El futuro de las telecomunicaciones: de FR1 al THz con sensores cuánticos
Los sistemas de telecomunicaciones terrestres históricamente han operado en bandas de frecuencia por debajo de los 6 GHz debido a su equilibrio entre cobertura, capacidad y penetración en interiores. Aunque presentaban alguna excepción para sistemas WiFi. No obstante, estas bandas hasta 6 GHz, denominado FR1, se encuentran saturadas. Además, no permiten disponer de los elevados anchos de banda que requieren futuros servicios como la realidad extendida (XR, por sus siglas en inglés) o el vídeo volumétrico. Esto ha impulsado la investigación y el desarrollo de sistema comunicaciones terrestres en bandas más altas tales como FR2 (24-52 GHz y 57-71 GHz), FR3 (7-24 GHz), milimétricas altas/subTHz (92-114.25 y 130-174.8 GHz) y THz (0.3-10 THz).
Uno de los puntos clave en la utilización de altas frecuencias es que los equipos y dispositivos tengan un coste asequible y que sean energéticamente eficientes. Una forma de conseguirlo es mediante el diseño de equipos basados en componentes comerciales o COTS (comercial off-the-shelf) frente a equipos de telecomunicaciones de fabricantes más costosos que, por otro lado, no permiten adaptar las especificaciones del equipo a valores concretos como la frecuencia de transmisión y recepción. Por otro lado, las altas frecuencias son muy sensibles a la distancia, de manera que se hace imprescindible desarrollar técnicas que aumenten la cobertura.
Integración de múltiples bandas: sensores cuánticos altamente sintonizables
No obstante, disponer de esa pluralidad de bandas comunicaciones supone afrontar el reto de integrarlas, es decir, que un único sistema pueda utilizar, por ejemplo, FR1 y subTHz, ya que los componentes electrónicos hardware son incompatibles. La tecnología de sensado cuántico basada en la sintonización de las bandas RF al espectro atómico de estados de Rydberg permiten desarrollar sensores multibanda que, sobre una misma plataforma hardware, detectan señales en un rango espectral muy amplio, que podría ir desde FR1 hasta las frecuencias de THz, superando esta limitación tecnológica del hardware. Asimismo, ofrecen una sensibilidad extrema para medir señales de muy baja intensidad, abriendo el camino a la detección óptica multicanal para aplicaciones de alto rendimiento.
Avances en radiofrecuencia: frontales eficientes y cobertura mejorada
En redes de comunicaciones móviles, la eficiencia energética de una celda está relacionada con las etapas de amplificación de potencia de su frontal radio. Sin embargo, las etapas de potencia más eficientes presentan problemas de linealidad, que afecta negativamente a las señales multiportadoras celulares. Linealizar el comportamiento de las etapas de transmisión alivia los requisitos de los amplificadores de potencia. No obstante, implementar este tipo de técnicas es un reto importante en escenarios con sistemas multiantena y de gran ancho de banda, situaciones habituales en frecuencias milimétricas (mmWaves). Asimismo, la
tecnología empleada en los amplificadores de potencia condiciona la eficiencia y el coste en los frontales radio de carácter experimental, problema que se agrava en mmWaves.
Las alternativas para implementar frontales radio para bandas sub-6GHz y mmWaves son difícilmente miniaturizables en un sistema multi-antena y ofrecen bajas eficiencias energéticas. En 6GDIFERENTE se diseñan y desarrollan prototipos de frontales radio multi-antena compactos, capaces de realizar predistorsión digital adaptativa, y con eficiencias energéticas superiores a las obtenidas con elementos conectorizados genéricos. Además, se investigan esquemas y mecanismos para la extensión de cobertura con aplicación multibanda, es decir, que puedan ser utilizados tanto en la banda de THz como en mmWaves.
Técnicas para mejora de cobertura en bandas altas
En las bandas bajas para telecomunicaciones, como FR1, el ancho de banda asignado, rara vez, alcanza las decenas de MHz, lo que supone un importante hándicap para servicios de banda ultra ancha como XR. Las bandas altas de frecuencia permiten acceder a anchos de banda de varios GHz, pero con una cobertura limitada debido a las pérdidas de propagación de la señal transmitida. En concreto, en frecuencias de THz, la pérdida de trayecto en un enlace de 10 metros puede superar los 100 dB, esto dificulta la comunicación a distancias mayores. Además, la potencia de transmisión en estas frecuencias está bastante limitada.
Para paliar este problema, sin tener que subir la potencia de transmisión, existen técnicas de procesado de señal que permiten mayor alcance. Una de ellas reduce el ruido de fase en el receptor, lo que permite una señal más clara y aumentar la distancia de comunicación sin afectar la calidad Por otro lado, existen diferentes formas de enviar la señal OFDM, utilizada en 5G y prevista en las futuras redes 6G, denominadas numerologías. La numerología indica el ancho de banda de las portadoras OFDM, que puede ser de 15 KHz en LTE (4G) y 15/30/60/120/240 kHz en 5G. En ondas milimétricas se utilizan 120 kHz y 240 kHz por la necesidad de manejar mayores anchos de banda y frecuencias más altas. Numerologías más altas reducen la interferencia entre las portadoras de OFDM y esto mejora cobertura.
Sensores cuánticos de radiofrecuencia: introducción a los sensores cuánticos
A lo largo de los siglos XX y XXI las tecnologías cuánticas han vivido un gran desarrollo, hasta el punto en el que han empezado a comercializarse en algunos ámbitos, como las telecomunicaciones (en las que destaca la distribución cuántica de claves o QKD por sus siglas en inglés) o el sensado cuántico.
¿Qué partes tiene un sensor cuántico de radiofrecuencia? Por un lado, necesita de un recipiente, normalmente de vidrio, con un gas diluido de átomos de un elemento dentro, normalmente de un metal alcalino, como el rubidio, el cesio o el potasio. Un láser de bombeo excita, gas a un estado de mayor energía. Luego, un láser de excitación impulsa los átomos a niveles de energía muy elevados, conocidos como estados de Rydberg. En estos estados, las ondas del espectro de radiofrecuencia pueden interaccionar con los electrones, de forma que estos absorben la energía de ese espectro radioeléctrico externo. Este proceso genera un impacto en la cantidad de luz procedente del láser de bombeo que pueden absorber los átomos, permitiendo monitorizar y medir con precisión la radiofrecuencia externa a través de un detector óptico de fotones.
Ventajas de los sensores cuánticos
En el ámbito de las telecomunicaciones, los sensores cuánticos ofrecen una serie de ventajas frente a las antenas clásicas:
- Tamaño, peso y consumo energético (SWaP, por sus siglas en inglés). Un sensor cuántico de radiofrecuencia tiene el tamaño de una caja grande, ocupando un volumen aproximado de 0.125 m3. Por otra parte, la mayor parte de antenas de telecomunicaciones miden entre 5 y 15 m de altura, con lo cual la reducción de tamaño es significativa. Una reducción de tamaño implica una reducción en la cantidad de materiales y en el peso de estos. Además, estos sensores requieren menos componentes y consumen una cantidad de energía comparable a la de un ordenador de sobremesa de gama media, mucho menor que la de las antenas tradicionales.
- Resiliencia ante ataques electrónicos. Al ser más resistente que las antenas convencionales ante ataques electrónicos, los sensores cuánticos de radiofrecuencia pueden emplearse en tanto en entornos civiles como militares, o incluso en entornos en los que coexisten ambos (entornos duales).
Autores: José Joaquín Escudero, responsable de Comunicaciones Móviles; Andrés Ulibarrena, ingeniero investigador senior de Cuántica en Gradiant; Marta Castro, responsable Micro-Nanoelectrónica y Fotónica y Miguel Ferreira, responsable de Tecnologías Cuánticas. Todos pertenecen al área de Comunicaciones Avanzadas de Gradiant.
6GDIFERENTE es una Red de Excelencia Cervera para acelerar la evolución de las redes de comunicación móviles de próxima generación 5G y futuras:
Contenido originalmente publicado en la web de 6GDiferente: https://6gdiferente.com/2025/03/24/el-futuro-de-las-telecomunicaciones-de-fr1-al-thz-con-sensores-cuanticos/
