En estos años se está produciendo un cambio de paradigma en las comunicaciones móviles. La tecnología 5G está dando paso al despliegue de nuevos servicios de telemedicina, ciudad inteligente, realidad virtual o internet de las cosas. Puede que el despliegue de esta tecnología lleve unos años, así como el desarrollo de los servicios mencionados, pero no cabe duda que estamos en las puertas de una realidad distinta. Veamos qué es 5G y en qué se diferencia de lo anterior.
Cuando se empezaron a crear redes públicas de comunicaciones móviles en los años 70 y 80 del pasado siglo, el objetivo era simplemente proporcionar un servicio telefónico móvil que le permitiese a las personas mantenerse en comunicación aunque se desplazasen. El despegue de internet en los años 90 ha hecho posible el desarrollo de una multitud de nuevos servicios en la sociedad de la información y la comunicación. Ha llegado el momento de integrar el potencial de estos nuevos servicios con el de las comunicaciones móviles.
5G supone evolucionar los servicios de telefonía móvil hacia una nueva red de servicios que está completamente integrada en internet. No se trata solo de hablar por teléfono o hacer una videoconferencia, sino de permitir que cualquier cosa pueda estar en contacto con sistemas de información para interactuar con ellos. Hablamos de prendas de vestir, vehículos, sensores en las calles, el hogar o la oficina. Todo puede ser potencialmente conectado con el 5G.
Combinar estas facilidades de comunicación con las nuevas tecnologías de inteligencia artificial nos permitirá desplegar una gran variedad de servicios novedosos. Hablamos, por ejemplo, de la conducción autónoma, las ciudades inteligentes o la gestión automatizada de robots o servicios que nos faciliten nuestra vida personal o profesional.
En la actualidad, el mundo se encuentra inmerso en una era de conectividad sin precedentes. La quinta generación de tecnología móvil ha irrumpido en el escenario de las comunicaciones globales con una promesa de transformación radical en la forma en que interactuamos, trabajamos y vivimos. En este artículo exploramos en detalle las ventajas del 5G y por qué se trata de algo completamente diferente a las tecnologías anteriores.
El 5G no es simplemente una evolución tecnológica; es una revolución que promete cambiar nuestra sociedad de maneras que apenas estamos comenzando a imaginar.
1G y 2G. Solo servicio telefónico
La verdad es que nunca hubo un 1G o 2G como tal. Las primeras redes de telefonía móvil o celular nacieron con la idea de ofrecer un servicio que le permitiera a sus usuarios acceder al servicio telefónico desde cualquier lugar. Las primeras redes utilizaban tecnologías analógicas con grandes limitaciones de cobertura, calidad y privacidad. A comienzo de los años 90 empezaron a aparecer las redes celulares con tecnología digital. La tecnología digital más utilizada en el momento fue GSM.
Con el tiempo, a la tecnología de estas primeras redes analógicas se les vino a denominar redes 1G y a la tecnología empleada por las primeras redes digitales se las llamó 2G. Tanto la 1G como la 2G se centraron en ofrecer un servicio telefónico de voz, sin prestar atención a la posibilidad de transmitir datos.
Si necesitabas transmitir datos a través de un terminal móvil de tipo 1G, la única solución era utilizar un módem con acoplamiento acústico. Estos módems transmitían a unos 300 bps aunque, los modelos más avanzados, en condiciones óptimas, podían llegar a los 2,4 kbps. Con el 2G se mejoró mucho la calidad del canal telefónico, por lo que se podían utilizar módems de mayor velocidad (hasta 14,4 kbps) pero, básicamente, no supuso una gran mejora desde el punto de vista de la transmisión de datos. Eso sí, el 2G trajo el servicio SMS (servicio de mensajes cortos de texto).
La tecnología 2G más extendida en el mundo fue GSM (Global System for Mobile Communications). Esta tecnología fue desarrollada en Europa a partir de 1982 con el objetivo de crear un estándar europeo de telefonía móvil digital. En 1992 se inició la actividad de las primeras redes GSM en Europa y en los siguientes años, las redes GSM terminaron imponiéndose en el resto del mundo.
2,5G. El inicio de la transmisión de datos desde terminales móviles
El primer servicio de transmisión de datos que se ofreció desde una red de telefonía móvil fue el servicio SMS de envío de mensajes cortos (Short Message Service). Este servicio utilizaba un canal de datos exclusivo de 9,6 Kbps por el que enviaba los textos alfanuméricos del servicio. Aunque el primer mensaje SMS se envió en diciembre de 1992, el primer teléfono comercial con capacidad para enviar y recibir mensajes de texto lo lanzó Nokia en 1993.
En los primeros años, el servicio SMS no despertó gran interés en los usuarios. En 1995 apenas se enviaban 0,4 mensajes de media al mes por usuario. Aunque los mensajes de texto supusieron la llegada de los teclados alfanuméricos a los terminales, lo que los usuarios querían es poder conectarse a internet.
En 1995 se introdujo la tecnología GPRS (General Packet Radio Service). Esta tecnología permitía que el usuario pudiera establecer enlaces de datos de hasta 160 kbps. En 1997 se introdujo la tecnología EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) con la que se podían alcanzar los 236 kbps. A estas tecnologías se las denominó posteriormente como 2,5 G (GPRS) y 2,75G (EDGE).
Los teléfonos con GPRS o EDGE podían transmitir datos, pero no tenían el software necesario para ver páginas web o leer el correo electrónico por lo que se solían utilizar para conectar el ordenador a internet.
3G. La conectividad a internet
Con el nuevo milenio, internet estaba teniendo un uso cada vez más extendido. Las redes 2G existentes eran redes de voz por las que apenas se podían transmitir datos. De hecho, no se podía transmitir voz y datos a la vez. O se hablaba o se utilizaba el terminal para conectar el ordenador a internet.
Con 2G los datos se transmitían en el modo conmutación de circuitos. Esto quiere decir que todo el circuito, todo el canal de comunicación se utilizaba para establecer la comunicación extremo a extremo. Hasta ese momento, la tecnología de la telefonía móvil era una evolución de las redes telefónicas. Esto es, eran redes de voz.
Internet, sin embargo, funciona en el modo conmutación de paquetes. Esto quiere decir que un mismo circuito, un mismo canal puede ser utilizado de forma simultánea por distintas comunicaciones. Cada comunicación divide sus datos en paquetes y cada paquete viaja de forma independiente hasta su destino. Por tanto, cada circuito puede llevar paquetes de distintas comunicaciones, lo que permite transmitir voz y datos a la vez o datos de distintas aplicaciones.
La UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) pensó que era el momento de hacer cambios y creó las especificaciones IMT-2000 que definían la futura tecnología 3G. La organización 3GPP (3rd Generation Partnership Project) desarrolló la tecnología UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) para dar respuesta a este avance. Esta organización era la responsable de las tecnologías 2G anteriores (GSM, GPRS y EDGE). Con las redes 3G se alcanzaban velocidades de bajada de hasta 384 kbps. Si el terminal no estaba en movimiento, en teoría se podía llegar a los 2 Mbps.
UMTS se basaba en el estándar WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). La primera implementación la realizó la empresa japonesa DoCoMo en mayo de 2001. Instaló en Tokio esta nueva tecnología (WCDMA) de forma experimental. El 1 de octubre se pondría en explotación. En Europa y Japón se seleccionó el estándar UMTS como soporte de las redes 3G. Al año siguiente, 2002, la empresa Monet implementaría la primera red 3G en Estados Unidos utilizando la tecnología CDMA2000 1xEV-DO. Las tecnologías WCDMA y EV-DO se utilizarían para crear diversas redes 3G en distintos países en los próximos años.
Las altas velocidades de conexión de las tecnologías 3G permitieron una transformación en la industria de contenidos. 3G abrió la puerta a navegar por la web, transmitir música, enviar correos electrónicos y transmitir videos desde un teléfono móvil. Por otro lado, trajo la posibilidad de que los usuarios pudieran hacer itinerancia (roaming) del servicio de datos cuando viajaban.
A finales de 2007 había casi 300 millones de usuarios de redes 3G en todo el mundo. Se trataba del 9% del total de usuarios de móviles. Dos tercios de estos usuarios utilizaban redes con tecnología WCDMA (UMTS) y un tercio utilizaban la tecnología EV-DO.
3,5G. Banda ancha móvil
La tecnología 3G siguió evolucionando después de su lanzamiento. La organización 3GPP sacó en 2006 un nuevo protocolo mejorado conocido como HSPA (High-Speed Packet Access). A estos protocolos se les conocieron también como 3,5G, 3G+ o turbo 3G. Con ellos se alcanzaron enlaces descendentes de 1.8, 3.6, 7.2 y hasta 14,0 Mbps. La velocidad de subida era de hasta 5,76 Mbps. El protocolo HSPA estaba formado por los protocolos HDSP (D de downlink) y HUSPA (U de uplink).
Poco tiempo después, a finales de 2008, la organización 3DPP lanzó una nueva versión mejorada a la que llamó Evolved High Speed Packet Access, también conocida como HSPA+. Este nuevo estándar, que se adoptaría de forma global a partir de 2010, permitía velocidades de datos de 84 Mbps (aunque raramente se alcanzaban).
En esos años se estaban popularizando las primeras versiones de smartphones. La necesidad de conectar las aplicaciones de los smartphones con internet eran cada vez mayor. Ya no era solo la posibilidad de leer el correo electrónico o acceder a la agenda, sino ver películas o hacer videoconferencias.
4G. Redes completamente IP
En 2009 era evidente que las redes 3G se quedarían obsoletas frente al abrumador incremento de la demanda de ancho de banda de los terminales móviles. Los organismos reguladores y las empresas del sector eran conscientes de este reto. Se plantearon como objetivo, no solo aumentar la velocidad de transferencia de datos, sino de reemplazar las tecnologías heterogéneas de las distintas redes móviles existentes por un único estándar basado en IP.
El objetivo era disponer de una infraestructura de red pública inalámbrica que pudiera dar soporte a todo tipo de servicios (incluido voz, vídeo, datos, etc.). Parecía que el protocolo IP era el más apropiado para ello. Por tanto, las llamadas de voz serían del tipo VoIP (voz sobre IP) y los datos serían completamente IP (compatibles con IPv6).
La UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) estableció que el nuevo estándar 4G debía cumplir una serie de condiciones, entre ellas, que debía de superar los 100 Mbps. La organización 3GPP definió la tecnología LTE (Long Term Evolution) como una evolución de los estándares GSM y UMTS. La primera versión del LTE (4G-LTE) apenas superaba los 100 Mbps. No obstante fue la primera tecnología disponible que permitía hablar de 4G. En 2007, la empresa NTT DoCoMo de Japón fue la primera en realizar experimentos con esta tecnología.
A finales de 2009, la organización 3GPP lanzó una nueva versión conocida como LTE-Advanced (versión 10 de LTE). Con esta versión se podían teóricamente alcanzar velocidades de bajada de hasta 1 Gbps. Los primeros lanzamientos comerciales de 4G se produjeron a finales de 2010 en distintos países del mundo (utilizando LTE).
Por otro lado, en 2001 se había formado el conocido como Consorcio Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) para promover el uso del estándar IEEE 802.16, conocido como Wimax. Desde 2006, algunos operadores de distintos países construyeron redes 4G que utilizaban este estándar (versión IEEE 802.16e o IEEE 802.16m, conocidas como Wimax móvil y Wimax release 2 respectivamente). No obstante, este uso ha ido desapareciendo con el tiempo, por lo que el estándar 4G por excelencia es LTE o LTE-A.
Las redes 4G alcanzan velocidades de hasta 300 Mbps en movimiento y prometen has 1Gbps de forma estática. Para conseguirlo, incorpora técnicas de avanzado rendimiento radio como MIMO y OFDM. Por primera vez, los terminales móviles (celulares) ofrecía velocidades de conexión comparable a las opciones cableadas.
5G. El nuevo paradigma
Como cabe esperar, la demanda de servicios desde terminales móviles no ha parado de ser cada vez más ambiciosa. Ahora no se trata tanto de que usuarios con un teléfono móvil puedan ver películas en su terminal, sino de que distintos dispositivos electrónicos puedan utilizar esta tecnología para estar conectados entre sí. Hablamos del desarrollo de internet de las cosas (IoT, internet of things). Para ello, no solo se necesita que la velocidad de conexión sea rápida, sino que las conexiones de extremo a extremo se establezcan de forma inmediata, con una latencia mínima.
La latencia es el tiempo que transcurre entre una solicitud de información y la llegada de la respuesta. Este es un factor importante para medir la calidad y el rendimiento de una red móvil. Más allá de que los datos fluyan a una alta velocidad, es importante que estos datos empiecen a llegar cuanto antes. Por ejemplo, en una operación quirúrgica a distancia sería importante que cualquiera de las órdenes de actuación del cirujano se empezaran a ejecutar de forma inmediata en el paciente, así como que el cirujano reciba las nuevas imágenes de los que ocurre sin retardo. Esto mismo es trasladable a cualquier aplicación donde se requiera una toma de decisión instantánea: conducción autónoma, drones, robótica, etc. Cuanto menor sea la latencia, mejor será la respuesta y la interacción.
Aunque las primeras redes de móviles tenían latencias de hasta 1000 ms (primera generación), las redes 4G redujeron este tiempo a 50 ms. Con el 5G se pretende reducir la latencia a menos de 1 ms. Esto abre las puertas a una revolución que permitirá habilitar nuevos escenarios como el internet de las cosas (IoT), el big data, la robótica, la realidad virtual, la realidad aumentada, la telemedicina o las ciudades inteligentes. Por ejemplo, el coche recibe rápidamente los datos que necesita para poder tomar decisiones sobre la marcha.
Además de la latencia, el 5G supone un aumento de la velocidad de transmisión de datos hasta los 20 Gbps (el 4G se quedaba en 1 Gbps). Por otro lado, el 5G promete aumentar considerablemente su densidad de terminales. Esto es, poder conectar un gran número de dispositivos simultáneamente en un área determinada, sin que se produzcan interferencias o pérdida de calidad. La densidad del 5G puede alcanzar hasta un millón de dispositivos por kilómetro cuadrado (el 4G se quedaba en 100.000). La alta densidad es imprescindible para poder conectar la creciente demanda de conexión de personas y cosas (sensores, cámaras, etc.).
El 20 de febrero de 2018 Vodafone y Huawei completaron en España la primera llamada de móvil 5G del mundo, aunque la primera red como tal no se implementó hasta marzo de 2019 en Corea de Sur. A continuación vinieron muchas otras implementaciones en diversos países. De manera práctica, tanto las velocidades máximas alcanzadas como los tiempos de latencia varían mucho de unas implementaciones a otras.
Tecnología de las redes 5G
La implantación de los servicios 5G se está llevando a cabo en dos fases. Por un lado, es necesario actualizar los equipos de radio que comunica la red con los terminales compatibles con 5G. Por otro, hay que cambiar la infraestructura de la red actual de 4G para convertirla en 5G. En la primera fase se instalarán los equipos de radio en las estaciones base, creando lo que se conoce como 5G NSA (Non Standalone o 5G no independiente). El modo NSA permite que la red 5G comparta infraestructura con la red 4G. En el modo 5G SA (Standalone o independiente), la infraestructura de red será completamente de tipo 5G.
Básicamente, la infraestructura 5G supone que se dejan de utilizar hardware específico de telefonía para sustituirlos por equipos IP de propósito general. Esto supone una gran ventaja desde el punto de vista de costes y la hace completamente compatible con internet.
Al igual que ocurrió con las generaciones anteriores, el estándar de la tecnología 5G ha sido definido por la organización 3GPP. Su trabajos empezaron en 2014 y en diciembre de 2017 finalmente publicaron el estándar de radio 5G para redes no independiente (NSA). En junio de 2018 aprobaron finalmente el estándar 5G completamente Independiente (SA).
La tecnología 5G se basa en la LTE utilizada para 4G, pero añade características avanzadas como el MIMO masivo, el beamforming o la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) para poder aumentar la capacidad, la eficiencia y la fiabilidad de la red. Otra diferencia es que la arquitectura 5G podrá definir sus funcionalidades por software en lugar de hardware. Esto es lo que se conoce como SDN o Software Defined Networking.
Casos de uso de las redes 5G
La red 5G ofrece una conectividad más rápida, más fiable y más versátil que las generaciones anteriores. La red 5G se basa en una arquitectura flexible que puede adaptarse a diferentes casos de uso según las necesidades de los usuarios y las aplicaciones.
Como se ha visto, las redes 5G no solo aportan velocidades de transmisión de datos mucho más elevadas, sino, sobre todo, tiempos de latencia extremadamente reducidos. Esto último abre el campo de utilización de esta tecnología a aplicaciones como coches autónomos, internet de las cosas, ciudades inteligentes, aplicaciones médicas o inteligencia artificial, entre otras muchas.
Por ejemplo, el 5G permitirá que un coche se pueda comunicar con su entorno y con los coches de su alrededor para garantizar su seguridad y conducción eficiente, así como la posible conducción autónoma. En el caso de internet de las cosas (IoT), se podrán obtener respuestas inmediatas a los datos proporcionados por los distintos dispositivos. Incluso, se podrá utilizar la realidad aumentada en combinación con la inteligencia artificial.
En resumen, los casos de uso de la tecnología 5G se pueden clasificar en tres categorías principales:
- eMBB: Banda ancha móvil mejorada (Enhanced Mobile Broadband). Se refiere a los usos en los que sea necesario utilizar un alto ancho de banda y una gran capacidad de transmisión de datos. Este sería el caso, por ejemplo, de la difusión de vídeo (streaming) en alta definición, la realidad virtual y aumentada o el juego en línea (online gaming).
- mMTC: Comunicación masiva de tipo máquina (Massive Machine-Type Communications). Se refiere a los casos que impliquen la conexión de un gran número de dispositivos con baja demanda de datos y energía. Sería el caso de internet de las cosas (IoT), lo que implica conectar millones de dispositivos sin intervención humana. Esto tiene el potencial de revolucionar las aplicaciones de la industria moderna, incluida la agricultura y las ciudades inteligentes.
- uRLLC: Comunicación ultra fiable de baja latencia (Ultra-High Reliability & Low Latency). Esta categoría se refiere a los casos en los que es imprescindible disponer de una respuesta rápida con una alta fiabilidad. Por ejemplo, la conducción autónoma, la telemedicina, robótica industrial, comunicaciones entre vehículos, industria 4.0 o los drones urbanos.
A estas tres categorías se las conoce como el triángulo 5G. Como podemos imaginarnos, estas categorías no son excluyentes. Esto es, pueden combinarse para ofrecer soluciones personalizadas a cada escenario. Se espera que la red 5G permita habilitar nuevos servicios y aplicaciones que mejoren la calidad de vida y el desarrollo económico y social.
El espectro radioeléctrico
Las comunicaciones del servicio de telefonía móvil o celular se realizan a través de ondas de radio. Las señales de radio son ondas electromagnéticas que se transmiten por el espacio entre las frecuencias de 9 KHz y 3.000 GHz. Como el espacio es único, se trata de un recurso natural y limitado que tiene la consideración de bien de dominio público. Por tanto, son los Gobiernos los que determinan cómo se divide el uso de ese espacio radioeléctrico entre los distintos usos posibles: telecomunicaciones públicas y privadas, seguridad y emergencias, navegación aérea y marítima, defensa, etc.
Para organizar lo anterior, las frecuencias del espectro radioeléctrico se dividen en diferentes bandas, que se asignan a diferentes usos. El uso de las distintas bandas está regulado a nivel internacional por el artículo 5 del Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones).
Hay bandas de frecuencias que son de libre uso. Este es el caso de las frecuencias utilizadas por el servicio W-Fi (2,4 y 5 GHz). Otras, sin embargo, requieren que el Gobierno asigne el permiso específico para su uso. Las operadoras de telecomunicaciones que explotan los servicios móviles requieren de este permiso. El Gobierno le asigna a cada operadora las frecuencias en las que pueden operar sus servicios. Como las frecuencias son limitadas y la competencia es alta, normalmente, los Gobiernos asignan estas bandas de frecuencias por concurso de méritos o por subastas.
El uso del espectro radioeléctrico ha ido cambiando a lo largo del tiempo. Cuando aparece un nuevo servicio, como es el caso de la telefonía móvil, es necesario utilizar una banda de frecuencias que no se esté utilizando. Si no es posible, es necesario liberar dichas frecuencias para asignarlas al nuevo servicio.
Para el despliegue de las redes móviles de quinta generación se han identificado tres bandas de frecuencias: 700 MHz, 3,5 GHz y 26 GHz. Todas estas bandas están necesitando que se liberen de otros usos (básicamente de televisión, radioenlaces terrestres y por satélite).
Desde el punto de vista de la propagación, a menor frecuencia, mayor es el alcance de la señal y presenta mejor penetración en edificios. Por tanto, la banda 700 MHz parece más apropiada para dar servicio a zonas rurales, así como en los interiores de edificios de zonas urbanas. Por otro lado, las frecuencias altas son más apropiadas para transmitir datos a alta velocidad. Esto nos hace pensar que en zonas urbanas se pueden complementar el uso de distintas bandas de frecuencias.
Cabe añadir que, hasta ahora, las nuevas generaciones de servicios móviles han ido conviviendo con las que le precedía. Sin embargo, la aparición de 5G conllevará el uso de espectros de frecuencias que usan las redes 3G. Esto quiere decir que estas redes 3G tendrán que desaparecer. Por otro lado, al igual que pasó con las redes 1G, las redes 2G también desaparecerán.
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En este artículo se ha abordado qué es 5G y en qué se diferencia de las tecnologías anteriores. Se trata de una tema de gran actualidad e interés. En este blog se dispone de otros artículos relacionados por lo que, si necesita ampliar la información, le invitamos a utilizar el buscador de contenidos que tenemos en la cabecera.
Por si es de su interés, le sugerimos estos otros artículos relacionados:
- El origen de la telefonía móvil o celular
- Historia de la telefonía móvil en España
- VoIP. La telefonía de Internet
Referencias
- 5G en Wikipedia
- Qué es la red 5G, preguntas y respuestas. Thales.
- Aplicaciones y casos de uso del 5G. Digi International.
- Casos de uso 5G. Telefónica España.
- El teléfono celular. Historia y evolución de los celulares. Tecnología & Informática.
- El 5G toca a la puerta dispuesto a cambiar nuestras rutinas para siempre. El País. Ramón Muñoz (2 de marzo de 2019).
- What is 5G? The next-generation network explained. Digital Trends. de Looper, Christian (27 de marzo de 2020).
- What is 5G, and how fast will it be?. How-To Geek website. How-To Geek LLC. Hoffman, Chris (7 de enero de 2019).
- The definitive guide to 5G low, mid, and high band speeds. VentureBeat online magazine. Horwitz, Jeremy (10 de diciembre de 2019).