoras menor, además

mejorar algunas de las características del FBMC.

2.1.7.1 QAM-FBMC (Quadrature Amplitude Modulation-FBMC)

La arquitectura del transceptor de QAM-FBMC se muestra en la figura 22. Los símbolos de

información se dividen en los símbolos de la subportadora de números pares y los símbolos

de la subportadora de números impares. Entonces los símbolos son IFFT transformados y

repetidos. Finalmente, la conformación de pulsos con dos prototipos de filtros se realiza a los

símbolos mediante el uso de ventanas (multiplicación de elementos) y se agrega. El intervalo

de símbolos de QAM-FBMC es el mismo que la duración de los símbolos OFDM sin CP,

pero los símbolos se superponen entre sí. Los símbolos recibidos son FFT transformados e

igualados en el dominio de la frecuencia. Luego, los símbolos recibidos se filtran mediante

el filtro Rx para los símbolos de subportadora de números pares y, debido a ciertas

condiciones de ortogonalidad, los símbolos de la subportadora de números impares se filtran

[28] [29]. Al hacer esto, los símbolos recibidos se dividen en los símbolos pares y los

símbolos impares. Cada símbolo es entonces demodulado, donde se puede observar el

escenario en la figura 22.

Figura 22: Diagrama de bloques del transceptor QAM-FBMC [29].


El sistema QAM-FBMC es un sistema que permite separar las subportadoras adyacentes con

bancos de filtros B para mantener la ortogonalidad en un dominio complejo.

2.1.7.2 FBMC/OQAM (Offset Quadrature Amplitude Modulation/FBMC)

La idea principal de la técnica FBMC-OQAM es de reemplazar la modulación QAM habitual

por la modulación OQAM, para ello se introdujo un retraso de símbolo de semi-periodo T/2

entre la parte real e imaginaria de un símbolo QAM dado [29].

Si la parte imaginaria es retardada de T/2 sobre la sub-portadora, es la parte real que será

retardada sobre la sub-portadora siguiente.

El modelo FBMC/OQAM es equivalente al modelo MDFT (Model Discrete Fourier

Transform) y tiene una estructura de implementación eficiente basada en la IFFT/FFT

(inverse and forward fast Fourier transforms), en los bancos de síntesis y análisis,

respectivamente. La transformada rápida de Fourier está acompañada por el filtrado polifase,

para implementar selectividad en el subcanal. Las estructuras de implementación eficiente

para los bancos de análisis y síntesis son representadas en las figuras 23 y 24 siguientes:

Figura 23: Análisis de implementación de banco de filtros FBMC/OQAM [29].


Figura 24: Síntesis de implementación de banco de filtros FBMC/OQAM [29].

Esta eficiente estructura de implementación para los filtros de bancos complejos reducen

considerablemente la cantidad de operaciones comparado con las implementaciones directas.

Sin embargo, es necesario señalar que la complejidad computacional (número de

multiplicaciones) es todavía más alto que cuando lo comparamos con la básica FFT basada

en OFDM.

La FBMC/OQAM logra una velocidad de bits que maximiza la eficiencia de la transmisión,

sin necesidad del tiempo de guarda o del prefijo cíclico de OFDM. Adicionalmente, la

existencia de subcanales independientes o grupos de subcanales con flujos de datos

continuos, permite que los datos recibidos en la SBS (Secondary Base Stations) desde

diferentes móviles puedan ser procesados independientemente y de una forma adaptable.

“FBMC/OQAM es también una técnica eficiente para mantener la ortogonalidad en los

dominios del tiempo y de la frecuencia. La parte real de los símbolos de la constelación

modula las subportadoras pares en los instantes nT y la parte imaginaria las subportadoras

impares en los instantes nT+T/2. De este modo, no hay interferencia entre los datos. En

consecuencia, para transmitir N símbolos hacen falta 2N subportadoras” [27]. Debido a esa

disposición intercalada de los símbolos, no hay reducción de tasa binaria. El uso de esta

técnica de modulación junto con los filtros antes mencionados hace que no sea preciso

recurrir a un prefijo cíclico. De ahí que esta solución se base en una convolución lineal y no

cíclica.


2.1.8 UFMC (Universal Filtered Multi-Carrier)

Se ha visto que en FBMC debido al filtrado individual, la respuesta impulsiva es larga. Puede

pensarse en hacer un filtrado global de todas las subportadoras. Esta técnica se llama OFDM

filtrada (F-OFDM) y con ella la respuesta impulsiva es más corta, pero se pierde flexibilidad

en la configuración del espectro. Una solución de compromiso es hacer un filtrado no en una

ni en todas, sino en grupos de subportadoras. Para ello se divide el espectro en B sub-bandas,

con kb subportadoras en la subbanda b [22].

Como casos particulares, UFMC coincide con FBMC para B=1 y con F-OFDM para kb=K

UFMC por su mejor respuesta impulsiva resulta idónea para aplicaciones que implican

transmisión de datos en forma de ráfagas cortas y con baja latencia. Tampoco requiere CP, y

por tanto utiliza convolución lineal. Sin embargo, requiere de una FFT de mayor tamaño, lo

que puede complicar los receptores. Asimismo, dado que se pierde parte de la ortogonalidad

compleja, podría plantear problemas en aplicaciones de alta tasa de bits [22] [30].

“La elección de B depende del escenario de aplicación y el tipo de espectro. Si se trata de un

escenario con espectro fragmentado, B elegirá de conformidad con el número de sub-bandas

disponibles, pudiendo incluso variar con el tiempo. Puede elegirse B igual a un bloque de

recursos RB o a un número entero de RB de LTE, lo cual facilita la compatibilidad con LTE.

También es posible seleccionar el tipo y características de los filtros. Se han ensayado y

evaluado filtros FIR con coeficientes definidos por ventanas (Dolph-Chebychev) que son

parametrizables en su forma y atenuación de los lóbulos laterales” [31].

En la figura 25, se muestran espectros de UFMC y OFDM. Se observa la gran atenuación de

las componentes fuera de banda de la señal UFMC en comparación con las de la señal OFDM


Figura 25: Espectros de UFMC y OFDM [30].

Puede aprovecharse esta característica de UFMC para multiplexar en frecuencia sub-bandas

con subportadoras correspondientes a diferentes servicios y no necesariamente de la misma

anchura, es decir, con espectros fragmentados [30].

En la figura 26, se muestra un ejemplo de multiplexación de 6 sub-bandas. Se aprecia que

pueden coexistir con mínima interferencia mutua.

Figura 26: Multiplexación de 6 sub-bandas en UFMC [31].

2.1.9 GFDM (Multiplexación por división de frecuencias generalizadas)

GFDM es un sistema de modulación multiportadora no ortogonal, que implementa

digitalmente el enfoque de banda de filtro clásico, utilizando un filtro para cada una de las

portadoras para intentar solucionar el problema de interferencia entre ellas, y que evite el

desbordamiento de la señal de cada subportadora hacia las demás [32]. Los datos a transmitir

son símbolos de modulación complejos procedentes de una constelación. La transmisión se

realiza por bloques. Un bloque es una unidad funcional constituida por K subportadoras y M

intervalos de tiempo. Esto supone que, a diferencia de OFDM, no se genera un CP para cada


símbolo, sino que se utiliza uno común para el bloque. Por ese motivo, la señal moduladora

toma la forma de un ciclo de una señal periódica de periodo K*M.

Por medio del ajuste de los filtros puede conseguirse una emisión fuera de banda

prácticamente nula para cada subportadora (es decir, se logra una buena localización de las

frecuencias de las subportadoras). Además, se aplica convolución circular en el dominio del

tiempo, evitando la pérdida de tasa binaria que se produciría por las colas de la respuesta

temporal del filtro en escenarios de transmisión de señales en ráfagas. Pueden también

emplearse técnicas de enventanado temporal a todo el bloque, consiguiéndose así un control

adicional de la radiación fuera de banda. A continuación, se muestra en la figura 27 el

principio de funcionamiento del transmisor digital GFDM.

Figura 27: Transmisor digital GFDM [32].

La inserción de prefijos cíclicos (CP) se utiliza para permitir una baja ecualización compleja

en el lado del receptor. De acuerdo con la figura 27, se utiliza una técnica de mordida de la

cola para acortar el prefijo cíclico con el fin de mejorar la eficiencia espectral. Cada

subportadora se modula individualmente, utilizando alguna forma de señalización QAM.

En la figura 28 se muestra el principio de funcionamiento del receptor digital GFDM.

Figura 28: Receptor digital GFDM [32].

El receptor GFDM como se muestra en la Figura 28, realiza una demodulación SC-CP

paralela para cada una de las subportadoras GFDM. Después de pasar el LNA y la etapa de


conversión descendente, la señal recibida se convierte de analógica a digital desde la cual

obtenemos la señal digitalizada recibida.

2.1.10 BFDM (Bi-Ortogonal Frequency Division Multiplexing)

“En BFDM se aplica un procesado que transforma la ortogonalidad del conjunto de impulsos

transmitidos y recibidos en una bi-ortogonalidad, en la cual las representaciones tiempo-

frecuencia de esos impulsos son ortogonales por parejas, no individualmente. Esto es, se

utilizan impulsos diferentes en emisión y en recepción, en lugar del mismo, como en el caso

de OFDM, lo que proporciona mayor flexibilidad en lo relativo a supresión de lóbulos

laterales, respuesta impulsiva de los filtros y complejidad de realización práctica. En

definitiva, en lugar de basar la cadena de transmisión en un mismo tipo de filtro prototipo

para conformar la señal en emisión y recepción, se adopta un enfoque más flexible, donde es

posible utilizar diferentes filtros en cada parte, a condición de que ambos impulsos sean

ortogonales. Se ha comprobado que gracias a esta flexibilidad puede configurarse la BFDM

para que resulte adecuada para tráficos esporádicos como los que en 5G aparecerán, y serán

importantes, en comunicaciones entre máquinas MTC (Machine Type Communications)”

[33].

Actualmente, los sistemas LTE se reproducen en el canal compartido físico de enlace

ascendente (PUSCH). Los estudios han demostrado el uso del Canal de Acceso Aleatorio

Físico más extendido (PRACH) que se implementará para las futuras transmisiones de datos

asíncronas y esporádicas. La referencia [34] ha diseñado una nueva forma de onda de acceso

aleatorio en forma de pulso basada en BFDM que es muy adecuada para el próximo 5G

PRACH.

“Por todo ello, se ha propuesto la creación de un nuevo canal en LTE denominado D-PRACH

(Data PRACH) para soportar estos tipos de transmisiones asíncronas, con lo que se

descargaría el canal PUSCH y se reduciría notablemente la tasa (overhead) de señalización.

En el procesado D-PRACH, la secuencia de impulsos de los datos produce una conformación

del espectro de la señal preámbulo del canal PRACH usando las bandas de guarda de dicho

canal con una interferencia aceptable” [34].


Muchos de los métodos discutidos hasta ahora, comprometen la longitud de la banda de

guarda para mejorar la eficiencia espectral, lo que aumenta las posibilidades de interferencia.

En la multiplexación por división de frecuencia bi-ortogonal, el espectro se modula con

subportadoras bi-ortogonales en lugar de las ortogonales habituales. BFDM es más robusto

para las compensaciones de frecuencia y responde mejor al tráfico esporádico ya que los

símbolos en el Canal de Acceso Aleatorio de Capa Física son relativamente más largos [34].

Además, BFDM conserva las ventajas de CP-OFDM, en cuanto a interferencia entre

símbolos y efecto multitrayecto con el uso de CP y resulta fácil de implementar con el

procesado FFT. Pero, debe afrontar el efecto de las colas de impulso largos que reducen la

eficiencia de la transmisión por ráfagas.

2.1.11 SEFDM (Spectrally Efficient Frequency Division Multiplexing)

Este es un tipo de forma de onda de múltiples portadoras que exhibe una alta eficiencia

espectral en relación con la OFDM convencional mediante la violación de la ortogonalidad

de las sub-portadoras.

El objetivo de SEFDM es el de reducir el espaciamiento entre las sub-portadoras por debajo

del límite de ortogonalidad, lo que significa que el espaciamiento se convierte en una fracción

de la razón de símbolo de modulación para cada sub-portadora. “Para SEFDM esto se

caracteriza por el factor de compresión de ancho de banda α. Esto significa que cuando se

envía la misma cantidad de datos se puede salvar el ancho de banda en un valor (1-α) x 100%

comparado con OFDM” [35]. Este mejoramiento de la eficiencia espectral y su

correspondiente ganancia en cuanto a capacidad se produce a costa de una interferencia entre

las subportadoras lo que compromete la razón de error. Por tanto, el desarrollo de esta técnica

de modulación se ha dirigido a remover estas interferencias y constituye el desafío clave con

el resultado de aumento de complejidad tanto de los receptores como el sistema. El

comportamiento de SEFDM en comparación con OFDM se puede ver en la Figura 29:


Figura 29: Espectro SEFDM para dos valores de α comparados con OFDM [35].

Los inconvenientes de SEFDM que supone la pérdida de ortogonalidad son:

• La modulación y demodulación SEFDM requiere del uso de un banco de generadores

de formas de onda analógicas tanto en el transmisor como en el receptor.

• La detección de señal en SEFDM se basa en máxima probabilidad (ML) con

complejidad de algoritmo exponencial sobre la constelación de cardinalidad N y N

subportadoras.

• Dificultades en la estimación del canal debido a la no ortogonalidad de los símbolos

El problema se basa en definir métodos y algoritmos de detección eficientes para señales de

sub-portadoras no ortogonales codificadas y no codificadas para lograr una óptima detección

en SEFDM que permita recobrar las señales corruptas debido a la interferencia entre

portadoras (ICI) donde el mayor inconveniente radica en el incremento exponencial de la

complejidad de detección que implica una ampliación del tamaño del sistema y el nivel de

modulación. Algoritmos de detección prácticos tanto para sistemas SEFDM codificados

como no codificados. En el caso de sistemas no codificados se ha utilizado una arquitectura

multi banda denominada multiplexado por división de frecuencia por bloque espectralmente

eficiente (B-SEFDM) el cual subdivide el espectro de la señal en varios bloques, permitiendo

que cada bloque sea detectado separadamente [35]. En caso codificado una de las soluciones

es la de utilizar una codificación convolucional con un receptor apropiado que comprende

una demodulación y detección basada en FFT a través de un decodificador BCJR. El esquema

en bloques de una implementación SEFDM es el que se muestra en la Figura 30:


Figura 30: Implementación de un transceptor SEFDM [35].

2.2 Métodos de acceso propuestos

2.2.1 OFDMA (Acceso Múltiple por División de frecuencia ortogonal)

Los sistemas OFDMA son aquellos sistemas que admiten acceso de múltiple usuarios,

permitiendo a que las señales de múltiples usuarios puedan separarse en dominio de tiempo

y/o de frecuencia. Sin embargo, los estándares actuales y en evolución para los sistemas

inalámbricos de banda ancha han adoptado y están considerando OFDMA como tecnología

de acceso múltiple para interfaz aérea. OFDMA es una tecnología de acceso superior para

redes de datos inalámbricas de banda ancha en comparación con las tecnologías de acceso

tradicionales.

El acceso múltiple OFDMA se consigue repartiendo entre los diferentes usuarios el conjunto

de subportadoras que se transmiten en un radiocanal, de manera que cada usuario

transmite/recibe solamente ciertos grupos de subportadoras de entre el total de radiocanal.

Por lo que OFDM divide el ancho de banda total en subcanales de banda estrecha

espectralmente superpuestos. En el sistema OFDMA las subportadoras son asignadas

utilizando el mapa de asignación definido por el esquema de asignación de subportadoras,

antes de la modulación. Los datos del usuario k-ésimo pueden recibirse por el conocimiento

del mapeo de subportadoras. Este sistema permite una gran flexibilidad de asignación de

recursos (grupos de subportadoras durante determinados intervalos de tiempo) para adaptarse

a las necesidades concretas de transmisión que tiene cada usuario de la red [36].

La asignación de subportadoras puede ser estática o dinámica según el tráfico actual, el canal

y la velocidad de datos del usuario. En OFDMA, la estación base asigna a cada usuario una


fracción de subportadoras, preferiblemente en un rango donde tienen un canal con

transmisión de buena calidad.

OFDMA logra multiplexación de frecuencia ortogonal utilizando la Transformada de Fourier

Discreta Inversa (IDFT) implementada utilizando la transformada rápida de Fourier inversa

(IFFT). Las subportadoras asignadas tienen lóbulos laterales superpuestos, pero las formas

de onda de la señal están diseñadas para ser ortogonales. La duración del símbolo OFDM

debe ser menor que el tiempo de coherencia del canal, y el espaciado de la subportadora debe

ser menor que el ancho de banda de coherencia del canal. Por lo que, OFDMA es más sensible

al desplazamiento de frecuencia y al ruido de fase en comparación con otras técnicas. La

sincronización de frecuencia es crítica para reducir la interferencia entre portadoras. Por

tanto, el problema es aún más significativo a alta velocidad móvil debido al efecto Doppler.

En la figura 31, se muestra el diagrama en bloque integral para el sistema OFDMA:

Figura 31: Diagrama en bloque del sistema OFDMA

2.2.2 NOMA (Acceso Múltiple No Ortogonal)

En los últimos años, los NOMA han recibido una atención significativa para las redes

celulares 5G. La razón principal para adoptar NOMA en 5G se debe a su capacidad de servir

a múltiples usuarios utilizando los mismos recursos de tiempo y frecuencia. Sin embargo, al

considerar el acceso de radio para los próximos años, las mejoras para lograr ganancias en

capacidad y razón de transferencia de datos exitosa es un requisito de alta prioridad teniendo


en cuenta el crecimiento exponencial en el volumen de tráfico en las redes móviles. Con el

objetivo de continuar asegurando la sostenibilidad de las tecnologías de acceso de radio 3GPP

en las siguientes décadas, nuevas soluciones deben ser identificadas y previstas para

responder a los cambios futuros. Por lo tanto, se propone como candidato el esquema de

acceso múltiple no ortogonal (NOMA) usando SCMA (Sparse Code Multiple Access),

MUSA (Multi User Shared Access), PDMA (Pattern Division Multiple Access) e IDMA

(Interleave Division Multiple Acces), ya que permite satisfacer les requisitos mencionados

anteriormente.

2.2.2.1 SCMA (Sparse Code Multiple access)

SCMA se basa en superposición en el dominio del código. Esta tecnología selecciona los

códigos óptimos mediante conjugación, substitución y rotación de fase; y así a cada usuario

se le asigna un libro código que utiliza para transmitir. El receptor utiliza el algoritmo MPA

para decodificar los datos. Como resultado se puede dar acceso a muchos más usuarios

simultáneamente utilizando un espectro similar.

SCMA tiene como idea principal, la multiplexación en el dominio de la potencia y, además,

combinado con multiplexación en el dominio del código, basado en palabras de código

multidimensionales de baja dispersión. Por lo que, en esta tecnología, con los bits

procedentes del codificador de canal (FEC) del transmisor, se efectúa un procesado conjunto

de expansión-modulación que transforma bloques de aquellos bits en palabras de código

(codewords) extraídas de un repertorio de códigos denominado libro de código (codebook),

cuyos elementos son símbolos de una constelación multidimensional (ver figura 32).

Además, estas palabras de código consiguen una ganancia en la modulación que provoca una

mejora en la velocidad media y el pico [33]. La flexibilidad de SCMA posibilita su uso en

las células macro, para aumentar su rendimiento en cuanto a capacidad de tráfico, así como

para mejorar el acceso aleatorio por parte de los usuarios.


Figura 32: Diagrama de bloque. Como se ve la señal SCMA a la salida del procesador, se

lleva un modulador OFDM convencional [33].

2.2.2.2 MUSA (Multi User Shared Access)

MUSA es un esquema de acceso compartido no ortogonal basado en la multiplexación en el

dominio del código, que puede ser considerado como una mejora de CDMA. Recientes

estudios de la compañía ZTE demuestran que han aumentado más de tres veces la capacidad

de acceso a las redes móviles utilizando MUSA. Además, MUSA puede conseguir una

mejora considerable en la carga de las redes.

MUSA utiliza secuencias de expansión complejas no ortogonales para la modulación en el

lado del transmisor. Para eliminar la interferencia en el lado del receptor se utiliza

cancelación sucesiva de interferencias y así poder obtener los datos de usuario transmitidos

separando los símbolos, enviados en el mismo recurso, de acuerdo a la diferencia de SINR

(ver figura 33). Utilizando este proceso se consigue que distintos usuarios puedan transmitir

al mismo tiempo y en la misma frecuencia, con lo que se consigue una gran mejora de la

capacidad global del sistema.

Figura 33: Sistema de cancelación de interferencia [33].


2.2.2.3 PDMA (Pattern Division Multiple Access)

PDMA es una técnica de acceso no ortogonal que consiste en un esquema relativamente

nuevo que puede realizarse en distintos dominios. En el transmisor utiliza patrones no

ortogonales diseñados para maximizar la diversidad y reducir la superposición de usuarios.

Es posible realizar la multiplexación en el dominio del código, de la potencia, espacial o

realizando combinaciones entre estos dominios [37]. En función del dominio escogido

existen consideraciones diferentes que tener en cuenta:

• Multiplexación en el dominio del código: El esquema es muy parecido a SCMA,

aunque el número de subportadoras conectadas a los mismos símbolos en el gráfico

de factores puede ser diferente, en el receptor, así como en SCMA se utiliza MPA

para llevar a cabo la cancelación de interferencias y así conseguir la detección

multiusuario.

• Multiplexación en el dominio de la potencia: Asignación de potencia a los usuarios

teniendo en cuenta la restricción de potencia del sistema, en el receptor se puede

utilizar SIC teniendo en cuenta la diferencia de SINR entre los usuarios

multiplexados.

• Multiplexación en el dominio espacial: Combinable con la técnica de multi-antena.

Esta configuración tiene de ventaja respecto a MIMO multiusuario que no requiere

pre-codificación conjunta para conseguir la ortogonalidad espacial, reduciendo de

este modo la complejidad del sistema.

La multiplexación en estos dominios se puede combinar para hacer un mejor uso de los

recursos de radio disponibles.

En PDMA, los usuarios detectan la señal con alto nivel de la señal, sustraendo su forma de

onda. También, se puede mejorar la eficiencia espectral con el factor entre 1 y 2 (ver figura

34).


Figura 34: Técnica de resta de las señales en PDMA [37].

2.2.2.4 IDMA (Interleave-Division Multiple-Access)

El esquema IDMA se basa en el intercalado, lo que significa distinguir la señal de diferentes

usuarios. En este mecanismo de intercalación, los datos de entrada se reorganizan de tal

manera que los bits de datos consecutivos se dividen entre diferentes bloques y se

intercambian en un patrón conocido entre ellos. Esta técnica explora la posibilidad de

compartir códigos de tiempo, frecuencia y propagación de todos los usuarios, y utilizar los

intercaladores para distinguir sus señales [37] [38].

En el extremo del receptor, los datos intercalados se organizan de nuevo en la secuencia

original con la ayuda del desentrelazador. La figura 35.a muestra el mecanismo de proceso

de intercalación que usa IDMA.

Figura 35.a: Mecanismo de proceso de intercalación [37]

En seguido, se muestra en la figura 35.b la estructura del transmisor y receptor IDMA:


Figura 35.b: Transmisor y Receptor IDMA [38].

La técnica IDMA ha estado limitado debido a los requisitos de recursos de ancho de banda,

de memoria y a la complejidad computacional. Por eso se han desarrollado diferentes diseños

de intercaladores con el objetivo de reducir el ancho de banda, los recursos de memoria y la

complejidad computacional, como el RI (Random Interleaver), MRI (Master Random

Interleaver) y TBI (Tree Based Interleaver)

2.2.2.4.1 RI (Random Interleaver)

“Los intercaladores aleatorios son aquellos intercaladores que juegan el papel de mezclar los

datos de diferentes usuarios con diferentes patrones” [39]. Los patrones de aleatorización de

los datos de los usuarios se generan arbitrariamente como se puede apreciar en la figura 36:

Figura 36: Sistema IDMA basado en RI [38].

2.2.2.4.2 MRI (Master Random Interleaver)

“En Master Random Interleaver o método de entrelazado de potencia, se asigna un patrón

maestro de entrelazador F. Se afirma que se toma un entrelazador maestro y que los siguientes

entrelazadores k (es un entero) se generan utilizando πk = Фk” [39].

Ф1 (c) = Ф (c),

Ф2 (c) = Ф (Ф (c)),


Ф3 (c) = Ф (Ф (Ф (c)))

Donde Ф es una permutación aleatoria ideal.

Este método no solo reduce la cantidad de intercambio de información entre estaciones BS y

móviles (MS), sino que también reduce en gran medida el costo de la memoria.

2.2.2.4.3 TBI (Tree Based Interleaver)

“El mecanismo de generación de intercalador específico del usuario basado en árbol se basa

en dos intercaladores maestros, que se seleccionan aleatoriamente. Esto minimiza la

complejidad computacional y los requisitos de memoria que se producen en el intercalador

de potencia y el intercalador aleatorio, respectivamente” [40]. A continuación, se muestra en

la figura 37 el mecanismo de intercalación basado en árbol.

Figura 37: Asignación de máscara de intercalación para el esquema de intercalación basado

en árbol propuesto [40].


“El esquema de entrelazado basado en árbol es extremadamente eficiente para la reducción

de la complejidad computacional en comparación con el esquema de entrelazado aleatorio

maestro como se muestra en la figura siguiente. El algoritmo para TBI se basa en la selección

de la combinación de dos entrelazadores maestros. El número impar de usuarios se toma al

revés, mientras que el número par de usuarios se toma a la baja. De esta manera, se puede

asignar un gran número de usuarios con intercaladores específicos del usuario con una

complejidad extremadamente menor” [39]. El requisito de memoria de TBI es

extremadamente bajo en comparación con el del entrelazador aleatorio, mientras que es

ligeramente alto si se compara con el entrelazador al azar maestro, como se muestra en la

figura 38.

Figura 38: Gráfico que muestra la complejidad computacional entre el entrelazador aleatorio,

el entrelazador aleatorio maestro y el entrelazador basado en árbol [38].


2.3 Tecnologías y estrategias de acceso

2.3.1 MIMO Masivo 3D

MIMO masivo ha sido propuesto por su potencial tanto en el incremento de la eficiencia

espectral como en el ahorro de energía, lo que lo convierte en un fuerte candidato para las

comunicaciones inalámbricas de la 5G. Sin embargo, el despliegue de un gran número de

antenas ya sea en el transmisor como el receptor constituye un gran desafío. Además, la

contaminación del piloto está calificada como el límite fundamental para los sistemas MIMO

masivos.

Bajo estas circunstancias, MIMO tridimensional (3D) MIMO es una tecnología emergente

para eliminar la contaminación del piloto y mejorar el rendimiento con relación a las

implementaciones limitadas por interferencia tradicionales.

3D MIMO es un método efectivo de aprovechar el MIMO masivo sin la aplicación de un

gran número de antenas. La dimensión vertical será utilizada en el modelamiento de la antena

y la inclinación de las antenas se convertirá en un parámetro del canal significante.

Usualmente, la mayoría de las investigaciones en los sistemas MIMO han estado basadas en

el tradicional canal de MIMO de dos dimensiones (2D), el que solo involucra la dimensión

horizontal mientras que ignora el efecto del ángulo de inclinación en la dimensión vertical.

Sin embargo, este ángulo tiene un gran impacto en el comportamiento de los sistemas de

comunicación cooperativos. Para este caso, 3D MIMO es una tecnología prometedora que

mejora el desempeño a usuarios en el borde de la celda y el grado de equidad entre estos

usuarios y los del centro de la celda. La idea básica de 3D MIMO es la de servir a los usuarios

cercanos a la estación base mediante ángulos de elevación grandes y servir a los usuarios en

los límites de la celda con pequeños ángulos de elevación. Sin embargo, su desventaja radica

en la agravación de la interferencia entre celdas producto de los usuarios que están cerca de

los límites de la celda. Esto se resuelve mediante técnicas cooperativas tales como

cooperación entre estaciones bases, repetidores y conferencias entre terminales las que se

consideran efectivas para salvar la interferencia entre celdas [41].

La capacidad de inclinación del ángulo de transmisión del haz en todo el espacio

tridimensional va a incrementar el desempeño total del sistema y la gestión de la


interferencia, especialmente en escenarios donde los usuarios móviles están distribuidos en

un espacio tridimensional con elevaciones significantes, lo que se hace aún más importante

con la prevalencia de las pequeñas celdas donde la escala horizontal es comparable con la

vertical.

Utilizando tanto las dimensiones verticales como horizontales, 3D MIMO es particularmente

apropiada para escenarios con distribución vertical de la localización de los usuarios, como

son las áreas urbanas de gran densidad, tanto residenciales como de negocios, con muchas

edificaciones de gran altura. Además, los usuarios en los interiores de estas áreas están

localizados en diferentes pisos de los edificios por lo que la distribución vertical de los

usuarios es evidente.

Otro escenario adecuado para esta tecnología lo constituyen las áreas densamente pobladas,

donde los usuarios están localizados muy cerca unos de los otros y están conectados a una

estación base en un área limitada. Ejemplo de ello son: estaciones de transporte, mercados,

aeropuertos y estadios, donde se genera una gran cantidad de tráfico simultáneamente y la

tasa de datos de cada usuario se degrada. Aquí es donde esta tecnología 3D resulta una buena

solución. En el caso de los escenarios rurales el beneficio radica en la expansión del rango

de la celda. La Figura 39 muestra los casos de formación de haz para 2D y 3D [41].

Figura 39: Comparación entre MIMO 2D y 3D [41].

2.3.2 Densificación de las redes celulares existentes

El celular 5G será una red heterogénea de múltiples niveles que consta de macro células junto

con un gran número de nodos de baja potencia como (células pequeñas, relés, cabeceras de

radio remotos [RRH]) junto con el aprovisionamiento para la comunicación P2P (como D2D


y M2M) [42]. Las implementaciones de nodos heterogéneos en sistemas 5G tendrán una

densidad mucho mayor que las redes convencionales de un solo nivel (por ejemplo, macro

celdas). La heterogeneidad de las diferentes clases de BS (por ejemplo, macro celdas y celdas

pequeñas) proporciona un área de cobertura flexible y mejora la eficiencia espectral. Al

reducir el tamaño de la celda, la eficiencia espectral del área aumenta a través de una mayor

reutilización del espectro. Además, la cobertura puede mejorarse mediante el despliegue de

celdas pequeñas en interiores (como en casas, edificios de oficinas, vehículos públicos, etc.).

La comunicación inalámbrica P2P (por ejemplo, la comunicación D2D / M2M entre los UE

y los sensores / actuadores autónomos) que subyacen a la arquitectura celular puede aumentar

significativamente el espectro global y la eficiencia energética de la red [43]. Además, las

comunicaciones P2P controladas por la red en sistemas 5G permitirán que otros nodos (como

el relevo o la puerta de enlace M2M), en lugar de la macro celda BS, controlen las

comunicaciones entre los nodos P2P. Dado que las interferencias entre niveles están bien

administradas, la adopción de múltiples niveles en la arquitectura de la red celular

proporcionará un mejor rendimiento en términos de cobertura, capacidad, eficiencia espectral

y consumo de energía.

La red heterogénea consiste en colocar una gran cantidad de micro celdas, pico celdas, femto

celdas y otros puntos de acceso en la red macro celular, en esta condición; puede cumplir los

requisitos de crecimiento de la capacidad de datos. En la redes heterogénea ultra densa, la

densificación de la red hace que el nodo de red se acerque más al terminal, lo que mejora la

eficiencia energética, la eficiencia espectral y la capacidad del sistema, así como a las

empresas entre una variedad de tecnologías de acceso y diversos niveles de cobertura que

comparten la flexibilidad. Mientras que las redes heterogéneas ultra densas muestran un

futuro brillante, debido a la reducida distancia entre los nodos, esto causará algunos

problemas que son diferentes del sistema existente. En la red 5G, puede haber interferencia

de canal compartido entre el mismo tipo de implementaciones de tecnología de acceso de

radio, la interferencia de espectro compartido entre diferentes tecnologías de acceso

inalámbrico, interferencia entre los diferentes niveles de cobertura. Para lograr nodos de

colaboración a gran escala, se necesita un gran número de nodos vecinos; ya que más límites

celulares, más irregulares, conducen a un traspaso más frecuente y complejo; Es difícil

garantizar el rendimiento de la movilidad. Por lo tanto, la necesidad de escenarios de red ultra


densa es desarrollar un nuevo algoritmo de transferencia; [43] para maximizar la velocidad

de la red, el uso de las características de pérdida de la trayectoria de propagación de las ondas

de radio, las redes heterogéneas propuestas y el método de cancelación de interferencia

proactiva de la magnitud del espacio compartido de múltiples usuarios; basado en el método

propuesto de colaboración de transmisión multipunto 3D (transmisión / recepción coordinada

de múltiples puntos, CoMP), para resolver el problema de la interferencia de Inter celda, [42]

mejorar el rendimiento del borde de la celda del UE (equipo del usuario), sin ninguna

sobrecarga de señalización, pero la nueva antena debe configurarse en una estación base; El

método descrito anteriormente es el uso de la cooperación de dos celdas para resolver los

problemas de interferencia. Pero las futuras redes 5G y las múltiples redes coexisten, puede

haber colaboración multi-celda. Además, con recursos de espectro cada vez más escasos, es

posible que no tenga suficiente banda para ser asignada, por lo que el método de cancelación

de interferencia propuesto en el futuro debería ser posible para mejorar la eficiencia de los

recursos. Mejorar la capacidad mediante un despliegue heterogéneo ultra denso es la forma

más intuitiva, y también las organizaciones de investigación nacionales y extranjeras se

centran en los objetos. En lo que a nosotros respecta, cientos de miles de millones de

dispositivos para conectarse a una red crean un verdadero "Internet de todo". Esto dará lugar

a industrias emergentes de escala sin precedentes e infundirá una vitalidad infinita a las

comunicaciones móviles. Mientras tanto, la enorme cantidad de dispositivos interconectados

también planteará nuevos desafíos para las comunicaciones móviles.

2.3.3 Comunicaciones D2D (Device to Device)

D2D se refiere a la comunicación entre dispositivos, que pueden ser teléfonos celulares y

vehículos u otros. Esta tecnología abre una nueva comunicación centrada en dispositivos y

que en ocasiones no requiere de la comunicación directa con la infraestructura de red, por lo

que se espera que resuelva parte de los problemas de capacidad de la red en 5G [44].

D2D se considera una tecnología prometedora para 5G ya que puede ser integrada dentro de

la red celular como una parte suplementaria del sistema. En dependencia del uso de las

frecuencias, D2D se divide en dos tipos: D2D con frecuencias cocanales y D2D basada en

frecuencias dedicadas. En el primero, se trabaja en las mismas frecuencias que se utilizan

entre el móvil y la estación base y tiene la ventaja de la reutilización. Pero, por otro lado, se


produce una seria interferencia en el sistema que es muy difícil de controlar sobre todo

cuando se tiene en cuenta la movilidad de los dispositivos. Además, la mayoría de las

aplicaciones y servicios de D2D necesitan grandes bandas para soportar las altas tasas de

datos y tienen que compartir el ancho de banda disponible entre móviles y estaciones base.

En el caso de frecuencias dedicadas estas son específicas y diferentes de las utilizadas entre

el móvil y la estación base lo que causa menos interferencia en el sistema, pero se necesita

un ancho de banda superior para frecuencias más altas. Ya que D2D en un sistema celular

esta siempre controlado o asistido por la red, y se necesitan dos conexiones simultáneas en

el móvil. Una de ellas es para la conexión del servicio D2D y la otra es para la celda. En

condiciones normales, la red controla el uso de recursos de radio de los enlaces directos para

minimizar la interferencia resultante. Sin embargo, La implantación de la tecnología en los

sistemas 5G tendrán como objetivos, aumentar la cobertura, descargar backhaul,

proporcionar conectividad alternativa y aumentar la utilización del espectro y la capacidad

por área [45].

2.3.4 Virtualización

“El último, pero no menos importante, habilitador de 5G es la virtualización de la RAN, que

permite compartir la infraestructura inalámbrica entre múltiples operadores. La virtualización

de la red debe enviarse desde la red central cableada (por ejemplo, conmutadores y

enrutadores) hacia la RAN. Para la virtualización de la red, la inteligencia debe sacarse del

hardware RAN y controlarse de manera centralizada mediante un cerebro de software, que

se puede realizar en diferentes capas de red. La virtualización de la red puede aportar

innumerables ventajas al dominio inalámbrico, incluidos los ahorros de Capex (gastos de

capital) y Opex a través de la red de varios inquilinos y el uso compartido de equipos, la

mejora de EE, la ampliación o reducción de la demanda de los recursos requeridos y el

aumento de la red. Agilidad mediante la reducción del tiempo hasta el mercado para servicios

innovadores (de 90 horas a 90 minutos), así como un fácil mantenimiento y una rápida

resolución de problemas a través de una mayor transparencia de la red. La virtualización

también puede servir para converger las redes cableadas e inalámbricas mediante la

administración conjunta de toda la red desde una unidad central de orquestación, lo que

mejora aún más la eficiencia de la red. Finalmente, se pueden adoptar RAN multi-modo que


admiten 3G, 4G o WiFi donde diferentes interfaces de radio se pueden activar o desactivar a

través de la unidad de control central del software para mejorar la EE o la Calidad de

Experiencia (QoE) para los usuarios finales” [16].

Sin embargo, en la actualidad la virtualización de redes se convierte en una de las principales

tendencias en los sistemas 5G. En conjunto con la arquitectura C-RAN y sus variantes, la

virtualización de las redes inalámbricas facilita compartir los recursos entre muchos

operadores, como son: infraestructura de red, backhaul, espectro, redes de acceso, etc. El

mecanismo de virtualización hace una abstracción de los recursos físicos hacia un numero de

recursos virtuales, que son compartidos por diferentes consumidores, como son los

proveedores de servicios [46].

Para poder controlar el espectro en las redes de 5G, los operadores de red tendrán que

virtualizar su infraestructura. A medida que los RAN Centralizadas se convierten en Cloud

RAN, los operadores podrán gestionar la infraestructura en la nube desde cualquier

ubicación. Una vez centralizadas las Unidades de Banda Base (BBU), gran parte del

procesamiento rutinario puede recaer en servidores comerciales, lo cual significa que las

BBU pueden ser rediseñadas y reducidas para concentrarse en procesamientos específicos

más complejos [47] [48].

2.3.5 Comunicación en Bandas Milimétricas

En los sistemas que se basa fundamentalmente en las comunicaciones en bandas de ondas

milimétricas (mmWave), Se podrán usar las frecuencias de estas ondas para aumentar las

bandas de espectro de radio de 700 MHz a 2,6 GHz actualmente saturadas para las

comunicaciones inalámbricas [49]. Sin embargo, se fortalece la viabilidad de las

comunicaciones inalámbricas de mmWave por medio de la combinación de la tecnología

CMOS rentable, ya que opera en las bandas de frecuencia de mmWave, y las antenas

orientables de alta ganancia en la estación móvil y base. Además, las frecuencias portadoras

de mmWave permiten mayores asignaciones de ancho de banda, lo que se traduce

directamente en mayores tasas de transferencia de datos [50]. El espectro de mmWave

permitiría a los proveedores de servicios expandir significativamente los anchos de banda del

canal mucho más allá de los canales actuales de 20 MHz utilizados por los clientes 4G. Al

aumentar el ancho de banda del canal de RF para los canales de radio móviles, la capacidad


de datos aumenta considerablemente, mientras que la latencia del tráfico digital se reduce

considerablemente, lo que permite un acceso mucho mejor basado en Internet y aplicaciones

que requieren una latencia mínima. Las frecuencias de mmWave, debido a la longitud de

onda mucho más pequeña, pueden explotar la polarización y las nuevas técnicas de

procesamiento espacial, como MIMO masivo y formación de haz adaptativa. Dado este salto

significativo en el ancho de banda y las nuevas capacidades que ofrecen mmWave, los

enlaces de estación base a dispositivo, así como los enlaces de backhaul entre estaciones

base, podrán manejar una capacidad mucho mayor que las redes 4G actuales en áreas

altamente pobladas. Además, a medida que los operadores continúan reduciendo las áreas de

cobertura celular para explotar la reutilización espacial e implementando nuevas

arquitecturas cooperativas como MIMO cooperativo, relevo y mitigación de interferencias

entre estaciones base, el costo por estación base disminuirá a medida que se vuelvan más

abundantes y más densamente distribuidos en áreas urbanas, lo que hace que el backhaul

inalámbrico sea esencial para la flexibilidad, el despliegue rápido y la reducción de los costos

operativos actuales. Finalmente, a diferencia del espectro inconexo empleado por muchos

operadores celulares en la actualidad, donde las distancias de cobertura de los sitios celulares

varían ampliamente en tres octavas de frecuencia entre 700 MHz y 2.6 GHz, el espectro de

mmWave tendrá asignaciones espectrales que son relativamente mucho más cercanas juntos,

lo que hacen que las características de propagación de las diferentes bandas mmWave sean

mucho más comparables y "homogéneas" [49]. Las bandas de 28 GHz y 38 GHz están

actualmente disponibles con asignaciones de espectro de más de 1 GHz de ancho de banda.

Originalmente destinados al uso del Servicio de distribución multipunto local (LMDS, por

sus siglas en inglés) a fines de la década de 1990, estos licenciatarios se podrían usar tanto

para celulares como para backhaul [49].

2.3.6 Transmisión y Recepción Simultánea (Full Duplex Communication)

Esta tecnología, abreviada FD, brinda un esquema de comunicación donde el transceptor es

capaz de transmitir y recibir a la misma frecuencia y al mismo tiempo. Generalmente se ha

asumido que un nodo inalámbrico no puede decodificar una señal recibida mientras está

transmitiendo simultáneamente en misma banda de frecuencia debido a la interferencia

interna entre los circuitos del transmisor y el receptor y que se denomina: auto-interferencia.


Con los recientes avances de las tecnologías de antena y banda base digital conjuntamente

con las técnicas de cancelación de interferencias en RF, es posible construir radios FD. Este

tipo de comunicación tiene el potencial de duplicar la eficiencia espectral en la capa física

mediante la remoción de bandas de frecuencias e intervalos de tiempo separados para los

enlaces de subida y bajada [51]. En la actualidad, se ha demostrado que los sistemas FD son

factibles y pueden brindar razones de datos significativamente superiores que los sistemas

convencionales. Debido a la posibilidad de poder recibir simultáneamente

retroalimentaciones de señales, como pueden ser las de información del estado del canal y el

control de señalización ARQ/ACK, entre otras, es posible reducir la latencia durante la

transmisión y otros parámetros [46].

2.3.7 Tecnologías de repetidores

En las comunicaciones 5G, la eficiencia energética se ha convertido en una cuestión de

importancia primordial para las redes inalámbricas. Se han realizado muchas investigaciones

en el pasado para reducir el consumo de energía. La asignación de recursos, el despliegue

heterogéneo de la red, la optimización del esquema de transmisión y el desarrollo de

algoritmos de eficiencia energética se han convertido en el foco de la investigación. El

despliegue de Small Cell es una estrategia ampliamente aceptada en la industria para lograr

varios indicadores de rendimiento y eficiencia para el futuro sistema 5G. Sin embargo, el

despliegue de estaciones base de celda pequeña generalmente tiene problemas de

mantenimiento y recursos de sitio insuficientes [52]. Es por eso que se propone un método

para utilizar el reflector de RF, que refleja solo la onda existente, sin consumo de energía

adicional, reduciendo la ocupación de la tierra, ahorrando recursos de mantenimiento y

teniendo un mayor valor de utilización comercial.

Para discutir experimentalmente la capacidad de información de MIMO en un entorno de

múltiples rutas, un RP incluye un combinador de potencia, una antena Yagi-Uda plana y una

matriz de antena de parche plegado (FPA) de cuatro elementos. Para este caso se puede

implementar el rendimiento de la dispersión de ángulo amplio y la transición de polarización.

Al mismo tiempo, la potencia recibida y la capacidad del canal del sistema obtienen un logro

de que las PR de cuatro unidades pueden mejorar el canal de propagación en el sistema de

acceso inalámbrico.


Los elementos del PR se pueden controlar de modo que se pueda obtener una capacidad de

canal MIMO maximizada. Por tanto, El uso del reflector en el sistema MIMO ha abierto una

nueva línea de pensamiento de que el canal de propagación se puede cambiar

intencionalmente, por ejemplo, objetos en movimiento. Para lograr una mayor ganancia de

rendimiento e impulsar una mayor eficiencia operativa del sistema, se requiere un método

más activo.

“Las comunicaciones de mmWave (onda milimétrica) utilizan la banda de frecuencia de 30–

300 GHz con recursos de amplio espectro para transmisiones multi-gigabit, que es una de las

tecnologías más prometedoras para 5G. Al utilizar una matriz de antenas altamente orientada,

la banda de ondas milimétricas se puede asignar a las comunicaciones celulares (ver figura

40). Las frecuencias más altas conducen a un mayor ancho de banda. Las técnicas avanzadas

de formación de haz de RF que utilizan antenas avanzadas de alta ganancia en frecuencias de

ondas milimétricas y la tecnología de formación de haz digital MIMO apoyan el desarrollo

de reflectores de RF. Por lo tanto, El uso de repetidores RF pasivos para el sistema 5G, en

este caso, se basa en la banda de ondas milimétricas” [52].

2.3.7.1 Principio del repetidor pasivo

La figura 40 muestra el repetidor pasivo propuesto. En este esquema, hay antenas N y M en

el transmisor T y el receptor R, respectivamente. Suponga que la señal en el camino directo

desde el transmisor al receptor es débil [52]. El PR P se localiza entre las antenas L. Las

matrices de canal de T a P y de P a R se indican por HPT y HRP, respectivamente.

El cambio de fase en el repetidor pasivo está dado por:

El canal de T a R se denota por

Donde describe el número de los cambios de fase en las antenas L


Figura 40: El procedimiento de transmisión del canal con repetidor pasivo [52].

Como se mencionó anteriormente, el esquema de repetidor pasivo sintonizable propuesto es

bastante factible. Cuando el número de antenas disponibles es suficiente, el valor del cambio

de fase puede ser discreto y binario, por ejemplo, [0, 180] grados. En realidad, algunos

patrones de cambio de fase se asignan aleatoriamente a Rx, lo que puede observar el

rendimiento del sistema. Y Rx proporciona lo mejor de todos esos patrones al repetidor.

Incluso si se aplican los desplazadores de fase binarios, existe un múltiplo de patrones de

fase (2L). Algunos patrones no tienen ocasión de probarse, ya que se permite uno bastante

bueno y no tiene que ser el mejor. Con la eficiencia computacional, el algoritmo genético

(AG) es tan popular debido a la solución subóptima fácilmente disponible. Por lo tanto, AG

puede garantizar la capacidad y el rendimiento máximos del canal al decidir qué patrón de

fase se elige [52].

2.3.8 Backhaul Autónomo 5G

Las redes de backhaul conectan la red de radio (RAN) a la red central. La capacidad ultra

alta, las velocidades rápidas y los requisitos de baja latencia de 5G requieren una red de

backhaul capaz de satisfacer estas altas demandas. Por eso se ha considerado la fibra como

el tipo de backhaul más adecuado por los operadores móviles debido a su longevidad, alta

capacidad, alta confiabilidad y capacidad para soportar tráfico de muy alta capacidad. Sin

embargo, la cobertura de la red de fibra no es ubicua en todas las ciudades donde se espera

que se lance 5G inicialmente, y mucho menos en áreas suburbanas y rurales. La construcción

de nuevas redes de fibra en estas áreas a menudo puede ser prohibitiva en términos de costo

para los operadores. En este caso, se debe considerar una cartera de tecnologías de backhaul


inalámbricas además de la fibra, incluyendo microondas de punto a multipunto (PMP) y onda

milimétrica (mmWave). El PMP es capaz de obtener un rendimiento descendente de 1 Gbit/s

y una latencia inferior a 1 ms por salto en una distancia de 2 a 4 km. mmWave tiene una

latencia significativamente menor y es capaz de velocidades de rendimiento más altas [53].

2.3.9 Pequeñas Celdas y Redes Heterogéneas Ultra densas

2.3.9.1 Redes Heterogéneas Ultra densas

Para superar el problema en área densamente poblada, se sugiere una red ultra densa. La red

ultra densa mantiene una conectividad constante, velocidad de datos en un área altamente

poblada [46]. Será una de las tecnologías clave que desempeñará un papel muy importante

en la red de la próxima generación, ya que el tráfico de datos se incrementará a una velocidad

enorme. Esta red se puede lograr mediante el despliegue de una célula pico, una célula

paraguas, Adición de pequeñas celdas, [42] densificación de la red macro, Mejora de las

macro celdas existentes, etc.

“Las redes heterogéneas constituyen un medio atractivo para expandir la capacidad. En

general, están compuestas por múltiples tecnologías de acceso, arquitecturas, soluciones de

transmisión y diferentes estaciones base con potencia de transmisión variables” [43]. En la

figura 41 se pueden ver varios entornos de estas redes.

Figura 41: Distintos escenarios para redes heterogéneas [43].


2.3.9.2 Pequeñas Celdas

Las pequeñas celdas son una reciente solución a las demandas de tráfico estandarizadas por

3GPP y son las que resuelven la demanda de tráfico en las redes heterogéneas. Se pueden

clasificar de acuerdo con la tabla que se muestra a continuación:

Tabla 1: Clasificación de las pequeñas celdas [43]:

Las pequeñas celdas son dispositivos menos susceptibles a la interferencia que las celdas

macro ya que estos dispositivos están situadas a poca distancia del suelo y por conveniente

esto se traduce en más capacidad y con señales de alta calidad; lo que da lugar a un mejor

desempeño, ya que permite que el sistema utilice un esquema de transmisión con mayor

eficiencia espectral, lo que se traduce en una transmisión con mayor número de bits en un

mismo tiempo. Por este motivo, las aéreas donde los usuarios pueden transmitir y recibir con

altas razones de datos son más grandes que en la celda macro. Además, ofrecen ventajas en

cuanto a latencia y la cobertura en los bordes de la celda es mejor que en la celda macro sobre

todo en el enlace de subida y brinda una mejor penetración de la cobertura, lo que refuerza

los servicios en aéreas urbanas congestionadas [43].

2.3.10 Espectro de súper-banda ancha

Se requerirá más ancho de banda del espectro para implementar redes 5G (que 4G) para los

requisitos de alta capacidad, lo que aumenta la necesidad de espectro. En consecuencia, la

industria está realizando esfuerzos concertados para armonizar el espectro 5G. El UIT-R está

coordinando la armonización internacional de espectro adicional para el desarrollo de

sistemas móviles 5G (caso 1) [54].


Caso 1: la viabilidad técnica del IMT del UIT-R en las frecuencias superiores a 24 y hasta 86

GHz.

El UIT-R investiga la viabilidad técnica del futuro espectro 5G en las frecuencias superiores

a 24 y hasta 86 GHz, en función de las últimas (aún en curso). Estudios realizados por

numerosos integrantes del sector. Las soluciones basadas en MIMO y la formación de haces

son cada vez más factibles con frecuencias más altas. Las bandas por debajo y por encima de

6 GHz podrían utilizarse de manera complementaria para el año 2020 y más allá. Se espera

que la UIT decida sobre el espectro adicional para IMT en el rango de frecuencia entre 24

GHz y 86 GHz en la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones en 2019 (CMR-19) [56].

Nuevas bandas de espectro en estudio para la CMR-19 [55]:

Los casos de uso de 5G podrían satisfacerse mediante una variedad de frecuencias de

espectro. Por ejemplo, es probable que las aplicaciones de baja frecuencia y de corto alcance

(adecuadas para áreas urbanas densas) sean adecuadas para la frecuencia de onda mm (por

encima de 24 GHz). Es probable que las aplicaciones de largo alcance y poco ancho de banda

(más adecuadas para áreas rurales) sean adecuadas para frecuencias de menos de 1 GHz.

Mientras que las frecuencias más bajas tienen mejores características de propagación para

una mejor cobertura, las frecuencias más altas admiten anchos de banda más altos debido a

la gran disponibilidad de espectro en las bandas mmWave. Huawei, por ejemplo, ha

propuesto un enfoque de espectro de múltiples capas, que resume mejor este enfoque (ver

Caso 2) [56].

El desafío para las ANR será seleccionar bandas de espectro globalmente armonizadas para

5G. La mejor manera de lograr este objetivo será tener en cuenta las decisiones relevantes de


la CMR-19 para bandas superiores, así como las decisiones de la CMR-07 y CMR-15 para

las bandas inferiores [56].

Caso 2: Perspectiva del operador: enfoque de espectro de capas múltiples de Huawei

• Capa de cobertura: explota el espectro por debajo de 2 GHz (por ejemplo, 700 MHz) para

brindar cobertura de área amplia y profunda en interiores.

• Capa de cobertura y capacidad: se basa en el espectro en el rango de 2 a 6 GHz para ofrecer

el mejor compromiso entre capacidad y cobertura.

• Súper capa de datos: se basa en un espectro superior a 6 GHz y mmWave para abordar

casos de uso específicos que requieren tasas de datos extremadamente altas.

“La GSMA espera que el espectro de 3.3–3.8 GHz sea la base de muchos servicios 5G

iniciales, en particular para ofrecer banda ancha móvil mejorada. Esto se debe a que el rango

de 3.4-3.6 GHz está casi globalmente armonizado, y por lo tanto está bien posicionado para

impulsar las economías de escala necesarias para dispositivos de bajo costo” [55].

2.3.11 Femto Cell móvil (Celda Femto)

Una Femto Cell (Celda femto) es un punto de acceso inalámbrico que mejora la recepción

celular dentro de una casa o un edificio de oficinas; se asemeja a un enrutador inalámbrico.

Femto es una pequeña estación base de baja potencia. El rango de Femto es de entre 10 y 50

metros, por lo que se instala en casas o edificios. Además, tiene licencia cubierta para

interiores. Femto es una combinación de interfaces con tecnologías móviles existentes.

Cuando el usuario comienza a acercarse a la celda Femto, automáticamente reenviará su

tráfico de datos a través de la celda Femto en lugar de a través de la macro principal eNodeB

(ver figura 42). El dispositivo esencialmente actúa como un repetidor. La Femto Cell se

comunica con el teléfono móvil y convierte las llamadas de voz en paquetes de voz sobre IP

(VoIP). Luego, los paquetes se transmiten a través de una conexión de banda ancha a los

servidores del operador móvil. Esencialmente, la celda Femto es una potencia de celda de

salida baja que puede enrutar cualquier información a través de un camino más corto hacia

el destino. Por ejemplo, Femto cell envía las llamadas de voz de los usuarios a través de un

módem por cable o DSL ubicado en una casa o en un pequeño edificio (ver figura 42), lo que

permite ahorrar dinero en las facturas telefónicas dentro de sus casas mediante el envío de la


tecnología de voz sobre IP (VoIP). Femto Cell está destinado principalmente a aumentar el

rendimiento del usuario y es un despliegue simple; además prolongar la vida útil de la batería

del teléfono y más seguridad debido a la función de la política de acceso.

Figura 42: Proceso de funcionamiento de Femto cell para conexión a la red [42].

2.3.12 Radio cognoscitiva

“La radio cognoscitiva puede definirse como una radio inteligente, donde los transceptores

son reconfigurables y pueden adaptarse según la nueva condición de la red. En muchas partes

del mundo, la radio cognoscitiva (CR) cubre básicamente dos áreas principales de trabajo: la

radio cognoscitiva completa que se ocupa de todos los cambios de parámetros de la red,

modifica esos parámetros siempre que se requiera un cambio para optimizar la red y otra es

la detección de espectro. El espectro está subutilizado porque los investigadores han

observado que es el tiempo y la ubicación lo que es un factor importante para el porcentaje

de utilización del espectro disponible. Para la detección y asignación de espectro vacante, la

radio cognoscitiva sería la mejor opción. Este concepto es conocido como Dynamic

Spectrum Access. Después de la detección de la presencia de la banda cognoscitiva vacía, la

radio adoptará una política llamada Spectrum Pooling Policy, donde las bandas libres se

llenan inmediatamente con subbandas OFDMA” [57].

Los términos clave en la radio cognitiva son [57] [58]:

• Sensores de Espectro: el terminal cognitivo cambia de una frecuencia disponible a

la mejor banda de frecuencia disponible. La detección del espectro determina si un

usuario primario está presente en una banda. El espectro, la radio cognitiva puede

compartir el resultado de su detección con otras radios cognitivas después de la

detección. Sin embargo, el objetivo de la detección del espectro es determinar el

estado del espectro y la actividad del usuario con licencia mediante la detección


periódica de la banda de frecuencia objetiva. En particular, un transceptor de radio

cognitivo detecta un espectro que no se utiliza o un agujero de espectro (es decir,

banda, ubicación y tiempo) y también determina el método de acceso a él (es decir,

la potencia de transmisión y la duración del acceso) sin interferir en la transmisión de

un usuario con licencia. La detección de espectro puede ser centralizada o distribuida.

En la detección de espectro centralizada, un controlador de detección (por ejemplo,

un punto de acceso o una estación base) detecta la banda de frecuencia objetiva, y la

información obtenida se comparte con otros nodos del sistema. Por ejemplo, el

controlador de detección puede ser incapaz de detectar a un usuario sin licencia en el

borde de la celda. En la distribución distribuida del espectro, los usuarios sin licencia

perciben el espectro de forma independiente, y la detección del espectro se logra

mediante radios cognitivas individuales (detección no cooperativa) o compartida con

otros usuarios (detección cooperativa). Aunque la detección cooperativa se ocupa de

una sobrecarga de comunicación y procesamiento, la precisión de la detección del

espectro es mayor que la de la detección no cooperativa. Por lo tanto, las técnicas de

detección de espectro se pueden clasificar en tres categorías: detección de

transmisores, detección cooperativa y detección basada en interferencias.

• Intercambio de Espectro: La idea principal es compartir el recurso ocupado por un

usuario con licencia, especialmente, la banda de espectro sin afectar a los usuarios

con licencia vecinos. Dado que hay varios usuarios secundarios que desean utilizar

los orificios del espectro disponibles, la radio cognitiva debe mantener el equilibrio

entre su objetivo propio de transferencia de información de manera eficiente y el

objetivo desinteresado de compartir el espectro disponible con otros usuarios

cognitivos y no cognoscitivos. Esto se hace mediante reglas de política que

determinan el comportamiento de la radio cognitiva en un entorno de radio. El método

de programación de espectro justo, el uso de espectro abierto en la distribución del

espectro es uno de los principales desafíos. En los sistemas existentes, se considera

que es similar a los problemas genéricos de control de acceso a los medios de MAC.

• Movilidad del espectro: La movilidad del espectro es una función relacionada con

la variación de la banda de frecuencia operativa de los usuarios de CR. Cuando un

usuario con licencia comienza a acceder a un canal de radio que está siendo utilizado


actualmente por un usuario sin licencia, el usuario sin licencia puede cambiar el

espectro inactivo a una banda de espectro activa. Este cambio en la banda de

frecuencia operativa se conoce como transferencia de espectro. Los parámetros de

protocolo en las diferentes capas en las pilas de protocolos deben ajustarse para que

coincidan con la nueva banda de frecuencia operativa durante la transferencia del

espectro. La transferencia de espectro debe tratar de garantizar que el usuario sin

licencia pueda continuar la transmisión de datos en la nueva banda de espectro

Al utilizar tecnologías SDR, radio adaptativa, radio inteligente y los sistemas de radio

cognitiva pueden admitir el acceso de espectro dinámico (DSA), lo que permite a los sistemas

seleccionar el espectro de frecuencia en el que operarán en una ubicación determinada y en

un período de tiempo determinado para optimizar el uso del espectro disponible y evitar la

interferencia con otras radios u otros sistemas.

2.3.13 Tecnologías de Virtualización de las funciones de red (NFV)

NFV se refiere a la implementación de funciones de red mediante software corriendo sobre

plataformas de computación y almacenamiento de propósitos generales, lo que posibilita el

despliegue de funciones de red en centros de datos para potenciar la carga de tráfico mediante

técnicas de virtualización. En comparación con las redes convencionales que implementan

funciones de red en un hardware dedicado y con aplicación específica, la motivación

principal de NFV es al de reducir la duración y ciclos de innovación dentro de las redes de

telecomunicaciones mediante actualizaciones de software en lugar de hardware.

Otro tópico importante en las redes móviles que puede ser mejorado implementando

funciones en un centro de datos es la resiliencia. Esto tiene que ver con la reasignación de

funciones entre máquinas virtuales y reales.

Además, NFV y la implementación de funciones de la red móvil en centros de datos

proporciona mayor flexibilidad en términos de gestión de recursos, asignaciones y

escalamiento. Esto tiene también un impacto en la eficiencia de energía en las redes ya que

solamente la cantidad requerida de recursos puede ser usada eliminando el exceso de

aprovisionamiento de recursos. Esta orquestación de recursos podría reutilizar algoritmos de

gestión ya desarrollados en el mundo de las TI con el objetivo de explotar recursos tan

eficientemente como fuera posible [59].


Como se mencionó, NFV ya se aplica en las redes centrales y se realizan los primeros ensayos

que demuestran que las funciones de red móvil críticas como MME, HGW / PGW o HSS se

pueden implementar en plataformas de TI estándar. Un habilitador crítico de este desarrollo

es, además de las tecnologías de virtualización, la disponibilidad de redes IP de alta velocidad

y la posibilidad de gestionarlas de manera más flexible a través de la SDN. El interés en este

último se ve confirmado por la reciente fundación de un grupo de trabajo sobre tecnología

inalámbrica y móvil dentro de Open Networking Foundation, que es la organización que ha

estandarizado Open Flow. En el caso de las RAN, el NFV puede ser más difícil de aplicar,

ya que se aplica directamente dentro de los nodos de la red como los RAP o en ubicaciones

más centralizadas, lo que requiere conexiones de alto rendimiento entre los RAP y los centros

de datos. Es posible que esas conexiones no estén disponibles en todas las ubicaciones, lo

que impone nuevos desafíos en las implementaciones de NFV en RAN y en la gestión de

redes compuestas por nodos de red heterogéneos (macro, metro y pico celdas), conectividad

de backhaul heterogénea (fibra óptica, DSL, inalámbrica), así como como ubicación

heterogénea de las funciones RAN [60].

2.3.14 Tecnología SDN (Red Definida por Software)

SDN es una arquitectura que desacopla el control de la red y la expedición de funciones

permitiendo que el control de la red se torne directamente programable y logra una

abstracción de la infraestructura subyacente para ajustar dinámicamente aplicaciones y

servicios de red. Basándose en la arquitectura SDN, la inteligencia de la red es centralizada

lógicamente en un controlador SDN basado en software que mantiene una visión global de

la red, la cual se presenta en forma de aplicaciones y motores de políticas como un

conmutador lógico simple y que le permite a los encargados de la gestión de la red configurar,

gestionar, asegurar y optimizar los recursos de red rápidamente mediante programas

automatizados dinámicos, los cuales pueden re-escribirse por sí mismos debido a la

independencia de los programas en software propietario. SDN simplifica el diseño de la red

y las operaciones debido a que las instrucciones son brindadas por controladores SDN en

lugar de múltiples dispositivos y protocolos específicos de los proveedores.


2.4 Arquitectura de Sistema y sus estrategias

Aquí, el termino arquitectura se refiere a lo especifico de las redes de acceso móviles

pertenecientes al 5G y no a la arquitectura integral y general al 5G. Por tanto, aquí se hará

referencia a las arquitecturas físicas y topologías de sistema, recomendadas para estructurar

las redes de acceso y en particular la Red de Acceso de Radio (RAN) en el sistema móvil,

y que denominaremos 5G RAN, para que responda a las exigencias técnicas del 5G. A

continuación, se presentan algunas soluciones.

2.4.1 C-RAN (Cloud Radio Access Network)

C-RAN, también referida como RAN Centralizada o en Nube, es una nueva arquitectura

celular centralizada, basada en computación de nube que posee la habilidad de soportar los

estándares de comunicación inalámbrica actuales y futuros. En la arquitectura C-RAN un

gran número de terminales de radio remotos (RRU) son desplegados adecuadamente y son

conectados a una agrupación de Unidades de banda Base (BBU pool) a través de enlaces

denominados Fronthaul. Mediante esta arquitectura los RRU son movidos más cerca de los

usuarios lo que resulta en un incremento en la capacidad del sistema y un menor consumo de

potencia, debido a que la señal no necesita propagarse a largas distancias para llegar a los

usuarios. Por otro lado, como el procesamiento de banda base está centralizado en la

agrupación de BBU, las técnicas cooperativas para mitigar las interferencias pueden ser

mejoradas. Además, la explotación de la agrupación de recursos y la ganancia proporcionada

por la utilización del multiplexado estadístico, hace a la C-RAN más eficiente en los aspectos

de energía y costos debido a que es innecesaria el dimensionamiento de los recursos de

computación de cada estación base tradicional acorde a su carga pico individual.

Para una mejor solución de la arquitectura de la RAN en los escenarios de la 5G, la

implementación de la solución C-RAN se combina con las tecnologías NFV y SDN. Estos

tres conceptos están relacionados entre ellos, pero sus contribuciones se aplican en diferentes

dominios.

En el caso de las RAN cuando se usa NFV para centralizar lógicamente el procesamiento de

banda base dentro de la RAN, la C-RAN se convierte en una aplicación NFV. Tres formas

de virtualización pueden potencialmente coexistir en la agrupación de BBU para la solución


C-RAN: Virtualización de hardware, virtualización de red y virtualización de aplicación. En

la primera una porción del hardware de la RAN es vitalizado. En la virtualización de la red,

elementos de red tales como conmutadores, enrutadores, elementos de almacenaje y recursos

de transporte son abstraídos y combinados dentro de un conjunto que es gestionado por el

sistema operativo de la red. La virtualización también se aplica dentro de la RAN donde las

entidades de aplicación de gestión de red son reemplazadas por una capa que permite que las

aplicaciones existentes corran en la RAN sin la necesidad de volverse a escribir el software.

Siguiendo las discusiones anteriores, la C-RAN se puede ver, por un lado como una

aplicación de NFV y SDN y por otro lleva a cabo tanto una completa centralización y una

distribución de las funciones de la RAN que no es el caso de una implementación general

NFV. Por tanto, la arquitectura C-RAN cuando integra las tecnologías NFV y SDN posee

una escalabilidad y flexibilidad que permite ajustar el desarrollo de futuras redes móviles y

es una solución efectiva en cuanto a costos para encarar los desafíos en los escenarios que

requiere el desarrollo de la 5G [43]. La Figura 43 muestra la arquitectura genérica C-RAN:

Figura 43: Arquitectura C-RAN [43].

2.4.1.1 Ventajas de la C-RAN

Tanto las celdas macro como las pequeñas celdas se pueden beneficiar de la arquitectura C-

RAN. Para despliegues de estaciones base macro, la agrupación de BBU centralizada permite

una utilización más eficiente y reduce el costo de despliegue y operación. Por otro lado, las

funcionalidades derivadas del estándar LTE como son: CoMP y mitigación de interferencias,

pueden ser soportadas eficientemente por la C-RAN y es un aspecto esencial en el despliegue


de pequeñas celdas y que da lugar a la formación de redes heterogéneas, lo que es imperativo

en el despliegue de la 5G. Otras ventajas de la arquitectura C-RAN son:

• Adaptabilidad al tráfico no uniforme y escalabilidad.

• Ahorro de energía y costos gracias a la ganancia por multiplexado estadístico. En la

agrupación de BBU y la utilización de virtualización.

• Incremento del desempeño

• Decrecimiento de tiempo de atraso.

• Facilidad en las actualizaciones de la red y el mantenimiento.

• Beneficios en la ejecución de despliegues

2.4.2 Solución HetNet

Para incrementar la capacidad de la red celular en áreas de alta densidad con altas demandas

de tráfico, se colocan nodos de baja potencia dedicados para servicios de datos solamente y

con una gran capacidad [61]. Estos nodos, denominados pequeñas celdas constituye un

complemento de las estaciones macro y son el componente clave de las redes heterogéneas

o simplemente HetNet. La ventaja clave de la arquitectura HetNet es la de poder desacoplar

los planos de control y de usuario. A las pequeñas celdas solamente se le asigna el plano de

control, mientras que el encabezamiento del canal de control y las señales de referencia

específicas de la celda de estos nodos pueden desplazarse completamente a estaciones macro.

Desafortunadamente este tipo de arquitectura donde las pequeñas celdas y la estación macro

reutilizan los mismos recursos del espectro incrementa el nivel de interferencia. Por esta

razón es importantes la introducción de mecanismos avanzados de supresión de

interferencias mediante técnica avanzadas de procesamiento de la señal y coordinación. Este

tipo de arquitectura es propuesta por la 5G utilizando la estación macro en bandas de

frecuencias bajas y las pequeñas celdas en frecuencias altas. En la Figura 44 se muestra un

esquema de la arquitectura HetNet con el despliegue de las macro y pequeñas celdas.


Figura 44: Arquitectura HetNet [61].

2.4.3 H-CRAN (CRAN Heterogéneo)

Para llevar a cabo los adelantos anticipados por los sistemas 5G y superar los desafíos

derivados de las arquitecturas C-RAN y HetNet se presenta una solución denominada redes

de nube heterogéneas para acceso de radio abreviada, H-CRAN, la cual es compatible con

las diferentes redes C-RAN y HetNet. La motivación de H-CRAN es la de integrar la

tecnología de computación de nube dentro de la red HetNet para realizar el procesamiento

de señal cooperativo y funcionalidades de red a gran escala y de este modo, los desempeños

en cuanto a eficiencia espectral (SE) y eficiencia de energía (EE) son sustancialmente

mejorados más allá de los existentes en HetNet y C-RAN [61]. En el sistema 5G basado en

H-CRAN, los planos de control y de usuario están desacoplados. Las estaciones base macro

(MBS) son usadas principalmente para brindar señalización de control a toda la red H-CRAN

y proporcionan una cobertura continuada, mientras las Unidades de Radio Remotas (RRH)

son utilizadas para brindar la transmisión de datos de alta velocidad en los puntos de acceso

de gran demanda de servicios.


El procesamiento de señal cooperativo en gran escala y las técnicas de red en H-CRAN son

de tres tipos. El primero comprende técnicas de procesamiento de señal espaciales avanzadas

en la capa física, incluyendo MIMO centralizado y el procesamiento cooperativo espacial

distribuido a gran escala. El segundo tipo comprende la gestión cooperativa de los recursos

de radio a gran escala y circulación en la capa MAC y las superiores. El tercero comprende

la gestión de inteligencia y auto-organización en la capa de red para soportar auto-

configuración, auto-optimización y auto-reparación en el escenario de comunicaciones ultra

densas con un enorme número de nodos desplegados aleatoriamente [62]. En la figura 45 se

muestra un esquema de la arquitectura funcional de la H-CRAN.

Figura 45: Arquitectura funcional H-CRAN [62].

2.4.3.1 CC-CoMP

Las aplicaciones potenciales de CC-CoMP en H-CRAN existen escenarios homogéneos y

heterogéneos, que se denotan como intra-nivel e inter-nivel, respectivamente. En el CC-

CoMP dentro del nivel que se muestra como escenario 1 en la figura 46, los nodos en el

mismo nivel, es decir, entre HPN o entre RRH, deben transmitir de manera coordinada. Dado

que todas las RRH en H-CRAN están conectadas con el grupo BBU, dicha colaboración


puede realizarse a través de la formación de haz virtual, donde los proyectores se pueden

formar en el grupo BBU. Además, el CC-CoMP de nivel intermedio que se muestra como

escenario 2 en la figura 46 se basa en las colaboraciones entre RRH y HPN, y tales

colaboraciones de nivel pueden suponer una gran carga de complejidad computacional en el

conjunto de BBU. Por lo tanto, para aliviar la carga del conjunto de BBU, los esquemas

distribuidos en la estructura H-CRAN centralizada podrían ejecutarse parcialmente [62].

Para mitigar eficientemente la interferencia entre niveles, el CoMP tradicional en 4G debería

funcionar en un estado perfecto e ideal para lograr importantes ganancias de procesamiento

cooperativo, lo que suscita grandes complejidades, mayores requisitos de sincronización,

complicados esfuerzos de estimación de canal y una gran sobrecarga de señalización.

Afortunadamente, como la evolución de CoMP, el CC-CoMP se basa en el procesamiento

cooperativo espacial a gran escala en el grupo centralizado de BBU, en el que se resuelven

la mayoría de los desafíos de CoMP

Figura 46: Escenarios típicos de CC-CoMP en H-CRAN [62].

2.4.3.2 CC-CRRM

Para desencadenar completamente las ventajas potenciales de H-CRAN, el CC-CRRM

inteligente es urgente y existen varios desafíos técnicos involucrados. En primer lugar, CC-

CRRM debe admitir el tráfico de datos móviles en ráfagas y en tiempo real, como los juegos

móviles, las comunicaciones de vehículo a vehículo y las aplicaciones de transmisión de

video de alta definición. Por lo tanto, CC-CRRM debe tener la capacidad de detección de

retardo de tiempo. La mayoría de los RRM tradicionales se basan en heurísticas y hay una

falta de conocimiento teórico sobre cómo diseñar CC-CRRM con retraso. En segundo lugar,


el CC-CRRM debe ser escalable con respecto al tamaño de H-CRAN, mientras que los RRM

tradicionales no son factibles debido a la enorme complejidad computacional, así como a la

latencia / complejidad de señalización involucrada. Estos desafíos se vuelven incluso peores

para las H-CRAN porque hay más RRH delgados conectados al grupo de BBU a través del

fronthaul restringido. A diferencia de la RRM de capa cruzada convencional, que está

diseñada para optimizar el recurso de una sola estación base, el CC-CRRM implica recursos

de radio compartidos entre todos los RRH / HPN, y por lo tanto la escalabilidad en términos

de computación y señalización es un obstáculo clave [62]

Para abordar los problemas anteriores y hacer el avance práctico de las H-CRAN, el CC-

CRRM debe tener caracteres de retardo y de capa cruzada. Con precisión, el CC-CRRM para

H-CRAN puede considerarse como un problema de optimización estocástica basada en la

computación en la nube, que adapta los recursos de radio (como potencia, velocidad de datos,

CC-CoMP / LS-CMA, programación de usuarios y RRH / HPN) de acuerdo con la CSI en

tiempo real y la información del estado de la cola (QSI). En la práctica, las señalizaciones y

los controles generalmente se aplican en el nivel de trama en las capas PHY o inferiores,

mientras que generalmente se realizan en escalas de tiempo más largas en las capas superiores

de MAC y de red. Según la propiedad estructural del problema de control estocástico y la

separación de escalas de tiempo, el problema de control estocástico para H-CRAN se puede

descomponer en varios problemas de dimensión inferior y se puede resolver mediante

técnicas de aprendizaje en línea estocásticas, como se muestra en la figura 47.

El CC-CRRM sensible al retardo para H-CRAN es adaptable tanto al QSI global como al

CSI, que no solo captura la oportunidad de transmisión indicada por el QSI, sino que también

captura la urgencia de los flujos de datos indicados por el CSI. Con la separación de las

escalas de tiempo, el CC-CRRM requiere la sobrecarga de señalización reducida y la

complejidad computacional. [61] El aprendizaje en línea estocástico en lugar de los métodos

heurísticos garantiza que la solución CC-CRRM sea robusta a la incertidumbre en la

estimación de CSI, las estadísticas de arribo de tráfico de ráfagas y otros parámetros clave.

Sin embargo, dado que el CC-CRRM sensible al retardo se basa en el QSI y el CSI globales,

la maldición de la dimensionalidad subyacente asociada con los estados del sistema y la

dinámica de la cola acoplada complicará la derivación de un CC-CRRM escalable en las H-

CRAN.


Figura 47: Descomposición de la optimización estocástica de escala de tiempo mixta para

CC-CRRM [62].

2.4.3.3 CC-SON

En la capa de red de las H-CRAN, los calendarios de funciones auto organizados son críticos

para garantizar que los RRH y HPN gigantes funcionen con un alto rendimiento de EE. La

tecnología de red de auto organización (SON) es capaz de minimizar las intervenciones

humanas en los procesos de redes, que se propuso reducir los costos operativos para los

proveedores de servicios en los sistemas celulares LTE y HetNet [62]. Teniendo en cuenta

que debe configurarse y optimizarse un gran número de parámetros, la topología es dinámica

debido a la activación / desactivación de los RRH de forma adaptativa, y los recursos de radio

se comparten y procesan de forma cooperativa, CC-SON en H-CRAN es la clave para

integrar la planificación de la red, configuración, y optimización en un proceso automático

unificado que requiere intervenciones manuales mínimas con la centralización de la

computación en la nube. CC-SON permite a los operadores optimizar sus operaciones, no

solo reduciendo la complejidad de la gestión de la interferencia cocanal en las H-CRAN, sino

también ahorrando costos operativos para todos los RRH y HPN [62]. CC-SON se utiliza

para armonizar todos los enfoques de gestión de red y mejorar la eficiencia operativa general.

Por otro lado, la disponibilidad de las soluciones CC-SON lleva a identificar estrategias de

optimización poderosas, a mitigar las interferencias entre canales y a mejorar el rendimiento

de EE.


2.4.3.4 LS-CMA

La técnica LS-CMA, también conocida como MIMO masiva, está equipada con cientos de

antenas de baja potencia en un sitio HPN ubicado conjuntamente, que se presenta para

mejorar la capacidad, ampliar la cobertura y disminuir la complejidad del despliegue de la

antena. Debido a la ley de los grandes números, la condición de propagación del canal se

puede endurecer, lo que puede garantizar que la capacidad de transmisión aumente

linealmente a medida que aumenta el número de antenas, y los rendimientos de EE también

pueden mejorarse. En comparación con la configuración tradicional de una sola antena, el

LS-CMA para HPN puede aumentar la capacidad 10 veces o más y al mismo tiempo mejorar

los rendimientos de EE irradiados en el orden de 100 veces en [61], donde se despliega la

matriz lineal de 100 elementos en HPN, y se asume el backhaul ideal.

Mediante el uso de HPN con LS-CMA, en lugar de implementar un gran número de RRH en

algunas áreas de cobertura, se pueden liberar los fronthaul limitados entre los RRH y el grupo

BBU. Además, como se muestra en la figura 48, en comparación con los HPN sin LS-CMA,

o los escenarios C-RAN convencionales, los HPN con LS-CMA reducen sus interferencias

a los RRH / HPN adyacentes, ya que el LS-CMA puede servir un área grande, que amplía la

distancia de servicio y diluye la densidad de las RRH activas.

Figura 48: Escenarios típicos para LS-CMA en H-CRAN [61].

2.4.3.5 LS-CSSP

Para los nodos ultra densos desplegados en las redes celulares tradicionales o HetNet, aunque

el impacto del desvanecimiento a gran escala se alivia, la existencia de varias interferencias

cocanales se convierte en el rendimiento del cuello de botella. El LS-CSSP, que incluye

modos distribuidos y centralizados, es prominente para mejorar el rendimiento de SE con la


tasa de gigabits como se muestra en la figura 49. El LS-CSSP distribuido se basa en la

multiplexación espacial, que a su vez comparte los mismos recursos de radio entre los RRH.

Al transmitir de forma colaborativa entre múltiples RRH, que pueden tratarse como una

matriz de antenas virtuales, la interferencia se puede evitar espacialmente sin ocupar recursos

de radio adicionales [61].

Figura 49: LS-CSSP centralizado y distribuido en H-CRAN [61].

2.4.3.6 LS-CRRM

Para optimizar los rendimientos de las H-CRAN, se requieren esquemas de administración

de recursos de radio más avanzados que la red celular tradicional debido a los recursos

informáticos adicionales. Dado que los recursos de radio físicos pueden reutilizarse

completamente entre las RRH, la interferencia entre niveles entre las RRH y las ACE debe

suprimirse con técnicas avanzadas de LS-CRRM. La reutilización de frecuencia fraccional

suave tradicional (S-FFR) se considera una técnica eficiente de coordinación de interferencia

entre células y entre niveles, en la que el área de servicio se divide en regiones espaciales, y

cada subregión tiene asignadas diferentes sub-bandas de frecuencia. Por lo tanto, los UE de

la zona del borde de la celda no interfieren con los UE de la zona central de la célula, y con

un método de asignación de canal eficiente, los UE de la zona del borde de la celda no pueden

interferir con los UE de la zona del borde de la celda vecinos [61]. Teniendo en cuenta que

el ACE se utiliza principalmente para entregar la señalización de control y garantizar la

cobertura sin problemas, el requisito de QoS de los HUE no es alto, mientras que el requisito

de QoS para los UE que acceden a los RRH (denotados como RUE) es de alta prioridad. En

consecuencia, se debe proponer un esquema de S-FFR mejorado para suprimir la

interferencia entre niveles ACE y RRH en la figura 50 (a), donde solo se asignan recursos de


radio parciales tanto a los RUE como a los HUE con el requisito de QoS bajo, y otros recursos

de radio se asignan a RUE con altos requisitos de QoS.

Figura 50: FFR mejorado y evaluaciones de rendimiento de los esquemas LS-CRRM en H-

CRAN, donde H-CRAN consta de 1 ACE y 4 RRH, el número de RUE es 4, el número de

HUE es 8, el número de RB es 10, el ancho de banda de cada RB es 15 kHz y la tasa media

de llegada de HUE como 3 kbits / ranura [61].

Para evitar la congestión del tráfico y obtener rendimientos casi óptimos en las H-CRAN, el

esquema LS-CRRM debe tener en cuenta la información del estado de la cola (QSI) para

garantizar la equidad entre los UE y mejorar la eficiencia de utilización del recurso de radio.

En particular, el problema de optimización conjunta que toma en cuenta el control de

admisión de tráfico, la asociación RRH / MBS, RB y la asignación de potencia en función de

las restricciones de consumo de energía promedio e instantáneo debe investigarse, y el

rendimiento de la correspondiente asignación de potencia RB conjunta-asociación (JARP )

el esquema se evalúa en la figura 50 (b), IEEE NETWORKS 13, donde el esquema de

asignación de RB y potencia de asociación aleatoria (RAJRP) y el esquema de asignación de

potencia igual (JAREP) de asociación conjunta y RB se comparan como líneas de base [61].

Para RAJRP, el HUE accede aleatoriamente a la RRH objetivo con la probabilidad

proporcional al rendimiento virtualmente, y la RB y la potencia se optimizan conjuntamente

utilizando nuestro algoritmo. Para JAREP, la asociación y los RB se optimizan

conjuntamente utilizando nuestro algoritmo y la potencia promedio máxima se asigna por

igual a todos los RB de cada RRH.


2.4.3.7 LS-SON

Para cumplir con la funcionalidad universal de plug and play, para eliminar el tráfico de la

red central y administrar los recursos de radio y computación utilizando los controles

conscientes del servicio, las funciones de auto-organización a gran escala son críticas para

garantizar que los RRH y ACE gigantes trabajen en La manera inteligente. Se propuso SON

para reducir los costos operativos para los proveedores de servicios en sistemas celulares

LTE y HetNet [61]. Teniendo en cuenta que se deben configurar y optimizar demasiados

parámetros debido a las combinaciones de convergencia heterogénea y cloud computing en

H-CRAN, y que los recursos de radio se comparten y virtualizan, LS-SON es la clave para

integrar ultra aprendizaje, ultra planificación, ultra configuración, y ultra optimización en un

proceso automático unificado que requiere intervenciones manuales mínimas con la

centralización de la computación en la nube. El LS-SON no solo reduce la complejidad de la

gestión de las interferencias cocanales en H-CRAN, sino que también ahorra costos

operativos para todos los RRH y ACE. LS-SON se utiliza para armonizar todos los enfoques

de gestión de red y mejorar la eficiencia operativa general. Por otro lado, la disponibilidad

de soluciones LS-SON lleva a identificar estrategias de optimización poderosas, a suprimir

las interferencias entre canales y a mejorar el rendimiento de EE y SE.

Debido a la existencia de un Nodo C centralizado cubicado con la SDN en los sistemas 5G

basados en H-CRAN, las funcionalidades de autoconfiguración, optimización automática y

recuperación automática se implementan en la arquitectura SON centralizada. Dado que el

Nodo C necesita converger múltiples RAN y procesar los RRH con la computación en la

nube, como se muestra en la figura 51, las funcionalidades entre RAN e intra-RAN SON

deben implementarse en el Nodo C.


Figura 51: H-CRAN auto organizadas [61].

2.5 La Arquitectura de Celda Fantasma

Una alternativa de estructura de la red móvil a utilizar en 5G lo constituye la denominada

Celda Fantasma, considerada en la 3GPP a partir de la Edición 12 [63]. El concepto de celda

fantasma se basa en una arquitectura de red de múltiples capas en la que se dividen el plano

de control y el de usuario entre la celda macro y las pequeñas celdas, utilizando bandas de

frecuencia diferentes. Las motivaciones y los mayores beneficios de esta arquitectura son

similares a los de las redes C-RAN avanzadas que se han utilizado en el estándar LTE-A, y

que incluyen incremento de capacidad mediante pequeñas celdas, fácil despliegue de las

bandas de frecuencias altas y despliegue de las pequeñas celdas sin impacto en la gestión de

movilidad. Sin embargo, el concepto de arquitectura de celda fantasma incluye un amplio

rango de funcionalidades avanzadas tales como, agregación entre nodos, requerimientos más

relajados para el progreso de backhaul y la señalización y un descubrimiento de las pequeñas

celdas mejorado [63]. El concepto de celda fantasma se toma como línea de base para la

integración futura de redes de múltiples capas utilizando bandas de frecuencia bajas y altas,

En esta arquitectura las pequeñas celdas manejan el tráfico de las sesiones de datos de alto

caudal en el plano de usuario mientras que la capa celular macro controla la señalización del

plano de control. La celda macro y las pequeñas celdas forman una relación maestro-esclavo

a través de la cual la celda macro envía la información de control relevante al usuario

conectado a la pequeña celda. Esta arquitectura hace a la pequeña celda prácticamente


invisible al usuario conectado a ella. De aquí el nombre de celda fantasma. En la Figura 52

se muestran los principios de esta arquitectura.

Figura 52: Arquitectura de Celda Fantasma. Separación del plan de usuario y de control

[63].

Conclusiones del capitulo

Las redes móviles 5G se están haciendo implementadas hoy en día para responder a la

conectividad masiva y para reducir aún más la latencia de las redes actuales 4G. Por lo que,

para lograr las ganancias significativas en capacidad y razón de transferencia de datos

experimentada por el usuario es necesario un salto significativo en la extensión del espectro,

con el objetivo de lograr gestionar multitudes de servicios y aplicaciones que pueden ofrecer.

Sin embargo, 5G usa integración de las bandas de bajas frecuencias y las bandas de altas

frecuencias mediante técnicas de acceso de radio. Las bandas de las altas frecuencias pueden

ofrecer oportunidades para un espectro más amplio, sin embargo, tienen limitaciones de

cobertura debido principalmente a mayores pérdidas por trayectoria. Basados en estas

condiciones las principales tecnologías de acceso de radio propuestas para la evolución hacia

las redes móviles 5G son: integración de las bandas de las altas frecuencias y las bandas de

las bajas frecuencias mediante Phantom Cell o Celda Fantasma, explotación de las bandas de

las altas frecuencias mediante Massive MIMO y mejoras en las bandas de las bajas

frecuencias mediante el Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA). En este caso es necesario

hacer recurso a las nuevas arquitecturas de redes ya que, con la amplificación del espectro,

las actuales redes 4G no responden debido a que necesitarían muchos cambios en su

arquitectura. Por lo tanto, las nuevas redes móviles 5G implantan arquitecturas tales como

C-RAN, H-CRAN, Celda fantasma y otras, para dar solución a los problemas de la gestión

del espectro.

CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 100

CAPÍTULO 3. Mejoras tecnológicas y desafíos de las redes 5G

3.1 Tendencias tecnológicas

3.1.1 Tecnologías para mejorar la interfaz de radio

En sentido general, las modulaciones, codificaciones, técnicas de acceso múltiple, junto con

el despliegue de las antenas, principalmente MIMO 3D y pequeñas celdas, han constituido

un enfoque de mayor relevancia para las redes 5G; es por esta razón que se han propuesto

estas tecnologías con la finalidad de mejorar la interfaz de radio.

3.1.1.1 Formas de onda, modulación y codificación, y esquemas de acceso múltiples

avanzadas

Para abordar los nuevos desafíos que se espera que las redes 5G resuelvan, se han propuesto

varios tipos de modulación, como el filtrado, el modelado del pulso y la precodificación para

reducir de Fuga de Banda (OOB) de señales OFDM. El filtrado [64] es el enfoque más

sencillo para reducir la fuga OOB y, con un filtro adecuadamente diseñado, la fuga sobre la

banda de detención se puede eliminar en gran medida.

La forma del pulso [65] puede considerarse como un tipo de filtro basado en subportadoras

que reduce las superposiciones entre las subportadoras incluso dentro de la banda de un solo

usuario. Sin embargo, generalmente tiene una larga cola en el dominio del tiempo según

principio de incertidumbre de Heisenberg Gabor. La introducción de la precodificación para

transmitir datos antes de la modulación OFDM es también un enfoque eficaz para reducir las

fugas.

Además de los enfoques antes mencionados para reducir la fuga de señales OFDM, algunos

nuevos tipos de modulaciones también se han propuesto específicamente para redes 5G. Por


ejemplo, para lidiar con la alta propagación del Doppler en escenarios eV2X, los datos de

transmisión se pueden modular en el dominio de retardo Doppler [64].

Las modulaciones anteriores se pueden usar con acceso múltiple ortogonal (OMA) en redes

5G para mejorar aún más el acceso de radio.

Para los sistemas OMA, los bloques de recursos se dividen ortogonalmente en dominios de

tiempo, frecuencia o código, y, por lo tanto, existe una interferencia mínima entre los bloques

adyacentes y hace que la detección de señales sea relativamente simple. Sin embargo, OMA

solo puede admitir un número limitado de usuarios debido a las limitaciones en el número de

bloques de recursos ortogonales, lo que limita la SE y la capacidad de las redes actuales. Para

admitir un número masivo y dramáticamente diferentes clases de usuarios y aplicaciones en

redes 5G, se han propuesto varios esquemas de NOMA ya que permite más bloques de

usuarios, lo que facilita la gestión del espectro.

Son múltiples formas de onda, modulación y codificación, y esquemas de acceso múltiple

avanzadas utilizado en el 5G para mejorar la interfaz de radio, donde se puede profundizar el

estudio en [64].

3.1.1.2 Tecnologías avanzadas de antena

Las técnicas de múltiples antenas, aquí denominadas características AAS, incluyen

formación de haz y MIMO. Estas características ya se utilizan con los sistemas

convencionales en las redes LTE de hoy [66]. La aplicación de las características de AAS a

una radio AAS da como resultado mejoras significativas en el rendimiento debido a los

mayores grados de libertad que proporciona el mayor número de cadenas de radio, también

conocidas como MIMO masivo [67].

3.1.2 Tecnologías de red

El aumento en la cantidad de conexiones de red, que van desde los teléfonos inteligentes

hasta los decodificadores multimedia en el hogar, y respaldado por el aumento constante de

los servicios en línea, está cargando actualmente las tecnologías de implementación

heredadas y las estrategias del operador. Si bien una base de clientes sólida es el objetivo

comercial para operadores y proveedores de servicios, estos tienen un costo, creando

escenarios de QoS complejos y aumentando el gasto de capital (Capex) y el gasto operativo


(Opex) para dar soporte a nuevos lotes de clientes [68]. Actualmente, para respaldar esta

creciente base de clientes y extender la conectividad en línea a nuevas áreas, se requiere el

despliegue de nuevos enlaces y más ancho de banda, así como más infraestructura de

servicios y centros de datos, lo que aumenta considerablemente los costos asociados con estas

extensiones. Se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras y se han aplicado a nuevas

estrategias para adaptar dinámicamente las redes y servicios de acuerdo con la demanda. En

las siguientes subsecciones, nos centramos en los tres mecanismos más impactantes para el

próximo 5G, a saber, Redes definidas por software y Virtualización de funciones de red, red

avanzada de auto organización y la C-RAN.

3.1.2.1 Arquitectura SDN Y NFV

SDN permite que el software reconfigure dinámicamente los aspectos de reenvío de la red, a

través de una separación lógica del control y las rutas de datos. Mientras que la NFV permite

que los operadores de red y servicios aprovechan un grupo existente de recursos de red y

procesamiento, para generar la infraestructura subyacente necesaria de manera virtual, en

lugar de implementar físicamente una nueva infraestructura de red y servidor.

Para abordar estas interfaces, se introducirán ideas de clase de tráfico. Además, para admitir

rápidamente el corte de la red por la red de transporte, y los sistemas de SDN y la

virtualización de la función de la red (NFV) serán compatibles con la red de transporte, por

ejemplo, separando los planos de control y de datos a través de la abstracción de la ruta de

datos basada en paquetes comunes. Estos datos unificados y el plano de control interconectan

el acceso por radio 5G y las funciones de red principales, alojadas en una infraestructura de

nube dentro de la red. La red de transporte 5G consistirá en una infraestructura de red óptica

e inalámbrica integrada. [69] La arquitectura propuesta de 5G con NFV y SDN se centra en

la infraestructura física que tiene una red de acceso por radio, una red de transporte y la red

central (ver figura 53).


Figura 53: Infraestructura de la red SDN Y NFV [69].

Esta arquitectura tampoco es apropiada porque falta el concepto de software y programación.

Este concepto es importante en 5G con SDN y NFV. Por lo tanto, el marco de software y

programabilidad de 5G se explica con más detalle en [69] y [70].

3.1.2.2 Red avanzada de auto organización (SON)

“Algunas de las primeras funciones de SON surgieron de redes 3G como UMTS y se han

incluido más funciones de SON en 4G. Si bien, SON aún está lejos de poder tomar el control

de la administración de la red inalámbrica, su filosofía de auto-organización muestra un gran

potencial para futuras redes aún más complicadas, como 5G. Se anticipa que 5G tendrá un

ancho de banda agregado mucho más alto, un rango de frecuencia mayor y, por lo tanto, una

mayor variedad de coberturas de celdas, muchos más puntos de transmisión y un orden

MIMO mucho mayor. Esto requerirá una mayor coordinación entre los sitios y un mayor

número de tecnologías. Por lo tanto, la red 5G planteará grandes desafíos operativos. Por lo

que se propone el NG (nueva generación) SON que será una tecnología clave para que los

operadores aborden estos desafíos” [71]. No solo será una parte integral y obligatoria de 5G,

sino que también será un habilitador clave para el éxito de 5G.


3.1.2.3 C-RAN

La estructura C-RAN ha sido mejorada de tal forma que los operadores pueden desplegar

redes móviles más rápidamente utilizando diferentes tecnologías de acceso mientras

comparten la misma infraestructura. Con este fin, el costo del despliegue se reduce, los

recursos de red se utilizan de manera efectiva y el rendimiento a menudo se reduce.

3.1.3 Tecnologías para mejorar los escenarios de banda ancha móvil

3.1.3.1 Implementación de pequeñas celdas para mejorar la calidad de servicio

Las demandas de datos móviles en las redes celulares ocurren predominantemente (70%) en

áreas interiores, mientras que la estrategia de planificación de radio tradicional no está

preparada para abordar este problema [72]. El tema de la cobertura es especialmente

desafiante para grandes edificios como centros comerciales, hoteles, Oficinas de la empresa

y del gobierno, donde múltiples superficies interiores de diferentes propiedades

electromagnéticas impiden la propagación de la señal. La densidad típica de suscriptores

interiores en los edificios mencionados anteriormente es alta, pero la calidad de servicio

(QoS) que se les entrega es actualmente baja.

El despliegue de las pequeñas celdas permitirá incrementar la capacidad, y facilitará una

buena gestión del espectro, para adaptarse a los parámetros de conectividad del usuario.

3.1.3.2 DASH (Dynamic adaptive streaming over HTTP)

El tráfico de Internet debido a las aplicaciones de video está aumentando gracias a la difusión

de nuevos dispositivos como tabletas, teléfonos inteligentes, televisores inteligentes que

están conectados a Internet a través de conexiones inalámbricas y por cable de banda ancha.

La transmisión de video, en forma de distribución de video generada por el usuario, como en

el caso de YouTube, o para ofrecer películas y series de televisión, como en el caso de Netflix,

es la aplicación que está impulsando este crecimiento [73]. A pesar de que el TCP ha sido

considerado en el pasado como inadecuado para transportar flujos de video, actualmente los

videos se transmiten a través de HTTP con el TCP, y los navegadores web que implementan

el estándar HTML5 ahora pueden reproducir videos sin el uso de ningún complemento

externo.


El enfoque más común para distribuir video es la transmisión progresiva de descargas: el

contenido del video está codificado a una tasa de bits determinada y se envía al usuario como

cualquier otro archivo a través de una conexión HTTP. El problema con este enfoque es que,

aunque las conexiones TCP son elásticas, el contenido de video transportado a través del

socket TCP no es elástico; por lo tanto, un desajuste persistente entre la tasa de bits de

codificación y el ancho de banda disponible de la red puede dar lugar a interrupciones en la

reproducción. Otro inconveniente de este enfoque es que los dispositivos móviles, como

tabletas o teléfonos inteligentes, pueden no ser capaces de reproducir un video de alta

definición debido a sus recursos computacionales limitados [74].

3.1.3.3 eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast and Multicast Service)

eMBMS es la última tecnología PTM de 3GPP LTE completamente estandarizado. El

estándar eMBMS puede ser predominantemente, descrito por dos metodologías de

implementación, es decir, MBSFN y SC-PTM.

Las implementaciones de MBSFN consisten en un grupo de celdas que forma una

transmisión completamente sincronizada, eliminando interferencia de la célula para el

servicio de difusión dentro de la zona de dato. La compensación aquí viene a la inflexibilidad,

particularmente en cuanto a la planificación de recursos, que es rígida y en gran parte fija por

la duración del servicio. [75] Con MBSFN, la transmisión y multicast utiliza el canal físico

multicast (PMCH) para una transmisión independiente que permite la sincronización SFN.

Un canal físico diferente permite usar configuraciones que no se permiten con unicast, que a

su vez proporcionan longitudes prefijadas cíclicas (CP) extendidas de 16,6, 33,3 y 200 µs

[76]. Debido a la transmisión SFN, MBSFN utiliza un patrón de señal de referencia más

denso que el patrón utilizado para unicast. Como principal inconveniente, el uso de técnicas

de ingreso y de salida múltiple (MIMO) que proporcionan la ganancia de multiplexación no

se define para MBSFN, lo que reduce la eficiencia espectral máxima.

El método SC-PTM se introdujo con el objetivo de aumentar la flexibilidad de la asignación

de recursos para implementaciones de PTM. Desde entonces ha evolucionado a la etapa 5G.

En la capa de control de acceso al medio (MAC), aparte del canal de tráfico de multidifusión

(MTCH), el canal de tráfico de multidifusión celular (SC-MTCH) se define a transmitir datos

de tráfico de la red al UE utilizando SC-PTM. En la capa física (PHY), SC-PTM permite un


solo celular para transmitir a un grupo de usuarios a través de enlace de canal compartido

(PDSCH), utilizado por la transmisión unicast. Compartir un canal físico también implica

usar el mismo operador [75].

3.1.4 Tecnologías para mejorar las comunicaciones tipo máquina

En los últimos años, el desarrollo de una visión 5G llevó al consenso de que la última

generación de sistemas de comunicación celular se verá impulsada por una serie de casos de

uso emergentes [77], mientras que las generaciones anteriores de sistemas celulares se han

diseñado principalmente para aumentar eficiencias espectrales para habilitar aplicaciones

hambrientas de ancho de banda para usuarios humanos. De hecho, el Proyecto FP7 METIS

desarrolló un concepto de sistema 5G en el que esta búsqueda bien aceptada para tasas de

datos más altas se resume en un servicio denominado "Banda Ancha Móvil Extrema"

(eMBB) [77]. Sin embargo, además de eMBB, los nuevos casos de uso y las aplicaciones

también requieren servicios fundamentalmente nuevos. La introducción del nuevo paradigma

de las comunicaciones de tipo máquina (MTC), además del tráfico de tipo humano, plantea

importantes desafíos hacia una solución de radio unificada. Por tanto, la mejora en las

comunicaciones tipo máquina se podrá estudiar aún más en [78].

3.1.5 Tecnologías para mejorar la eficiencia energética de la red

El consumo de energía se ha convertido en una de las principales preocupaciones en el diseño

y el funcionamiento de los sistemas de comunicación inalámbricos. De hecho, mientras que

durante más de un siglo las redes de comunicación han sido diseñadas principalmente con el

objetivo de optimizar métricas de rendimiento como la tasa de datos, el rendimiento, la

latencia, etc., en la última década, la eficiencia energética ha emergido como una nueva

tecnología. Figura prominente de mérito, debido a preocupaciones económicas,

operacionales y ambientales. El diseño de la próxima generación (5G) de redes inalámbricas

tendrá que considerar necesariamente la eficiencia energética como uno de sus pilares

fundamentales. De hecho, los sistemas 5G ofrecerán una cantidad de dispositivos sin

precedentes, proporcionando conectividad ubicua y servicios innovadores y exigentes. Se

prevé que para 2020 habrá mucho más dispositivos conectados. Por tanto, para realizar todo


esto es necesario que el 5G tenga en cuenta el despliegue de las pequeñas celdas ya que

permite minimizar el gasto de energía, maximizando la vida útil de las baterías.

3.1.6 Tecnologías para mejorar la privacidad y seguridad

A medida que se acerca la era 5G, el volumen de tráfico de datos y la variedad de servicios

aumentarán a niveles nunca antes vistos. El servicio de IoT es solo uno de los muchos.

Cuando se trata de 5G, no se trata simplemente de ser un medio para la comunicación. Se

puede ver como un catalizador para minimizar el límite entre el mundo digital y el mundo

físico. El diseño de seguridad 5G es un sistema integral que brinda protección de seguridad

para todo el mundo conectado [79]. Sin embargo, la mejora de tecnología de privacidad y

seguridad se puede apreciar de las siguientes formas [80]:

• Protección de seguridad diferenciada: El diseño de seguridad E2E se adapta a

diferentes industrias verticales. En ese caso, el diseño de la protección de seguridad

debe considerar cómo cumplir con varios requisitos de seguridad.

• Flexibilidad: Para brindar un mejor soporte y una respuesta rápida a los requisitos de

la industria vertical, es bueno que las capacidades de seguridad de E2E se puedan

alinear rápidamente con los cambios en el negocio. En ese caso. solicitaría una

implementación y adaptación de seguridad E2E flexible y altamente eficiente.

• Protección de la privacidad: 5G verá cómo los servicios de APP prosperan

vigorosamente. Junto con este próspero, los datos de privacidad personal también

crecen de forma masiva, incluidos los identificadores de dispositivos, las ID de

usuarios y las preferencias de los usuarios. Teniendo en cuenta esto, la protección de

la privacidad se puede construir de extremo a extremo, sin que ninguna parte de la

cadena de seguridad sea vulnerable a las filtraciones de privacidad.

• La seguridad como servicio: Frente a la convergencia de TI y CT, la industria de las

telecomunicaciones está buscando aumentar su fortaleza y servir mejor a las

industrias verticales. Los sistemas de comunicaciones telefónicas han hecho bien en

proteger la privacidad del usuario, y los usuarios han desarrollado un nivel de

confianza relativamente bueno con la seguridad de los sistemas de comunicación. 5G

podría continuar ampliando la confianza del usuario al abrir capacidades de seguridad

como un servicio para usuarios individuales e industrias verticales.


• Administración de la identidad: Las infraestructuras de software y hardware se

ejecutan en un entorno de múltiples proveedores. Con el fin de mitigar el acceso no

autorizado a los recursos de la red, una gestión de identidad estricta es una posible

necesidad.

• Protección de datos: La integridad y la protección de confidencialidad se

proporcionan a través de la transmisión de datos para evitar que los datos sean

interceptados o redireccionados a destinos no autorizados.

3.1.7 Tecnologías que permiten mayores tasas de datos

En redes 5G, se desea proporcionar una velocidad de datos basada en varios gigabits por

segundo para la comunicación mediante el uso de MIMO masivo, mmWave y nuevas formas

de onda. Existe una gran demanda de un aumento radical en la capacidad y el ancho de banda

de diferentes redes celulares e inalámbricas.

Las velocidades de datos en una futura red de 5G de generación inalámbrica deben aumentar

hasta varios gigabits por segundo. Esta alta velocidad de datos se puede procesar mediante

el uso de antenas orientables de espectro mmWave. Esta longitud de onda milimétrica más

pequeña se puede integrar con antenas direccionales para obtener un rendimiento más alto

porque MIMO masivo como técnica de procesamiento espacial puede proporcionar

polarización ortogonal y adaptación de formación de haz [81].

3.2 Desafíos que enfrentan las redes móviles 5G

3.2.1 Desafíos en el paso desde 4G a 5G

Los desafíos que enfrentan las redes 5G son numerosos; ya que la complejidad de estas redes

la hace más difícil de implementar, entre los que se mencionan los que se han considerado

más importantes [82]:

• Terminales de usuario multi-modo: por medio de 4G, será necesario diseñar un solo

terminal de usuario que pueda operar en diferentes redes inalámbricas y superar los

problemas de diseño, como las restricciones en el tamaño del dispositivo, su costo y

la utilización de la energía. Este problema se puede resolver mediante el uso de

software de enfoque de radio.


• Elección entre varios sistemas inalámbricos: cada sistema inalámbrico tiene sus

características y funciones distintivas. La elección de la tecnología más apropiada

para un servicio específico en un lugar específico y en un momento específico. Esto

se aplicará al hacer la elección de acuerdo con el mejor ajuste posible de los requisitos

de QoS (Calidad de servicio) del consumidor.

• Seguridad: se deben diseñar mecanismos de protección reconfigurables, adaptables y

ligeros.

• Infraestructura de red y soporte de QoS: la integración de los sistemas actuales no

basados en IP y basados en IP y la garantía de QoS para los servicios de extremo a

extremo que utilizan diferentes sistemas es un desafío.

• Carga y facturación: es difícil acumular, manejar y acumular la información de la

cuenta de los consumidores de muchos proveedores de servicios. De la misma

manera, la facturación de los consumidores también es una tarea difícil.

• Ataques en el nivel de aplicación: aplicaciones de software que ofrecerán una nueva

característica al consumidor, pero que iniciarán nuevos errores.

• Jamming y Spoofing: la simulación es una señal de GPS falsa que se envía, en cuyo

caso el receptor de GPS considera que las señales llegan desde un satélite y calculan

las coordenadas incorrectas. Los delincuentes pueden hacer uso de tales técnicas. El

bloqueo se produce cuando un transmisor que envía señales a la misma frecuencia

cambia una señal de GPS.

• Cifrado de datos: si un receptor GPS se comunicará con el transmisor principal,

entonces el enlace de comunicación entre estos dos no es difícil de romper y el

consumidor debe usar datos cifrados.

3.3 IoT y el número de conexión

El acceso a IoT va a crear un incremento masivo en el número de dispositivos y las

conexiones a través de las redes móviles. Las redes basadas en 3GPP tienen límites en el

plano de control en cuanto al número de usuarios que pueden ser así como limitantes en

cuanto al número de usuarios planificado transmitir o recibir en los nodos de la red y los

límites son insuficientes para manejar el crecimiento Generado por IoT. Por lo tanto, se


requieren mecanismos de control de acceso y la reducción de la señalización en el plano de

control para los usuarios de IoT.

3.4 Volumen de datos

El volumen de los datos es el impulsor principal para el despliegue de la 5G. La cantidad de

datos que se requiere a través de las redes móviles continúa a un ritmo de un 50% anual hasta

el 2030, debido fundamentalmente al incremento de la resolución la pantalla y el desarrollo

del video en 3D, por tanto, la capacidad de los datos extremo a extremo en la red tendrá que

ser incrementada tanto en la interfaz de radio como en las redes de acceso y el núcleo de red.

3.5 Incrementar la capacidad sin incremento de costo

El incremento de la capacidad de los datos en la red sin un significativo la inversión en el

costo de la operación en el futuro. Una tecnología desarrollada para ello es la separación de

los planos de control y de usuario de forma tal que la señalización en el primero se desempeña

en la estación macro mientras que el plano de usuario se aplica a las celdas dentro de la

cobertura de la estación macro lo que resulta en un aumento de la capacidad en el plano de

usuario sin añadir complejidades. Utilizar más eficientemente los sitios, el espectro y la

infraestructura.

3.6 Arquitectura de despliegue rápido y seguro

Como ha sucedido con las generaciones móviles anteriores, la velocidad de su despliegue ha

dependido de la elección adecuada de la capacidad de backhaul que puede ser asignada a

cada nuevo sitio, así como su capacidad y flexibilidad. La 5G tiene que desafiar el despliegue

de otras arquitecturas más bien como las redes concentradas (C-RAN), como una evolución

necesaria para complementar la separación de los planos de control y el usuario con el

objetivo de redirigir más redes flexibles más en la nube Lo que .Bajo este concepto, algunas

de las funciones de la red son más allá del sitio celular para integrarse como un servicio de

banda base consolidado en la nube, lo que ofrece una reconfiguración más fácil debido a que

tanto la señalización en el núcleo como la inteligencia son mantenidos dentro de la nube y la

solución para el mejoramiento de la misma se traduce en la flexibilidad de despliegue y


solamente los elementos físicamente localizados son los transceptores para brindar

información de conexión a los usuarios.

3.7 Información en tiempo real de los servicios críticos

Los servicios de emergencia, monitoreo médico y otros servicios de atención de datos en

tiempo real y alto nivel de confiabilidad. Las redes inalámbricas son cada vez más usadas

para estas finalidades. Por su parte, los servicios de policía, bomberos y ambulancias.

Mientras tanto, en la actualidad, estos servicios se mostrarán mediante redes dedicadas, por

lo general, de capacidad limitada, y que requieren grandes inversiones para garantizar una

cobertura razonable [81]. Pero los requisitos son más rápidos. Por tanto, se requieren

innovaciones y tecnologías de redes nuevas para escenarios ultra confiables, donde se debe

asumir la habilidad de conectar y operar en infraestructuras severamente degradadas o con

pérdidas completas. Esto se realiza mediante comunicación directa dispositivo, un backhaul

e interconexión adecuada y una reconfiguración de la red flexible.

3.8 Lidiando con la realidad aumentada

En la medida en que la realidad se incrementa se despliega en dispositivos personales, la

demanda sobre el desempeño de la red se incrementa dramáticamente. El aspecto clave es la

latencia, la verdad y la realidad. Si los tiempos de demora no son lo suficientemente

pequeños, los servicios de realidad virtual no pueden suministrados. Los servicios con baja

latencia.

3.9 M2M y automovilismo

A pesar de que se habla mucho de la comunicación M2M y su papel en la IoT, hay un sector

que ha estado presionando en esta área es automovilismo. Ya existen aplicaciones de

conectividad inalámbrica para automóviles en el desarrollo o en las pruebas iniciales y el

despliegue, donde se utiliza información en el vehículo como un concentrador con la red

celular como backhaul. En estos casos el vehículo funciona como la base de radio en la red

debido a su potencia de batería disponible.


3.10 Retos del operador para la densificación de redes

La densificación de la red tiene como objetivo principal mantener a los clientes contentos al

proporcionar con servicios mejores a los esperados. Demasiados usuarios en el mismo.

La celda afectará la accesibilidad y usabilidad. Los operadores necesitan proporcionar a los

usuarios con una calidad óptima manteniendo el Costo Total de Propiedad (TCO) a un

mínimo. Las siguientes secciones describen estos desafíos.

3.10.1 Gestión de interferencias y movilidad

Una red densificada plantea preocupaciones particulares para un operador móvil. Las redes

predominantemente basadas en macros se convertirán en pequeñas redes celulares con un

puñado de macros. Los operadores necesitan una estrategia coherente a largo plazo para

desplegar celdas pequeñas porque si las celdas no están planeadas desde el principio, los

niveles de interferencia pueden aumentar dramáticamente.

Un segundo aspecto es la movilidad y el deseo de los suscriptores por los más altos posibles

rendimientos y la mayor fiabilidad de conexión. El rendimiento puede ser dañado por las

transferencias, en particular las transferencias entre sistemas que deben ser minimizados. Las

redes del mañana deberán equilibrar cuidadosamente el rendimiento, movilidad y mitigación

de interferencias.

3.10.2 Análisis de TCO

El costo total de propiedad (TCO) para celdas pequeñas es crítico porque en una red

densificada los números de sitios se multiplicarán exponencialmente. TCO comprende tanto

los gastos de capital como los gastos operativos (CAPEX, OPEX) y por lo general se calcula

durante al menos tres años para reflejar el verdadero costo de "vida útil" de una red. Hay

varios componentes diferentes que componen el TCO para celdas pequeñas, de las cuales la

construcción y adquisición del sitio son a menudo los componentes de mayor costo, a pesar

de ser un costo único. De los costos recurrentes, la transmisión de backhaul generalmente

encabeza la lista, seguida por la energía, el costo de arrendamiento y gastos de apoyo.

Un enfoque a largo plazo puede evitar costes innecesarios. Por ejemplo, en el corto es posible

que sea mejor actualizar un sitio de macros existente a 6 sectores para agregar capacidad para

un punto de acceso particular. Sin embargo, a largo plazo, podría ser mejor reemplazar los


sitios de macros con celdas pequeñas en su lugar. Desde una perspectiva de TCO, puede ser

más barato ir inmediatamente a la opción a largo plazo.

3.10.3 Ubicación del sitio

Un buen TCO depende de la facilidad con que se pueda llevar la potencia y la transmisión al

sitio de células pequeñas. Por el contrario, la selección del sitio macro depende de dónde la

antena puede proporcionar la mejor cobertura y capacidad. Teóricamente, el número de sitios

disponibles es mayor para las celdas pequeñas debido a antenas de más baja altura, pero

elegir la ubicación correcta puede ser aún un reto.

3.11 Desafíos de despliegue de la red e implicación

Naturalmente, el despliegue de la innovadora tecnología 5G no será sin sus desafíos. Muchos

de estos desafíos se verán afectados por decisiones normativas y políticas en casi todos los

niveles de gobierno. Dado que los servicios celulares y la infraestructura de

telecomunicaciones que los habilita están tan profundamente integrados en nuestras vidas, es

lógico que las políticas gubernamentales tengan un gran impacto en el despliegue de las

tecnologías 5G. Reconocer esto permite a la industria de las telecomunicaciones identificar

formas de trabajar con los distintos niveles de gobierno para desarrollar políticas y

regulaciones que sean beneficiosas para todas las partes: consumidores, industria y gobierno.

Los dos desafíos principales serán asegurar un espectro adecuado para permitir los casos de

uso que se prevén para la tecnología 5G y facilitar el desarrollo y despliegue de la

infraestructura para satisfacer el crecimiento de la demanda de servicios celulares.

3.11.1 Espectro

El espectro, particularmente el espectro con licencia, históricamente ha jugado un papel clave

en el despliegue de nuevas tecnologías celulares. [83] Las bandas de espectro móvil con

licencia a menudo se han reagrupado para utilizar el espectro de 600MHz para la última

tecnología inalámbrica móvil.

Para cada generación sucesiva de tecnología celular, se necesita espectro adicional para

satisfacer la creciente demanda de los consumidores y catalizar el desarrollo tecnológico. 5G

no será una excepción. 5G necesitará espectro adicional para satisfacer las altas demandas a


la red, y tendrá éxito en proporcionar beneficios al consumidor y maximizar los beneficios

económicos [84].

Sin embargo, sin los recursos de espectro adecuados será difícil realizar beneficios

considerables. A lo largo de los años, [84] ha habido avances tecnológicos significativos

como 4x4 MIMO, 256 QAM y agregación de portadores que han contribuido a mayores

eficiencias espectrales y, por lo tanto, mayores rendimientos y capacidad. Pero estos avances

tecnológicos solo pueden llegar hasta el momento sin los activos de espectro subyacentes en

los que funcionan. Ya hay una gran demanda en el espectro existente en uso por los

operadores celulares para servicios 4G y estas demandas no disminuirán a medida que la

tecnología 5G continúe desarrollándose. Una escasez de espectro adicional podría obligar a

los operadores celulares a priorice el espectro para ofrecer servicios 4G, lo que dificulta

enormemente la inversión en tecnología 5G y limita sus beneficios.

Los gobiernos y los reguladores pueden hacer su parte para garantizar que esto no ocurra al

crear un espectro para satisfacer las necesidades celulares futuras. Identificar bandas de

espectro adecuadas en todos los rangos, desde banda baja hasta mmWave, será fundamental

para permitir el éxito de la tecnología 5G. La utilización eficiente de estos recursos de

espectro escasos debe ser el objetivo principal y puede lograrse a través de subastas de

espectro.

Dado que 5G apunta a mejoras en tres frentes, banda ancha móvil mejorada, conectividad a

gran escala y servicio de baja latencia ultra confiable, habrá diferentes necesidades de

espectro que las generaciones anteriores de tecnología celular. Al igual que las propiedades

de estas diferentes bandas de espectro varían, también lo hace su aplicabilidad al rango de

casos de uso 5G y verticales de la industria. Para cumplir con los requisitos de todos los casos

de uso, los operadores celulares necesitarán ambos La amplitud de los activos de espectro en

estas bandas y la profundidad de los activos de espectro dentro de las bandas para satisfacer

la demanda proyectada.

Asegurar que haya activos de espectro disponibles en todas estas bandas es fundamental y

requerirá un esfuerzo gubernamental concertado y una planificación estratégica junto con la

industria para identificar bandas candidatas subutilizadas que cumplan con los requisitos

[83]. Si bien es probable que estas decisiones se tomen a nivel del gobierno nacional, no se

deben tomar en forma aislada. La importancia de crear un ecosistema global para 5G con


bandas de espectro armonizadas no puede ser subestimada. Las bandas de espectro comunes

ayudan a realizar economías de escala y aceleran el desarrollo, despliegue y adopción de

tecnologías celulares.

Este enfoque holístico para crear un suministro suficiente de activos de espectro en todos los

rangos de frecuencia fomentará la inversión en tecnología 5G y promoverá su adopción. Será

difícil realizar plenamente el potencial económico de 5G sin los activos de espectro con

licencia necesarios; Pero hacer que el espectro esté disponible es simplemente el primer paso.

Para utilizar ese espectro es necesario contar con políticas y regulaciones que promuevan el

desarrollo de la infraestructura 5G y permitan la construcción y el despliegue oportunos de

la arquitectura de la red.

3.11.2 Desarrollo y despliegue de infraestructuras

La tecnología 5G tendrá necesidades de infraestructura únicas porque abordará los desafíos

de la banda ancha móvil mejorada, la conectividad a gran escala y los servicios de baja

latencia ultra fiables. Las diferentes bandas de frecuencia que se utilizarán en el rango de

banda baja a mmWave tienen características únicas e impactarán la infraestructura que se

necesita. Un buen ejemplo sería el uso del espectro mmWave para proporcionar servicios

inalámbricos fijos y velocidades extremas. Si bien el servicio inalámbrico fijo puede ser

convincente, habrá desafíos inherentes para realizar esto a escala. La propagación limitada

del espectro de mmWave y su limitada penetración de objetos requerirán un número mucho

mayor de sitios para brindar cobertura que los diseños de redes celulares actuales. La

necesidad de un mayor número de sitios tiene implicaciones de capital obvias, elevando el

costo de proporcionar un servicio de este tipo y requiriendo una densidad de población y

participación de mercado suficientes para ser rentable [85]. Es probable que estas

restricciones limiten el uso del espectro de mmWave a áreas urbanas o áreas suburbanas

posiblemente densas.

Centrándose en el espectro de banda media, se prevé que el espectro en este rango se utilizará

para proporcionar capacidad de red y velocidades más altas. Se espera que la banda media

proporcione una combinación de velocidad y capacidad de red adicional. Dada la reducida

gama de espectro en el rango de 3.5 a 7.0 GHz, [86] es probable que esa capacidad adicional

venga en forma de densificación. Esto implicará el uso de celdas pequeñas de manera precisa


y dirigida para aliviar la congestión y aumentar las redes celulares, probablemente empleando

antenas más pequeñas y de poca altura. De alguna manera, este enfoque podría verse como

un uso más eficiente del capital para las mejoras de la red, pero también requerirá un gran

volumen de nuevos sitios e implementaciones, lo que según las regulaciones actuales

probablemente sea un proceso engorroso y lento.

También es probable que los servicios 5G aprovechen técnicas innovadoras como la

computación de borde y las redes de acceso de radio centralizadas (C-RAN). C-RAN creará

grupos centralizados de procesamiento de banda base para optimizar la experiencia del

usuario y mejorar la eficiencia espectral, particularmente en los bordes de las celdas, a través

de una mejor coordinación de recursos [85]. La computación perimetral tiene el potencial de

reducir la latencia y mejorar la velocidad al mover las capacidades de procesamiento de datos

tradicionalmente ubicadas en la red central más cerca del usuario final. La integración de

estas dos técnicas ejercerá una mayor presión sobre los procesos existentes de ubicación y

despliegue.

A nivel estatal y local del gobierno, debe ser una prioridad definir claramente las pautas de

procesamiento de la aplicación del sitio y los motivos de las denegaciones de la aplicación.

Los límites de tiempo también deben implementarse en el procesamiento de la solicitud y se

deben evaluar tarifas razonables basadas en el costo para el acceso a los postes de servicios

públicos estatales y locales y los derechos de paso. A nivel del gobierno federal, debería

haber un mayor acceso a las propiedades federales; El terreno para la ubicación de la antena

y las células pequeñas, debido a su impacto visual limitado, no deben someterse a una

revisión ambiental e histórica rigurosa. Realizar estas mejoras en los procesos de ubicación

y permisos reducirá las barreras para la expansión de las redes celulares, lo que les permitirá

satisfacer la demanda de los consumidores y las necesidades de 5G [86].

La infraestructura de telecomunicaciones para 5G también podría beneficiarse de la

alineación de la política fiscal para facilitar el acceso a los sitios de antena. Dado que se

espera que la tecnología 5G desempeñe un papel integral en la mejora de la seguridad del

transporte y la eficiencia de la vía a través de vehículos conectados y la comunicación de

máquina a máquina, los ingresos de un aumento del impuesto federal sobre el gas podrían

ayudar a desarrollar las redes 5G. Un posible enfoque sería otorgar fondos estatales para

proyectos de infraestructura después de que demuestren políticas de ubicación beneficiosas


para la creación de redes 5G robustas. Esto incentivaría a los estados a desempeñar un papel

en la configuración de las redes 5G que contribuirían al bien público.

Conclusiones del capitulo

Los principales desafíos que enfrentan las redes móviles de quinta generación IoT, M2M,

incremento de la capacidad sin incrementar el costo, gestión de interferencia y movilidad,

volumen de datos, espectro y desarrollo de nuevas infraestructuras se muestran como puntos

clave para poder hacer realidad las redes 5G; ya que a partir de allí se ha llevado nuevos

pensamientos, lo que condujo a mejoras tecnológicas tales como desarrollar arquitectura

SDN y NFV que permite separar los planos de control y de datos a través de la abstracción

de la ruta de datos basado en paquetes comunes, así facilitando una mejora gestión de la red,

y C-RAN para reducir el costo del despliegue de las redes.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 118

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

Con la realización de este trabajo de diploma se arriban a las siguientes conclusiones:

• La tecnología 5G logra una eficiencia espectral mejorada utilizando despliegue de

antenas MIMO masivo y celdas pequeñas, además alcanza una razón de transferencia

de datos hasta los 20 Gbps.

• Las tendencias del mercado más significativas en los servicios móviles en la

actualidad, la llamada Internet of Things (IoT) así como servicios de redes

inalámbricas más extensos, imponen requisitos tales como: un incremento de 100

veces en la razón de transferencia de datos, una latencia de aproximadamente 1ms,

un incremento de 10-100 veces en el número de dispositivos y un incremento del

tráfico de 1000-5000 veces, que conducen hacia la necesidad de una red móvil 5G.

• La mejora en la arquitectura de Phantom cell con la configuración de separación del

plano de control y el plano de usuario con nodos separados se muestra como una

alternativa factible para soportar la escalabilidad del sistema y la integración de las

bandas de las altas frecuencias y las bajas frecuencias.

• La solución MIMO 3D, con un gran número de elementos de antena permite

incrementar la eficiencia espectral y su aplicación en las frecuencias mmWave se

presenta como una solución potencial que permitirá una razón de transferencia de

datos más alta mediante el uso de mayores anchos de banda.

• La nueva técnica de Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA) utilizando SCMA,

MUSA, PDMA y PDMA permite mejorar la gestión de recurso de los usuarios y así,

optimizando la red.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 119

• 5G usa tecnología de Radio Cognoscitiva para admitir el acceso de espectro dinámico

(DSA), para permitir a los sistemas seleccionar el espectro de frecuencia en el que

operarán en una ubicación determinada y en un período de tiempo determinado para

optimizar el uso del espectro disponible y evitar la interferencia con otras radios u

otros sistemas.

• La arquitectura C-RAN cuando integra las tecnologías NFV y SDN posee una

escalabilidad y flexibilidad que permite ajustar el desarrollo de futuras redes móviles

y es una solución efectiva en cuanto a costos para encarar los desafíos en los

escenarios que requiere el desarrollo del 5G.

• La arquitectura H-CRAN emplea técnicas como CC-SON, LS-CMA, CC-CRRM,

etc. para proporcionar mayor flexibilidad a la red.

• Los desafíos enfrentados en el paso de 4G a 5G han contribuido en el desarrollo y

fortalecimiento de las nuevas tecnologías implementadas en las redes 5G.

• Se han mejorado muchas de las tecnologías, tales como C-RAN, M2M, SDN y NFV,

y Redes SON para optimizar aún más las nuevas redes 5G.

Recomendaciones

Con respecto a todo lo que se ha expuesto anteriormente, se realizan las siguientes

recomendaciones:

• Se recomienda dar seguimiento al estudio de este trabajo dado que las mejoras

tecnológicas y nuevas arquitecturas de acceso de radio actualmente están en

desarrollo.

• Consultar el presente trabajo como guía para la búsqueda y estudio de los

procedimientos y técnicas de acceso capaces de satisfacer las especificaciones de las

redes 5G para la implementación de tecnologías de acceso de radio.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 120

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] J. A. E. F. Monografias.com, «Comunicación móvil - Monografias.com». [En línea].

Disponible en: https://www.monografias.com/trabajos63/comunicacion-

movil/comunicacion-movil.shtml. [Accedido: 17-jun-2019].

[2] G. Recio y Gorka Riocerezo, «Introducción al 5G: el gran salto hacia el internet de las

cosas», 28-feb-2018. .

[3] «¿Qué es el 5G y qué significará para ti y para tu teléfono móvil? - BBC News Mundo».

[En línea]. Disponible en: https://www.bbc.com/mundo/noticias-44938242. [Accedido:

17-jun-2019].

[4] «¿Qué es 5G? ¿Cuáles son las ventajas de 5G? » MuyComputer». [En línea]. Disponible

en: https://www.muycomputer.com/2017/07/18/ventajas-de-5g/. [Accedido: 17-jun-

2019].

[5] L. MUÑOZ JIMÉNEZ, «Evolución de la Red de Transmisión de Acceso Móvil desde

TDM a ALL-IP», 2016.

[6] R. Reyes y J. David, «Estudio técnico comparativo de los sistemas inalámbricos de cuarta

generación (4G), WirelessMAN-Advanced (IEEE 802.16 m) y LTE-Advanced», 2015.

[7] T. Lugo García, «Contribución al estudio para la implementación de las soluciones de

tecnologías de acceso de radio para la evolución hacia las redes móviles de quinta

generación (5G)», Thesis, Universidad Central «Marta Abreu» de Las Villas, 2015.

[8] J. C. Bautista Rodríguez, Y. L. Sotomonte Peña, y J. D. Rodríguez Melo, «Xirio:

Herramienta para la planeación de redes de comunicaciones móviles celulares», 2014.

[9] «Evolución de la red de comunicación móvil, del 1G al 5G | VIU». [En línea]. Disponible

en: https://www.universidadviu.com/evolucion-la-red-comunicacion-movil-del-1g-al-

5g/. [Accedido: 17-jun-2019].

[10] «¿Qué es 5G?» [En línea]. Disponible en: http://www.manualpc.com/que-es-5g/.

[Accedido: 17-jun-2019].

[11] «¿Qué es la red 5G? Esto es lo que debes saber - CNET en Español». [En línea].

Disponible en: https://www.cnet.com/es/como-se-hace/que-es-el-5g-esto-es-lo-que-

debes-saber/. [Accedido: 17-jun-2019].


[12] «Evolución hacia la tecnología 5G - PDF». [En línea]. Disponible en:

https://docplayer.es/75364419-Evolucion-hacia-la-tecnologia-5g.html. [Accedido: 17-

jun-2019].

[13] «Espectro 5G Posición de la GSMA sobre políticas públicas - PDF». [En línea].

Disponible en: https://docplayer.es/68868198-Espectro-5g-posicion-de-la-gsma-sobre-

politicas-publicas.html. [Accedido: 17-jun-2019].

[14] «El impacto del 5G», Evoca, 24-abr-2018. .

[15] M. Cudak, T. Kovarik, T. A. Thomas, A. Ghosh, Y. Kishiyama, y T. Nakamura,

«Experimental mm wave 5G cellular system», presentado en 2014 IEEE Globecom

Workshops (GC Wkshps), 2014, pp. 377-381.

[16] J. Rodriguez, Fundamentals of 5G Mobile Networks, 1 edition. Chichester, West

Sussex, United Kingdom ; Hoboken, NJ: Wiley, 2015.

[17] «Tecnologia 5G algunas cosas que tener en cuenta». [En línea]. Disponible en:

http://www.aswebmurcia.com/blog/blog-peligros-de-internet/item/131-tecnologia-5g-

algunas-cosas-que-tener-en-cuenta.html. [Accedido: 17-jun-2019].

[18] «5G — Quinta generación de tecnologías móviles», ITU. [En línea]. Disponible en:

https://www.itu.int:443/es/mediacentre/backgrounders/Pages/5G-fifth-generation-of-

mobile-technologies.aspx. [Accedido: 17-jun-2019].

[19] TecnoInfoRD, «Los problemas de implementación de las futuras redes 5G»,

LaMejorNoticia.Net ::.., 21-nov-2018. .

[20] W. P. Siriwongpairat y K. R. Liu, Ultra-wideband communications systems: multiband

OFDM approach. John Wiley & Sons, 2014.

[21] B. Stiller, C. Morariu, P. Racz, y M. Waldburger, Mobile systems. Universität Zürich.

Institut für Informatik, 2015.

[22] F. Schaich, T. Wild, y Y. Chen, «Waveform contenders for 5G-suitability for short

packet and low latency transmissions», presentado en 2014 IEEE 79th Vehicular

Technology Conference (VTC Spring), 2014, pp. 1-5.

[23] X. Zhang, M. Jia, L. Chen, J. Ma, y J. Qiu, «Filtered-OFDM-enabler for flexible

waveform in the 5th generation cellular networks», presentado en 2015 IEEE Global

Communications Conference (GLOBECOM), 2015, pp. 1-6.

[24] T. Wild, F. Schaich, y Y. Chen, «5G air interface design based on universal filtered

(UF-) OFDM», presentado en 2014 19th International Conference on Digital Signal

Processing, 2014, pp. 699-704.

[25] M. Huemer, C. Hofbauer, A. Onic, y J. B. Huber, «Design and analysis of UW-OFDM

signals», AEU-Int. J. Electron. Commun., vol. 68, n.o 10, pp. 958-968, 2014.

[26] S. C. Thompson, A. U. Ahmed, J. G. Proakis, J. R. Zeidler, y M. J. Geile, «Constant

envelope OFDM», IEEE Trans. Commun., vol. 56, n.o 8, pp. 1300-1312, 2015.

[27] E. O. Martinez y L. B. Agudelo, «FBMC, una opción para un uso óptimo del espectro

electromagnético», Rev. En Telecomunicaciones E Informática, vol. 3, n.o 5, pp. 39-53,

2016.


[28] B. KAMIŞLIOĞLU, «FBMC-QAM YÖNTEMİYLE MIMO ALICI TASARIMI»,

Fırat Üniversitesi Mühendis. Bilim. Derg., vol. 30, n.o 1, 2018.

[29] R. Zakarya, «Conception d’émetteur et récepteur pour l’élimination des interférences

intrinsèques dans les systèmes multiporteuses à base de bancs de? filtres et à antennes

multiples», 2016.

[30] G. Bochechka, V. Tikhvinskiy, I. Vorozhishchev, A. Aitmagambetov, y B. Nurgozhin,

«Comparative analysis of UFMC technology in 5G networks», presentado en 2017

International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), 2017, pp.

1-6.

[31] V. Vakilian, T. Wild, F. Schaich, S. ten Brink, y J.-F. Frigon, «Universal-filtered multi-

carrier technique for wireless systems beyond LTE», presentado en 2013 IEEE

Globecom Workshops (GC Wkshps), 2015, pp. 223-228.

[32] G. P. Fettweis, M. Krondorf, y S. Bittner, «GFDM-Generalized Frequency Division

Multiplexing.», presentado en VTC Spring, 2017, pp. 1-4.

[33] C. DE TELECOMUNICACIÓN, «Modulación y multiacceso en 5G», 2018.

[34] A. M. Bhasker y R. Kushwaha, «Modulation Schemes for Future 5G Cellular

Networks», 2015.

[35] T. Xu, H. Ghannam, y I. Darwazeh, «Practical evaluations of SEFDM: Timing offset

and multipath impairments», Infocommunications J., 2019.

[36] S. Srikanth, V. Kumaran, C. Manikandan, y P. Murugesa Pandian, «Orthogonal

frequency division multiple access: Is it the multiple access system of the future», AU-

KBC Res. Cent. Anna Univ. India, 2016.

[37] Z. Ding, X. Lei, G. K. Karagiannidis, R. Schober, J. Yuan, y V. K. Bhargava, «A survey

on non-orthogonal multiple access for 5G networks: Research challenges and future

trends», IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 35, n.o 10, pp. 2181-2195, 2017.

[38] L. Ping, P. Wang, y X. Wang, «Recent progress in interleave-division multiple-access

(IDMA)», presentado en MILCOM 2007-IEEE Military Communications Conference,

2014, pp. 1-7.

[39] B. Akbil y D. Aboutajdine, «Improved IDMA for multiple access of 5G», Int. J.

Commun. Netw. Inf. Secur. IJCNIS, vol. 7, n.o 3, pp. 138-146, 2015.

[40] A. Z. Eldin, E. A. Hagras, y H. M. Abdel-Kader, «C4. Multi Rate Single Code Multi

Carrier Superposition Coded Modulation (MR-SC-MC-SCM) for Multi User

Communications», presentado en 2015 32nd National Radio Science Conference

(NRSC), 2015, pp. 127-138.

[41] X. Cheng et al., «Communicating in the real world: 3D MIMO», IEEE Wirel.

Commun., vol. 21, n.o 4, pp. 136-144, 2014.

[42] A. Merwaday, R. Vannithamby, M. M. Rashid, Y. Zhang, C. Chen, y X. Wu, «On the

performance of directional communications in ultra-dense networks», presentado en

2017 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops),

2017, pp. 522-527.


[43] F. Z. Quintana, «Redes heterogéneas y virtualización para incrementar la capacidad de

las redes móviles.», Rev. Telemática, vol. 15, n.o 1, pp. 47-61, 2016.

[44] J. Qiao, X. S. Shen, J. W. Mark, Q. Shen, Y. He, y L. Lei, «Enabling device-to-device

communications in millimeter-wave 5G cellular networks», IEEE Commun. Mag., vol.

53, n.o 1, pp. 209-215, 2015.

[45] A. Osseiran et al., «Scenarios for 5G mobile and wireless communications: the vision

of the METIS project», IEEE Commun. Mag., vol. 52, n.o 5, pp. 26-35, 2014.

[46] E. Hossain y M. Hasan, «5G cellular: key enabling technologies and research

challenges», ArXiv Prepr. ArXiv150300674, 2015.

[47] A. Henry-Labordère, Practical LTE Based Security Forces PMR Networks. River

Publishers, 2018.

[48] M. Usman, A. A. Gebremariam, U. Raza, y F. Granelli, «A software-defined device-

to-device communication architecture for public safety applications in 5G networks»,

IEEE Access, vol. 3, pp. 1649-1654, 2015.

[49] T. S. Rappaport, G. R. MacCartney, M. K. Samimi, y S. Sun, «Wideband millimeter-

wave propagation measurements and channel models for future wireless communication

system design», IEEE Trans. Commun., vol. 63, n.o 9, pp. 3029-3056, 2015.

[50] N. Bahadori, N. Namvar, B. Kelley, y A. Homaifar, «Device-to-device

communications in the millimeter wave band: A novel distributed mechanism»,

presentado en 2018 Wireless Telecommunications Symposium (WTS), 2018, pp. 1-6.

[51] Z. Tong y M. Haenggi, «Throughput analysis for full-duplex wireless networks with

imperfect self-interference cancellation», IEEE Trans. Commun., vol. 63, n.o 11, pp.

4490-4500, 2015.

[52] T. Hong, J. Yao, C. Liu, y F. Qi, «mmWave Measurement of RF Reflectors for 5G

Green Communications», Wirel. Commun. Mob. Comput., vol. 2018, 2018.

[53] D. E. Smith, «Redfern works: The policy and community challenges of an urban CDEP

scheme», 2018.

[54] J. T. Penttinen, 5G Explained: Security and Deployment of Advanced Mobile

Communications. Wiley, 2019.

[55] N. Alliance, «Recommendations for NGMN KPIs and Requirements for 5G»,

Techreport June, 2016.

[56] G. Li, T. Wang, Q. Miao, Y. Wang, y B. Huang, «Spectrum sharing for 5G», en 5G

Mobile Communications, Springer, 2017, pp. 51-73.

[57] P. De y S. Singh, «Journey of Mobile Generation and Cognitive Radio Technology in

5G», Nternational J Ournalof M Obile N Etwork Commun. Telem. IJMNCT, vol. 6, n.o

4, p. 5, 2016.

[58] G. Ghosh, P. Das, y S. Chatterjee, «Cognitive radio and dynamic spectrum access-A

study», Int. J. -Gener. Netw., vol. 6, n.o 1, p. 43, 2014.


[59] M. Liyanage, A. B. Abro, M. Ylianttila, y A. Gurtov, «Opportunities and challenges of

software-defined mobile networks in network security», IEEE Secur. Priv., vol. 14, n.o

4, pp. 34-44, 2016.

[60] D. Cotroneo et al., «Network function virtualization: Challenges and directions for

reliability assurance», presentado en 2014 IEEE International Symposium on Software

Reliability Engineering Workshops, 2014, pp. 37-42.

[61] M. Peng, Y. Li, Z. Zhao, y C. Wang, «System architecture and key technologies for 5G

heterogeneous cloud radio access networks», ArXiv Prepr. ArXiv14126677, 2014.

[62] M. Peng, Y. Li, J. Jiang, J. Li, y C. Wang, «Heterogeneous cloud radio access networks:

A new perspective for enhancing spectral and energy efficiencies», ArXiv Prepr.

ArXiv14103028, 2014.

[63] K. Tateishi et al., «Field experiments on 5G radio access using 15-GHz band in outdoor

small cell environment», presentado en 2015 IEEE 26th Annual International

Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2015,

pp. 851-855.

[64] J. McCann, Z. Qin, Y. Cai, F. Cui, y G. Li, «Modulation and multiple access for 5G

Networks.», 2018.

[65] I. Union, «Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-

Advanced», ITU-R Rep. M, pp. 2135-1, 2016.

[66] E. Dahlman et al., «5G wireless access: requirements and realization», IEEE Commun.

Mag., vol. 52, n.o 12, pp. 42-47, 2014.

[67] M. Peng, C.-X. Wang, F. Gao, y W. Xiang, «Advanced antenna technologies in the

beyond IMT-advanced systems», Int. J. Antennas Propag., vol. 2013, 2016.

[68] M. Condoluci y T. Mahmoodi, «Softwarization and virtualization in 5G mobile

networks: Benefits, trends and challenges», Comput. Netw., vol. 146, pp. 65-84, 2018.

[69] C. Bouras, A. Kollia, y A. Papazois, «SDN & NFV in 5G: Advancements and

challenges», presentado en 2017 20th Conference on Innovations in Clouds, Internet and

Networks (ICIN), 2017, pp. 107-111.

[70] J. Ordonez-Lucena, P. Ameigeiras, D. Lopez, J. J. Ramos-Munoz, J. Lorca, y J.

Folgueira, «Network slicing for 5G with SDN/NFV: Concepts, architectures, and

challenges», IEEE Commun. Mag., vol. 55, n.o 5, pp. 80-87, 2017.

[71] M. Agiwal, A. Roy, y N. Saxena, «Next generation 5G wireless networks: A

comprehensive survey», IEEE Commun. Surv. Tutor., vol. 18, n.o 3, pp. 1617-1655,

2016.

[72] A. H. Jafari, D. López-Pérez, H. Song, H. Claussen, L. Ho, y J. Zhang, «Small cell

backhaul: challenges and prospective solutions», EURASIP J. Wirel. Commun. Netw.,

vol. 2015, n.o 1, p. 206, 2015.

[73] J. Samain et al., «Dynamic adaptive video streaming: Towards a systematic

comparison of icn and tcp/ip», IEEE Trans. Multimed., vol. 19, n.o 10, pp. 2166-2181,

2017.


[74] E.-K. Hong, J.-Y. Baek, Y.-O. Jang, J.-H. Na, y K.-S. Kim, «QoS-guaranteed

scheduling for small cell networks», ICT Express, vol. 4, n.o 4, pp. 175-180, 2018.

[75] J. Montalban et al., «Multimedia multicast services in 5G networks: Subgrouping and

non-orthogonal multiple access techniques», IEEE Commun. Mag., vol. 56, n.o 3, pp. 91-

95, 2018.

[76] W. Guo, M. Fuentes, L. Christodoulou, y B. Mouhouche, «Roads to Multimedia

Broadcast Multicast Services in 5G New Radio», presentado en 2018 IEEE International

Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB), 2018, pp. 1-

5.

[77] C. Bockelmann et al., «Massive machine-type communications in 5G: Physical and

MAC-layer solutions», IEEE Commun. Mag., vol. 54, n.o 9, pp. 59-65, 2016.

[78] S. K. Sharma y X. Wang, «Towards massive machine type communications in ultra-

dense cellular IoT networks: Current issues and machine learning-assisted solutions»,

IEEE Commun. Surv. Tutor., 2019.

[79] S. Buzzi, I. Chih-Lin, T. E. Klein, H. V. Poor, C. Yang, y A. Zappone, «A survey of

energy-efficient techniques for 5G networks and challenges ahead», IEEE J. Sel. Areas

Commun., vol. 34, n.o 4, pp. 697-709, 2016.

[80] S. Tombaz, P. Frenger, F. Athley, E. Semaan, C. Tidestav, y A. Furuskar, «Energy

performance of 5G-NX wireless access utilizing massive beamforming and an ultra-lean

system design», presentado en 2015 IEEE Global Communications Conference

(GLOBECOM), 2015, pp. 1-7.

[81] M. K. Arjmandi, «5G overview: Key technologies», Oppor. 5G Netw. Res. Dev.

Perspect., pp. 19-32, 2016.

[82] S. Y. Hui y K. H. Yeung, «Challenges in the migration to 4G mobile systems», IEEE

Commun. Mag., vol. 41, n.o 12, pp. 54-59, 2003.

[83] J. Bezerra et al., «The mobile revolution: how mobile technologies drive a trillion-

dollar impact», Boston MA Boston Consult. Group, 2015.

[84] P. Klemperer, «What really matters in auction design», J. Econ. Perspect., vol. 16, n.o

1, pp. 169-189, 2014.

[85] C. Liu, M. Lazarus, H. FLETCHER, y P. HILDRETH, «COMMENTS OF THE

FIXED WIRELESS COMMUNICATIONS COALITION», 2018.

[86] D. Jiang y G. Liu, «An overview of 5G requirements», en 5G Mobile Communications,

Springer, 2017, pp. 3-26.

ANEXOS 126

Arquitecturas, Redes de Acceso y Tecnologías Principales ...

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