Introducción a 5G NR

Aprenda los conceptos básicos de 5G NR, incluidas sus bandas de frecuencia, aplicaciones y qué tecnologías lo hacen posible.

5G, la próxima (quinta) generación en comunicaciones inalámbricas para teléfonos inteligentes, ha sido fuertemente promocionada en el mundo del consumidor como un nivel superior para los dispositivos móviles. Pero, ¿qué implica 5G a los ojos de los ingenieros que desarrollan estos dispositivos?

En este artículo, profundizaremos en 5G NR (New Radio) y exploraremos los modelos de uso múltiple y las bandas de frecuencia múltiples cubiertos por este estándar emergente. También echaremos un vistazo a algunas de las tecnologías avanzadas asociadas con 5G NR.

Estándares 5G

Los estándares para 5G están siendo desarrollados por el Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP), que consta de socios de siete organizaciones de estándares globales diferentes. Los estándares para 5G comenzaron con la "Versión 15" en diciembre de 2017 y se están ampliando en versiones posteriores a medida que se agregan nuevas características, funcionalidades y requisitos.

Dentro de 3GPP hay grupos de especificaciones técnicas (TSG) que trabajan para definir los sistemas 5G NR en niveles crecientes de abstracción. Los niveles de ejemplo incluyen, pero no se limitan a:

• Red de acceso de radio (RAN): Responsable de definir los niveles más bajos (1-3) de las especificaciones de rendimiento de radio que incluyen:
  • La capa física
  • Modulación
  • Duplexación por división de frecuencia (FDD)
  • Duplexación por división de tiempo (TDD)
  • Formación de haces
  • Detección de errores
  • Corrección
• Aspecto de servicios y sistemas (SA): Supervisa la arquitectura general y las capacidades del servicio, que incluyen carga, contabilidad, administración de red y seguridad.
• Red principal y terminal (CT): Define las especificaciones para el equipo del usuario, traspaso entre redes, mapeo de la calidad del servicio, etc.

Tres bandas de frecuencia del servicio 5G por niveles

A medida que las tecnologías de telecomunicaciones inalámbricas han avanzado, las frecuencias y el ancho de banda han aumentado constantemente. Como se ilustra en la Figura 1, las generaciones más nuevas conservan cierta compatibilidad con las redes existentes, pero se expanden a más bandas de frecuencia.

Figura 1. Evolución de las asignaciones de espectro de frecuencias para redes 2G, 3G, 4G y 5G. Imagen utilizada por cortesía de Ericsson

Esta tendencia está dando un gran paso adelante con 5G a medida que avanza hacia las frecuencias de onda milimétrica (mmWave) por encima de 30GHz. Esto permite que 5G NR admita anchos de banda ultraanchos de hasta 100MHz en frecuencias por debajo de 6GHz y hasta 400MHz en frecuencias más altas.

5G generalmente se puede dividir en tres bandas:

• FR1
  • Frecuencias más bajas: MHz – 1 GHz
  • Frecuencias medias:1–7 GHz
• FR2
  • Frecuencias más altas: 24–48 GHz

Como ilustra la Figura 2, las tres bandas están diseñadas para trabajar juntas para satisfacer diferentes necesidades de ancho de banda, latencia y cobertura.

Figura 2. Relaciones entre ancho de banda, latencia y cobertura para las 3 bandas de 5G NR. Imagen utilizada por cortesía de Advantech

Las implementaciones iniciales para 5G se encuentran en el rango de frecuencia más bajo (FR1), con dos bandas (denominadas bajas y medias) que abarcan las frecuencias más tradicionales utilizadas para teléfonos inteligentes de 450 MHz a 6 GHz. Estas frecuencias más bajas proporcionan el mayor rango de cobertura.

El rango de frecuencia más alto (FR2) se mueve hacia arriba y hacia la región mmWave con frecuencias de 24 a 100 GHz para admitir velocidades de descarga más rápidas y permitir nuevas aplicaciones que requieren una latencia ultrabaja.

Multiplexación por división de frecuencia ortogonal para 5G NR

La transmisión 5G para las conexiones de enlace ascendente y descendente se basa en OFDM (multiplexación por división de frecuencia ortogonal). OFDM combina modulación de amplitud en cuadratura (QAM) y multiplexación por división de frecuencia (FDM) para permitir comunicaciones de alta velocidad de datos.

Debido a que las frecuencias de las subportadoras son ortogonales entre sí, los picos individuales se alinean con los valores nulos de las otras subportadoras (Figura 3).

Figura 3. El espectro de frecuencia de la multiplexación por división de frecuencia ortogonal. Imagen utilizada por cortesía de Keysight

Esto minimiza la interferencia y permite que el receptor recupere la señal de manera eficiente. Estas subportadoras moduladas se pueden usar para admitir muchas señales independientes (como canales de radio FM), pero en las aplicaciones 5G generalmente se combinan para aumentar la velocidad de datos de un solo canal.

La especificación NR admite un espaciado de portadora ajustable de 15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120 kHz, 240 kHz o 480 kHz con un máximo de 3300 subportadoras. Además, la modulación de la subportadora puede ser QPSK (modulación por desplazamiento de cuatro fases) o 16, 64 o 256-QAM. Estas opciones brindan versatilidad que permite a los operadores optimizar el esquema de comunicación para cumplir con los entornos y aplicaciones.

Rendimiento de 5G en comparación con 4G

Como hemos llegado a esperar de cada nueva generación de tecnología de teléfonos inteligentes, 5G es más rápido y proporciona más capacidad que su predecesor 4G. Se espera que 5G admita velocidades máximas de transferencia de datos de hasta 10-20 Gb / sy velocidades de datos promedio superiores a 100 Mb / s. 5G también está diseñado para admitir un aumento de 100 veces en la capacidad a través de mejoras en la eficiencia de la red y una disminución de 10 veces en la latencia hasta tan solo 1 ms.

Más allá de esas mejoras básicas, 5G se está diseñando como un estándar de telecomunicaciones más diverso que 4G para admitir aplicaciones más allá de la banda ancha móvil estándar, que incluyen:

• Comunicaciones de misión crítica con baja latencia
• Conectividad masiva para Internet de las cosas (IoT)
• Soporte para todos los tipos de espectro (con licencia, compartido, sin licencia)
• Modelos de implementación ampliados que incluyen hotspots
• Nuevos modelos de comunicación como dispositivo a dispositivo y malla de varios saltos.

Modelos de uso 5G

Por lo general, cuando escuchamos sobre 5G, inmediatamente pensamos en mejores teléfonos inteligentes, y ese es, de hecho, un aspecto de las especificaciones de 5G NR. Sin embargo, los estándares se están desarrollando para admitir mucho más que mejores teléfonos inteligentes. Específicamente, existen tres modelos de uso principales, como se ilustra en la Figura 4:

• eMBB (Banda ancha móvil mejorada):teléfonos inteligentes ligeramente mejores, aplicaciones de consumo
• URLLC (Comunicaciones ultra fiables y de baja latencia):servicios de misión crítica
• mMTC (Comunicaciones de tipo máquina masiva):piense en Internet de las cosas

Figura 4. Ejemplos de aplicaciones de los tres modelos de uso de 5G NR. Imagen [modificada] utilizada por cortesía de 3GPP

eMBB (banda ancha móvil mejorada)

El enfoque inicial del desarrollo de la red 5G NR se centra en eMBB para obtener velocidades de carga y descarga mejoradas y una latencia reducida. Se espera que eMBB mejore la transmisión de video móvil y habilite aplicaciones que incluyen realidad virtual y aumentada móvil (AR y VR). Se prevé que emBB proporcione un acceso mejorado a la banda ancha inalámbrica en áreas urbanas densamente pobladas, lugares para deportes o conciertos y oficinas inteligentes.

URLLC (Comunicaciones de baja latencia ultra fiables)

Como sugiere el nombre, URLLC está diseñado para proporcionar comunicaciones de muy baja latencia para aplicaciones en "tiempo real", incluidos vehículos autónomos, automatización industrial y cirugía remota. Claramente, cada una de estas aplicaciones requerirá conexiones de red robustas con bajas tasas de error y latencia imperceptible (teóricamente tan baja como 1 ms). Estos requisitos son muy diferentes a los de una llamada de voz o la transmisión de su nuevo programa favorito.

mMTC (Comunicaciones de tipo máquina masiva)

mMTC es el tercer modelo de uso y también es bastante diferente de los dos primeros. mMTC aprovechará el amplio ancho de banda disponible con 5G NR para admitir la comunicación con una cantidad “masiva” de dispositivos de baja velocidad de datos. Las aplicaciones incluirán Internet-of-Things y Smart Cities, donde una gran cantidad de nodos requerirán anchos de banda estrechos para detección remota, monitoreo, gestión de tráfico y estacionamiento, logística y gestión de flotas, y vallas publicitarias electrónicas.

Tecnologías que habilitan 5G

Hay muchos avances tecnológicos que se están uniendo para permitir las comunicaciones 5G. Esta sección abordará algunas tecnologías clave que probablemente sean de interés para los ingenieros eléctricos que trabajan en el hardware.

Tecnología avanzada de transistores

La marcha continua de la tecnología CMOS de silicio hacia geometrías más finas es obviamente importante para aumentar la potencia de procesamiento necesaria en teléfonos, estaciones base y la red troncal. Además, a medida que 5G se expande en la región de ondas milimétricas del espectro de frecuencias, las mejoras en la tecnología avanzada de transistores están ocupando un lugar central.

Como ilustra la Figura 5, el germanio de silicio (SiGe), el arseniuro de galio (GaAs), el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC) son todos adecuados para funcionar en las bandas FR2 de alta frecuencia por encima de 6 GHz. En particular, los dispositivos de GaN y SiC se utilizan ampliamente en las estaciones base donde se necesitan tanto altas frecuencias como altas potencias.

Figura 5. Potencia frente a frecuencia de materiales de banda ancha ancha (WBG). Imagen utilizada por cortesía de Analog Devices

Más allá de los transistores, las conexiones externas del chip a la placa de circuito impreso (PCB) requieren avances tecnológicos en el empaquetado y técnicas de diseño avanzadas. Algo tan simple como un cable de enlace de 1 mm dentro de un paquete se convierte en una antena potencial a frecuencias de ondas milimétricas y puede tener una impedancia compleja que dificulta lograr una coincidencia de impedancia de 50 Ω con la PCB. Pasar al ensamblaje de chip giratorio utilizando bolas de soldadura puede ayudar, pero el desafío de igualar la impedancia aún puede permanecer.

Antenas masivas de múltiples entradas y múltiples salidas

Debido a las longitudes de onda muy cortas, las antenas de matriz en fase se vuelven factibles para las frecuencias de ondas milimétricas 5G. Por ejemplo, el prototipo de teléfono de onda milimétrica demostrado por Qualcomm en la Figura 6 parece tener tres secciones de antenas de matriz en fase de 4x2. Las antenas de matriz en fase pueden admitir la formación de haces para mejorar la ganancia de la antena.

Figura 6. Prototipo de terminal 5G NR mmWave. Imagen [modificada] utilizada por cortesía de Qualcomm

En las estaciones base, se espera que el uso de matrices en fase se convierta en lo que se conoce como sistemas masivos de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). Usando una gran cantidad de antenas y algoritmos complejos, un sistema MIMO masivo puede emplear la formación de haces adaptativa y la diversidad espacial para:

• Eficiencia espectral a través del enfoque de haces estrechos hacia cada usuario
• Eficiencia energética a través de la ganancia de la antena para reducir la potencia radiada total
• Velocidades y capacidad de datos mejoradas a través de la ganancia y la diversidad espacial
• Seguimiento de usuarios móviles mediante formación de haz adaptable

Una combinación de procesamiento digital y analógico en la estación base crea canales de transmisión únicos para usuarios individuales. Los usuarios individuales también pueden emplear múltiples antenas para mejorar la comunicación en presencia de desvanecimiento, multitrayecto e interferencia.

Figura 7. Comunicación masiva de múltiples entradas y múltiples salidas para 5G de ondas milimétricas. Imagen utilizada por cortesía de Alemaishat et al

Resumen

5G NR es mucho más que una red mejorada para teléfonos inteligentes móviles. Los tres modelos de uso principales de banda ancha móvil mejorada, comunicaciones de baja latencia ultra confiables y comunicaciones masivas de tipo máquina probablemente darán lugar a muchas aplicaciones nuevas en los próximos años.