5G y O-RAN
La tecnología de redes de quinta generación (5G) es ahora el principal foco de atención de toda la industria móvil mundial, ya que los abonados de todo el mundo dependen de un acceso ininterrumpido a Internet de alta velocidad para poder usar las aplicaciones y servicios móviles allá donde vayan.
Cambios drásticos en la tecnología, la arquitectura de las redes y el espectro radioeléctrico disponible han allanado el camino para la implantación de una nueva red móvil 5G. A medida que la red evoluciona para centrarse en el software y adopta un modelo de despliegue basado en la nube, existe la oportunidad de crear una arquitectura abierta y estandarizada en todas las redes, aprovechando el software abierto, que permita la interoperabilidad abierta de múltiples proveedores.
Este concepto de O-RAN promete cambiar los modelos económicos, operativos y de despliegue de las futuras redes móviles.
¿Por qué 5G / O-RAN?
Mayor capacidad y rendimiento de la red
Rendimiento de banda ancha móvil con capacidad gigabit por aire con una latencia sustancialmente menor
Redes virtualizadas centradas en el software
Admite el despliegue automatizado para una mayor eficacia operativa y una flexibilidad dinámica a medida que cambian las condiciones de la red
Plataforma abierta a la innovación
Las nuevas capacidades técnicas permiten una mayor variedad de aplicaciones y servicios para consumidores, industrias y dispositivos
Evolución de los estándares móviles
Desde el despliegue inicial de la tecnología móvil digital a principios de los años 90 se ha producido una progresión continua de los estándares mundiales. La llegada del Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (GSM) a principios de los años 90 amplió las capacidades de los anteriores sistemas de telefonía móvil analógica (“AMPS”) con llamadas de voz codificadas digitalmente, mensajería bidireccional y una red interconectada a escala mundial que permitía la itinerancia entre operadores – lo que se denominó tecnología móvil de “segunda generación” o “2G”.
La tecnología móvil de tercera generación (3G), sucesora de GSM en las redes mundiales, se basó en los estándares del Servicio Universal de Telefonía Móvil (UMTS). Este sistema introdujo el soporte para las nuevas bandas de frecuencia más altas con capacidad adicional y aplicó nuevas técnicas de modulación que utilizaban el espectro de forma eficiente. En combinación con la mejora de la tecnología de los terminales gracias a la miniaturización de los semiconductores, este sistema se convirtió en la plataforma de los primeros servicios de datos móviles ampliamente extendidos, que permitían el correo electrónico, los servicios multimedia básicos y (en algunos casos) el acceso a la web.
Para cuando la tecnología 3G estaba madura y plenamente implantada, la adopción generalizada de la tecnología de acceso a Internet de alta velocidad en las redes fijas logró que los servicios y aplicaciones basados en la web se impusieran en la vida de la mayoría de los clientes. Aunque se incorporaron algunas tecnologías como el HSDPA (High Speed Downstream Packet Access) para aumentar los servicios de datos de las redes 3G, se necesitaba una solución que proporcionara un auténtico servicio de datos móviles de alta velocidad.
Los estándares LTE (Long Term Evolution) se convirtieron en la tecnología de red de cuarta generación (4G) exitosa y dominante, además de ser la primera en adoptar los paquetes de datos en el diseño de la red móvil y, por tanto, la fórmula para hacer realidad la primera alternativa real de acceso móvil a Internet de alta velocidad. Para ello se creó una red central de datos basada exclusivamente en paquetes denominada EPC (Evolved Packet Core). La eliminación del paradigma de conmutación de circuitos en LTE también allanó el camino para los códecs de voz de alta fidelidad (banda ancha), la tecnología de voz sobre IP (denominada VoLTE) y los servicios de comunicaciones multimedia avanzados compatibles con IMS (Subsistema Multimedia IP).
Aunque LTE era capaz de admitir servicios de comunicación interactiva en tiempo real, las expectativas de los usuarios se fueron reorientando progresivamente hacia nuevas experiencias y aplicaciones, como la transmisión en streaming en alta definición, los juegos inmersivos, las videoconferencias, la colaboración web y el Internet de las Cosas (IoT). Estos nuevos servicios centrados en la nube plantean nuevos requisitos de rendimiento de la red, capacidad y operaciones de baja latencia cuando se aplican a una red móvil y, por tanto, son una de las muchas fuentes de demanda de una nueva tecnología de red móvil de quinta generación (5G).
Conceptos de la red 5G
Desde su inicio, el proyecto de desarrollo de los estándares 5G se centró en tres áreas y objetivos principales para proporcionar capacidades mejoradas a las redes móviles.
- Banda ancha móvil mejorada (eMBB)
- Comunicaciones UltraFiables y de Baja Latencia (URLLC)
- Comunicaciones de máquinas masivas (mMTC) -sensores
Normalización 5G
El Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) ha sido y sigue siendo el principal centro mundial de normalización de la tecnología de radio y redes móviles, incluida la 4G, y ahora también la 5G. La labor de normalización de la 5G comenzó con la versión 15, una serie de especificaciones que se entregaron inicialmente en 2017.
Esta versión inicial sentó las bases de la interfaz aérea 5G New Radio (5G NR), que incluía una serie de bandas adicionales utilizadas a escala mundial que ampliaban las frecuencias “Sub-7” (por debajo de 7 GHz), también denominadas Frequency Range 1 (FR1). La llegada de la 5G NR también introdujo las llamadas frecuencias de “ondas milimétricas” (mmWave) en la gama de microondas -Gama de Frecuencias 2 (FR2)- que no se habían utilizado anteriormente en las comunicaciones móviles terrestres. El espectacular aumento del espectro disponible para la interfaz aérea es en gran medida lo que permite alcanzar velocidades multigigabit a dispositivos individuales en 5G, ofreciendo cierto nivel de paridad con la tecnología de banda ancha óptica del ámbito de las redes fijas.
Las especificaciones de la versión 15 también establecen un nuevo núcleo de paquetes para 5G, denominado “5G Core” (5GC). Esto dio lugar a la posibilidad de desplegar estaciones base habilitadas para 5G New Radio (denominadas “gNB”) que podían conectarse a las redes de datos Evolved Packet Core existentes en modo “no autónomo” (NSA) para ser compatibles con versiones anteriores o conectarse al núcleo 5G de una red solo 5G en modo “autónomo” (SA).
Los estándares 5G destacan por la sustitución de muchos de los protocolos de señalización y control específicos para móviles de anteriores implementaciones por alternativas centradas en la web que se ajustan más a la tecnología utilizada para aplicaciones nativas en la nube (HTTPS, REST, etc.). Esta estrategia de diseño también facilitó una separación formalizada de las entidades del plano de control y del plano de usuario/datos en el 5GC, un enfoque denominado “Separación del plano de control y usuario” (CUPS). Combinado con implementaciones centradas en software de los subsistemas en el núcleo de paquetes, el enfoque CUPS permitió una mayor escalabilidad, el equilibrio de los recursos de hardware, y la distribución / localización de instancias individuales a áreas específicas de la red optimizando la latencia y la utilización del transporte.
Las especificaciones de la versión 16 para 5G introdujeron la compatibilidad con el uso compartido dinámico del espectro (DSS), lo que permitió el despliegue simultáneo de la tecnología de acceso radioeléctrico (RAT) 5G con los sistemas 4G heredados en las mismas bandas de frecuencia. Esto permitió el despliegue de 5G en entornos en los que las nuevas bandas espectrales específicas para 5G no están disponibles, o no están listas para su implantación. Otra ventaja para los operadores con limitaciones de espectro es la incorporación de la capacidad 5G New Radio Unlicensed (NR-U), que permite el uso de bandas de espectro no licenciadas (normalmente compartidas con Wi-Fi) bajo el control de la red 5G.
La otra función clave de la versión 16 es la compatibilidad con Network Slicing Este concepto permite crear particiones de extremo a extremo de los recursos de red (incluso en infraestructuras compartidas), lo que a su vez permite asignar “segmentos” individuales a clases específicas de usuarios, aplicaciones concretas o incluso clientes individuales (en el caso de la 5G privada).
Más recientemente, las especificaciones de la versión 17 añadieron una nueva alternativa única para el acceso mediante Redes No Terrestres (NTN). Aunque desde hace tiempo se utilizan sistemas especializados de enlace ascendente o de retorno por satélite junto con redes móviles terrestres, es la primera vez que se reutilizan los sistemas, bandas y procedimientos radioeléctricos de la red terrestre para proporcionar acceso directo a los terminales desde estaciones gNB basadas en satélites como un sistema integrado.
A partir de la versión 17, también se ha añadido la compatibilidad para un amplio segmento de espectro para FR2, lo que permite el uso de casi 20 GHz de capacidad total en la región de 60 GHz.
Progresión de la arquitectura RAN
La red de acceso por radio (RAN) es un elemento clave de la arquitectura 5G y una parte importante del enfoque técnico de los estándares. A lo largo del tiempo han ido surgiendo distintas arquitecturas para la colocación e interconexión de los componentes de la RAN.
El modelo original de los sistemas móviles en redes macrocelulares era una arquitectura de red de acceso por radio totalmente distribuida (o “D-RAN”, por sus siglas en inglés), en la que los equipos de radio, el procesamiento digital/de banda base y los elementos de conmutación, transporte o enrutamiento de la red estaban todos juntos en una estación base “autónoma”. Este enfoque minimizaba la dependencia de cualquier otro elemento o infraestructura de red para la operación del emplazamiento, pero requería una base mínima significativa de energía, espacio, instalaciones y equipos auxiliares para crear una estación base o “Nodo B”.
Con el establecimiento de estándares como la Interfaz Común de Radio Pública (CPRI), se hizo posible separar los componentes de radio y antena de los demás elementos que realizan las funciones de la capa digital/banda base de la RAN utilizando una conexión de transporte óptica fronthaul o basada en paquetes, minimizando así la cantidad de equipos que debían estar presentes en el emplazamiento de una estación base. Esto fue especialmente útil a medida que la red seguía expandiéndose y densificándose, dando lugar a situaciones en las que un emplazamiento de radio tenía limitaciones de espacio, o cuando los requisitos de cobertura hacían necesaria la instalación de unidades de radio en un lugar en el que no era posible o no era deseable el despliegue de una estación base tradicional. En estos casos, las unidades digitales o de banda base (BBU) y los elementos adicionales necesarios para proporcionar una mayor conectividad de red al núcleo de paquetes podrían reubicarse en un emplazamiento centralizado, en lo que ahora se conoce como arquitectura de red de acceso por radio centralizada (o “C-RAN”).
El siguiente paso en esta evolución fue la arquitectura de red de acceso por radio virtualizada (o “V-RAN”). En este enfoque, las funciones de red virtualizadas o en contenedores se implementan en software, utilizando plataformas informáticas de uso general para sustituir las implementaciones de hardware especializado de las funciones digitales y de banda base. La adaptación de la interfaz de la unidad de radio (RU) para utilizar un formato basado en paquetes como el CPRI mejorado (eCPRI) permite que tanto las interfaces orientadas a la radio como las orientadas al núcleo (o “backhaul”) de la unidad virtual de banda base (vBBU) empleen una tecnología común basada en Ethernet para todas las conexiones de red, alineándose con el estándar común de los centros de datos de las operadoras. Este enfoque de virtualización de funciones de red (o “NFV”) permite desplegar y gestionar cargas de trabajo de funciones RAN junto con un grupo de otras cargas de trabajo similares en el centro de datos del operador utilizando un marco y unos recursos informáticos comunes.
Open RAN
Los estándares de Open RAN establecidos por la Open RAN ALLIANCE pretenden ampliar el modelo vRAN desagregando los componentes BBU y RAN en una arquitectura totalmente distribuida, al tiempo que definen interfaces estándares entre los subsistemas, lo que les permite ser intercambiables e interoperables.
La actual arquitectura Open RAN proporciona la separación funcional de los componentes RAN en una Unidad de Radio (RU), Unidad Distribuida (DU), Unidad Centralizada (CU), y Controlador Inteligente por Radio en Tiempo Real y no en Tiempo Real (rtRIC y nrtRIC). La arquitectura también incluye un componente de Gestión y Orquestación del Sistema (SMO) que coordina el despliegue, la gestión y la telemetría de cada uno de los componentes de la función de red de software distribuido, incluidas las interacciones con la infraestructura O-Cloud que aloja las funciones de red. Cada uno de estos elementos requiere una interconexión de red para funcionar, y una función de conmutación o transporte de paquetes en caso de que el componente adyacente se encuentre en un sitio remoto.
En esta arquitectura, la Unidad de Radio (RU) es la entidad responsable de digitalizar los datos de la capa de radio para la Unidad Distribuida (DU) ascendente de control. Por lo general, la funcionalidad presente en la RU incluirá varias instancias de transceptores, amplificadores de potencia y funciones de digitalización para cada uno de los flujos espaciales en una configuración de Entrada Múltiple / Salida Múltiple (MIMO), control de antena y procesamiento de paquetes de enlace ascendente para la conexión a la DU.
La unidad distribuida (DU) es el elemento que proporciona funciones de control de la capa de enlace (MAC) para las unidades de radio (RU) a las que está conectada, así como una parte de las funciones de procesamiento de señales de la capa física (PHY) relacionadas con la codificación, la aleatorización, la modulación, la ecualización, el mapeo de la capa MIMO y la formación de haces para el tráfico por radio.
El tráfico de una o más DU es agregado por la unidad centralizada (CU), que realiza funciones de gestión de sesiones de usuario, distribución de carga, programación y traspaso; éstas son menos intensivas en señal y procesamiento, pero generalmente implicarían un mayor volumen total de datos en paquetes.
El Controlador Inteligente de Radio (RIC) es un elemento especializado y discreto de la arquitectura Open RAN que realiza funciones de gestión de servicios y políticas, análisis RAN e Inteligencia Artificial (IA) / Aprendizaje Automático (ML) para proporcionar una gestión automatizada e inteligente y la optimización de los recursos de radio y el funcionamiento en redes complejas. Estas funciones trabajan en una escala de tiempo larga (más de 1 s) o “instantánea” (<< 1 s) en el caso de los subsistemas RIC en tiempo no real y real, respectivamente. También se ha desarrollado un marco modular para facilitar la ampliación de la lógica y la funcionalidad de RIC mediante interfaces abiertas y estandarizadas utilizando rApps (para nrtRIC) y xApps (para rtRIC).
