6G: una visión de las comunicaciones móviles del mañana

Aunque la implementación y el desarrollo de las redes 5G durará todavía años, los estrategas tecnológicos proyectan visiones mucho más lejanas. Si sus escenarios 6G se convierten en realidad, en la década de los 2030 nos espera un paraíso de las comunicaciones. Rohde & Schwarz es un proveedor líder de equipos de test y medida desde los inicios de la era de las comunicaciones digitales inalámbricas. En la actualidad, la empresa de tecnología apoya a la industria como un aliado cercano para convertir en realidad la visión de la sexta generación de las comunicaciones inalámbricas.

¿Más rápido todavía?

Desde la introducción del estándar LTE, la mayoría de los usuarios móviles han visto satisfechas sus necesidades. Con velocidades de descarga de hasta varios cientos de megabits por segundo es posible tanto el streaming de contenido de vídeo en alta resolución como la descarga de grandes archivos en cuestión de segundos. La red 5G, que ya está disponible en muchos países con cobertura en todo el territorio, multiplica esta velocidad, y sin embargo apenas añade otras ventajas para el usuario particular. A pesar de ello, ya hace tiempo que se trazan ideas para el próximo salto evolutivo. ¿Es posible que este sistema 5G, técnicamente avanzado y cuyo desarrollo y ampliación no cesan, tenga todavía demandas potenciales que cubrir que motiven esta evolución de cara al futuro?

Dos autores lanzaron esta pregunta en septiembre de 2018*). Desde entonces, la cuestión ha adquirido una apreciable dinámica propia. Partiendo de lo que empezó como un debate entre expertos, 6G se ha convertido entretanto en un «elefante político» de la tecnología y la industria que se nutre de inversiones de miles de millones en investigación y desarrollo en todo el mundo. Y es que a partir del estudio del potencial de las tecnologías actuales y futuras, que se encuentran en desarrollo o que se vislumbran en el horizonte, se ha cristalizado una visión que supera con creces todo lo que era posible hasta ahora.

*) Klaus David, Hendrik Berndt: 6G vision and requirements: Is there any need for beyond 5G? (Visión y requisitos de la 6G: ¿Hay todavía demanda más allá de 5G?) Revista IEEE Vehicular Technology, vol. 13, número 3, sept. 2018

De persona a persona

Todo empezó de una forma muy convencional hace más de tres décadas. Tras la primera generación analógica (1G), que se remonta a los años 50, emergió a principios de los 90 la primera generación de la comunicación inalámbrica digital. El estándar para 2G europeo GSM (Sistema Global para Comunicaciones Móviles) se convirtió en todo un éxito de exportación, al igual que el simulador de sistemas GSM de Rohde & Schwarz. Este sistema se considera todavía hoy un producto pionero en el ámbito de las comunicaciones inalámbricas.

La primera generación de la comunicación móvil digital estaba diseñada como mero sistema de telefonía de voz. Hasta los servicios de datos más simples fueron añadidos con posterioridad. El rápido crecimiento de Internet despertó pronto el deseo de poder acceder a la red de redes también de forma móvil. Por lo tanto, las aplicaciones de datos constituyeron un elemento clave del pliego de condiciones para la siguiente generación, la 3G, que se introdujo en 2001. Sin embargo, no tardó en quedar claro que el sistema 3G no ofrecía la capacidad necesaria para afrontar el tráfico de datos que crecía de forma imparable. El siguiente estándar, 4G, indicaba ya por su denominación que los planificadores no repetirían el mismo error: con Long Term Evolution (LTE) se aspiraba a satisfacer los requerimientos futuros a más largo plazo mediante actualizaciones constantes. Las primeras redes basadas en este estándar se pusieron en funcionamiento en 2010 y todavía hoy constituyen la médula del sistema de comunicaciones inalámbricas.

Todos los estándares hasta el 4G se centraban en las comunicaciones alrededor de la persona. El propósito principal era la obtención rápida de información (el enlace descendente), y el streaming de vídeo en alta resolución (HD) era la aplicación que podía estrangular su capacidad. En este contexto, con 4G se consiguió alcanzar la cota necesaria. Desde entonces, el impulso para el desarrollo ulterior proviene de otros derroteros.

Máquinas que hablan entre sí

Mientras tanto, diversos sectores habían empezado a desarrollar escenarios que requerían una infraestructura inalámbrica de muy alto rendimiento con funciones que LTE no era capaz de brindar. La Industria 4.0, por ejemplo, se basa en radioenlaces extremadamente fiables con tiempos de tránsito de la señal de extremo a extremo que se sitúan en la franja inferior de los milisegundos. Las máquinas diseñadas para ejecutar de forma síncrona una tarea común a plena velocidad necesitan una infraestructura de datos a la altura de este tipo de operaciones. Lo que no supone problema alguno con conexiones de cables habituales se convierte en todo un desafío en radiocomunicación. Pero la radiocomunicación es ineludible para garantizar la flexibilidad que caracteriza a la Industria 4.0.

El sector del transporte es un campo de aplicación totalmente nuevo de las comunicaciones inalámbricas. Incluso en el todavía lejano nivel 5, la conducción automatizada no será ni mucho menos todo lo autónoma que sugiere su nombre. En último término, los vehículos deben compartir las carreteras, los semáforos y otros elementos de la infraestructura con otros innumerables usuarios de la vía pública, y esta interacción debe estar perfectamente coordinada. Para ello, los vehículos deben estar conectados entre sí, con los sistemas instalados a lo largo de la red vial, y con un centro de control del tráfico. Puesto que existen muchas situaciones que pueden poner en peligro la seguridad, como por ejemplo un frenado de emergencia, la transferencia rápida y fiable de las señales es la máxima prioridad.

Los requisitos de las aplicaciones inalámbricas en el terreno de las ciudades inteligentes y el hogar inteligente, por el contrario, son totalmente opuestos. Dispositivos como contadores de consumo y contenedores de basura van equipados con sensores y elementos de control que se pueden consultar o activar a distancia, por ejemplo. De este modo se elimina la necesidad de intervención manual en los dispositivos y pueden activarse determinadas operaciones en función de datos recopilados. La radiocomunicación se limita a contactos esporádicos y la cantidad de datos transferidos se reduce a un mínimo. A menudo, puede tratarse de miles de dispositivos de usuario similares alimentados mediante una batería. Un sistema de radiocomunicación como LTE, que está diseñado para aplicaciones de alto rendimiento, está sin duda sobredimensionado para estos casos de bajo rendimiento, y tampoco responde a las necesidades específicas de estas aplicaciones, como un consumo de corriente reducido.

Aplicaciones como estas son las que han marcado el diseño de 5G. El foco de atención ya no es la persona, sino los equipos y las máquinas, es decir, el Internet de las cosas (IoT).

¿Qué es lo que falta?

5G se ha implantado ya en muchos países a gran escala. Sin embargo, el foco de atención (también en la estandarización por parte del organismo responsable 3GPP) se situó inicialmente en el grupo de aplicaciones eMBB (enhanced Mobile Broadband). El auge de la conectividad en las fábricas, el transporte y el IoT está todavía por llegar. Y también empiezan ya a surgir aplicaciones para las que 5G no será suficiente, aun explotando de forma consecuente todo su potencial técnico. Para 5G están previstas igual que en las anteriores generaciones diferentes fases de desarrollo, y a partir de la versión 18 de la especificación del estándar, cuya versión final se espera para 2024, se utilizará el término 5G-Advanced. No obstante, a falta de un acuerdo formal, el sector ha decidido de forma prácticamente unánime atribuir determinadas prestaciones a una nueva generación de red, la 6G. Y más por hábito que por otros motivos, se ha marcado el año 2030 como meta para la introducción de esta generación.

En efecto, los intervalos de diez años parecen haber establecido el ritmo de cambio entre generaciones desde la 2G y todo indica que así se mantendrá. Las generaciones anteriores también diferían desde el punto de vista técnico, p. ej. por distintos métodos de acceso a canales, es decir, formas de utilizar el canal radioeléctrico. El método de acceso a canales junto con el tipo de codificación de datos y el ancho de banda de transmisión utilizable determinan de forma decisiva el rendimiento del sistema. Como proveedor de equipos de test y medida, Rohde & Schwarz ha acompañado y conformado desde el primer momento el desarrollo de esta tecnología.

Desde la 5G, las fantasías de diversos sectores viene impulsando los avances tecnológicos. De distintos ángulos emergen escenarios del futuro que van solidificando un fascinante panorama general. Para llevarlo a la realidad se necesitarán tecnologías que en gran parte todavía no están disponibles, pero sí son previsibles a medio plazo. La interacción entre todas estas tecnologías se denominará la «sexta generación inalámbrica», un término, por cierto, sumamente austero para describir la visión a la que aspira.

Gemelos digitales en la holocubierta

Marc Zuckerberg, el fundador de Facebook, presentó el pasado otoño su visión del futuro de la compañía. El plan maestro consiste en convertir a largo plazo la actual plataforma de red social en un «metaverso». De la realidad virtual (RV) y la realidad aumentada (RA) a la realidad extendida (RE): una fusión entre el mundo real y el mundo virtual que conforma un mundo artificial. Encarnados en personalidades digitales (o avatares) que se proyectan como hologramas en el espacio de la realidad extendida, los usuarios podrán trasladarse, sin solución de continuidad, entre salas de chat, mundos de juegos y centros comerciales, sin abandonar en ningún momento el entorno sintético. Aunque todavía no está claro cómo se desarrollará exactamente, sin duda las gafas de realidad virtual desempeñarán un papel fundamental.

Es cierto que esto no es totalmente nuevo. Las gafas de RV se comercializan desde hace años y se utilizan ya de forma habitual, principalmente para aplicaciones industriales. Los técnicos las utilizan, por ejemplo, para proyectar en la imagen real un modelo en 3D de una pieza que debe montarse, junto con información sobre cómo manipularla. El portador de las gafas puede incluso interactuar manualmente con la proyección holográfica, como si fuera de verdad, tocándola y manejándola. Implementar un sistema como este en proporciones de millones de unidades y a un precio asequible para cualquiera es uno de los escenarios piloto para 6G.

La realidad extendida —la combinación del mundo real y el mundo virtual— llevada a sus últimas consecuencias lógicas, incluye toda una serie de visiones sustanciales añadidas. El objetivo a largo plazo es la inmersión total en un mundo nuevo que se percibe como si fuera el real. Esto incluye elementos como una resolución óptica tridimensional capaz de estimular plenamente la vista humana, un entorno acústico apropiado, reacciones instantáneas de todos los objetos sintéticos (internet táctil) y, por último, una representación creíble de todo ello.

El punto decisivo, sin embargo, es que algunos de estos objetos se corresponden con equivalentes en el mundo real. Estos «gemelos digitales» son de hecho representaciones virtuales interactivas de objetos y máquinas del mundo real y que pueden manipularse desde el metauniverso. La posibilidad de controlar el manejo a cualquier distancia de la máquina conlleva consecuencias potenciales de gran alcance en términos de organización del trabajo. Un posible efecto encadenado en el plano social sería una repoblación de las zonas rurales al desaparecer la necesidad de presencia en los núcleos urbanos.

¿Qué tiene que ver todo esto con la 6G? La potencia de cálculo que debe proporcionarse a cada usuario individual para poder interactuar en este mundo artificial inmersivo superará con creces las posibilidades de unas gafas RV, sobre todo teniendo en cuenta que deberán ser tan gráciles y discretas como unas gafas normales. Por lo tanto, se requerirá capacidad de cálculo externa, que puede provenir simplemente de un smartphone que se lleva en el bolsillo. En los casos en que esto no sea suficiente, puede delegarse la tarea a un ordenador o transferirse desde cualquier lugar a un servidor en la nube (edge computing, fog computing o cloud computing).

Aquí es donde entra en acción 6G. Transferir a las gafas cantidades extremadamente altas de datos con resoluciones de vídeo de como mínimo 8K en estéreo requiere capacidades de transporte de varios cientos de gigabits por segundo y tiempos de tránsito de la señal de una décima de milisegundo para lograr una reacción natural en tiempo real. 5G no está preparado para un rendimiento semejante. El aprovisionamiento inteligente de potencia de cálculo para los distintos servicios 6G será también otra tarea de la red, que se servirá para ello de la inteligencia artificial. Y esta será una característica omnipresente en la red 6G.

Indicadores de rendimiento técnico en 6G

Las aplicaciones avanzadas que se prevé poner a disposición con 6G requieren una perfecta sintonización de todos los parámetros de rendimiento importantes de la red por radio. Para 6G se debaten los siguientes indicadores clave de rendimiento (KPI), las cifras de 5G correspondientes se indican a modo de comparación:

Pioneros en la dimensión vertical

La cobertura de amplia extensión es un tema recurrente en las comunicaciones inalámbricas. Pero en 6G, los agujeros en el mapa dejarán de ser un problema. Todo lo contrario: las comunicaciones móviles de alto rendimiento para facilitar la experiencia inmersiva no solo abarcarán toda la superficie de la tierra, incluyendo las áreas rurales y las zonas alejadas de los núcleos urbanos, sino también la tercera dimensión. Esta visión integra incluso el mundo submarino. Allá donde puedan subsistir tanto personas como máquinas deberán poder estar localizables mediante comunicaciones móviles de alta velocidad. Esto no solo exige nuevas tecnologías, como la transmisión óptica de la señal por debajo del agua, donde se absorben las ondas radioeléctricas, sino también una dilatada infraestructura en la superficie, como flotas de satélites o plataformas aéreas como aeronaves y drones.

El verdadero Internet de las cosas

La idea del Internet de las cosas existe desde hace tiempo y, poco a poco, empieza a adoptar forma también en la realidad. 5G acelerará su crecimiento, especialmente en el ámbito industrial y de los transportes. Las aplicaciones para el hogar inteligente y la ciudad inteligente también contribuirán a ello. Y sin embargo, tampoco entonces podremos hablar todavía de una conectividad universal. Esta forma parte de la visión 6G. Partiendo de su configuración técnica y de su capacidad, 6G debería ser capaz de integrar cualquier cantidad de dispositivos de todas las categorías imaginables. Todo aquello con lo que deseamos mantener contacto o que juega un papel en nuestras vidas, ya sea en el ámbito privado, comercial o público, es un candidato potencial para la conectividad. Pongamos por ejemplo los puentes y las autopistas. ¿En qué estado se encuentran? ¿Cuándo y dónde deben repararse? Sensores de radio integrados podrían aportar la información relevante. Las etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID) habituales en el comercio y en logística, que solo pueden leerse a corta distancia, podrían equiparse con sensores especiales y un mayor alcance, y utilizarse para supervisar la calidad de productos alimenticios y enviar informes correspondientes, por ejemplo.

El último ejemplo reúne varios campos de investigación actuales. Si se supervisa un pequeño objeto movible con el fin de retirarlo de la circulación en un momento dado, es necesario conocer su posición exacta. Muchas otras aplicaciones requieren también información acerca de la ubicación del colateral de comunicación, ya que los servicios 6G, en general, se aprovisionan de forma local. Además, por motivos técnicos, 6G funcionará con haces de radioenlace dirigido muy concentrados para apuntar directamente a estaciones remotas específicas. Así pues, una red 6G no solo será una red por radio, sino también una red de sensores capaz de determinar la posición de los abonados con una precisión de centímetros en el espacio tridimensional. Los métodos que se utilizarán para ello están todavía en fase de estudio; una posibilidad sería la tecnología de radar en los puntos de acceso.

Otro problema que plantea el despliegue masivo de sensores radioeléctricos es su abastecimiento de energía. Tanto por su enorme cantidad como por el grado de miniaturización, sustituir las celdas de batería en estos dispositivos es prácticamente imposible. Pero puesto que muchas aplicaciones están concebidas para el uso a largo plazo, en ocasiones durante años, los sensores deben ser capaces de autoabastecerse de energía. Aquí entran en juego conceptos como «zero energy device» (dispositivos con autonomía energética) y «energy harvesting» (recolección de energía). Los sensores RFID modernos están diseñados para funcionar de esta forma, pero son alimentados directamente con energía electromagnética desde un lector cercano. Los sensores 6G no dispondrán de esta comodidad y deberán obtener la energía de fuentes apropiadas locales, que pueden ser calor, luz o movimiento. Como en muchos otros aspectos de 6G, la investigación en este terreno se encuentra todavía en una fase muy temprana. No obstante, los equipos de test y medida de Rohde & Schwarz ayudan ya desde hoy a entender los patrones de consumo energético de un dispositivo y a incorporar el ahorro energético en el diseño.

6G no solo proporcionará una base inagotable para el Internet de las cosas, sino que actuará como una especie de internet. Al igual que acostumbramos a hablar de la internet convencional como la red de redes (de equipos), se podrá hablar de 6G como la red de redes por radio. Frente a la estructura monolítica de las redes inalámbricas de hoy en día se abrirá paso un panorama de red heterogéneo y en constante cambio (una red «orgánica»). En él se interconectarán subredes comerciales, particulares y públicas de todos los tamaños, que abarcarán desde las macrocélulas actuales con cobertura de kilómetros cuadrados hasta «attocélulas» y «zeptocélulas» con cobertura para una simple habitación o un automóvil.

Para poder acoplar una red a la estructura general de forma automática es deseable virtualizar tantas funciones de la red como sea posible. Esto significa describir las funciones en un lenguaje totalmente abstracto, un planteamiento que ya se ha puesto a prueba hasta cierto punto en 5G. Los bloques funcionales de la red deben admitir este lenguaje independientemente del fabricante y ser capaces de interpretarlo conforme al estándar. Rohde & Schwarz participa en la O-RAN Alliance, que promueve la estandarización y la interoperabilidad en este terreno. La estandarización a nivel global de la tecnología 6G es pues, al igual que en las anteriores generaciones, de gran importancia.

Todo a nivel ultra

Los visionarios de la tecnología no están dispuestos a poner límites a su imaginación a la hora de trazar sus escenarios 6G. Todo es posible. Mientras que para 5G solamente se habla de tres grupos de aplicaciones (eMBB, mMTC y URLLC), la visión 6G contempla diversos grupos y combinaciones de estos. A la hora de idear sus nombres, los expertos no son parcos en superlativos. Como norma simple, todas las características llevan antepuesto el prefijo «ultra». La nomenclatura sigue evolucionando y aún habrá que esperar hasta que se estandarice, pero en cualquier caso, los artículos técnicos incluyen términos como «further enhanced ultra mobile broadband» (feUMBB), «ultra high sensing low latency communications» (uHSLLC), «ultra high density data services» (uHDD), «ultra high energy efficiency» (uHEE), «ultra high reliability & sensing» (uHRS), «ultra high reliability & user experience» (uHRUx), «ultra low latency reliability & security» (uLLRS), y muchos otros.

La cuestión obvia es si este mundo de ciencia ficción que hemos expuesto está verdaderamente tan cercano como sugieren sus arquitectos. Mucho depende de que la investigación logre alcanzar sus metas en el plazo previsto y que sus resultados permitan materializar la producción en serie de los productos. Teniendo en cuenta el interés mundial en esta tecnología clave para las próximas décadas y los considerables recursos de financiación, por no mencionar el tamaño del mercado y la dimensión política, no cabe duda de que ni el compromiso ni el entusiasmo por la 6G cesarán un ápice.

La carrera ha comenzado

Desde que se inició el debate en torno a 6G, hace muy pocos años, la industria, los centros de investigación y la política han puesto en marcha la maquinaria para su desarrollo. Se han fundado iniciativas de investigación a nivel global, se han otorgado subvenciones y se han forjado alianzas. El mundo de la política ha entendido que la competitividad y acaso la prosperidad de naciones enteras puede depender de la participación equitativa en el sistema 6G, y que es importante evitar dependencias. Así, por ejemplo, Japón y EE. UU. han convenido por acuerdo al más alto nivel invertir conjuntamente 4500 millones de dólares en la investigación de 6G.

Europa ha puesto en marcha un proyecto insignia de 6G denominado Hexa-X, en el que participan organizaciones de nueve países. Por su parte, el Ministerio Federal de Educación e Investigación alemán ha asignado recursos por un total de 700 millones de euros hasta 2025, de los cuales, 250 millones irán en breve a cuatro centros de investigación nacionales que ya han presentado sus programas en el marco de la solicitud de subvenciones y en los que también participa Rohde & Schwarz. Corea del Sur se ha propuesto un ambicioso plan que prevé primeros ensayos en condiciones reales en 2026, así como una inversión de cerca 195 millones de dólares hasta entonces. ¿Y qué hay de China? Sin duda, China no se plantea abandonar la fuerte posición que alcanzó con 5G solo por la llegada de la próxima generación. El Ministerio de Ciencia y Tecnología chino está coordinando con otros ministerios y organismos gubernamentales los recursos nacionales necesarios para poner a punto 6G para el despliegue lo antes posible.

Desde los inicios de la era de las comunicaciones inalámbricas digitales, Rohde & Schwarz ha apoyado a la industria como un aliado de confianza y como proveedor líder de equipos de test y medida. Los productos y la competencia profesional de la compañía están ya hoy presentes en diversos proyectos de investigación de 6G, e irá suministrando paulatinamente los instrumentos necesarios para 6G.