5G es la columna vertebral de la industria de las comunicaciones y logrará aplicaciones revolucionarias en otros mercados como el industrial, el automovilístico, el médico e incluso la defensa nacional. Para un mundo cada vez más conectado con el Internet de las cosas (IoT), las notables mejoras del 5G en velocidad (al menos 10 veces más rápido que 4G, hasta 10 Gbps), latencia (10 veces menor que 4G, hasta 1 ms) y densidad (que admite 1 millones de dispositivos IoT por kilómetro cuadrado) harán posibles muchas aplicaciones innovadoras, especialmente en áreas importantes como seguridad, confiabilidad, calidad del servicio, eficiencia y costo.

Como se muestra en la figura siguiente, 5G logrará la interconexión de bienes y servicios, mientras que los "bienes" residirán en el espacio del usuario o empresarial, mientras que los "servicios" normalmente residirán en la nube. La red 5G podrá dividir de manera flexible la conexión paralela, adaptar perfectamente el nivel de servicio requerido por los usuarios mediante ajustes y proporcionar un excelente esquema de equilibrio costo/rendimiento.

5G no es sólo otra “era” en el desarrollo de estándares de comunicación, sino también un término general que contiene al menos tres tendencias principales. Según la definición de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, la primera tendencia es la banda ancha móvil mejorada (emBB), que fortalecerá áreas de innovación, como la realidad aumentada y la realidad virtual. La segunda tendencia es la comunicación masiva de clase de máquina (mMTC), que incluye la conectividad ubicua de sensores de IoT. El tercero es una comunicación ultraalta, confiable y con bajo retardo para aplicaciones clave, como la conducción automática o la cirugía remota.

5G estará en todas partes, abarcando teléfonos inteligentes, automóviles, servicios públicos, dispositivos portátiles, quirófanos de hospitales, grandes fábricas, redes eléctricas y otras aplicaciones, y más cerca del concepto de ciudades inteligentes, fabricación inteligente y mundo conectado.

La nueva radio (NR) 5G está vinculada a LTE Advanced, que sigue siendo una parte esencial de la plataforma 5G para garantizar el funcionamiento de la infraestructura de red central existente. Con el lanzamiento de la decimoquinta versión del Programa de Asociación de Tercera Generación (3GPP) completado a finales de 2017, este enfoque ha permitido a la industria lograr avances constantes en el espectro por debajo de 6 GHz. Para 2020, la 15.ª edición podrá promover el despliegue temprano de la mayoría de las redes 5G.

Sin embargo, se espera que el estándar número 16 publicado en la segunda mitad de 2019 afecte el espectro de frecuencia por encima de 6GH (onda z milimétrica) (consulte la figura a continuación).

La 16.ª edición es fundamental para los servicios de comunicaciones críticos, la realidad virtual y el Internet de las cosas de área amplia de baja potencia (LPWA). Se espera que este estándar haga realidad el potencial real que normalmente se promociona como la visión 5G: permitirá muchas aplicaciones y varias funciones nuevas, como el uso compartido del espectro, el estándar Cellular Internet of Vehicles (C-V2X) para la industria automotriz, etc. ., cambiando así por completo el patrón de la industria de las comunicaciones.

El primer caso de negocio de 5G es muy sencillo:

Mejora la capacidad, velocidad, confiabilidad y disponibilidad de la red, y reduce la latencia al mismo costo que 4G.

El segundo caso de negocio se ha puesto en operación comercial en los Estados Unidos, es decir, una aplicación inalámbrica fija, que utiliza una frecuencia de onda milimétrica (no se ha especificado 3GPP) para cubrir a usuarios remotos, a fin de proporcionar una conexión de 300 Mbps o más como una opción económica. Alternativa de instalación de fibra óptica. Esto ha cumplido con los requisitos de la mayoría de los operadores móviles del mundo que participaron en las primeras pruebas y pruebas de 5G, así como de aquellos operadores que han construido infraestructura para respaldar el lanzamiento de servicios 5G (primero construir infraestructura en la red central y aumentar la cobertura). densidad de nuevas redes celulares heterogéneas).

Entre los países/regiones que participaron en las primeras pruebas y pruebas, Estados Unidos comenzó a promover 5G más rápido que cualquier otro país para prepararse para la densificación requerida de la cobertura de la red celular, pero se quedó atrás en la instalación de estaciones transceptoras base (BTS). Como referencia, Estados Unidos instaló alrededor de 200.000 estaciones base en 2018, mientras que China mantuvo alrededor de 2 millones de estaciones base. Además, China también tiene 70% de las conexiones de Internet de las cosas existentes en el mundo, lo que hace que las necesidades de promoción de los dos países sean muy diferentes. Hasta el momento se han realizado nuevas subastas de frecuencias en Corea del Sur, Australia, Reino Unido, Italia, España, Estados Unidos y Alemania o se han incluido en el plan.

En la Conferencia Mundial de Comunicaciones Móviles de 2018, GSMA predijo que para 2023 habrá alrededor de 400 millones de conexiones 5G (de las cuales 30% están en los Estados Unidos) que cubrirán aplicaciones de consumo y aplicaciones empresariales.

No sólo los proveedores de servicios de comunicación (CSP) están llenos de expectativas para el desarrollo de 5G, sino que muchos actores no tradicionales también están ansiosos por probarlo en el campo 5G. Los proveedores de medios over the top (OTT) (incluidos Facebook, Microsoft, Google y Amazon) están observando de cerca las oportunidades comerciales. Estos proveedores OTT son propietarios de la nube, donde residen la mayoría de los servicios, por lo que son los principales participantes en las operaciones 5G. Sin embargo, no tienen derechos de acceso y esta parte todavía está totalmente alojada en CSP.

Incluso durante la implementación de 4G, muchas funciones de red se han virtualizado, lo que permite que la parte de la infraestructura de la nube pública (infraestructura como servicio) se desarrolle significativamente. Sin embargo, el canal sigue firmemente en manos del CSP. El sistema de funciones simbióticas requiere de la correcta conexión entre proveedores y usuarios y una gestión inteligente de los mismos. En el proceso de desarrollo de estas conexiones se incluirán nuevas tecnologías como el network slicing y el edge computing, que son novedades importantes del 5G.

Sector de red

Acercar la informática a los usuarios (computación de borde) es una parte importante del plan 5G. Sin embargo, otro elemento futuro igualmente importante de 5G es el concepto de corte de red, que puede hacer que el concepto de red definida por software de 4G alcance un nuevo nivel.

Como se muestra en la figura siguiente, la división de red permite a los operadores separar la capa de flujo de paquetes de la capa de control y admite la ejecución paralela de múltiples aplicaciones y servicios para una serie de usuarios con diferentes niveles de calidad, retraso y ancho de banda.

Esto significa que el sistema 5G tendrá muchos segmentos de red lógicos (o “canales de seguimiento rápido”) para admitir aplicaciones y clientes específicos. Por ejemplo, algunos clientes de operadores pueden necesitar emBB para utilizar herramientas de realidad aumentada, mientras que otros clientes pueden necesitar redes adecuadas para mMTC, conducción automática o cirugía remota, por lo que deben proporcionar diferentes atributos de red. Cada aplicación tiene sus propios requisitos específicos. Al dividir la red en diferentes sesiones privadas o conexiones paralelas, se pueden optimizar diferentes segmentos en consecuencia.

Esto permite a los operadores vender redes a los clientes en forma de “red como servicio”, de modo que cada cliente pueda experimentar el segmento de red, como si estuviera completamente aislado físicamente del resto: algunos son similares a los “dispuestos a compartir un método “piece of cake” y modulación en tiempo real de los ingredientes disponibles en la fórmula. En esencia, la división de redes puede mejorar la eficiencia operativa y acortar el tiempo de comercialización para implementar nuevos servicios.

De hecho, la división de la red puede ser uno de los mayores contribuyentes a la prestación de nuevos servicios 5G rentables a los clientes empresariales.

Edge Computing significa tomar decisiones en tiempo real cerca de la fuente de datos. Al ubicar la inteligencia informática cerca de fuentes de datos separadas y diferentes, la informática de punta puede reducir la latencia en la implementación de los servicios solicitados. Edge Computing no envía datos a la nube para su procesamiento a través de toda la red central, sino que utiliza una arquitectura de red distribuida para garantizar un procesamiento casi en tiempo real y reducir la latencia al mismo tiempo. De lo contrario, es simplemente inaceptable para servicios específicos.

Con la proliferación de aplicaciones críticas que requieren recursos informáticos en tiempo real y la proliferación de funciones inteligentes asistidas por inteligencia artificial (IA), como la conducción automática, la telemedicina y las aplicaciones de realidad virtual, la informática está más cerca del usuario final y, por tanto, del usuario final. ventaja, lo cual es crucial. Por ejemplo, si el sistema se retrasa decenas de milisegundos cuando el automóvil atraviesa toda la red y regresa, el automóvil seguirá avanzando varios metros más incluso después de recibir la orden de freno. El uso de recursos de vanguardia y la reducción de la demora 10 veces reducirán en gran medida el tiempo desde el comando hasta el frenado.

Los recursos de computación de borde (o computación de borde de acceso múltiple) pueden encontrar fácilmente una habitación en la oficina central tradicional de la red de acceso inalámbrico (RAN). Se pueden ubicar recursos de hardware adicionales y servidores con aceleradores de IA a una distancia variable de varios kilómetros del grupo de antenas. Esto generará mucha infraestructura de hardware adicional.

La red 5G tiene estándares y características de acceso NR, por lo que es adecuada para múltiples mercados verticales con diferentes aplicaciones. Esto ha dado lugar a requisitos de hardware excesivos, incluidos los requisitos para el sistema de antena activa (AAS) y otros equipos, lo que también ha hecho evolucionar el concepto de cabecera de radio remota a través de antenas integradas. Esta integración ayuda a resolver los desafíos que enfrenta 5G en los siguientes aspectos: uso de diversidad espacial y haces locales para mejorar la capacidad e implementación de tecnología MIMO (mMIMO) a gran escala.

La tecnología AAS puede maximizar la eficiencia de la estación base y facilitar que los operadores aumenten significativamente su capacidad (hasta cinco veces la de 5G) y su cobertura de red. El grupo de amplificadores de potencia (PA) y los elementos de antena son los componentes básicos del AAS (actualmente se pueden incluir hasta 1024 PA), que pueden proporcionar una función completa de acceso a la red para conectarse al nodo de banda base, donde se puede ubicar el nodo de banda base. en la misma ubicación que el AAS o en la oficina central (RAN en la nube). La multiplexación de frecuencia se puede realizar a través de mMIMO (esta tecnología se basa en la diversidad espacial y admite sincronización múltiple y rutas de datos separadas para usuarios individuales), y la multiplexación de frecuencia se ha convertido en el factor principal para mejorar la capacidad de BTS, que se utiliza para implementar la multiplexación espacial.

Cuando se utilizan múltiples antenas, también se puede utilizar tecnología de formación de haz mejorada, que utiliza haces direccionales y enfocados en 3D. Esta tecnología reduce la interferencia en canales adyacentes, maximiza la distancia alcanzable con igual potencia y dirige el flujo de datos al objetivo deseado. Por lo tanto, puede optimizar la capacidad general y lograr un mayor rendimiento de la señal de radio.

AAS se implementó en la etapa final de 4G. Ahora, como nuevo dispositivo, AAS se utiliza ampliamente cuando es necesario mejorar la capacidad y la cobertura. La implementación de un nuevo espectro que admita hardware 4G compatible con versiones anteriores y banda base que admita software actualizable también promoverá la actualización del hardware de la macro BTS.

Para aumentar la densidad de cobertura de los nuevos servicios, especialmente en entornos densos como edificios de apartamentos de gran altura, estadios, centros comerciales y parques temáticos, será necesario implementar células pequeñas para acercar la transmisión a los usuarios con menor consumo de energía y mayor tasa de bits.

Desde la perspectiva del hardware, el desafío más importante es la densidad, que incluye principalmente: primero, cómo lograr una gestión térmica integral en paquetes cada vez más pequeños. En segundo lugar, cómo cumplir eficazmente las expectativas mediante la integración a gran escala de funciones y componentes. En tercer lugar, mientras logra todo esto, mantenga un alto rendimiento con un bajo consumo de energía.

Para lograr esto, todos los componentes de AAS, desde transceptores hasta relojes y administración de energía, deben rediseñarse o ajustarse para cumplir con los desafiantes requisitos generados por el creciente número de componentes en el nuevo dispositivo. Esto se puede lograr a partir del transceptor de radiofrecuencia (RF), integrando más transceptores de RF, agregando funciones auxiliares y creando soluciones de sistemas inteligentes para agrupar muchos componentes nuevos a través de una administración de energía común.

El transceptor de RF multicanal altamente integrado es el elemento central del modelo de hardware 5G. Esto no sólo requiere un ancho de banda de señal de RF de hasta 1 GHz, sino que también admite el funcionamiento multibanda. Al implementar la tecnología de muestreo de RF, las características descritas se pueden implementar en una arquitectura más simple a un costo menor. El transceptor serializador/deserializador tiene un rendimiento superior a 10 Gbps y un bucle de bloqueo de fase (PLL)/oscilador controlado por voltaje (VCXO) integrado de baja fluctuación. Como otra función clave de estos sistemas emergentes en chip, pueden simplificar la generación de relojes de muestreo al permitir el uso de relojes de referencia con frecuencias más bajas.

No se puede ignorar el cumplimiento de los requisitos de sincronización de las redes 5G de gran ancho de banda. En la red móvil actual, la fuente de temporización (oscilador de cristal controlado por voltaje (VCXO)/oscilador de cristal con compensación de temperatura (TCXO)) debe tener una fluctuación muy baja y ser capaz de cumplir los requisitos de reducción continua del ruido para soportar una modulación de amplitud en cuadratura de orden superior. y obtener el mejor rendimiento de transmisión de ondas milimétricas.

De acuerdo con la arquitectura RAN en la nube, la última especificación de Interfaz de radio común (CPRI) (llamada eCPRI (EthernetCPRI)), como enlace multipunto entre el grupo de unidades de banda base (BBU) y la red de unidades de radio remotas (RRU), proporciona una Enlace de gran ancho de banda para manejar los requisitos de múltiples RRU. Dado que 5GeCPRI se utiliza en la transmisión directa de 5G, es necesario cumplir nuevos requisitos de sincronización. En el enlace CPRI punto a punto, la sincronización horaria y la sincronización de frecuencia deben garantizarse en esencia, pero este tipo de sincronización ya no es un problema de último momento, sino que debe resolverse como parte de toda la solución de temporización 5G. Por lo tanto, el árbol de reloj ha evolucionado desde una solución de eliminación de fluctuaciones basada en VCXO adoptada por la transmisión CPRI a una solución de sincronizador de red basada en TCXO para manejar los requisitos de temporización en eCPRI.

Además, la macroestación base 5G también admitirá el estándar del sistema de comunicación móvil global (GSM) multiportador para transmisiones por debajo de 6GHz. Por lo tanto, el árbol de reloj también debe cumplir con los requisitos de ruido de fase puntual que no violen la especificación general del bloqueador GSM. Para una estación base 5GmMIMO, el uso de tecnología de formación de haces puede utilizar eficazmente el espectro y minimizar la interferencia. Esto afecta la desviación entre varias salidas en el árbol de reloj del enlace de señal de RF.

Se forman restricciones estrictas. Además del plan de calibración de antena a nivel del sistema, existe una variedad de tecnologías a nivel de placa y de chip (por ejemplo, modo de retardo cero) que pueden minimizar los cambios de retardo del árbol de reloj en el proceso, voltaje y ángulos de temperatura para mejorar el haz. eficiencia de formación.

5G también está cambiando el paradigma de los puntos de carga para satisfacer una serie de requisitos de consumo de energía del Internet de las cosas, pequeñas redes celulares y antenas activas. El rango de oscilación (expansión) de potencia va desde unas pocas décimas de vatio hasta cientos de vatios. Más específicamente, con el aumento del consumo de energía/requisitos actuales, el valor del bus de distribución se cambió a 12 V para cumplir con los requisitos de AAS, el sistema de antena distribuida y la radio mMIMO de nueva generación.

Con el aumento del consumo de energía en RRU y BBU, el papel del bus de administración de energía (PMBus) es cada vez más obvio. Al mismo tiempo, los convertidores reductores de alto voltaje mejoran constantemente para adaptarse al aumento en el número de PA, lo que requiere disipación térmica 3D y convertidores operativos de 100 V con límites de corriente variables. Para proporcionar circuitos precisos de reloj y transceptor en la radio y al mismo tiempo aumentar la densidad, el tamaño y el ruido también se pueden reducir mediante convertidores dedicados multicanal. El convertidor se utiliza como sustituto del regulador de voltaje de baja caída y la velocidad de conmutación es superior a 1 MHz, para reducir el tamaño manteniendo la eficiencia.

Minimizar el contenido, la complejidad y el costo de la lista de materiales es la clave para ganar la competencia de hardware 5G, e integrar funciones en circuitos integrados es la manera de lograr estos objetivos. Las empresas de semiconductores tendrán que trabajar estrechamente con sus clientes de equipos de estaciones base para producir transceptores de RF altamente integrados, cadenas de señales optimizadas y fuentes de alimentación para respaldar el desarrollo continuo de la tecnología 5G.

Los datos históricos recientes de la industria de las comunicaciones muestran que el ciclo de actualización a la tecnología de próxima generación es de 10 años. La velocidad adoptada por 5G es similar a ella, seguida por la expectativa de su máxima madurez.

5G está listo para inyectar nueva vitalidad al concepto de tierra conectada a través de nueva infraestructura, nuevos equipos y nuevos casos de uso. Con su alta capacidad y baja latencia, 5G cambiará por completo el contacto entre personas y equipos.

Desde el nivel empresarial, 5G puede ser más transformador y puede lograr servicios de misión crítica que se espera que cambien por completo toda la industria. En la verdadera era 5G, la tecnología de máquina a máquina, los sensores de bajo consumo, la gestión de la movilidad, el monitoreo remoto de equipos/activos y las redes inteligentes estarán presentes en todas las fábricas del futuro.

Otros aspectos de 5G se mejorarán cuando se habilite un mayor espectro en la 16ª edición. La red de malla de ondas milimétricas se puede utilizar para realizar transmisiones de retorno de estaciones base celulares pequeñas y de bajo costo en áreas urbanas densamente pobladas. Estas redes también serán aplicables al sistema de comunicación conectado a todo taller o vehículo, lo que convierte a esta tecnología en una fuerza impulsora clave para la conducción automática, porque los vehículos necesitan comunicarse con los vehículos, las señales de tráfico y la información cartográfica digital más reciente.

Puede que 5G sea una red orientada al futuro, pero encarna el arduo trabajo de los ingenieros actuales y sin duda hará del mundo en el que vivimos un lugar mejor.