Arquitectura de la tecnología 5G

El objetivo principal de las generaciones anteriores de las redes móviles ha consistido simplemente en ofrecer servicios de datos móviles rápidos y confiables a los usuarios de las redes. La tecnología 5G ha ampliado este panorama para prestar una amplia gama de servicios inalámbricos a los usuarios finales a través de diversas plataformas de acceso y redes multicapa.

La tecnología 5G es un marco dinámico, coherente y flexible de varias tecnologías avanzadas que sustentan diversas aplicaciones. La tecnología 5G emplea una arquitectura más inteligente, con redes de acceso por radio (RAN) que ya no están constreñidas por la complejidad de la infraestructura o la proximidad de las estaciones base. La tecnología 5G lidera el camino hacia una red RAN virtual, flexible y descompuesta con interfaces nuevas que crean puntos de acceso de datos adicionales.

4G & 5G Network Architecture
 

Proyecto 3GPP para la arquitectura de la tecnología 5G 

El proyecto de asociación de tercera generación (3GPP, del inglés 3rd Generation Partnership Project) abarca las tecnologías de telecomunicaciones, lo que incluye las redes de acceso por radio, las redes centrales de transporte y las funciones de servicios. A través del 3GPP, se han proporcionado unas especificaciones exhaustivas para los sistemas de la arquitectura de red 5G, que está mucho más orientada a los servicios que en las generaciones anteriores.
3GPP

Los servicios se suministran por medio de un marco común para las funciones de red que tienen permitido hacer uso de estos servicios. La modularidad, la reusabilidad y la autosuficiencia de las funciones de red constituyen aspectos de diseño adicionales para una arquitectura de red 5G descrita conforme a las especificaciones del 3GPP.

Espectro y frecuencia con la tecnología 5G
Ahora se dedican varios rangos de frecuencias a la tecnología 5G New Radio (NR). La parte del espectro de radio con frecuencias entre 30 GHz y 300 GHz se conoce ahora como onda milimétrica, dado que las longitudes de onda están comprendidas entre 1 y 10 mm. Las frecuencias entre 24 GHz y 100 GHz se están asignando ahora a la tecnología 5G en diversas regiones del mundo. 

Además de la onda milimétrica, las frecuencias UHF que no se están aprovechando, comprendidas entre 300 MHz y 3 GHz, se están readaptando para la tecnología 5G. La diversidad de frecuencias empleadas se puede adecuar a aplicaciones únicas dado que las frecuencias más altas se caracterizan por un ancho de banda mayor, aunque tienen un rango más corto. Las frecuencias de onda milimétrica son perfectas para zonas con una alta densidad de población, pero son ineficaces para las comunicaciones a larga distancia. Con estas bandas de frecuencias altas y más bajas destinadas a la tecnología 5G, las portadoras han comenzado a conformar sus pequeñas porciones propias de espectro 5G.

MEC
La informática perimetral multiacceso (MEC, del inglés Multi-Access Edge Computing) es un elemento importante de la arquitectura 5G. La MEC supone una evolución en la informática basada en la nube por la que se trasladan las aplicaciones de centros de datos centralizados al perímetro de la red y, por lo tanto, más cerca de los usuarios finales y sus dispositivos. Esto implica un atajo en la entrega de contenidos entre el usuario y el host, y la larga ruta de red que antes les separaba. 

Esta tecnología no es exclusiva de la tecnología 5G, pero, sin duda, es esencial para su eficacia. Entre las características de la MEC, se incluye la baja latencia, el alto ancho de banda y el acceso en tiempo real a la información de la red RAN que distinguen la arquitectura 5G de sus predecesoras. Esta convergencia de las redes RAN y las redes centrales requerirá que los operadores saquen provecho de enfoques nuevos de las pruebas y la validación de las redes.

Las redes 5G basadas en las especificaciones que estipula el 3GPP para esta tecnología constituyen el entorno perfecto para la implementación de la MEC. Las especificaciones de la tecnología 5G definen los elementos facilitadores de la informática perimetral, que permiten que la MEC y la tecnología 5G enruten el tráfico de forma colaborativa. Además de las ventajas en términos de latencia y ancho de banda de la arquitectura de la MEC, la distribución de la capacidad informática facilitará el alto volumen de dispositivos conectados inherente a la implementación de la tecnología 5G y el auge del Internet de las cosas (IoT).  

NFV y tecnología 5G
La virtualización de funciones de red (NFV, del inglés Network Function Virtualization) separa el software del hardware sustituyendo diversas funciones de red, como los cortafuegos, los equilibradores de carga y los enrutadores, por instancias virtualizadas ejecutadas como software. De esta manera, se elimina la necesidad de invertir en numerosos elementos de hardware de alto costo y se pueden acelerar también los plazos de instalación, lo que se traduce en una prestación más rápida al cliente de unos servicios que generan ingresos. 

La NFV hace posible la infraestructura de la tecnología 5G mediante la virtualización de dispositivos dentro de la red 5G. Esto incluye la tecnología de segmentación de redes que permite que varias redes virtuales funcionen a la vez. La NFV puede abordar otros desafíos de la tecnología 5G a través de recursos de red, almacenamiento e informática virtualizada que se personalizan según los segmentos de clientes y las aplicaciones. 

Arquitectura de las redes RAN 5G
El concepto de NFV se amplía a la red de acceso por radio (RAN) a través de, por ejemplo, la descomposición de las redes impulsada por alianzas como la alianza O-RAN. Esto favorece la flexibilidad y permite nuevas oportunidades de competencia, proporciona interfaces abiertas y el desarrollo de código abierto, para facilitar en última instancia la implementación de nuevas características y tecnologías en crecimiento. El objetivo de la alianza O-RAN es permitir la implementación de varios distribuidores con hardware comercial para una interoperabilidad más sencilla y rápida. La descomposición de la red también permite que los componentes de esta se puedan virtualizar, de modo que es posible ampliar y mejorar la experiencia de usuario a medida que aumenta la capacidad.  Las ventajas de virtualizar los componentes de la red RAN permite una mayor rentabilidad en términos de hardware y software, especialmente en el caso de las aplicaciones del IoT, donde el número de dispositivos es del orden de millones.

eCPRI
La descomposición de la red con la separación funcional también trae consigo otras ventajas económicas, especialmente con la introducción de interfaces nuevas como la interfaz eCPRI. Las interfaces de radiofrecuencia no resultan rentables cuando se someten a pruebas grandes cantidades de portadoras 5G, ya que los costes de radiofrecuencia aumentan rápidamente. La introducción de interfaces eCPRI plantea una solución más asequible, dado que se pueden emplear menos interfaces para realizar pruebas en varias portadoras 5G. La interfaz eCPRI se ha concebido para convertirse en una interfaz normalizada para la tecnología 5G utilizada, por ejemplo, en la interfaz de fronthaul O-RAN, como la unidad distribuida (DU). La interfaz CPRI, en contraposición a la interfaz eCPRI, se desarrolló para la tecnología 4G, aunque era específica de cada distribuidor en muchos casos, lo que resultaba problemático para los operadores. 

Segmentación de redes
Quizás el elemento clave que permita el aprovechamiento de todo el potencial de la arquitectura 5G sea la segmentación de redes. Esta tecnología suma otra dimensión al dominio de la NFV al permitir que varias redes lógicas funcionen a la vez sobre una infraestructura de red física compartida. Se convierte en parte de la arquitectura de la tecnología 5G al crear redes virtuales de extremo a extremo que incluyen tanto funciones de red como de almacenamiento. 

Los operadores pueden gestionar de manera eficaz varios casos prácticos de tecnología 5G con demandas de capacidad, latencia y disponibilidad distintas dividiendo los recursos de red entre varios usuarios o “inquilinos”.

La segmentación de las redes se hace extremadamente útil para aplicaciones como el IoT, donde el número de usuarios puede ser elevadísimo, pero la demanda de ancho de banda general es baja. Cada sector vertical de la tecnología 5G tendrá sus propios requisitos, de modo que la segmentación de las redes se convierte en un aspecto de diseño importante para la arquitectura de las redes 5G. Los costes, la gestión de recursos y la flexibilidad de las configuraciones de las redes se pueden optimizar gracias a este nivel de personalización, ahora posible. Además, la segmentación de las redes permite acelerar los ensayos de posibles servicios 5G nuevos y un plazo de comercialización menor. 

Conformación de haces
Otra tecnología revolucionaria que forma parte del éxito de la tecnología 5G es la conformación de haces. Las estaciones base convencionales han transmitido señales en diversas direcciones sin tener en cuenta la posición de los usuarios o los dispositivos objetivo. A través del uso de conjuntos basados en la tecnología MIMO (del inglés multiple-input,  multiple-output, múltiple entrada, múltiple salida) formados por docenas de antenas pequeñas unidas en una sola formación, se pueden utilizar algoritmos de procesamiento de señales para determinar la ruta de transmisión más eficaz a cada usuario, al tiempo que se pueden enviar paquetes individuales en varias direcciones y, después, organizarse para que lleguen al usuario final en una secuencia previamente definida. 

5G Beamforming

Con la transmisión de datos de la tecnología 5G ocupando la onda milimétrica, la pérdida de propagación del espacio libre, proporcional al tamaño de antena menor, la pérdida por difracción, inherente a frecuencias más altas, y la falta de penetración en paredes y muros, son significativamente superiores. Por otro lado, el menor tamaño de las antenas también permite que el mismo espacio físico se ocupe con conjuntos de mucha mayor envergadura. Dado que cada una de estas pequeñas antenas pueden reasignar la dirección de los haces varias veces por milisegundo, es más factible que la conformación de haces masiva responda a los desafíos de ancho de banda de la tecnología 5G. Con un número mayor de antenas en el mismo espacio físico, se pueden conseguir haces más estrechos por medio de la tecnología MIMO masiva, de modo que se consigue una capacidad alta con un seguimiento de usuario más eficaz.

Arquitectura del núcleo de red 5G

La arquitectura de las redes centrales 5G es la base de las nuevas especificaciones de la tecnología 5G y permite la mayor demanda de capacidad que la tecnología 5G debe garantizar. El nuevo núcleo de red 5G, según se define en el 3GPP, emplea una arquitectura basada en servicios (SBA) alineada con la nube que abarca todas las interacciones y las funciones de la tecnología 5G, incluidas la autenticación, la seguridad, la gestión de sesiones y la adición de tráfico de dispositivos finales. El nuevo núcleo de red 5G realza más la NFV como concepto de diseño integral, con funciones de software virtualizadas capaces de implementarse mediante la infraestructura de MEC que resulta esencial en los principios de la arquitectura de la tecnología 5G.

5G Core Architecture  


Diferencias con respecto a la arquitectura de la tecnología 4G
Los cambios en el núcleo de red se encuentran entre las numerosas modificaciones arquitectónicas que van de la mano del paso de la tecnología 4G a la tecnología 5G, lo que incluye la migración a la onda milimétrica, la tecnología MIMO masiva, la segmentación de las redes y, básicamente, cualquier otro elemento del diverso ecosistema 5G. El núcleo de red de paquetes evolucionado (EPC, del inglés Evolved Packet Core) de la tecnología 4G es significativamente distinto al núcleo de red de la tecnología 5G, ya que el núcleo de red de la tecnología 5G saca partido de la virtualización y del diseño de software nativo en la nube en unos niveles sin precedentes. 

Entre los demás cambios que distinguen el núcleo de red de la tecnología 5G de su predecesor 4G, se encuentran la función de plano del usuario (UPF) para separar las funciones de plano del usuario y control de gateway de paquetes, y la función de gestión de acceso y movilidad (AMF) para separar las funciones de gestión de sesiones de las tareas de gestión de conexiones y movilidad.

Opciones de la arquitectura de la tecnología 5G
Para salvar las distancias entre la tecnología 4G y la tecnología 5G, será necesario realizar pasos de forma gradual e implementar un plan de juego bien orquestado. Un aspecto clave en este cambio será la transición gradual de las opciones arquitectónicas de la tecnología 5G del modo independiente al modo no independiente. El estándar no independiente de la tecnología 5G se finalizó a finales de 2017, y emplea las redes centrales y de acceso por radio LTE como medio de anclaje, con la adición de una portadora componente 5G. A pesar de depender de la arquitectura existente, el modo no independiente incrementará el ancho de banda sumándose a las frecuencias de las ondas milimétricas. 

El modo independiente de la tecnología 5G consiste, básicamente, en la implementación de la tecnología 5G desde cero con la nueva arquitectura de núcleo de red y la implementación completa de todos los componentes de hardware, características y funciones de la tecnología 5G. A medida que el modo no independiente dé paso paulatinamente a las nuevas implementaciones de arquitecturas de red móvil 5G, una planificación y una implementación cuidadosas garantizarán que esta transición se desarrolle sin problemas para la base de usuarios.

5G Architecture Options
 

Adopción de la arquitectura geográfica de la tecnología 5G

La infraestructura inherente a la implementación de la tecnología 5G independiente exigirá una función escalonada mundial en la integración de la tecnología 5G en diversas regiones geográficas. Regiones líderes en tecnología como Norteamérica, Asia y Europa ya están comenzando una implementación limitada, mientras que otros países del mundo les siguen de cerca. Se espera que haya en servicio un total de 55 redes activas a finales de 2019. La proximidad de los países vecinos y una enorme proliferación de portadoras harán que la puesta en marcha sea todo un reto especialmente en Europa. Para abordar este desafío, la Comisión Europea ha creado el plan de acción 5G para Europa para acelerar el progreso y crear una hoja de ruta para la implementación en todos los países de la Unión Europea para finales de 2020.

The State of 5G Deployments

Países industriales como China, Japón y la India están invirtiendo en gran medida en las implicaciones prácticas y financieras de la conversión a la tecnología 5G. Las nuevas tecnologías de antenas, hardware de infraestructura y software han traído consigo un período de bonanza para los sectores de la fabricación y el diseño de dispositivos electrónicos y software en todo el mundo, por lo que se ha impulsado una rápida implementación. Uno de los mayores proveedores de telecomunicaciones de la India ha actualizado ya su red al completo para admitir la tecnología 5G, y se espera que China Mobile cree 10 000 estaciones base 5G para 2020.

Seguridad de la arquitectura de la tecnología 5G

5G Security

La implementación de la tecnología 5G generará unos enormes beneficios en términos de rendimiento y diversidad de aplicaciones por medio de un uso extendido de recursos basados en la nube, la virtualización, la segmentación de las redes y otras tecnologías emergentes. Estos cambios vienen de la mano de nuevos riesgos para la seguridad y “superficies de ataque” expuestas dentro de la arquitectura de seguridad de la tecnología 5G.

La tecnología 5G se basa en las prácticas de seguridad de generaciones pasadas de tecnologías móviles, a pesar de que el modelo de confianza se ha hecho mucho más amplio, con más protagonistas implicados en el proceso de prestación de servicios. El IoT y la propagación de usuarios suponen un número exponencialmente mayor de puntos finales, donde muchos de estos datos de tráfico ya no están supervisados por personas. 

Entre las características de seguridad mejoradas de la tecnología 5G que se detallan en los estándares del 3GPP, se encuentran la autenticación unificada para separar la autenticación de los puntos de acceso, los protocolos de autenticación extensible para permitir transacciones seguras, las políticas de seguridad flexible para abordar más casos prácticos y los identificadores permanentes de suscriptores (SUPI) para garantizar la privacidad en la red. 

A medida que la implementación de la tecnología 5G continúe y los nodos de rendimiento críticos se virtualicen cada vez más, los operadores tendrán que monitorizar y evaluar constantemente el rendimiento de la seguridad. Cumplir las prácticas recomendadas pasa por la monitorización de la seguridad de las redes de extremo a extremo a lo largo de las aplicaciones, los dispositivos y la arquitectura del sistema.

Sin duda, la tecnología 5G proporcionará la mejora exponencial de la velocidad a la que los usuarios se han ido acostumbrando con cada nueva generación de redes móviles, pero la velocidad es solo el principio. Los cambios que se esperan en los diversos sectores, desde el transporte personal a la industria y la agricultura, serán tan importantes que muchos han bautizado a la tecnología 5G la próxima revolución industrial. Dentro de este cambio de paradigma, se encuentra la arquitectura polifacética de la tecnología 5G, con la MEC, la NFV, la tecnología MIMO masiva y una arquitectura de núcleo de red basada en servicios y alineada con la nube, funcionando al unísono para ofrecer la nueva generación de servicios. Las soluciones para pruebas de la tecnología 5G diseñadas para hacer posible esta renovación arquitectónica serán los verdaderos facilitadores de la próxima transición a la tecnología 5G. 
 

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