¿Qué es la arquitectura de la tecnología 5G?

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 RAN, las redes centrales de transporte y las funciones de servicios. El proyecto 3GPP ha proporcionado exhaustivas especificaciones de sistema para la arquitectura de red 5G que está mucho más orientada a los servicios que en las generaciones anteriores.

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Los servicios se suministran por medio de un marco común para las funciones de red que tienen permitido hacer uso de estos. La modularidad, la reusabilidad y la autosuficiencia de estas 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 han asignado 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, y las frecuencias de la banda C, comprendidas entre 3,7 GHz y 3,98 GHz, también se han estado readaptando para la tecnología 5G.
• La diversidad de frecuencias empleadas se puede adecuar a las aplicaciones únicas. Las frecuencias más altas se caracterizan por un ancho de banda mayor y 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 de larga distancia.

• Dentro de las variadas bandas de frecuencias destinadas a la tecnología 5G, cada portadora ha comenzado a conformar sus pequeñas porciones propias del 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 derivación de la informática basada en la nube por la que se trasladan las aplicaciones de centros de datos centralizados al perímetro de la red, más cerca de los usuarios finales y sus dispositivos. Básicamente, esto crea un atajo en la entrega de contenidos entre el usuario y el host, y así se evita la ruta de red de larga distancia que antes los 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.
• Las redes 5G basadas en las especificaciones que estipula el 3GPP para esta tecnología constituyen el entorno perfecto para la implementación de la MEC. Estas especificaciones definen los elementos facilitadores de la informática perimetral, que permiten que la MEC y la tecnología 5G enruten el tráfico de forma colaborativa.
• La distribución de la capacidad informática permite la conexión de un gran volumen de dispositivos inherente a la implementación de la tecnología 5G y el Internet de las cosas (IoT), además de las ventajas en términos de latencia y ancho de banda.
• Esta convergencia de las redes RAN y de las redes centrales requerirá que los operadores saquen provecho de enfoques nuevos de las pruebas y la validación de las redes. 

NFV y la tecnología 5G
La virtualización de funciones de red (NFV, del inglés Network Function Virtualization) separa el software del hardware, para lo que sustituyen 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 también se pueden acelerar los plazos de instalación, lo que se traduce en una prestación más rápida al cliente de servicios que generan ingresos. 

La NFV hace posible el ecosistema 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 aborda otros desafíos de la tecnología 5G a través de recursos virtualizados de red, almacenamiento e informática que se personalizan según los segmentos de clientes y las aplicaciones. 

Arquitectura de las redes RAN 5G
El concepto de NFV llega a la red RAN por medio de la desagregación de la red impulsada por alianzas como la alianza O-RAN. La arquitectura de red RAN abierta facilita la implementación de nuevas características y tecnologías de RAN a escala y favorece las interfaces abiertas y el desarrollo de código abierto. Esta evolución mejora la flexibilidad y genera nuevas oportunidades de competencia. 

El objetivo de la ALIANZA O-RAN es permitir la implementación de varios distribuidores con hardware comercial para lograr una interoperabilidad mejorada. La desagregación de la red también permite que se virtualicen más componentes de la red, de modo que sea posible ampliar y mejorar la experiencia del usuario rápidamente a medida que aumenta la capacidad. La red RAN virtualizada es esencial para controlar los costos de hardware y software en un ecosistema de aplicaciones del IoT que se amplía rápidamente. 

eCPRI
La desagregación 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 prueba grandes cantidades de portadoras 5G, ya que los costos de radiofrecuencia aumentan rápidamente. La interfaz CPRI original desarrollada para la tecnología 4G era específica de cada distribuidor en muchos casos, lo que resultaba problemático para los operadores. Las interfaces eCPRI proporcionan una solución más eficiente, dado que se pueden emplear menos interfaces para realizar pruebas en varias portadoras 5G. eCPRI se diseñó como una interfaz estándar para los elementos fronthaul de redes 5G O-RAN, como la unidad distribuida (DU). 

Segmentación de redes
Un elemento clave que permite el aprovechamiento de todo el potencial de la arquitectura 5G es la segmentación de redes.

Esta tecnología suma otra dimensión al dominio de la NFV al permitir que varias redes lógicas funcionen de forma simultánea sobre una infraestructura de red física compartida. Esta capacidad admite 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 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. 
• Los sectores verticales de la tecnología 5G tendrán sus propios requisitos, de modo que la segmentación de redes se convierte en un aspecto de diseño importante para la arquitectura de las redes 5G. 
• Los costos de operación, la gestión de recursos y la flexibilidad de las configuraciones de las redes se pueden optimizar gracias al nivel de personalización que se alcanza con la segmentación de redes. 
• Además, la segmentación de redes permite acelerar los ensayos de posibles servicios 5G nuevos y agilizar el plazo de comercialización. 

Conformación de haces
Otra tecnología revolucionaria que forma parte del éxito de la tecnología 5G es la conformación de haces. Las estaciones base convencionales transmiten señales en diversas direcciones sin tener en cuenta la posición de los usuarios o los dispositivos objetivo. Al usar 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 utilizan algoritmos de procesamiento de señales para determinar la ruta de transmisión más eficaz a cada usuario. Se pueden enviar paquetes individuales en varias direcciones y, después, organizarse para que lleguen al usuario final en una secuencia predefinida.  

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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 muy 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 antenas más pequeñas podría ajustar o 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, por lo que se consigue una capacidad alta y 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 núcleo de red 5G realza más la NFV con funciones de software virtualizadas implementadas mediante la infraestructura de MEC que resulta esencial en los principios de la arquitectura de la tecnología 5G. 

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Diferencias con respecto a la arquitectura de la tecnología 4G
Los cambios en el núcleo de red se encuentran entre las numerosas modificaciones de arquitectura 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 niveles sin precedentes.

Entre los demás cambios que distinguen el núcleo de red de la tecnología 5G de su predecesora 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, se deberán tomar medidas de forma gradual e implementar una estrategia bien pensada. Un aspecto clave en este cambio es la transición gradual de las opciones de arquitectura de la tecnología 5G del modo no independiente al modo independiente. El estándar no independiente de la tecnología 5G se dio por terminado a finales de 2017 y emplea las redes centrales y RAN LTE existentes como medio de anclaje, con la adición de una portadora de componentes 5G. A pesar de depender de la arquitectura de la tecnología 4G existente, el modo no independiente incrementa 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. 

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Adopción de la arquitectura geográfica

La infraestructura inherente a la implementación de la tecnología 5G independiente exige una función escalonada mundial en la integración de la tecnología 5G en diversas regiones geográficas. Regiones líderes en tecnología como Norteamérica, Asia y Europa están avanzando rápidamente con la implementación, mientras que otros países del mundo les siguen de cerca. Casi 200 redes 5G activas ya están en servicio en el mundo y se pronostica que la cantidad de conexiones 5G móviles superará los 2000 millones para 2025. 

La proximidad de los países vecinos y la proliferación de portadoras han hecho que la puesta en marcha sea todo un reto en Europa. Aunque la adopción se ha retrasado en otras regiones, la Comisión Europea ha iniciado una política conocida como la Brújula Digital que ordena el acceso a la tecnología 5G en todas las áreas habitadas para 2030. 

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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, con lo que impulsa una rápida implementación. Los cuatro proveedores de servicios de telecomunicaciones principales de la India lanzarán los servicios 5G después de una subasta de espectros en agosto de 2022, y se espera que China tenga 3,64 millones de estaciones base 5G instaladas para 2025. 

Seguridad de la arquitectura de la tecnología 5G

La implementación de la tecnología 5G trae consigo enormes beneficios en términos de rendimiento y diversidad de aplicaciones por medio de un uso extendido de recursos basados en la nube, de la virtualización, de la segmentación de redes y de 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. 

• Las prácticas de seguridad de la tecnología 5G se basan en las 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 proyecto 3GPP, se encuentran la autenticación unificada para separar la autenticación de los puntos de acceso y los esquemas de cifrado de clave pública para reducir el riesgo de vulnerabilidades de los metadatos. 
• Una monitorización y evaluación continuas de la eficacia de la seguridad son esenciales, dado que los nodos de rendimiento críticos de la tecnología 5G se virtualizan cada vez más.
• Entre las prácticas recomendadas se incluye la monitorización de la seguridad de red 5G de extremo a extremo que abarca las aplicaciones, los dispositivos y la arquitectura del sistema.