Fabio OtuboEn la próxima década, los teléfonos celulares no sólo servirán para conversar, enviar mensajes y acceder a contenidos digitales. También conectarán a los usuarios con sus electrodomésticos, a sistemas de transporte y de seguridad e incluso con sus vestimentas. Para que lo que se ha denominado Internet de las Cosas se convierta en una realidad, se necesitarán redes de celulares que procesen una mayor cantidad de datos más velozmente, aparte de un nuevo sistema de comunicación denominado 5G, es decir, telefonía móvil de quinta generación, que actualmente se encuentra en etapa de desarrollo y estandarización. Se contempla que, para el comienzo de la próxima década, estarán disponibles los teléfonos celulares con conexión a una internet al menos mil veces más rápida, con alta capacidad de procesamiento de datos y menor consumo de energía de la batería.
Los celulares son, básicamente, sistemas de radio que emplean frecuencias electromagnéticas capaces de transmitir voz, datos y video. Estos sistemas requieren patrones de codificación digital para que los celulares puedan conectarse con las estaciones de radio base (ERB), acceder a contenidos de internet y comunicarse con las operadoras de telefonía móvil. La red 5G prevé la utilización de frecuencias muy altas para aportar velocidades de transmisión en un rango de 10 gigabits por segundo (Gbps). Esto sólo será posible mediante tecnologías innovadoras y nuevas formas de codificación y configuración, más allá de nuevos equipamientos en las estaciones de radio base, tales como antenas adecuadas para frecuencias superiores a 24 Gigahertz (GHz). El actual 4G opera en una banda de 2,6 GHz. Las antenas se instalan en las estaciones de radio base y en el interior de grandes edificios, tales como ferrocarriles metropolitanos (metros), shoppings y aeropuertos. Todavía se sigue implementando el 4G en varios lugares del mundo, incluso con la perspectiva de que comience a operar el sistema 5G en la década de 2020. La primera red 4G se implementó en 2007, en Suecia. En Brasil, su implementación comenzó en 2011 y, según la Agencia Nacional de Telecomunicaciones (Anatel), para diciembre del año en curso, todas las ciudades con más de 100 mil habitantes contarán con 4G.
Los sistemas aplicables a celulares sufrieron una transformación en los últimos años, cuando estos aparatos devinieron en pequeñas computadoras de mano, con un variado espectro de sensores, tareas y funciones. En muchos países, tanto empresas como universidades e institutos están experimentando y desarrollando varias tecnologías para proveer al nuevo sistema 5G. En esta ocasión, al contrario de lo que ocurrió con los sistemas anteriores, Brasil está participando en el desarrollo de esa tecnología. “Científicos brasileños están cooperando para el desarrollo del nuevo sistema”, informa el ingeniero Arismar Cerqueira, coordinador del Laboratorio Wireless and Optical Convergent Access (Woca) del Instituto Nacional de Telecomunicaciones (Inatel), de Santa Rita do Sapucaí, en el sur del estado de Minas Gerais. Cerqueira lidera un grupo en el Inatelo que contribuye para el futuro 5G, junto a otros equipos de la Universidad de Campinas (Unicamp) y de la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro (PUC-Río).
Si bien existen varias empresas que realizan demostraciones con equipos y software que podrían ser parte de la tecnología 5G, la estandarización final del sistema sólo será aprobada en todos sus detalles por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), una agencia de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) para el área de tecnologías de la información y comunicación, cuya sede se encuentra en Ginebra, Suiza. La entidad comenzó a prepararse en 2012 y en septiembre de 2015 presentó un plan de trabajo que estará listo para 2020 con sus parámetros técnicos iniciales y recomendaciones. Por ejemplo, se definió que la tasa mínima de datos para el usuario final será de 10 Gbps. En el sistema actual 4G, ese valor es, como máximo, de 10 Mbps. La densidad será de 1 millón de dispositivos que puedan funcionar simultáneamente en 1 kilómetro cuadrado (km2), mientras que la actual es de 100 mil. La propuesta de eficiencia energética de las baterías indica un aumento de 100 veces en relación con el 4G. El consumo de las baterías no se restringe al dispositivo en sí, sino que también se produce durante la interconexión con el sistema.
A finales de 2017 comenzarán a presentarse nuevas propuestas de configuración y dispositivos, y en 2019 habrá una evaluación de las tecnologías desarrolladas en el marco de un congreso internacional. Las últimas especificaciones quedarán definidas en los primeros meses de 2020. “Estamos participando, al igual que otros investigadores de todo el mundo, en iniciativas que podrían incorporarse o no a un sistema de comunicación avanzada como el 5G”, dice el ingeniero Michel Daoud Yacoub, coordinador del Wireless Technology Laboratory (WissTek), el laboratorio de tecnología inalámbrica de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación (FEEC) de la Unicamp. “Los científicos tienen libertad para profundizar en temas que puedan ser de utilidad para el sistema”, dice Cerqueira, del Inatel, institución que coordina el mayor proyecto brasileño para el 5G, con una inversión de 20 millones de reales, financiados por el Fondo para el Desarrollo Tecnológico de las Telecomunicaciones (Funttel). Este instituto depende de la Fundación Instituto Nacional de Telecomunicaciones (Finatel) y el 55% de sus ingresos provienen de proyectos de prestación de servicios y desarrollo con cientos de empresas. Además de la Unicamp y de la PUC-Río, también participan empresas tales como Ericsson, fabricante de dispositivos, TIM y Algar, operadoras de telefonía celular.
Captación y distribución
El grupo del Inatel desarrolló y registró en Brasil cuatro patentes relacionadas con la tecnología 5G: dos antenas, un amplificador y un conversor de radiofrecuencia. Con esta nueva tecnología, en el instituto trabajan en ese proyecto y en otros cuatro de menor porte 15 doctores, 20 másteres y 55 ingenieros contratados. Las antenas que desarrollaron son de uso interno (indoor) para sitios tales como shoppings y metros. La función de las mismas consiste en captar y distribuir las señales de celulares a la red. “Se trata de todo un reto, porque ellas deben contemplar, además de las transmisiones en 5G, los sistemas anteriores, de tercera y cuarta generación, que durante cierto tiempo convivirán con el sistema más reciente”, explica Cerqueira.
Otra de las características del nuevo sistema, dadas las frecuencias electromagnéticas de transmisión y recepción de señal en que va a operar, será el uso de otras antenas ‒menores que las actuales‒, que deberán instalar las operadoras de telefonía celular, distribuyéndolas por ciudades y autopistas. La creación de la antena indoor del Inatel estuvo a cargo del ingeniero en telecomunicaciones Igor Feliciano da Costa, quien concibió ese dispositivo durante parte de su doctorado en la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU). El trabajo obtuvo el segundo puesto en el Momag 2016, un evento que organizan la Sociedad Brasileña de Microondas y optolectrónica (SBMO) y la Sociedad Brasileña de Electromagnetismo (SBMag). Los investigadores del Inatel trabajan ahora en el desarrollo de un modem con conexión USB para notebooks y en un amplificador de radiofrecuencia de utilidad en las centrales de radio base que funcionan junto a las antenas de la red para celulares, emplazadas en lugares altos, como en el caso de los techos de edificios. Tan sólo en São Paulo, hay miles de estaciones de radio base que conectan a cada celular con la red a medida que los mismos se desplazan por la ciudad.
En la Unicamp, los estudios se desarrollaron en cuatro campos. “El primero es el de las aplicaciones emergentes, como es la Internet de las Cosas. Estamos evaluando tres nuevos procesos de transmisión digital, porque las técnicas convencionales se mostraron inadecuadas para lidiar con los requerimientos de esas aplicaciones”, comenta Yacoub. El aumento vertiginoso del volumen del tráfico por internet, principalmente con aplicaciones tales como YouTube y Netflix, también es objeto de estudio por parte de los investigadores. Ellos analizan la posibilidad de utilizar sistemas que emplean un gran número de antenas extras como ayuda en zonas cada vez más densas en términos de demanda de intercambio de datos.
El laboratorio WissTek de la FEEC también contempla los sistemas device-to-device (D2D), o dispositivo a dispositivo, sin pasar por una estación radio base. Este sistema permitirá que dos equipos celulares que operen en 5G puedan comunicarse en forma directa, lo cual podría facilitar la comunicación y economizar baterías. El cuarto apartado de los estudios en la Unicamp es la modulación del canal que realiza el mapeo de los fenómenos de propagación de las ondas en ámbitos urbanos o suburbanos repletos de obstáculos, como en el caso de edificios y cerros. Los científicos emplean herramientas matemáticas tratando de superar esas barreras para que el sistema disponga de las frecuencias más adecuadas para la transmisión.
Inatel
Los equipamientos de las redes 5G serán menores y consumirán menos electricidadInatel“El desafío del 5G consiste en amoldarse a un tráfico de datos elevado y un mayor número de usuarios. Las tasas de transmisión de datos deberán ser muy altas y, simultáneamente, se debe mejorar la latencia”, anticipa Yacoub. La latencia es el tiempo de carga de un video, por ejemplo. En el 5G, se requiere que ese tiempo sea de 1 milisegundo (ms), frente a los 10 ms del 4G.
“El mayor problema del 4G es la permanente necesidad de recarga de la batería del celular. Es un uso muy intenso del sistema, con muchos recursos de radio (transmisión y recepción)”, explica Rodrigo de Lamare, del Centro de Estudios en Telecomunicaciones (Cetuc) de la PUC-Río. El investigador coordina un grupo cuyo objetivo es el estudio de la codificación para los puntos de acceso, que se encuentran en las estaciones radio base. “Dichos puntos deberán ser más densos, con antenas capaces de comunicarse con celulares y diversos sensores en el hogar, en el trabajo, principalmente en edificios inteligentes, dotados de tecnologías de acceso a vastos dispositivos de la Internet de las Cosas, tales como la iluminación y el aire acondicionado”, dice De Lamare.
Otra línea de estudio se ocupa de la simplificación de dispositivos del sistema de radio que soporta la red de celulares. “Amplificadores, ruteadores de wifi y otros dispositivos deberán ser de menor tamaño y costar menos para que incluso puedan compartirlos varias operadoras”, sostiene. Actualmente, cada empresa necesita disponer de uno de tales dispositivos en las estaciones radio base. Si tan sólo uno de ellos les sirviera a todas, el costo disminuiría bastante y así también el consumo de energía.
Ya se han divulgado varios ejemplos experimentales en todo el mundo que se encuentran en fase de desarrollo. En Finlandia, la Universidad de Oulu llevó a cabo en septiembre un experimento con tecnología 5G para controlar un robot de uso industrial. Esa misma universidad resultó elegida para brindar una demostración de la tecnología 5G durante los Juegos Olímpicos de Invierno de 2018, a realizarse en Pyeongchang, Corea del Sur. El proyecto será financiado por la Unión Europea y contará con la colaboración del gobierno coreano. En Estados Unidos, el investigador Theodore Rappaport, de la Universidad de Nueva York, compartió un programa en el sitio web de su grupo (NYU Wireless), en marzo de este año. Se trata de un simulador para desarrolladores de teléfonos celulares 5G con infraestructura de estación radio base. Otros científicos han puesto a disposición los resultados de cuatro años de mediciones efectuadas en las frecuencias de radio que se utilizarán en la tecnología 5G.
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