Las comunicaciones 5G en el Internet de las cosas

(tiempo de lectura aproximado: 12 min)

¡Y por fin llegó un artículo que une tecnologías IoT y comunicaciones 5G!

He seleccionado este artículo para traducirlo porque tiene dos aspectos importantes en el Internet de las Cosas:

  • Comunicaciones inalámbricas
  • Requisitos técnicos para conseguir fiabilidad y rapidez en las comunicaciones

Además, y de paso, leerás algunas ideas sobre de Edge Computing.

5g-casos de uso

Lo que vas a leer es la traducción del artículo:

Sahoo, B. P. S., Chou, C.-C., Weng, C.-W., & Wei, H.-Y. (2018). 
Enabling Millimeter-Wave 5G Networks for Massive IoT Applications. 
Retrieved from http://arxiv.org/abs/1808.04457

Si queréis tener el artículo completo, en inglés, basta con pinchar en el enlace, al estar ubicado en arxiv.org es de acceso libre.

Sinopsis (traducción literal)

El Internet de las cosas es una de las tecnologías más prometedoras de los sistemas de banda ancha móviles de quinta generación (5G). Los servicios basados en datos de los sistemas 5G requieren unas capacidades y disponibilidad sin precedentes.

Las tecnologías inalámbricas basadas en ondas milimétricas se espera que jueguen un papel esencial en el futuro de los sistemas 5G.

En este artículo describimos las tres categorías de los servicios de quinta generación: banda ancha móvil mejorada, comunicaciones ultra fiables y de baja latencia y comunicaciones masivas para máquinas.

Además, presentamos los posibles problemas de los dispositivos de usuario en un entorno 5G unificado. Damos una visión del estado del arte con énfasis en los retos tecnológicos cuando se aplican ondas milimétricas para dar soporte a aplicaciones del Internet de las Cosas.

Nuestra exposición subraya los retos y soluciones, especialmente los requisitos de comunicaciones y computación para los dispositivos de usuarios en un entorno 5G.

Introducción

Estamos siendo testigos un rápido avance en el mundo de las comunicaciones móviles, donde la evolución de las comunicaciones personales, los juegos, los hogares inteligentes o las aplicaciones de control industrial han florecido de una forma notable en la última década. Los casos de uso de las ondas milimétricas (mmWave) prometen traer nuevos niveles de capacidad y eficiencia, dando soporte a un rango variado de aplicaciones y dispositivos.

La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) ha clasificado los servicios 5G en tres categorías:

  • eMBB: banda ancha móvil mejorada (enhanced mobile broad band)
  • mMTC: comunicaciones de máquinas masivas (massive machine-type communications)
  • uRLLC: comunicaciones utra fiables y de baja latencia (Ultra-reliable and low latency Comuunications)

Sin embargo, existen muchos retos que se extienden desde la infraestructura física hasta el diseño de protocolos de comunicación.

En las aplicaciones IoT conforme crece la densidad de dispositivos resulta más difícil proveerles de conectividad en una cantidad de tiempo requerido.

Las redes inalámbricas tradicionales ya han fracasado en este aspecto debido a su ancho de banda tan limitado. Sin embargo, las mmWave han mostrado su potencial para solucionar estos problemas y el objetivo de este artículo es mostrar tanto los retos como las soluciones más prometedoras para soportar aplicaciones y servicios IoT masivas en redes 5G.

Categorias en 5G
Casos de uso en 5G

Sistemas IoT con ondas milimétricas

A continuación de muestran los requisitos y retos a alto nivel de las tres categorías de servicio del 5G: eMBB, mMTC y uRLLC.

Me voy a centrar en los problemas relacionados con la transmisión direccional, escenarios de alta movilidad, despliegues ultra densos y los requisitos de computación para desplegar aplicaciones IoT.

Categoría eMBB

Siguiendo las recomendaciones de la visión para 2020 de la ITU, el despliegue de banda ancha móvil, o eMBB, es uno de los tres casos de uso de las redes 5G.

Está enfocada a alcanzar picos de tráfico de hasta 10 Gbps, 1 Gbps en casos de alta movilidad y hará crecer por 10.000 el tráfico total de la red. Las investigaciones recientes han demostrado que estas cifras son alcanzables y que las mWave y MIMO (Multiple-input and Multiplie-Output) jugarán un papel crucial en la tecnología.

eMBB dará servicios de velocidad ultra rápida tanto en el exterior como el interior de edificios, streaming multimedia de alta resolución incluso en escenarios de movilidad, procesamiento de big data en tiempo real y aplicaciones de realidad aumentada y virtual.

Sin embargo mmWave viene con numerosos retos y en este artículo nos focalizamos sobre todo en los escenarios de movilidad de usuarios y los requisitos de computación y comunicaciones.

Un estudio sobre un vehículo inteligente con 5G e IoT

Existe un estudio reciente sobre un vehículo con tecnología IoT en la nube que puede compartir gigabits de datos alrededor suya y tener reconocimiento de imágenes en tiempo real. El sistema está pensado para comunicarse con otros vehículos (V2V) y con la infraestructura (V2I) usando ondas milimétricas mmWave.

Para que el procesamiento sea en tiempo real se requiere muy baja latencia y poca congestión en la red. Últimamente se tienda a pensar en el edge computing como una tecnología que facilitará este tipo de servicios. El edge computing en combinación con los servicios en la nube permitirán el aprovisionamiento y planificación de los recursos.

El aprovisionamiento correcto y eficiente de los recursos se va a volver clave para las aplicaciones que usen eMBB.

Llegados a este punto, merece la pena aclarar la diferencia entre edge computing y fog computing. Edge computing hace referencia al lugar físico donde se colocan los recursos o los nodos. Sin embargo fog computing es la forma en que estos nodos se organizan y funcionan de forma cooperativa. Un nodo que forme parte de una red fog computing puede estar en el edge o no.

Se te apetece, puedes seguir aclarando conceptos de fog computing en el artículo dedicado a Openfog.

Proyecto 5G-MiEdge

Existe una propuesta llamada 5G-MiEdge que combina las mmWave y el edge computing en una arquitectura híbrida para proveer servicios eMBB. Las comunicaciones centralizadas y los recursos de almacenamiento y computación se colocan hacia el borde más cercano a los dispositivos, usando además líneas de comunicaciones de respaldo directa (backhaul) entre nodos edge.

Arquitectura MiEdge
Arquitectura MiEdge

En esta arquitectura el procesamiento de gigabits es soportado por la colocación de los recursos en zonas más cercanas a la distribución de la señal, mejorando los tiempos de respuesta y realizando una descarga de requerimientos de computación de la nube.

Por otro lado, las aplicaciones de realidad virtual (VR) necesitan conectarse a servidores de realidad virtual (VRS) para descargar una cantidad ingente de datos, y deben hacerlo sin retrasos en la entrega de información. Debe ser así incluso en zonas donde haya gran acumulación de personas y en sitios públicos.

Se sabe que los dispositivos de realidad virtual tendrán un alto consumo de energía cuando se está produciendo la transmisión masiva de información y se verán afectados por las interferencias de los dispositivos vecinos usando las mmWave. Este último problema puede ser resuelto aplicando distintas técnicas de gestión de interferencias, pero dada la complejidad de las mismas no se discutirá en este artículo.

Tal como hemos visto, llegar a alcanzar el objetivo pensado para eMBB no es tarea sencilla, y ya hay un plan de trabajo que se espera que esté culminado en 2019.

Categoría uRLLC

Las onda milimétricas también están destinadas a enviar información importante de forma fiable o, dicho de otra forma, con una tasa de pérdidas extremadamente baja. Esta alta fiabilidad, junto con la baja latencia, dejando de lado los altos anchos de banda, es lo que se denomina uRLLC (Ultra Reliabilitay Low Latency Communications).

Algunos ejemplos de este tipo de comunicaciones podrían ser:

  • Gestión de desastres naturales
  • Entornos sanitarios y hospitalarios
  • Comunicaciones militares
  • Comunicaciones industriales
  • Aplicaciones de vehículos que necesiten gran precisión

Pero incluso dentro de estos ejemplos las características pueden variar: la latencia puede ser un requisito que pase de menos de 1 mili segundo a varios segundos. En las aplicaciones sanitarias es imprescindible la fiabilidad de la entrega de información en tiempo real. Por lo tanto el despliegue de 5G debe ser lo suficientemente sensible para soportar todos estos escenarios.

Sin embargo a las ondas mmWave se las critica por su difícil propagación y fácil obstaculización, complicando el despliegue cuando se trata de tiempos tan bajos de respuesta.

Vamos a abordar este problema específico desde dos puntos de vista: el diseño del core de de la red y la gestión de la movilidad.

Para hacer este ejercicio primero vamos a ver cómo funcionan las redes móviles actuales.

En estas redes los paquetes que sufren más retraso son aquellos que necesitan pasar por el core de la red para llegar a su destino. Es por esto que para 5G se propone llevar las funcionalidades del core a un lugar más cercano a donde se gestiona la señal, al borde de la red o edge.

Soluciones a los problemas de uLRRC

Hay tres tecnologías que prometen ser la solución de estos problemas: MEC (Mobile Edge Computing), SDN (Software Defined Networks) y F-RAN (Fog-Radio Access Network). A estas además hay que agregarles la tecnología mencionada en el punto anterior que combina las redes de acceso con enlaces punto a punto entre nodos de la red, facilitando la configuración flexible de pequeñas celdas con la gestión de recursos dinámicos.

Para soportar escenarios uRLLC de alta movilidad se deben cumplir esos requisitos:

 

  • Transferencia o handover. Pasar de un enlace a otro o de una red a otra no puede conllevar la pérdida de paquetes y se debe asegurar que el cambio se hace sin interrupciones del servicio.
  • Enlaces redundantes: para tener comunicaciones ultra fiables es necesario tener redundancia de enlaces tanto en el acceso por radio como en el resto de la infraestructura, y estos enlaces deberían ser entregados por nodos distintos.
  • Esquemas de transmisión. El sistema debe proveer de un esquema de transmisión robusto que permita el envío de información a través de enlaces redundantes, tanto de una forma coordinada como descoordinada.

 

Precisamente estos últimos puntos son los necesarios para superar los problemas de bloqueo por obstáculos físicos, pues se abre la posibilidad de tener enlaces redundantes y usarlos para enviar y recibir información de manera simultánea, técnica conocida como multi-TRP (Transmission Reception Point).

En el dibujo se muestra un ejemplo de este tipo de escenarios.

5G y multi TRP
5G y multi TRP

En los escenarios de alta movilidad y gran densidad de usuarios es alta la probabilidad de que los usuarios pasen por handover frecuentes, corriendo el riesgo de pérdida parcial de servicio o ralentización.

Para evitar este tipo de situaciones el usuario siempre debe ser atendido por un TRP con potencia suficiente y sus datos deben ser transferidos al TRP de destino antes de que se produzca la transferencia del usuario.

Tal como se indicaba antes, la disponibilidad de estos recursos en el edge puede ser una solución a este problema.

Categoría mMTC

Según las estimaciones en 2021 habrá 11,6 millones de dispositivos móviles conectados, incluyendo aquellos que usan comunicaciones máquina a máquina (M2M). Y las comunicaciones 5G generarán 4,7 veces más tráfico que las actuales 4G.

mMTC es la base para las comunicaciones del Internet de las cosas, permitiendo la variedad de tipos de comunicaciones que cada vez es más palpable. Sin embargo, no todos los dispositivos está conectados todo el tiempo: pueden estar solo recibiendo datos, transmitiéndolos o simplemente en estado de espera.

Además mMTC facilitará la eficiencia y flexibilidad para que el tamaño y velocidad de transmisión de los paquetes sea variable.

Por lo tanto, el principal reto de mMTC es la gestión de una cantidad masiva de dispositivos conectados de forma descoordinada, al contrario que las redes móviles actuales, pensadas para transmisiones de voz perfectamente coordinadas y transferencia de información de una forma homogénea.

Para que todo esto sea realidad es necesario investigar en nuevas tecnologías que permitan el uso de mmWave para estos fines.

EVALUACIÓN DEL SISTEMA

Para este artículo se han realizado experimentos donde se demuestra la eficacia de los entornos TRP con mmWave, dando soporte a aplicaciones uRLLC y eMBB.

En la gráfica se puede apreciar la respuesta de dos redes, una multi-TRP y otra con TRP simple, dando cobertura a un usuario que va en movimiento a cierta velocidad y con potencia de cobertura por encima de un umbral mínimo.

Para el experimento se usaron tres celdas sirviendo comunicaciones a este usuario, que hacía transferencia entre una y otra, obteniendo enlaces redundantes siempre con más de una celda.

TRP vs multi TRP
TRP vs multi TRP

En esta gráfica  se muestra el resultado del experimento, donde se ha medido la tasa de fallo en la recepción. Se puede ver claramente como los enlaces redundantes en la red multi-TRP mejoran significativamente la tasa de error.

Esta mejora podría verse aumentada con los siguientes factores:

  • aumentando la capacidad de computación de las celdas TRP
  • aumentando la densidad de estas celdas.

RESUMEN Y DEBATE

Las ondas milimétricas mmWave son una nueva generación de redes celulares que prometen dar solución a las aplicaciones de dispostivos IoT masivos. Sin embargo es necesario realizar imporantes cambios en distintas capas de los protocolos para conseguir el objetivo.

En este artículo se han presentado los recquerimientos a alto nivel para tres casos de uso de 5G.

Sin embargo hay varios temas a debate:

  • Corto alcance. Hay muchos mecanismos por los que un usuario puede llegar a conectarse a un ecosistema IoT, pero fijémonos en los que se usan en los entornos de corto alcance. La Wi-Fi a 60Ghz es una de las tecnologías mejor posicionadas para dar soluciones eficientes, puesto que los estándares actuales están pensados para entornos con pocos dispositivos, enlaces de radio estables. Por lo tanto hay que redefinir el entorno completo para contemplar, por ejemplo, la detección de colisiones con mensajes de control bajo demanda o las comunicaciones multisalto.
  • Tecnologías de acceso: 5G provee dos portadoras distintas, una con baja frecuencia y otra con alta frecuencia, permitiendo cada una de ellas distintas formas de acceso. Por lo tanto se debe diseñar un mecanismo que permita multiplexar los métodos de acceso al canal, teniendo en cuenta que debe evitar la degradación del servicio y permitir la integración con las tecnologías anteriores.
  • Mobilidad: las ondas mmWave se ven afectadas por la atenuación y el bloqueo de la señal. En este sentido la emisión inteligente y los algoritmos de seguimiento de señal son cruciales para aumentar la cobertura y minimizar las interferencias. Con los escenarios en linea de visión y fuera de linea veremos distintos casos de mobilidad, como los de exterior y los de interior. Otro asunto a discutir sería la mobilidad entre distintas tecnologías de acceso sin pérdida de datos.
  • Otros. La transmisión direccional de ondas mmWave necesita de funciones complejas para el procesamiento de antenas y capacidad de cómputo suficiente para gestionar la programación y señalización de las comunicaciones. Por otro lado, los dispositivos móviles requieren de un alto consumo de batería, por lo que habrá que diseñar gestiones de la energía más eficientes. Recientemente están apareciendo varios estudios que habla de la coexistencia de redes Wi-Fi y LTE, y no solamente limitados a estas dos. Y por supuesto uno de los temas primordiales es la aparición de nuevos riesgos y amenazas de seguridad

Las infraestructuras de unificación en 5G para soportar aplicaciones IoT masivas conlleva la investigación en varios campos muy prometedores, tal como hemos ido desgranando a lo largo de este texto.

 

Por favor, síguenos y comparte:
error

Deja un comentario

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.