Las tecnologías 5G: nuevo paradigma de las comunicaciones móviles (I)
¿Cuántas veces hemos escuchado hablar del 5G? Una tecnología novedosa que cambiará la forma en la que nos comunicamos, dicen algunos. Otros hablan de ella como una trampa mortal con la que nos controlarán las mentes. En Gradiant somos un poco escépticos en cuanto a la segunda versión, así que nos hemos dedicado a estudiar esta nueva red, con vistas a encontrar funcionalidades que puedan ser útiles para el tejido empresarial.
Las posibilidades que abre esta red son casi infinitas y todavía queda mucho por investigar. Sin embargo, para que cualquiera pueda ir comprendiendo el trabajo que estamos desarrollando en el marco de Open-VERSO, la Red Nacional de Excelencia en tecnologías 5G y futuras del programa Cervera, publicaremos cuatro artículos en los que explicaremos nuestras principales áreas de trabajo.
En el de hoy, explicaremos de forma sencilla en qué consisten los nuevos esquemas de acceso al medio no ortogonales (NOMA) y full-duplex dentro de banda (IBFD), y cómo pueden mejorar nuestra conectividad.
Sistemas de comunicaciones clásicos
La comunicación humana constituye un buen punto de partida para entender cómo funcionan los sistemas de comunicaciones digitales actuales. Por ejemplo, en una conversación cada participante aguarda su turno para hablar, y normalmente no hay dos personas hablando a la vez. El hecho de separar en el tiempo las intervenciones nos permite entender con claridad a todos los participantes. Alternativamente, al escuchar un dueto vocal uno puede apreciar la voz de un cantante u otro trabajando en armonía. En este caso, aunque ambos cantantes hablen al mismo tiempo, sus voces se pueden separar gracias a la entonación de cada una. Claramente, si uno de los dos interpretase una melodía completamente diferente (o desentonase), la canción se desvirtuaría y se haría difícil seguir. Y lo mismo sucedería con una conversación sin ningún tipo de orden.
Pues bien, en los sistemas de comunicaciones actuales se utilizan técnicas similares para conseguir que el intercambio de información entre varios terminales se produzca de forma ordenada. En particular, los esquemas TDMA (Time Division Multiple Access) se basan en la premisa de que, en todo momento, sólo exista un único terminal transmitiendo, de manera que los demás actuarán como receptores hasta que llegue su turno para emitir. Este esquema sería análogo a las conversaciones humanas y, como sucede entre nosotros, si todos emitieran al mismo tiempo ninguno se entendería.
Por otro lado, los terminales podrían transmitir al mismo tiempo si todos ellos aplicasen cierta armonía a sus señales. De este modo, un receptor todavía podría distinguir a los diferentes emisores prestando atención a la entonación de su interés, lo que se conoce como esquema FDMA (Frequency Division Multiple Access).
Por último, existen sistemas de comunicaciones donde se combinan ambas ideas, de manera que varios transmisores puedan intervenir simultáneamente en una misma conversación, pero manteniendo cierta sincronización a lo largo del tiempo y además entonando melodías cuidadosamente elaboradas. De este modo, un receptor con un oído bien entrenado todavía puede separarlos. Un ejemplo de ello se encuentra en los esquemas OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). En particular, este esquema es el utilizado actualmente por los teléfonos móviles y las estaciones base -las llamadas antenas de las operadoras- en las redes 4G y 5G.
El futuro del 5G
Las tecnologías 5G se encuentran en continua evolución, y por ello se están planteando nuevos esquemas en los que los terminales no necesitan necesariamente guardar un orden estricto a lo largo del tiempo o emplear armonías complejas, sin que por ello sus conversaciones se hagan incoherentes e imposibles de distinguir. Un ejemplo de esto se encuentra en la familia de esquemas de acceso no ortogonal, o NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access), en los que estamos trabajando dentro de Open-VERSO.
Los esquemas NOMA comprenden una serie de técnicas que permitirían obtener terminales de usuario más sencillos y de menor coste que los actuales, o sistemas más eficientes, capaces de servir a más usuarios en la misma área geográfica. En efecto, las técnicas PD-NOMA (Power Domain NOMA) se basan en la idea de regular la intensidad de la voz (la potencia) de cada terminal, de manera que cualquiera de ellos pueda enviar información cuando considere oportuno, sin mantener ningún tipo de sincronización o emplear armonías complejas. En estos esquemas, el receptor separa las distintas conversaciones aplicando lo que se denomina cancelación sucesiva de interferencias (SiC), que consiste en escuchar al transmisor más potente, entender sus palabras, y seguidamente ignorarlas e intentar entender al siguiente interlocutor más potente, repitiendo este proceso hasta que se hayan separado todas las conversaciones recibidas. Con ello se obtendrían terminales móviles más sencillos, dado que estos no tienen que mantener ninguna sincronización entre ellos ni con el receptor, si bien la complejidad de las estaciones base se incrementa de manera considerable.
Otras técnicas NOMA como SCMA (Sparse Code Multiple Access) permiten que, de vez en cuando, algunos terminales se solapen de forma controlada, aunque seguirían estando obligados a mantener una sincronización en el tiempo y a utilizar las mismas armonías especiales que en el caso OFDMA. Con ello, una misma estación base podría dar servicio a más usuarios dentro de un área determinada.
Por estos motivos, en Open-VERSO, estamos desarrollando sistemas que explotan las técnicas PD-NOMA y SCMA para comunicaciones 5G en el ámbito del internet de las cosas.
Por otro lado, los esquemas full-duplex dentro de banda o IBFD (In-Band Full Duplex), permiten mejorar la eficiencia de un sistema de comunicaciones haciendo posible que dos participantes de una misma conversación puedan hablar simultáneamente y entenderse sin necesidad de emplear ningún tipo de armonía. La clave para conseguir esto es lo que se denomina la cancelación activa de autointerferencia, que consiste en que cada participante reste su propia voz de lo que escucha utilizando un sistema similar al de los auriculares con cancelación activa de ruido. De este modo, cada participante no se escucha hablar a sí mismo, sino que sólo percibe la voz del otro. En el marco de las redes 5G, esta tecnología podría ayudar a paliar el problema actual de la congestión del espectro radioeléctrico, pues permitiría, entre otras cosas, reducir las frecuencias necesarias para que los elementos de la red de un operador se comuniquen entre sí. Por este motivo, en Open-VERSO estamos investigando cómo aplicar IBFD a sistemas 5G, en colaboración con el Grupo de Procesado de Señal en Comunicaciones de la Universidad de Vigo.
Open-VERSO es una red de excelencia financiada por el Programa Cervera para Centros Tecnológicos, la apuesta nacional para desarrollar investigación orientada al mercado impulsada por el Ministerio de Ciencia e Innovación y el Centro de Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI).
Autor: Pablo Losada Sanisidro, responsable técnico de Electrónica del área de Comunicaciones Avanzadas de Gradiant.
