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Mejoran las redes 5G con la agregación de canales, conectividad dual y MIMO masivo

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Se están poniendo a punto a nivel comercial diversas tecnologías que mejoran notablemente las prestaciones de las redes de enlace 5G, tanto en velocidad como en cobertura y alcance de la señal. Entre ellas se encuentran la agregación de canales (carrier aggregation), la conectividad dual y las múltiples entradas y salidas a nivel masivo en las antenas (MIMO masivo o mMIMO), para un usuario o incluso varios usuarios. Diversos experimentos recientes han conseguido superar los cinco gigabit por segundo a base de agrupar múltiples frecuencias y antenas de radiocomunicaciones móviles, tanto con redes SA 5G como NSA 5G.

 

Hace ya varios años que se habla de sistemas MIMO, acrónimo de múltiples señales de datos de entrada y salida de una antena o antenas de una red de enlace móvil, a la misma frecuencia e incluso de forma masiva (mMIMO). El potencial de los sistemas MIMO es muy elevado porque permiten que las redes de enlace tengan mayor capacidad, interferencias reducidas y un aumento del número de usuarios a cubrir y las señales disponen además de mayor sensibilidad, lo que permite una localización más precisa de los terminales que están conectados y el desarrollo de nuevas aplicaciones de cara al futuro.

 

Los sistemas MIMO ya están disponibles desde hace tiempo en las redes 4G LTE y WiFi, especialmente cuando los operadores han necesitado ampliar su capacidad de las redes móviles. También son habituales las MIMO masivas, porque es una forma rápida y eficiente que los operadores tienen a su alcance para incrementar aún más la capacidad de sus redes, sin necesidad de tener más espectro o aumentar el número de estaciones base. Con mMIMO, los operadores han conseguido prestaciones gigabit con redes 5G, tanto en las bandas TDD como FDD.

Samsung ha alcanzado el récord de transmisión más reciente, a 5,23 Gbit/s, seguido de cerca por Ericsson a 5 Gbit/s, con la conectividad dual y la agregación de canales, con 40 MHz de red 4G LTE y 800 MHz de red 5G NR

La mayor parte de los sistemas MIMO basados en redes 4G LTE son del tipo 2T2R y 4T4R, que quiere decir que una señal de radio utiliza dos o cuatro antenas, todas ellas para transmitir y recibir la señal, pero también pueden ser de 8, 16, 32 o 64 antenas, y más en el futuro. Los fabricantes de equipos hace tiempo que están realizando con los operadores demostraciones de redes NSA 5G o SA 5G del tipo 64T64R. Se mejora así de forma muy significativa la eficiencia espectral, al crear múltiples caminos de recepción y transmisión de la señal entre la estación base y el terminal del usuario final.

 

Como siempre ha sido habitual en las redes de telecomunicaciones, a partir de un concepto y desarrollo genérico, como puede ser mMIMO, se van ampliando y mejorando sus posibilidades con el paso de unos pocos años. Así, unas antenas pueden tener un radio de cobertura muy amplio y un alcance relativamente limitado mientras otras disponen de un alcance muy elevado pero mucho más preciso, de modo similar a lo que ocurre con las lámparas, que pueden iluminar muy bien una superficie reducida o una más amplia de forma difusa. Además, las antenas se pueden orientar vertical u horizontalmente, con haces de señales espacialmente distintos. Su combinación permite cubrir más territorio y con intensidades de la señal distintas, según las necesidades de cada zona.

 

Inicialmente, mMIMO se utilizaba en las señales tipo TDD, que emplea la misma frecuencia tanto para la descarga como para la subida de datos, y esta reciprocidad del canal permitía que la calidad de la información fuera la misma en ambos sentidos de la señal. Posteriormente, los mayores retos que había con el otro tipo de señal, FDD, se han resuelto, con lo que al final mMIMO se utiliza con ambas señales, y con distintas redes, sean 4G LTE, NSA 5G o SA 5G.

 

Aparte de utilizar más antenas, lo que se ha hecho últimamente es que las señales trabajen a distintas frecuencias, a bandas bajas, medias o milimétricas, lo que se llama agregación de canales o carrier aggregation, bien próximas o incluso alejadas entre sí. Y, para rizar el rizo, lo último que se ha conseguido es que varias antenas funcionen a distintos tipos de bandas de frecuencia muy alejadas entre sí, como media y milimétrica, en un único terminal, lo que se conoce como conectividad 5G dual.

Conectividad dual a más de 5 Gbit/s

El pasado 14 de abril, el fabricante sueco de redes y estaciones de radio Ericsson y la taiwanesa MediaTek, que diseña entre otros procesadores y módems de smartphones, lograron agregar una señal de banda media y otra milimétrica en un único terminal 5G y que funcionara a una velocidad récord de 5,1 gigabit por segundo. Pero, como la rivalidad entre fabricantes es máxima, Qualcomm desveló el mismo día que había realizado llamadas experimentales de datos que combinaban espectro milimétrico con señal de banda media, por debajo de 6 GHz.

 

Con este experimento, Ericsson y MediaTek consideran que han creado nuevos caminos para ampliar la conectividad de las redes 5G Standalone (SA 5G). “Al combinar la amplia cobertura de las bandas que funcionan por debajo de los 6 GHz con la elevada velocidad de las ondas milimétricas sobre dispositivos comerciales de hardware y chipset, se amplía la experiencia del usuario con 5G al conseguir mayor velocidad de conexión y una latencia más baja”, señalan en un comunicado

 

La demostración se realizó con la agregación de 800 MHz (ocho portadoras de 100 MHz) en la banda milimétrica de 26 GHz con otros 60 MHz en la banda media de 3,7 GHz sobre un terminal individual, para alcanzar los 5,1 gigabit por segundo. Es la primera vez, según ambas compañías, que se han combinado una onda milimétrica con otra de banda media sobre una red SA 5G, lo que se conoce como conectividad dual 5G, o New Radio Dual Connectivity (NR DC). Se utilizó una estación de radio de Ericsson convencional sobre una red troncal SA 5G y el módem M80 5G de MediaTek.


Con NR DC, los usuarios pueden beneficiarse de elevadas velocidades de conexión inalámbrica tanto en un sentido como en el otro. Y si se agregan señales, se consigue un incremento de la cobertura significativo. También se ha demostrado que las ondas milimétricas se pueden utilizar de modo robusto en una nueva arquitectura SA 5G cuando la conexión se realiza con espectro milimétrico o de banda media, asegura el comunicado. “Consideramos que NR DC será una opción muy atractiva para muchos operadores globales en sus estrategias de despliegue 5G SA”, dice Haanes Ekstrom, responsable de las redes de enlace 5G de Ericsson.

 

Qualcomm no se quiso quedar atrás y anunció el mismo día del comunicado de Ericsson que había conseguido el pasado 17 de marzo completar llamadas de datos 5G que combinan las ondas milimétricas con las redes SA 5G en la banda por debajo de 6 GHz, sean del tipo FDD o TDD, en el modo de conectividad dual. La demostración se hizo con un módem X65 5G de Qualcomm y un módulo de antena milimétrica QTM545 situado en el interior de un factor de forma de un smartphone, en un laboratorio de la compañía en San Diego y con una red 5G de emulación de Keysight. Ignacio Contreras, directivo de marketing 5G en Qualcomm, aseguró que la agregación de espectro, incluyendo la conectividad dual con bandas milimétricas y bandas medias, es crítica para conseguir velocidades multigigabit y capacidad muy elevada.

Espectro agregado a 5Gbit/s

La agregación de espectro en bandas próximas y distantes para lograr velocidades multigigabit es un desarrollo que hace meses que se ha conseguido, al menos a nivel experimental, y con equipos y redes comerciales. A finales de enero, la operadora australiana Telstra, junto a Ericsson y Qualcomm, consiguió alcanzar los 5 gigabit por segundo de velocidad de descarga sobre una red comercial 5G en el terminal de un único usuario.

 

La llamada de datos 5G a esta velocidad se obtuvo con la combinación de ocho canales de 100 Mhz sobre una banda milimétrica de 28 GHz junto a dos portadoras de 20 MHz de una red 4G LTE con carrier aggregation. En su día, Ericsson consideró que se había conseguido “un gran hito en las comunicaciones inalámbricas” al utilizar un total de 840 MHz para tener una velocidad de transmisión récord.

 

El pasado noviembre, Nokia había anunciado que había logrado una velocidad 5G récord de ocho gigabits por segundo al combinar velocidades de varios dispositivos, con un terminal de Qualcomm y la operadora Elisa. Sin embargo, es gracias a la agregación de canales y a la combinación de las frecuencias medias, por debajo de los 6 GHz, y las muy elevadas, o milimétricas, por encima de los 26 GHz, con la conectividad dual, donde se están consiguiendo velocidades de transmisión cada vez más elevadas.

Ericsson ha logrado una velocidad punta de subida de 315 Mbit/s, combinando la tecnología MIMO de un único usuario con la mejora de la señal de subida en un canal de 100 MHz de la banda de 3,7 a 3,8 GHz

Por ahora, es Samsung quien ha anunciado el récord de transmisión más reciente, a 5,23 gigabit por segundo. Fue a primeros de marzo, con la ayuda de la conectividad dual y la agregación de canales, cuando se logró esta velocidad al utilizar un total de 40 MHz de red 4G LTE con 800 MHz de red 5G NR. Específicamente, en la demostración en un laboratorio de Corea del Sur se emplearon dos portadoras de 20 MHz en la banda de 1,9 a 2,1 GHz y ocho canales de 100 MHz en la banda de 28 GHz, con productos comerciales de extremo a extremo, entre ellos un terminal comercial S20+ de Samsung, según Ji-Yun Seol,  responsable del grupo de tecnología móvil de Samsung.

 

La agregación de portadoras en la señal de bajada 4G LTE se aplicó a la banda inferior a los 3 GHz, mientras que la onda ampliada milimétrica, con MIMO y agregación de canales de banda ancha con 5G se aplicaron en la banda de 28 GHz, en una red con núcleo común 4G/5G. “La conectividad dual aporta básicamente como beneficio la mayor cobertura al combinar las dos tecnologías 5G y 4G LTE, especialmente en este estadio inicial de despliegues comerciales 5G y de espectro 5G a bandas milimétricas”, precisa Seol.

 

La conectividad dual permite maximizar los beneficios de las redes 5G y 4G LTE y suministrar mayores velocidades, tanto de cobertura como fiabilidad. La mayoría de los smartphones actuales soportan conectividad dual y, como muchos operadores han empezado a desplegar 5G con NSA, Samsung ha hecho que desde el principio la conectividad dual fuera soportada por las redes NSA 5G, aunque también se puede utilizar en las redes SA 5G.

 

Seol precisa que la demostración de Samsung se hizo con la tecnología de conectividad dual EN-DC (E-UTRAN New Radio Dual Connectivity), que sirve tanto para SA 5G como NSA 5G. Pero, añade, en las redes SA 5G hay una forma de utilizar 4G a velocidades más elevadas a través de un concepto similar a la conectividad dual EN-DC que se llama NE-DC, que es una nueva tecnología que estará próximamente disponible para mejorar la experiencia de los usuarios de redes totalmente 5G, con SA 5G.

Progresos continuados con mMIMO

El progreso no sólo se está consiguiendo con la agregación de portadoras o la conectividad dual, sino también con el MIMO masivo. Hace justo una semana, Ericsson consiguió alcanzar una velocidad punta de subida de 315 megabit por segundo combinando la tecnología MIMO de un único usuario con su tecnología de mejora de la señal de subida (Uplink Booster) en un canal de 100 MHz de la banda de 3,7 a 3,8 GHz y con un dispositivo de prueba equipado con el módem X60 5G de Qualcomm.

 

Esta velocidad de 315 megabits por segundo parece lenta si se compara con los más de cinco gigabit por segundo conseguidos con los recursos apuntados en los párrafos anteriores, pero Ericsson precisa que es de 15 a 20 más rápida que las velocidades medias de subida que se consiguen hoy en día con las redes comerciales, que en el caso de Estados Unidos es del orden de 10 megabit por segundo, como apunta Paul Challoner, vicepresidente de productos de red de Ericsson a Fierce Wireless.

 

En un informe de OpenSignal de febrero, la velocidad media de subida más elevada se consiguió en Holanda, a 32,5 megabit por segundo. Pero se trata de velocidades medias reales para un único usuario, mientras que la de Ericsson es una velocidad punta experimental. Si se utiliza MIMO masivo de múltiples usuarios (MU-MIMO), las velocidades que se consiguen con el añadido de múltiples capas son de varios gigahercios por segundo sobre redes 5G por debajo de 3 GHz. Ericsson, por ejemplo, consiguió llegar el pasado septiembre a 5,4 gigabit por segundo de velocidad punta en una red de 16 capas de MIMO multiusario en su laboratorio de Tejas.

 

Con todo, el progreso en la velocidad y cobertura de las señales 5G es patente, así como la mayor disponibilidad de redes de enlace que ofrecen la tecnología MIMO integrada en unos pocos chips, como el anuncio realizado a finales de marzo entre Samsung y Marvell Technology, un diseñador de chips para redes móviles. La colaboración entre Marvell y Samsung se ha plasmado en el desarrollo de un subconjunto integrado (SoC) que gestiona las comunicaciones mMIMO en redes 4G y 5G y ofrece un ahorro de energía de hasta el 70% y un tamaño menor que los diseños precedentes, según han comunicado ambas compañías. Este SoC se integrará en redes de enlace de Samsung a partir de este mismo trimestre.