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• Vanessa Rosero Torres

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TRABAJO TUTORIAL

TEMA: 5G

MATERIA: COMUNICACIONES INALAMBRICAS

DOCENTE: ING. TOMAS BASTIDAS

INTEGRANTES:  ROBERT TORRES  ANGEL SOLORZANO  JOHN CORDERO  JORGE CEVALLOS  VANESSA ROSERO  RAISA MERA  GENESIS HORMAZA

CARRERA: INGENIERIA EN TELECOMUNICACIONES SEMESTRE A-2016

CONTENIDO 1.-Tema

2.-Objetivos 

Objetivos Generales



Objetivos Específicos

3.-Marco Teórico 

5G



Evolución de los sistemas Móviles



Lista de deseos



Arquitectura de la red



Rutas



Innovación de la tecnología 5G



Nuevas formas de ONDAS



MIMO Y MIMO PASIVO



Frecuencias que se utilizan



Comunicación FULL-DUPLEX



Estadísticas de 5G

4.-Conclusiones 5.-Bibliografías

2.- OBJETIVOS 2.1.-OBJETIVO GENERAL.  Investigar el concepto, características, parámetros, frecuencias y banda ancha de la quinta generación de tecnología en telefonía móvil.

2.2.-OBJETIVOS ESPECÍFICOS.  Explicar cómo funciona esta quinta generación de sistemas móviles.  Exponer la arquitectura con la que trabaja sus servicios y canales.  Mostrar las diferentes tecnologías que va a utilizar 5G.

3.-MARCO TEÓRICO. LA EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILES La evolución de las distintas generaciones de comunicaciones móviles siempre ha tenido como motor un cambio tecnológico que afectaba a la interfaz radio de los sistemas. [1] • De 1G a 2G fue el paso de la tecnología analógica a la digital, con acceso múltiple por división en el tiempo TDMA • De 2G a 3G fue la adopción del acceso múltiple basado en espectro ensanchado CDMA • De 3G a 4G fue la incorporación de la modulación OFDM, que permite utilizar anchos de banda más grandes [1] Otra característica que aceleró el desarrollo de las sucesivas generaciones fue el miedo a la aparición de una tecnología alternativa que pudiera desplazar a los estándares de 3GPP. • En la evolución de 2G a 3G fue la aparición del sistema cdmaOne desarrollado por Qualcomm • Y en el de 3G a 4G, el desarrollo de WiMAX, con el apoyo destacado de Intel, aceleró el de LTE. [1] En el caso de 5G no se dan, de momento, ninguno de estos dos factores • No hay una línea de evolución tecnológica clara • No hay una tecnología que pueda suponer una amenaza para los estándares (aunque, por supuesto, no faltan los que prometen soluciones casi milagrosas) Por otro lado, la evolución intra-generación ha conseguido mejorar algunas prestaciones más que algunos saltos generacionales (p.e., la introducción de HSPA en 3G) En este sentido, para lo bueno y para lo malo, existe una mayor libertad a la hora de definir como queremos que sean los sistemas 5G. [1]

5G – UNA LISTA DE DESEOS De momento, 5G es, sobre todo, una lista de deseos y de objetivos extraordinariamente ambiciosos: [1] • Incremento de la capacidad agregada del sistema medida en bits por segundo y unidad de área 1000 veces respecto de 4G. • Tasa binarias de pico de 1 Gbit/s.

• Reducción de la latencia a valores en torno a 1 milisegundo. • Reducción del consumo de energía en Julio/bit x100 veces. • Mejoras en la fiabilidad y en la cobertura. [1] Pero estos objetivos y deseos no son siempre compatibles los unos con los otros • Dependiendo de la aplicación o caso de uso, unos tienen más peso que los otros Por eso se espera que 5G sea un sistema en el que arquitectura e interfaz radio se adapten al tipo de aplicación • No será la misma la interfaz radio para aplicaciones tipo Internet of Things que para Tactile Internet Cada vez que se ha definido una nueva generación, ha existido la voluntad de simplificar los sistemas; en 5G, sin embargo, partimos con la idea de complicar el sistema. [1]

Figura1: 5 generación http://www.channelbiz.es/2016/03/01/huawei-3-claves-para-el-5g-y-nuevas-alianzas/

ARQUITECTURA DE LA RED MOVIL 5G

Figura2: Arquitectura del a red 5G [3]

La figura muestra el modelo de sistema que propone el diseño de la arquitectura de red para sistemas móviles 5G, el cuál es el modelo de las comunicaciones inalámbricas y móviles y se basa totalmente en IP redes de interoperabilidad. El

sistema consta de un usuario terminal (que tiene un papel crucial en la nueva arquitectura) y un número independiente, autónomo a tecnologías de acceso radio. Dentro de cada uno de los terminales, cada una de las tecnologías de acceso de radio se ve como la IP enlaza con el mundo exterior a la Internet. Sin embargo, no debe ser diferente para cada interfaz de radio de acceso de radio Tecnología (RAT) en el terminal móvil. Ejemplo, si queremos tener acceso a cuatro diferentes RAT, necesitamos tener cuatro accesos diferentes interfaces en el terminal móvil, y tener a todos ellos activos al mismo tiempo, con el objetivo de tener esta arquitectura para ser funcional. [3]

LA RUTA HACIA UNA MAYOR CAPACIDAD • El problema básico que 5G debe resolver (desde el punto de vista de los operadores) es el de proporcionar una mayor capacidad con un menor coste. [1] Los medios para conseguirla son conocidos: • Incrementar la eficiencia espectral de la interfaz radio • Cooperar con otras tecnologías (generaciones móviles anteriores, Wi-Fi, sistemas de retransmisión,…) • Incrementar el espectro electromagnético sobre el que opera el sistema • Densificar la red. [1] Para 5G se están considerando todas las opciones, pero, curiosamente, son las dos últimas las que están recibiendo más atención. Para incrementar la disponibilidad de espectro se están considerando dos estrategias: • Compartir el espectro con otros usos • Utilizar frecuencias más altas • Múltiples opciones a la hora de soportar la densificación de la red: redes “sin células” ultra densas, comunicaciones dispositivo a dispositivo (D2D), estaciones base móviles, conectividad dual/múltiple, virtualización y Cloud RAN. [1]

Figura3: hacia mayor

Ruta una

capacidad [1]

5G – INNOVACIONES TECNOLÓGICAS QUE LO HARÁN POSIBLE Estas son, en nuestra opinión, las innovaciones tecnológicas más prometedoras de cara al 5G son: • • • •

Nuevas formas de onda (p.e., esquemas de modulación no ortogonales Utilización de técnicas de MIMO masivo Soporte del acceso móvil en altas frecuencias (> 10 GHz) Sistemas de transmisión “full dúplex” [1]

• En general, se trata de no solo incrementar la eficiencia espectral “clásica” (bit/s/Hz) sino también la eficiencia espectral por unidad de área (bit/s/Hz/m2) o incluso espacial (bit/s/Hz/m3) — lo que se ha denominado también utilización espectral • La percepción es que el margen de mejora que tenemos de la eficiencia espectral clásica es limitado respecto de los objetivos de capacidad (sobre todo a un coste razonable) • Y también se trata de reducir las diferencias de prestaciones entre usuarios dependiendo de su localización (reducir la penalización de los que se encuentren en el borde de la célula) • La reducción de la latencia también obligará a modificaciones en la interfaz radio, con TTIs más cortos. [1]

Figura 4: Innovaciones 4G Y 5G [1]

NUEVAS FORMAS DE ONDA • Para 5G se están proponiendo y analizando distintas alternativas a OFDM • Su eficiencia espectral se puede incrementar si se relajan los requisitos de sincronización temporal y se reduce el tamaño (o se elimina) del prefijo cíclico • Esto implica una pérdida de ortogonalidad que debe ser compensada y puede suponer una mayor complejidad del receptor • Distintas propuestas: • NOMA (Non Orthogonal Multiple Access) utiliza el dominio de la potencia para separar a los usuarios. • FBMC (Filter Bank Multi Carrier) emplea bancos de filtros para reducir las interferencias en canales adyacentes. • Zero-tail DFT-S-OFDM sustituye el profijo cíclico por ceros. • SCMA (Sparse Code Multiple Access), UFOFDM (Universal Filtered OFDM). • No creemos que vaya a haber ganancias dramáticas en eficiencia espectral en condiciones realistas de operación con ninguna de estas opciones. [1]

Figura 5: Nuevas formas de ondas [1]

MIMO Para entender la tecnología MIMO vamos a empezar con el SISO - "una sola entrada, salida única", el modelo más intuitivo. Como su nombre indica, sólo tenemos una entrada en el canal de radio, y sólo una salida. [4] En la siguiente figura es más fácil de entender: tenemos el transmisor de la transmisión de datos (TX) a través de una sola antena, y su recepción en el receptor (RX), también a través de una sola antena. [4]

Figura 5: SISO [4]

Cuando el sistema tiene varias entradas y una salida, MISO - "entrada múltiple, salida única". [4]

Figura 6: MISO [4]

En este caso tenemos varias entradas, y sólo una salida. Nota: en la práctica, podemos tener más de una antena. Sólo para simplificar la demostración nos vamos a limitar a un máximo de dos antenas en las ilustraciones.

Recuerde que estamos hablando del canal de radio, la siguiente figura ayuda a entender mejor esta nomenclatura. [4]

Figura 7: [4]

Así que más o menos frente a MISO, SIMO también - "una sola entrada, salida múltiple". [4]

Figura 8: SIMO [4]

Como se mencionó, aunque en la práctica puede tener múltiples antenas en el transmisor y las antenas múltiples en el receptor, que representan nuestro sistema con dos antenas en cada lado. [4]

Figura 9: MIMO [4]

Por lo tanto, la tecnología MIMO se utiliza para mejorar el acceso inalámbrico en un gran número de aplicaciones. Varias normas de acceso tales como LTE, WiMax, WiFi y HSPA utilizar esta ganancia para lograr las mejoras significativas que cada uno posee. [4] Y ahora tenemos un concepto que parece estar en contra de todo lo que hemos aprendido: MIMO se basa en la interferencia con la línea de visión directa (LOS), es decir, la ruta de señal entre la estación y móvil. [4] Para presentar la ventaja de MIMO es que necesitamos una buena diversidad de la señal. [4]

Figura 10: Ventaja del MIMO [4]

MIMO MASIVO

Figura 11: MIMO Masivo [1]

Se basa en la utilización de un número muy elevado de antenas en las estaciones base, muy superior al de las disponibles en los terminales. [1] • Decenas o centenares de antenas en la estación base • De esta forma, una estación puede servir a varios usuarios simultáneamente utilizando los mismos recursos radio • Con esta tecnología se espera conseguir mayor capacidad, mayor fiabilidad y menor consumo de potencia • Actualmente ya hay disponibles prototipos que operan en bajas frecuencias (< 6 GHz). [1]

Figura 12: Antena utilizada en el MIMO Masivo [1]

Hay algunos condicionantes que hay que tener en cuenta: [1] • Para que resulte eficaz se necesita un número significativo de antenas • Debido a que para generar adecuadamente la señal se necesita que el transmisor tenga conocimiento del estado del canal radio, es más fácil que se aplique en sistemas TDD • Se necesita además calibrar con precisión los equipos para poder aplicar la reciprocidad del canal • Se precisan nuevos diseños de las antenas y de los amplificadores de potencia (debido al rango dinámico que deberán soportar) • Se necesita resolver la cuestión de la posible contaminación de pilotos, lo que requerirá la cooperación entre células o la centralización del procesado • Y lo mismo ocurre con el “envejecimiento” de la estimación de canal • Aunque el consumo de potencia asociado a la transmisión disminuye, aumenta el asociado al procesado de la señal • Muy probablemente, el MIMO masivo se tendrá que combinar con el uso de otras soluciones tecnológicas para resolver algunos de estos problemas (por ejemplo, el uso de técnicas cooperativas) • Por otro lado, existen otros aspectos que deben tenerse en cuenta: • El tamaño de las antenas, si se opera a bajas frecuencias, puede ser excesivo • No está claro que MIMO masivo y centralización del procesado de la interfaz radio (p.e., Cloud RAN) sean compatibles, por las necesidades de capacidad de transporte que implicaría. [1]

Figura 13: Cloud RAN [1]

USO DE ALTAS FRECUENCIAS • Para poder disponer de más ancho de banda es necesario moverse hacia frecuencias más altas • Hasta hace poco esto no se consideraba viable su empleo para comunicaciones móviles debido a las mayores pérdidas de difracción y penetración, efecto Doppler, coste de los componentes, etc. • Pero el uso de antenas directivas mediante tecnologías de conformación de haces puede ayudar a resolver algunos de estos problemas • Buena parte de los esfuerzos de investigación en 5G se están dedicando a determinar si, y como, son viables las comunicaciones móviles en frecuencias superiores a 6 GHz • Sería deseable tener unas respuestas antes del WRC 18 • El uso de frecuencias altas representa, posiblemente, la mayor oportunidad para incrementar la capacidad en los sistemas 5G • Además, la disponibilidad de canales de gran ancho de banda permite soportar tasas binarias muy elevadas. [1]

Figura 14: Uso de altas frecuencias [1]

USO DE ALTAS FRECUENCIAS COMPLEMENTARIOS

Y

MIMO

MASIVO

PUEDEN

SER

• Cuanta más alta es la frecuencia de operación [1] → Para una misma directividad, el tamaño de las antenas debe ser menor → Para un mismo tamaño de antena, la directividad es mayor • P.e., para una antena de 33 cm de diámetro, el ancho de haz a 2.4 GHz es de 117º y a 60 GHz de 4.7º • El uso de altas frecuencias permitiría que los equipos que soportan MIMO masivo tengan un tamaño razonable • El tamaño de las antenas es proporcional a la longitud de onda, que a 30 GHz es de 10 mm y a 60 GHz de solo 5 mm, mientras que a 2 GHz es de 15 cm y a 800 MHz es de 37,5 cm • La separación entre elementos de antena es entre1/2 y 1 longitud de onda • Al mismo tiempo que el uso de conformación de haces minimizaría los problemas de interferencia, multitrayecto, etc., en las altas frecuencias • Estas técnicas ya se están utilizando para altas frecuencias (p.e., en el estándar Wi-Fi a 60 GHz 802.11ad) • Pero hay otros factores a tener en cuenta • Al operar en canales de gran ancho de banda el nivel de ruido térmico es más elevado • Los conversores analógicos digitales a altas frecuencias requieren un consumo de potencia muy elevado • La conformación de haces se debe realizar en el dominio analógico (que enfoca la ganancia en una única dirección) o con esquemas híbridos • Debe distinguirse entre la operación cuando hay visión directa entre transmisor y receptor (LoS) y cuando no la hay (NLoS)

• La adaptación de los haces debe realizarse en tiempo real para terminales en movimiento o con bloqueo. [1]

COMUNICACIONES FULL-DUPLEX • En los sistemas convencionales las dos direcciones de un enlace se separan en frecuencia o en tiempo • La razón por la que no se emplea simultáneamente la misma frecuencia es que la señal transmitida genera un nivel de interferencia muy elevado a la señal recibida • Se requiere implementar un sistema de cancelación de interferencia que, normalmente, incorpora una etapa analógica y otra digital • La viabilidad de los sistemas full duplex se ha comprobado en varios sistemas experimentales y estamos próximos a la disponibilidad de sistemas comerciales • Sistemas repetidores que reutilizan las mismas frecuencias que en el acceso • Pero quedan todavía problemas por resolver: operación en canales móviles, soporte a MIMO,… • La tecnología puede tener otras aplicaciones, como permitir la reducción de la separación en frecuencia entre transmisión y recepción en sistemas FDD. [1]

Figura 15: Comunicación FULL-DUPLEX [1]

ESTADISTICAS 5G

Figura 16: Índice de 5G en América [2]

“Aparte del liderazgo de Uruguay que tiene niveles de penetración LTE superiores a los de muchos mercados desarrollados, los crecimientos en penetración observados en Chile, Argentina y Colombia durante los primeros tres meses del año no dejan de ser sorprendentes. Tampoco hay que considerar que la caída en el Índice de países como Perú, Bolivia, Ecuador y República Dominicana debe interpretarse como que estos mercados están estancados. Todo lo contrario, siguen creciendo de forma saludable pero no tan rápidamente como algunos de sus vecinos,” comentó José Otero, Director de 5G Americas para América Latina y el Caribe. [2]

Figura 17: Índice de 5G en América entre 2015 y 2016 [2]

El Índice confirma que América Central continúa siendo la región más rezagada de América Latina en la adopción de LTE con tres mercados del área –Honduras, Guatemala y Nicaragua– exhibiendo niveles de penetración inferiores al 1%. El Salvador y Cuba se mantienen como los únicos dos mercados de la región sin ninguna red LTE ofreciendo servicios en forma comercial durante el primer trimestre de 2016. “Desde la perspectiva de nuestra organización, los niveles de penetración LTE han mejorado y continuarán haciéndolo debido a la mayor cobertura geográfica de la tecnología, mayor disponibilidad de dispositivos capaces de conectarse a estas redes y un mayor conocimiento por parte de los usuarios de los beneficios que le ofrece el acceso a Internet con velocidades superiores a los 10 Mbps”, agregó Otero. [2]

Figura 18: Índice de 5G en América respecto a variación de años y puntos de porcentaje [2]

El Índice de Penetración de LTE fue elaborado por 5G Americas con información estadística suministrada por las consultoras 451 Research, Carrier & Asociados (Argentina), ITC SA (Uruguay), Ovum, Teleco (Brasil) y The Competitive Intelligence Unit – The CIU (México), y datos de población de la Comisión Económica para América Latina y el Caribe (CEPAL). [2]

CONCLUSIONES • Tenemos a nuestra disposición un arsenal de soluciones tecnológicas que puede servir para alcanzar muchos de los objetivos propuestos. • Lo complicado va a ser ensamblarlas en un sistema que sea coherente y consistente • En este proceso, lo más difícil va a ser saber renunciar a algunos de los objetivos y/o de las soluciones tecnológicas de las que actualmente se barajan Como vemos nosotros la nueva interfaz radio 5G: • Para frecuencias < 6 GHz  Evolución de LTE Advanced • Para frecuencias > 6 GHz  Nueva interfaz radio, con nuevas numerología y forma de onda, que facilite el uso de MIMO masivo y que utilice las frecuencias bajas para el plano de control. Posiblemente se distinga entre frecuencias por encima y por debajo de 30 GHz, que utilizarían modulación multiportadora o de portadora única, respectivamente • Una interfaz radio específica para MTC/IoT/M2M, que resuelva no solo las cuestiones de cobertura y capacidad asociadas a su uso masivo, sino también los problemas de señalización. Este modo se incorporaría a los dispositivos convencionales para soportar comunicaciones de emergencia o bajo consumo de energía • Somos más escépticos respecto de otras soluciones tecnológicas: técnicas cooperativas avanzadas (p.e., alineación de interferencias), comunicaciones entre dispositivos D2D, redes malladas, cancelación de interferencia asistida por la red, así concluimos que la nueva generación 5G va a ser un éxito.

Bibliografía [1]Berberana, I. (2014). La nueva interfaz radio 5G. Madrid: Telefonia. [2]DiarioTi.com. (27 de Junio de 2016). Diario Ti. Obtenido de http://diarioti.com/uruguaymantiene-liderazgo-mientras-argentina-colombia-y-costa-rica-ascienden-en-elindice-5g-americas-de-penetracion-lte-en-america-latina/98161 [3]Gómez, C. J. (s.f.). ARQUITECTURA RED MÓVIL 5G. Bogotá: Escuela De Ciencias Básicas, Tecnologías E Ingenierías – Ecbti. [4]Leopedrini. (8 de septiembre de 2011). TelecomHall ES. Obtenido de http://www.telecomhall.com/es/que-es-mimo.aspx