6G: una visión de las comunicaciones inalámbricas del mañana

Aunque se espera que las redes 5G continúen en crecimiento y desarrollo durante los próximos años, los estrategas tecnológicos ya están ofreciendo visiones que vayan mucho más allá de 5G. Si sus escenarios 6G se hacen realidad, podemos esperar un mundo maravilloso de las comunicaciones a partir del año 2030. Rohde & Schwarz ha sido un proveedor líder de equipos de prueba y medición desde los primeros días de la era de comunicaciones inalámbricas digitales. Ahora, la compañía tecnológica apoya la industria como un aliado cercano para ayudar a hacer realidad la visión de la sexta generación de comunicaciones inalámbricas.

¿Es solo cuestión de velocidades más rápidas?

Desde la introducción del estándar LTE, la mayor parte de los usuarios de dispositivos electrónicos portátiles han visto sus necesidades satisfechas. Con velocidades de descarga de hasta varios cientos de megabits por segundo, el streaming de contenido de video de alta resolución o descargas de archivos grandes en segundos ya no son un problema. La red 5G ya está disponible en muchos lugares a nivel nacional y está multiplicando la velocidad disponible, pero prácticamente no tiene otros beneficios reales para los usuarios en sí. Sin embargo, desde hace algún tiempo ya existen ideas para la siguiente etapa de evolución. Pero, ¿ha dejado el sistema 5G, que cuenta con la más moderna tecnología pero que todavía está sujeto a desarrollo y extensión, al descubierto algún requerimiento que pudiera impulsar está evolución?

Esta pregunta la propusieron un par de autores en setiembre de 2018*). Desde entonces, el tema ha ganado un notable impulso por sí solo. Si bien se inició como una discusión para expertos, 6G se ha convertido desde entonces en un «elefante político» para la tecnología y la industria, debido a que se alimenta con las subvenciones de I+D de miles de millones en todo el mundo. Al examinar el potencial de las tecnologías actuales, así como también el de las venideras que de momento están siendo desarrolladas o que se vislumbran en el horizonte, una visión ha tomado forma y está dejando muy por atrás todo lo que antes era posible.

*) Klaus David y Hendrik Berndt: «6G vision and requirements: Is there any need for beyond 5G?» (visión y requerimientos de la tecnología 6G. ¿Existe alguna necesidad para más allá de 5G?) Revista de tecnología vehicular del IEEE, Vol. 13, edición 3, setiembre de 2018

De persona a persona

Todo se inició de manera muy convencional hace más de tres décadas. Tras la primera generación tecnológica (1G) que se remonta a la década de los años 50, la primera generación de comunicaciones inalámbricas digitales surgió a inicios de la década de los 90. El estándar 2G del Sistema Mundial para Comunicaciones Móviles (GSM) europeo se convirtió en un importante producto de exportación, como lo hizo el simulador de GSM de Rohde & Schwarz. Este sistema aún se considera como uno de los pioneros de las comunicaciones inalámbricas.

La primera generación de comunicaciones inalámbricas digitales se diseñó exclusivamente como un sistema de telefonía de voz. Incluso servicios simples de datos, como el envío de mensajes de texto, tuvieron que mejorarse más tarde. El rápido crecimiento de la internet dio lugar al rápido aumento del deseo de tener también acceso móvil a internet. Las aplicaciones de datos fueron por consiguiente un elemento clave en las especificaciones de requerimientos para la siguiente generación 3G, que fue lanzada en 2001. Sin embargo, rápidamente fue obvio que el sistema 3G no tenía la capacidad necesaria para el rápido aumento del tráfico de datos. El nombre del siguiente estándar (4G) dejó en claro que los diseñadores no tenían la intención de repetir el mismo error. Long Term Evolution (LTE) se creó para satisfacer los requerimientos futuros por un largo periodo a través de actualizaciones continuas. Las primeras redes basadas en este estándar salieron a la luz en 2010 y aún forman la columna vertebral del sistema de comunicaciones inalámbricas.

Todos los estándares hasta 4G estaban orientados a las comunicaciones centradas en las personas. El objetivo primordial era la adquisición rápida de información (enlace descendente) y el streaming de video en HD se veía como la aplicación asesina. 4G era completamente suficiente en este contexto. El estímulo para un desarrollo futuro vino de una dirección completamente diferente.

Pequeñas conversaciones entre máquinas

Entre tanto, diversas industrias habían empezado a desarrollar escenarios que requerían de infraestructuras de comunicaciones inalámbricas de muy alto rendimiento con características que LTE no podía admitir. Por ejemplo, la Industria 4.0 se basa en radioenlaces extremadamente confiables con el tiempo de tráfico de la señal de extremo a extremo en el rango inferior a los milisegundos. Las máquinas que se construyen para realizar de manera sincrónica una tarea en común a toda velocidad necesitan de una infraestructura de datos que pueda mantener el ritmo de sus operaciones. Si bien esto no representa un problema cuando se usan conexiones de cable ordinarias, es un desafío cuando se utilizan señales radioeléctricas. Sin embargo, las señales radioeléctricas son obligatorias para asegurar la flexibilidad que caracteriza a la Industria 4.0.

El sector transporte está proporcionando un campo de aplicación completamente nuevo para las comunicaciones inalámbricas. Incluso en el aún distante nivel 5, la conducción autónoma no será tan autónoma como el término podría sugerir. En última instancia, los vehículos deben compartir calles, semáforos y otras instalaciones de infraestructura con innumerables usuarios de las carreteras, lo que produce interacciones que requieren de un alto nivel de orquestación. Esto significa que los vehículos deben conectarse entre sí, así como también con los equipos desplegados a lo largo de las carreteras o con un centro de control de tránsito. Debido a que existen muchas situaciones cruciales para la seguridad, como un frenado de emergencia, la transferencia rápida y confiable de la señal es de máxima prioridad.

Por el contrario, los requerimientos que se asocian con las aplicaciones de las ciudades y las casas inteligentes son muy diferentes. Por ejemplo, dispositivos como los medidores de servicios y contenedores de basura se vienen equipando con sensores y elementos de control que pueden consultarse y activarse de manera remota. El objetivo es eliminar la necesidad de acceder de manera manual a los dispositivos y permitir acciones que se activen a partir de los datos adquiridos. Solo se requiere de radiocomunicaciones esporádicas y la cantidad de datos que se necesita es muy pequeña. Un escenario típico podría implicar miles de dispositivos de usuario similares que funcionan con baterías. Un sistema de radiocomunicación como LTE, que se diseñó para alto rendimiento, está claramente sobre dimensionado cuando se trata de aplicaciones de bajo rendimiento. Más aún, no se cubren algunos requerimientos especiales, como la reducción del consumo de corriente.

Fueron las aplicaciones de este tipo las que influyeron en el diseño de 5G. El enfoque principal ya no fueron las personas, sino los dispositivos y las máquinas, es decir, la Internet de las cosas (IoT).

¿Falta algo?

5G ya está bien desarrollada en muchos países. Sin embargo, el enfoque (incluso en la estandarización por parte de la organización responsable 3GPP) se dio inicialmente en el grupo de aplicaciones de banda ancha móvil mejorada. El boom esperado de conectividad en fábricas, transporte y IoT aún no se ha materializado. Sin embargo, ya están apareciendo aplicaciones donde pareciera que 5G no será suficiente, incluso si todas sus opciones técnicas se explotaran de manera consistente. También se han planificado diferentes etapas de desarrollo para 5G. A partir del Release 18 de la especificación del estándar (la versión final está prevista para 2024) se utilizará el término 5G-Advanced. A pesar de que no existe un acuerdo formal, la industria básicamente ya ha decidido atribuirle ciertas características de rendimiento a una nueva generación de redes conocida como 6G. El objetivo para la presentación de 6G se ha fijado, más o menos por costumbre, para el año 2030.

Por supuesto, un ciclo de 10 años ha sido la regla durante generaciones desde 2G y parece una elección obvia a seguir. Las generaciones previas también difirieron en términos técnicos, por ejemplo, diferentes métodos de acceso a canales (maneras de utilizar el canal radioeléctrico). El método de acceso a canales, así como el tipo de codificación de datos y el ancho de banda de transmisión utilizable tienen una gran influencia en el rendimiento del sistema. Como proveedor de equipos de prueba y medición, Rohde & Schwarz apoyó y dio forma a esta tecnología desde el principio.

Desde 5G, los avances técnicos han sido impulsados por las fantasías de diversas industrias. Futuros escenarios emergen desde diferentes direcciones y se combinan para producir un panorama general fascinante. Para dar vida a este panorama se requiere de tecnologías que en su mayoría aún no están disponibles, pero que estarán al alcance a mediano plazo. La interacción entre todas estas tecnologías será conocida como «la sexta generación inalámbrica». Sin embargo, este término tan simple está lejos de describir la visión completa a la que está orientada.

Gemelos digitales en la holocubierta

En el otoño pasado, Marc Zuckerberg, fundador de Facebook presentó su visión del futuro de la empresa. El plan maestro exige la conversión a largo plazo de la actual plataforma de redes sociales a un «metaverso». De la realidad virtual (VR) y la realidad aumentada (AR) hasta la realidad extendida (XR): fusionar el mundo real y el mundo virtual para formar un mundo artificial. Encarnados como personalidades digitales o avatares, que son proyectados holográficamente en el espacio de la realidad extendida, los usuarios serán capaces de cambiar perfectamente entre salas de chats, mundos de juegos y centros comerciales, sin salir nunca del entorno sintético. Aunque aún no se han aclarado todos los detalles de cómo esto funcionará, está claro que los lentes de realidad virtual (VR) tendrán un papel importante.

Por supuesto que esto no es nada nuevo. Los lentes de realidad virtual se han venido comercializando por años y se usan principalmente en aplicaciones industriales. Los especialistas utilizan estos lentes, por ejemplo, para proyectar el modelo en 3D de una pieza que se ensamblará en la imagen real, junto con la información de cómo manipular la pieza. La persona que lleva los lentes puede incluso interactuar manualmente con la proyección holográfica como si esta fuese real. Esto incluye tocar y manipular la proyección. Poner un sistema de este tipo al alcance de millones de personas y a un costo asequible para todos es uno de los escenarios que guía a 6G.

La realidad extendida, combinación del mundo real y virtual, incluye muchas otras visiones importantes si se llevan a su conclusión lógica. La meta a largo plazo es lograr una inmersión total en un nuevo mundo, el que se experimenta como si fuese real. Esto incluye elementos tales como una resolución óptica tridimensional capaz de estimular completamente la visión humana, un entorno acústico apropiado, la reacción inmediata ante todos los objetos sintéticos (internet táctil) y finalmente, una representación creíble de todas estas cosas.

Lo importante, sin embargo, es que algunos de estos objetos tienen su equivalente en el mundo real. Estos «gemelos digitales» son de hecho representaciones virtuales interactivas de objetos y máquinas del mundo real que se pueden manipular desde el metamundo. La habilidad de manejarlos a cualquier distancia desde la máquina puede tener consecuencias de gran alcance para la organización del trabajo. Los posibles efectos en la sociedad podrían incluir un posible resurgimiento de las áreas rurales, si la necesidad de estar presente en áreas urbanas se reduce.

¿Qué tiene que ver todo esto con 6G? La potencia de cálculo necesaria para facilitar este mundo artificial de inmersión para cada usuario sobrepasará con creces la capacidad de los lentes de realidad aumentada, especialmente si estos necesitan ser elegantes y discretos como un par de lentes normales. Se requerirá potencia de cálculo externa, la cual podría involucrar nada más que un smartphone en el bolsillo del usuario. En casos donde no haya suficiente potencia, puede delegarse la tarea a una computadora cercana o transferirla sobre la marcha a un servidor en la nube (edge, fog, cloud computing).

Aquí es donde 6G se involucra. La transferencia de cantidades extremadamente grandes de datos a lentes con una resolución de video de al menos 8K en estéreo requiere poder transportar varios cientos de gigabits por segundo junto con un tiempo de retardo de la señal de una décima de milisegundo para permitir reacciones naturales en tiempo real. 5G no está diseñada para dicho rendimiento. El abastecimiento inteligente de potencia de cálculo para los diversos servicios de 6G basados en inteligencia artificial será otra tarea para la red. De hecho, la inteligencia artificial será ubicua en la red 6G.

6G: indicadores clave de rendimiento técnicos

Dadas las aplicaciones desafiantes que 6G abordará, todos los parámetros importantes de rendimiento de las redes radioeléctricas deben mejorarse al mismo tiempo. Los siguientes indicadores clave de desempeño (KPI) para 6G están discutiéndose; se muestran las cifras correspondientes para 5G para su comparación:

Pionero en el dominio de la industria vertical

Brindar cobertura a grandes áreas es un tema común en el mundo de las comunicaciones inalámbricas. En 6G, sin embargo, los puntos blancos en el mapa nunca más deberían ser un problema. Por el contrario: las comunicaciones inalámbricas de alto rendimiento para permitir una experiencia inmersiva se dirigirán a toda la superficie de la tierra, como el campo y las afueras de las zonas residenciales, pero también a la tercera dimensión. Esta visión incluso incorpora el mundo submarino. Se debe poder acceder a los seres humanos y a las máquinas en cualquier lugar donde existan por medio de comunicaciones inalámbricas rápidas. Esto requiere no solo de nuevas tecnologías, como la transmisión de señales ópticas bajo el agua en donde las ondas de radio son absorbidas, sino también una amplia infraestructura sobre el terreno. Por ejemplo, esto podría incluir flotas de satélites o plataformas voladoras, como dirigibles o drones.

La verdadera Internet de las cosas

La Internet de las cosas existe como concepto desde hace ya un buen tiempo. Ahora está gradualmente tomando forma en el mundo real también. 5G podría acelerar el crecimiento especialmente de la industria y el transporte. Las aplicaciones de las casas y ciudades inteligentes también contribuirán. Sin embargo, incluso entonces sería aún demasiado pronto para hablar de una conectividad integral. Esto forma parte de la visión 6G. Basándose en su configuración técnica, así como también en su capacidad, 6G debería ser capaz de integrar cualquier cantidad de dispositivos de cualquier categoría imaginable. Todo con lo que deseamos tener contacto o que juega un papel en nuestras vidas (que abarca lo privado, lo comercial, así como también contextos públicos) es un candidato potencial para la conectividad. Asumamos, por ejemplo, los puentes y las autopistas. ¿Cuál es su estado actual? ¿Cuándo y dónde se necesitan repararlos? Los sensores de radio integrados podrían proporcionar información de suma importancia. Las etiquetas RFID que se utilizan comúnmente en las ventas al por menor y la logística solo pueden leerse de cerca. Equipados con sensores especiales y un mayor alcance, sin embargo, podrían utilizarse para monitorear la calidad de los alimentos y enviar reportes relevantes.

El último ejemplo implica simultáneamente múltiples áreas de investigación actual. Si se monitorea un pequeño objeto móvil para poderlo sacar de circulación en el momento que sea necesario, debe conocerse su localización exacta. Muchas otras aplicaciones también requieren información sobre la localización del interlocutor de la comunicación, ya que los servicios de 6G se proveerán por lo general a nivel local. Por razones técnicas, 6G utilizará haces de radioenlace dirigidos altamente concentrados para dirigir la energía radioeléctrica hacia estaciones remotas. Una red 6G, por consiguiente, incluirá una red radioeléctrica, así como también una red de sensores que es capaz de determinar la posición de los usuarios de radio con una precisión de centímetros en el espacio 3D. Las técnicas que se utilizarán para este propósito aún están bajo investigación, pero la tecnología de radar en los puntos de acceso es una posibilidad.

Otro problema relacionado con el despliegue masivo de sensores de radio implica cómo proveerlos de energía. La excesiva cantidad de estos dispositivos, como también el grado de miniaturización hace inviable el intercambio de datos y celdas de energía. Sin embargo, debido a que muchas aplicaciones son ideadas para un despliegue a largo plazo, por años en algunos casos, los sensores deben ser capaces de suministrar su propia energía. Dispositivos de cero energía y de recolección de energía (energy harvesting) son palabras de moda aquí. Los modernos sensores de RFID se diseñan para funcionar de esta manera, pero se les suministra energía electromagnética directamente por un dispositivo lector cercano. Los sensores de 6G tendrán que prescindir de esta ventaja y tendrán que obtener energía de fuentes locales adecuadas tales como calor, luz o movimiento. Como muchos otros temas sobre 6G, la investigación en este campo se encuentra aún en sus etapas iniciales. Sin embargo, los equipos de prueba y medición de Rohde & Schwarz ya están ayudándonos a comprender los patrones de consumo de energía de los dispositivos, lo que hace posible diseños de baja potencia.

6G no será una base inagotable para la IoT, sino un nuevo tipo de internet. Así como nos gusta llamar a la internet convencional una red de redes (de computadoras), será posible describir 6G como una red de redes radioeléctricas. La estructura monolítica de redes inalámbricas de hoy en día dará paso a un panorama de redes heterogéneas en constante cambio («redes orgánicas»). Subredes comerciales, privadas y públicas de todos los tamaños se interconectarán de esta manera. Abarcarán desde las macrocélulas de hoy en día, que proporcionan una cobertura a todo un kilómetro cuadrado, hasta células «tato» y «zepto» con cobertura para una sola habitación o automóvil.

Para permitir que se automatice el proceso de acoplamiento de una red a la estructura general, es necesario virtualizar tantas funciones de red como sea posible. Esto involucra la descripción de las funciones de una manera puramente abstracta, un enfoque que se intentó por primera vez en algunas extensiones de 5G. Los bloques funcionales de la red deben admitir productos multimarca para este lenguaje abstracto e interpretarlo en conformidad con el estándar. Rohde & Schwarz está involucrado en la Alianza O-RAN, quien está promocionando la estandarización e interoperabilidad en esta área. La estandarización a nivel global de la tecnología 6G, ya como sucedió con las generaciones anteriores, es muy importante.

Donde todo es ultra

A medida que bosquejan sus escenarios de 6G, los visionarios de esta tecnología se rehúsan a aceptar cualquier límite a su imaginación. El cielo es el límite. Mientras 5G lo hace con solo tres grupos de aplicaciones (eMBB, mMTC y URLLC), la visión 6G involucra más grupos e incluso combinaciones de grupos. A medida que van nombrando sus creaciones, los expertos disfrutan el usar superlativos. Una regla simple es que todas las características de rendimiento se prefijen con «ultra». A medida que la nomenclatura continúe evolucionando y la estandarización permanezca en el futuro, se pueden encontrar términos característicos como feUMBB (further enhanced ultra mobile broadband) uHSLLC (ultra high sensing low latency communications), uHDD (ultra high density data services), uHEE (ultra high energy efficiency), uHRS (ultra high reliability & sensing), uHRUx (ultra high reliability & sensing), uLLRS (ultra low latency reliability & security) y así sucesivamente.

Una pregunta obvia es que si el mundo de ciencia ficción que hemos descrito aquí realmente está cerca de hacerse realidad como sus arquitectos lo sugieren. Para que se puedan fabricar los productos en serie, mucho depende de que si los investigadores pueden alcanzar sus metas dentro de un periodo de tiempo específico. Si se considera el interés a nivel mundial en esta tecnología clave, la cual se espera en las próximas décadas, así como también la importante financiación de la que se dispone –no mencionamos el tamaño del mercado ni la dimensión política relevante– parece que hay mucho compromiso y entusiasmo por 6G.

La carrera ha empezado

Desde que se iniciaron las discusiones sobre 6G hace unos pocos años, los engranajes se pusieron en marcha en la industria, institutos de investigación y el mundo político. Se han creado iniciativas de investigación a nivel global mientras que se concedieron ayudas financieras, además de forjarse alianzas. Los políticos han entendido que la habilidad de competir, sin mencionar la prosperidad económica de países enteros, puede potencialmente depender de una participación igualitaria en el sistema 6G. Evitar un estado de dependencia es, por consiguiente, una consideración clave. Por ejemplo, Japón y Estados Unidos han acordado al nivel más alto invertir de manera conjunta 4 500 millones de dólares en investigaciones de 6G.

Europa ha lanzado un proyecto insignia 6G conocido como Hexa-X. Organizaciones de nueve países diferentes están participando en este proyecto. De manera separada, el Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) o Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania está proporcionando una financiación de 700 millones de euros hasta el año 2025. De este monto, 250 millones pronto se destinarán a cuatro centros de investigación nacionales que ya han presentado sus solicitudes para financiar programas en los cuales también participa Rohde & Schwarz . Corea del Sur está siguiendo un plan ambicioso que incluirá pruebas iniciales en condiciones reales en el año 2026. El país está planificando invertir 195 millones de dólares hasta entonces. ¿Qué sucede con China? Por supuesto, China no tiene en sus planes renunciar a la fuerte posición que alcanzó con 5G debido a que ha llegado otra generación de tecnología. El Ministerio de Ciencia y Tecnología de China está trabajando con otros ministerios y organismos gubernamentales para coordinar los recursos nacionales necesarios para que 6G esté lista para su despliegue lo más antes posible.

Desde el principio de la era de las comunicaciones inalámbricas digitales, Rohde & Schwarz ha actuado como un aliado cercano de la industria, así como proveedor líder de equipos de prueba y medición. Los productos de la compañía y la experiencia ya se utilizan hoy en día en numerosos proyectos de investigación de 6G. Los equipos de medición necesarios para 6G están poniéndose a disposición del mercado por etapas.