La capacidad de las redes de comunicaciones inalámbricas actuales ha aumentado un millón de veces desde la introducción de la primera red celular en 1957.
Pero esta mejora no se debe a la mejora de tecnologías de conectividad como WiFi, 2G, 3G, etc., que solo han contribuido a un aumento de cinco veces. El uso de espectro adicional de radiofrecuencia para transportar el tráfico de la red explica una mejora de 25 veces; sin embargo, la mayor mejora individual, responsable de un aumento de 1.600 veces, se debe a reducir el tamaño de las «células» que conforman la red. En otras palabras, instalar más torres de red físicas, repetidores y otros equipos para crear una red de nodos más densa capaz de transportar más tráfico.
Pero esto ha sido muy caro: excavar para tender cables, erigir torres y estaciones base, instalar y mantener los equipos, además de cumplir con toda la planificación y los requisitos burocráticos que ello implica. Por eso, gran parte del diseño de la próxima generación de redes móviles 5G se centra en obtener más velocidad y capacidad de lo que ya tenemos, sin asumir los costes de añadir más infraestructura.
Desacoplar el envío y la recepción
Un área que se está investigando es el concepto de desacoplar el enlace descendente (DL) y el enlace ascendente (UL), denominado por algunos de sus coinventores DUDe. Desde las redes móviles de primera generación hasta la más reciente 4G, las conexiones de enlace descendente (o recepción) y de enlace ascendente (o envío) de cualquier sesión de comunicación han estado acopladas. Esto significa que un teléfono móvil se conecta a una estación base a la vez y que los datos se envían y reciben a través de la misma conexión.
Históricamente, este enfoque era casi óptimo, ya que así la estación base y el teléfono móvil establecían la conexión más potente posible en ambas direcciones. Sin embargo, a medida que las redes móviles se han diversificado, combinando células de red de distintos tamaños y torres de transmisión de diferente potencia, ahora tiene más sentido separar ambas conexiones. Un teléfono podría recibir información a través de una célula de red grande y de alta potencia para alcanzar la máxima velocidad, y utilizar células más pequeñas para enviar datos mediante su radio de menor potencia. Esto puede duplicar la capacidad y hacer que las conexiones sean hasta diez veces más fiables.
Duplicar la capacidad dúplex
Otra área que se está investigando es la transmisión de radio en dúplex completo . Dúplex completo se refiere a la posibilidad de transmitir y recibir en la misma frecuencia al mismo tiempo, del mismo modo que podemos hablar a la vez por un teléfono fijo analógico tradicional.
Los tipos de repetidores que se utilizan para ampliar la cobertura de red en las industrias de satélites, radiodifusión y redes móviles llevan décadas usando el dúplex completo. Pero esto se consigue con dos antenas distintas, separadas lo suficiente para que la potente señal de transmisión no interfiera con la señal más débil del receptor. ¿Quién puede diseñar un sistema de una sola antena que permita funcionar en dúplex completo?
Todo se reduce a utilizar la cancelación del eco de señal. El primer hito de este trabajo se publicó en 1978 pero no se puso en funcionamiento hasta la década de 1990. La esencia de todos estos sistemas es cancelar la potente señal saliente de transmisión de la débil señal entrante de recepción, eliminando así las interferencias. Sin embargo, esta técnica solo funciona en un ancho de banda bastante estrecho, de unos pocos MHz.
Solo recientemente ha sido posible ofrecer dúplex completo en anchos de banda amplios, de entre 10 y 100 MHz, con cancelación tanto en el dominio analógico como en el digital.
Una de las empresas que lidera este campo es Kumu Networks, una empresa derivada fundada por ingenieros de la Universidad de Stanford que obtuvo 15 millones de dólares estadounidenses en financiación tras su primera demostración de dúplex completo mediante la cancelación por inversión de señal hace cuatro años. La tecnología perfecciona el trabajo teórico existente y es compatible con los sistemas celulares del mundo real. Este es un paso importante para pasar de una característica propuesta a un producto viable.
Con técnicas similares, ingenieros de la Universidad de Columbia han implementado esto en un solo chip recientemente, miniaturizando por primera vez en un único chip de silicio los circuitos necesarios para el dúplex completo. A esta escala, la tecnología podría incorporarse a teléfonos móviles o tabletas para mejorar el rendimiento; podría ser un momento decisivo, ya que añadir más chips de silicio a los teléfonos móviles o tabletas existentes es relativamente sencillo. Con algunos ajustes adicionales, si se adoptara universalmente, esto podría permitirnos esencialmente duplicar la capacidad de la red de la noche a la mañana.
Muchas más antenas
Otro enfoque consiste en sistemas de múltiples antenas masivas, denominados Massive-MIMO. Inventado por Tom Marzetta, de Bell Labs, utiliza una cantidad enorme de antenas, instaladas en estaciones base y, si es posible, en teléfonos móviles. Hablamos de miles de antenas, en lugar de las tres a seis que se utilizan habitualmente hoy en día. Contraintuitivamente, en teoría esto permitiría eliminar las interferencias del sistema y aumentar significativamente la capacidad y la fiabilidad de la red.
Por ahora, todos estos enfoques siguen en una fase temprana y afrontan desafíos considerables. Sin embargo, aunque estos diseños 5G exigirían algunas actualizaciones de software y hardware, no requerirían cavar zanjas ni tender cables.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Mischa Dohler es catedrático de Comunicaciones Inalámbricas en King’s College London, Reino Unido.
Imagen: Una mujer usa su iPhone de Apple mientras espera para cruzar la Quinta Avenida en Nueva York. REUTERS/Lucas Jackson.
