Evolución 5G. Las tecnologías 5G: Contexto en España y Servicios.

Podemos definir 5G como un nuevo “paradigma” de telecomunicaciones en mobilidad basado en todo hacia todos en un contexto de velocidades de transmisión en la red en mobilidad superiores a 300Mb/s y en conexiones fijas superiores a 1Gb/s.

Este nuevo paradigma, entrará en vigor el próximo 15 de Mayo de 2019.

1.Introducción.

Conceptos tales como Ciudades Inteligentes, Internet de las cosas , M2M (Máquina a máquina), sensores conectados por RFID, sistemas de inteligencia artificial sobre aplicaciones BigData, así como conceptos avanzados de interacción muchos a muchos en broadcast y en movimiento y Todos a Todos, A2A, en mobilidad, hoy ya no nos suenan a ciencia ficción.

Podría parecer, que la familia de protocolos 802.x se nos ha quedado obsoleta, pero no es el caso. Hace más de 13 años se crearon ya las bases de lo que hoy llamamos 5G. (Aunque vinieran por fascículos).

Protocolos como WiRRSIP, WiMax y LTE, vieron la luz  en la primera década  del siglo XXI en un contexto en el que las redes de comunicaciones aún se recauchutaban sobre el par de cobre básico, debido más a las necesidades económicas de los operadores dominantes, que a los avances tecnológicos en el ámbito de las ondas de radio, unido a un obsoleto modelo de conmutación de circuitos basado en tecnologías de los años 50. (PTSN y DTSN)

Ninguno de los inventores de dichos protocolos emergentes, pese a sus brillantes descubrimientos, recibieron premios, sino más bien el descrédito y la crítica, cuando no el desprecio y el insulto, en un paradigma claramente dominado por los intereses del par de cobre y unas infraestructuras poco eficientes de comunicaciones móviles emergentes que apenas eran capaces de aprovechar el 1% de la capacidad técnica de las señales de radiofrecuencia. Un contexto en el que el dominio de la frecuencia era propiedad del operador dominante y los procesos de transmisión de señal ineficientes y caros. El sistema dominante estaba basado en conmutación de circuitos y no en procesado de paquetes, y apenas se atisbaban tecnologías GSM, que permitían anchos de banda irregulares de 9,8kb/s llegando en el mejor de los casos a 18kb/s que eran facturados al cliente a precios de oro en lo que a mobilidad se refería y parcos e insuficientes para el entorno IP que estaba ya demandando el mercado.

Hubo que esperar a 2006, para que se produjese un ciclo de cambio científico y tecnológico, que por desgracia no iba acompañado del avance de provisión del servicio oportuno. En un contexto legal monopolístico o cuasi-monopolístico, los aguerridos inventores, fueron tratados de locos o farsantes, cuando en realidad  estaban poniendo las bases tecnológicas para los años venideros en una visión adelantada del futuro en el presente.

Protocolos como WiMax, WiRRSIP, y LTE, pusieron las bases de lo que hoy conocemos como la pila de protocolos de convergencia IP 3GPP 4-5G. Fueron visionarios en los años 2004-2008, y mártires de sus propios colegas, sus empresas quebraron y/o fueron absorbidas, fueron cuestionados, criticados y crucificados en un contexto de conmutación de circuitos, por predicar la transformación de Fourier, pero finalmente, sacados a la luz y desarrollados ante el agotamiento del sistema basado en el par de cobre y el viejo protocolo OSI, heredado de las soluciones propietarias de los grandes dinosaurios que veían caer su imperio ante los nuevos desafíos de la sociedad y de las propias necesidades TIC.

WiRRSIP y WiMax fueron los primeros en desafiar las reglas convencionales aplicando en RadioFrecuencia la transformada de Fourier. Su delito fue descubrir que podía darse una Transformación de las frecuencias de forma Ortogonal, (OFDMA) de manera que frente al modelo clásico y poco eficiente de multiplexación en la frecuencia (FDMA) (Es decir división por frecuencias) podían solaparse N portadoras en el mismo espectro combinando y utilizando celdas en forma de racimo al mismo tiempo, para convertir la interferencia en portadora, filtrando el ruido del caudal natural de las ondas de radio con lo que se aumentaba muy considerablemente el ancho de banda.

En dicho contexto, hablar de velocidades de transmisión de 1 a 16 Mb/s por segundo en movimiento, cuando en aquellos tiempos todos los operadores dominantes apenas si rozaban los 18Kb/s en GSM, o 48Kb/s (GPRS) (G2) era digno de ser quemados en la hogera, en la hoguera de las vanidades de los operadores dominantes. Prueba de ello fue la quiebra de Nortel (WiMax) y de Xti-B-ingenia (WiRRSIP) en España en 2008, tras demostrar transmisiones de videoconferencia en mobilidad a más de 16mb/s en la primavera de 2007. Se les llamó farsantes, e incluso en países como España se llegó a descalificar al inventor del protocolo WiRRSIP (un español), so pretexto de que si sus títulos de ingeniero fueron o no comprados por internet. Lo cierto es que quedaron relegados a meros estándares para un futuro…(Un futuro que tardaría 10 largos años en llegar). Pero la liberación de esas tecnologías y protocolos fue clave para el desarrollo posterior…

Mientras tanto, los servicios ToIP, eran privilegio de unos pocos. BMW, adoptó su primer dispositivo i-drive en junio 2009 basado en tecnología WiRRSIP( Cambiada de nombre), con sistema de red de teleasistencia en movimiento en los modelos de las series 3 y 5.

Por otra parte, era necesario un escenario de convergencia entre los operadores y una redefinición de las nuevas redes basadas en IP, pues tradicionalmente estaban definidas en los protocolos de los estándares tradicionales basados en la torre OSI- ISO, a espaldas de los avances de las TIC.

Nuevos protocolos de adaptación, tales como SIP, MPLS, H-323 y nuevas pasarelas (gateways), eran necesarias para la transmisión de señales multimedia de vídeo, datos y voz sobre IP, que inicialmente resultaban incompatibles con las ya obsoletas, caras, ineficientes y lentas infraestructuras de los operadores dominantes, en un contexto dominado por caras infraestructuras ATM y RDSI, fijas en el mercado residencial.

En paralelo, la crisis de 2008, hizo estragos en las inversiones de los nuevos sistemas 3G basados en UTRAN y UMTS, con infraestructuras de amortización diferida. El modelo resultante, todos lo conocemos: Operadores dominantes con tecnologías 2.5G que aún combinaban RTB, (STSN) Redes de conmutación de circuitos sobre par de cobre y antenas GSM, con Infraestructuras ATM y RDSI (ISDN) utilizando costosos sistemas de conmutación y enrutamiento con innumerables cuellos de botella en las Redes. En paralelo se iba desarrollando de forma lenta, pero progresiva la denominada NGN, basada en todo IP (Redes de nueva Generación).

El paso de un modelo (STSN-DTSN+GSM) a NGN, comenzó de forma real en Europa, a finales de 2008, pero en España hubo que esperar siete años hasta la entrada en vigor de la Ley 9/2014, para que se hiciera realidad la NGN, con los correspondientes 7 años de retraso tecnológico. Durante esos 7 años, se concentró el modelo de pago en tarifas XDSL- y Cable DSL. Así como modelos basados en la ya obsoleta GPRS.

Mientras el avance de Internet y el Todo IP era imparable en el resto del universo, en España, coexistían los dos modelos obsoletos: De un lado el viejo paradigma basado en la conmutación de circuitos y las redes móbiles 2G y 2.5G, que apenas soportaban IP, y las viejas conexiones de pares de cobre reconvertidas en xDSL, como alternativa fusionada. (Sirva de ejemplo los famosos contratos fusión del operador dominante que todos recordamos.) Hubo que esperar a 2015, para realmente hablar de banda ancha y tecnologías 3G en España. El inventor de WiRRSIP, liberó la tecnología en origen y la integró en 2008 con WiMax, con lo que el binomio WiRRSIP-WiMax comenzó en julio de 2016 en España con la aparición de los primeros operadores 4G.

España llegó 7 años tarde a la banda ancha. Duele decirlo, pero es cierto. Ejemplo de ello es el indicador DESI. (En 2014 ocupábamos el puesto 18 en la UE). En 2018, ocupamos el puesto 10, y seguiremos subiendo posiciones.

La NGN en España fue un imperativo legal tardío impulsado por la Ley 9/2014, a la que debemos el honor de haber incorporado toda la legislación comunitaria en materia de telecomunicaciones de un golpe. La liberación de las Telecomunicaciones en España fue como todo lo que se hace en España un proceso brusco desde lo antiguo a lo moderno sin apenas transición. Un despliegue sin precedentes de infraestructuras, y una bajada escalar de precios con incremento de competitividad y prestaciones en un mercado en el que los proveedores de acceso pasaron de contarse con los dedos de una mano a centenares de ellos en apenas cuatro años, al mismo ritmo que el despliegue y proliferación de infraestructuras diversas. En la Ley 9/2014, se incorporaron…de golpe…Todas las Directivas del Pack II Telecom de la UE, que modificaban las anteriores Directivas de 2002. 19/20/21/22, por las 2009/136 y 2009/140 . Esta situación hizo que se pasara de un marco de subdesarrollo a una liberalización sin precedentes. (Para el lector no técnico o no conocedor del derecho, por poner un símil supuso pasar de una carretera comarcal de un sólo carril por sentido a una autopista de tres carriles por sentido).

El despliegue llegó tarde, pero avanzó a un ritmo intensivo de cerca de 5veces el sumatorio de la inversión de la UE en apenas 4 años. Puede hablarse sin duda del milagro español en Telecomunicaciones. La Agenda 2020 de la UE, fue tomada muy en serio por los diferentes gobiernos de la etapa 2011-2018, y de hecho sigue siendo un pilar clave en España.

Hemos pasado del PTSN+DTSN +GSN al NGN(ToTip) de última generación incluyendo un despliegue de FFTH(Fibra hasta Tu Casa) sin precedentes con capacidades superiores a 1Gb/s y a cobertura 4G al 98% a la fecha de este artículo.

En la actualidad existen servicios que abarcan 30Mb/s con cobertura Universal y al menos el 50% de la población cubierta tiene acceso en las ciudades a redes de más de 100Mb/s.

La penetración en España de la Telefonía Mobil Inteligente es de 158% (1,6 líneas por ciudadano).

En este contexto se desarrollan las nuevas necesidades: Ciudades Inteligentes, Internet de las cosas , M2M (Máquina a máquina), sensores conectados por RFID, sistemas de inteligencia artificial sobre aplicaciones BigData, así como conceptos avanzados de interacción muchos a muchos en broadcast y en movimiento y Todos a Todos, A2A. VideoWebBinars, VideoWhatsapp, E-CRMWhatsapp, E-RPBroadcast, E-Training, E-Presence4Kids, WebEvaluatingOurKids, E-Judgement, C2G, E-Administration, A2A, Car2Go, Car2Car…

Es aquí donde aparece 5G.

2.-Qué es 5G.

Para entender 5G, primero tenemos que entender qué es el entorno IMS-SIP.

IMS (Internet Multimedia System) sobre SIP( Session Initiation Protocol) y se soporta sobre protocolos como IP (Internet) utilizando TCP/UDP en la capa de transporte, o RTCP/RTP/RSTP para la transferencia de multimedia (vídeos). La clave está en utilizar codecs (Codificación para comprimir señales). Pero en la fuente es necesario negociar Radiofrecuencias con IP.

Es decir. Es necesario convertir señales analógicas en señales digitales. Es muy básico, pero implica decidir transmitir las señales digitales como tales, códigos (0,1) binarias, (bits) o como Paquetes (Datagramas) Matrices complejos como tarjetas completas con toda la información.

Hasta la aparición de WiRRSIP, se pensaba en la conmutación por señales. Se transformaban las señales para transferirlas por el medio Radio o medio eléctrico. Para eso se utilizaba un proceso denominado FDM o TDM, Duplexación en la Frecuencia o Duplexación en el Tiempo. La señal portadora se podía dividir en el tiempo o en la frecuencia. De esa forma se generaba mayor ancho de banda. Todo parte de un Teorema muy sencillo formulado en 1929 por Nyquist: (Frecuencia x2=Ancho de Banda. ) El Ancho de banda siempre es como mínimo el doble de la frecuencia.

Pero claro, el problema es que hay interferencias, atenuaciones, pérdidas, etc…Hasta WiRRSIP, todo estaba muy claro porque sólo se utilizaban procesos de Multiplexación en la Frecuencia o en el Tiempo, FDM o TDM, e incluso en CDM, generando códigos de acceso en la Frecuencia o en el tiempo. Pero en 2006 cambiaron las cosas. Un español, descubrió que podía Multiplexar Ortogonalmente las Frecuencias aplicando la Transformación de Fourier y asignarles también códigos de acceso al mismo tiempo. De esa forma, se podían abrir hasta 126 canales y transportarlos en la misma onda portadora. La idea era aprovechar las interferencias del canal para generar el menor ruido y aumentar el caudal neto de transmisión. Se denomina OFDMA frente a FDMA o TDMA, típicos hasta entonces de la tecnología GSM o GPRS. De esta forma se conseguían hasta 16Mb/s frente a los apenas 0,5Mb/s en la mejor versión de GPRS.

Adicionalmente, aplicó un Modelo de utilidad en el que asignó un dispositivo de muchas antenas de entrada y salida, que permitía incrementar la capacidad de emisión y recepción de señales en la misma celda y en las colindantes del racimo. El modelo Original se llamó WiRRSIP, sobre OFDM y MIMO (Múltiple entrada y Múltiple salida). Esto permitía mayor simetría en bajada y en subida (“uplink”-”downlink”). (Multiple Input-Multiple Output).

Sobre esas bases y al mismo tiempo que WiRRSIP, surge WiMax, La idea era/es el acoplamiento. Ambos forman parte de la misma cosa, la diferencia es que mientras WiMax es neutro a la hora de describir el protocolo de transporte (Pero lo basa en IP), WiRRSIP, se basa en el protocolo SIP, (Session Initiation Protocol) sobre IMS, que es la base de la NGN, es decir…TodoIP (ToIp). Mientras WiMax describe las capas de enlace WiRRSIP, se centra en las capas de servicio y de interface, de manera que ambos conjuntamente constituyen una pila conjunta desde el nivel físico hasta el nivel de usuario (El equivalente a todos los niveles del antiguo OSI).

Sobre esas premisas se construye también LTE que conceptualmente viene a ser una fusión de WiMax+WIRRSIP=LTE (Long Term Evolution). La idea es integrar en una sola tecnología todas las capas.

Tanto LTE como WiMAx+WiRRSIP han evolucionado sobre OFDMA y MIMO, mejorando ratios de señal/ruido y de velocidades que en las versiones actuales de las nuevas Releases de 3GPP, pueden llegar a tasas de transferencia superiores a los 16GB/s en sus diferentes versiones. La cuestión es el aprovechamiento de las Macroceldas, las Microceldas y las Picoceldas de las antenas de UTRAN-URAN. Es decir, se clusterizan las señales como si fueran racimos en celdas.

-Las Macroceldas se utilizan en lugares poco poblados.

-Las Microceldas en lugares muy poblados con gran densidad de población.

-Las Picoceldas en Edificios.

Y se reutilizan las instalaciones, las antenas y las infraestructuras antiguas cambiando la inteligencia de los procesos de recepción-emisión de señal. De esta forma, el movimiento de los dispositivos se desplaza por las celdas a velocidades de hasta 550km/h, con ratios garantizados de velocidad de más de 300mb/s .

Finalmente, y al mismo tiempo, se desarrolla una capa de servicios IP basada en SIP, sobre pasarelas con H323, es decir, se da la convergencia total sobre IP. Mobilidad total y conectividad total desde cualquier dispositivo y desde cualquier lugar, porque todos los paquetes de datos van en IP y van multiplexados en OFDMA, es decir, al mismo tiempo viajan todas las señales de datos y convergen en la frecuencia de forma ortogonal. De esta forma no hay interferencias ni interrupciones en la señal. Se aprovecha todo el ancho de banda. Y al mismo tiempo, toda la capa de servicios que ofrece IMS, a través de la familia de protocolos SIP.-WiRRSIP. (Señal Inalámbrica de Radio Recepción Con Protocolo de Inicio de Sesión) sobre WiMax ( Wireles Interoperable Sobre Subsistema Multimedia de Area Metropolitana). A partir de aquí, 5G, son generaciones basadas en modificaciones avanzadas de estas tecnologías con prefijos Ultra, ++, plus, etc, pero que conservan la base de la multiplexación OFDMA+MIMO y en un futuro nuevas releases basadas en QOFDMA+MIMO, ( Multiplexación Cuántica Ortogonal en la Frecuencia) en base a principios de Radiofrecuencia Cuántica Diferencial. La liberación de tecnologías y la estandarización como protocolos interoperables y abiertos, ha sido clave para el desarrollo de la 5G.

Esa es la base de la estructura de 5G.

Requisitos para adaptar las infraestructuras:

1º.- Implementar sistemas inteligentes OFDMA+MIMO.

2º.-Simetría en los canales de bajada y subida.

3º.-Implementar WiRRSIP- (Capa de enlace con SIP en IMS).

4º.-Desarrollar los dispositivos terminales móviles inteligentes con capacidades OFDMA+MIMO.

5º.-Infraestructuras del operador que cumplan los requisitos NGN.

3.-Tendencias del Mercado: 5G en España

El despliegue de redes 5G ya se está realizando en el Marco de la nueva Directiva Europea del Código Unificado del Mercado Digital Europeo 1972/2018, y permitirá garantizar el acceso Universal a los ciudadanos de al menos 30Mb/s como servicio Universal básico y más de 100Mb/s en mobilidad, y al menos 300Mb/s estáticos garantizados y ratios de 1GB/s a 16Gb/s estáticos garantizados en las zonas de despliegue en 2020.

Se regulan las tarifas planas de acceso y al ser Todo por IP, se factura mensualmente por servicios de tarifas planas. Desde 5 Euros, se tendrá acceso a comunicaciones IP por paquetes de Gigas mensuales Ilimitados y llamadas ilimitadas, lo que supondrá una revolución. No se facturará por el consumo, sino por la calidad del servicio y la velocidad contratada.

Entre las utilidades más interesantes de 5G, estará hablar y mantener una conexión a internet “hot spot” al mismo tiempo y sin interrupción de llamadas en movimiento o video-conferencias, y utilizar el smart phone como centro de datos o proveedor de acceso a internet y centralita virtual en movimiento a más de 120 km/h con velocidades que hoy sólo podría prestar un centro avanzado de datos.

La entrada en vigor del nuevo sistema será el 15 de Mayo de 2019.