En 1979, Nippon Telegraph and Telephone (NTT) lanzó la primera red celular móvil en Tokio, Japón. Un sistema analógico, ahora se conoce como una red de "primera generación" o 1G. En 1983, NTT lanzó cobertura en todo Japón, mientras que otras redes 1G estaban surgiendo en Europa y en otros lugares.
Motorola comenzó a prestar servicio en 1983 en los EE. UU., donde Bell Labs había propuesto una red de este tipo ya en 1947, pero la descartó por poco práctica. 1G tenía muchos inconvenientes, incluida una mala calidad de audio y una cobertura limitada. No había soporte de roaming entre redes, porque no había estándares. Sin embargo, fue revolucionario y allanó el camino para un mayor desarrollo dentro del sector.
La siguiente iteración, 2G fue una gran mejora, utilizando señales de radio digital. Apareció en 1991 en Finlandia y se lanzó bajo un estándar, GSM, que prometía la posibilidad de roaming internacional. Al proporcionar SMS y MMS, la nueva tecnología se adoptó ampliamente. A pesar de las bajas velocidades y el ancho de banda relativamente pequeño, 2G revolucionó las empresas y los clientes en una escala nunca antes vista.
3G evolucionó en los años previos al 2000, con el objetivo de estandarizar los protocolos de red utilizados por los proveedores, proporcionando así un roaming verdaderamente internacional. NTT Docomo lanzó la primera red 3G en 2001. 3G ofrece velocidades aproximadamente cuatro veces más altas que el pico posible con 2G, y admite nuevos protocolos y soluciones como VoIP, videoconferencia y acceso web.
Esto abrió la era del cambio de paquetes en las comunicaciones de teléfonos móviles. Si bien las funciones como el acceso a Internet tuvieron problemas al principio, el lanzamiento del iPhone en 2007 extendió las capacidades de 3G al límite. Estaba claro que se necesitaría 4G, y los organismos internacionales de normalización, incluida la UIT, han estado trabajando en ello desde 2002.
En 2009, el estándar 4G Long Term Evolution (4G LTE) se lanzó por primera vez en Suecia y Noruega, y se implementó en los años siguientes. La velocidad de 4G ha permitido juegos multijugador sobre la marcha, transmisión de video de alta calidad y mucho más. Sin embargo, el protocolo está plagado de irregularidades en la red en muchas regiones del mundo y algunas sufren una penetración 4G extremadamente baja.
Llegada del 5G
Todo esto allanó el camino para 5G, que se estaba desarrollando desde el momento en que se entregó 4G y ahora ya está implementado en ciertas áreas. Promete mejoras masivas, como permitir hasta un millón de dispositivos por kilómetro cuadrado, lo que podría revolucionar muchos sectores.
Las últimas estimaciones de IHS Markit muestran que 5G tiene un impacto económico de al menos 12 mil millones de dólares a medida que el enfoque cambia de conectar a las personas con la información para conectar todo a todos. Además, promete una revolución en la eficiencia energética en el campo de las redes de comunicaciones móviles.
La era de Internet de las cosas ahora está en pleno apogeo, con más dispositivos conectados a Internet que personas en la Tierra. Todos estos dispositivos envían y reciben datos de forma casi constante. Mientras que las aplicaciones domésticas de IoT se benefician de una red inalámbrica local, las IoT comerciales e industriales requerirán conectividad sin ataduras a largas distancias, así como suficiente ancho de banda para acomodar todas estas aplicaciones al mismo tiempo.
Actualmente hay tantos dispositivos que se conectan a redes 3G y 4G que estas redes están cerca del punto de ruptura y no pueden agregar el creciente número de dispositivos nuevos que requieren conectividad perpetua. Aquí es donde entra el 5G. Es más rápido, más inteligente y más eficiente que sus predecesores con un ancho de banda mucho mayor.
Antenas, espectro y estaciones base
Las redes de comunicaciones están descubriendo cada vez más que el espacio, el consumo de energía y las emisiones son importantes problemas económicos y operativos. Dado el gran aumento en los dispositivos conectados, está claro que la eficiencia energética será una de las principales preocupaciones para los operadores que deseen reducir los gastos generales de capital y gastos operativos.
Entonces, ¿cómo le va al 5G en términos de consumo de energía y eficiencia en comparación con sus predecesores?
Los requisitos de diseño de 5G especifican una reducción del 90 por ciento en el consumo de energía en comparación con las redes 4G actuales, una cifra que se basa en todo el ecosistema, desde las estaciones base hasta la energía utilizada por el dispositivo del cliente. Esta reducción masiva ocurre a través de una combinación de prácticas de diseño actualizadas, optimizaciones de hardware, protocolos más nuevos y administración inteligente de software de la infraestructura subyacente.
Actualmente, las redes móviles utilizan, en promedio, entre el 15 y el 20 por ciento de su consumo total de energía en el tráfico de datos real, y el resto se desperdicia principalmente al mantener los componentes en un estado listo para operar.
Las estaciones base 5G podrán ir a dormir cuando la actividad de la red se detenga. Esto es inmensamente importante ya que las estaciones base representan alrededor del 80 por ciento de la energía utilizada por una red móvil.
En las redes actuales, la mayoría de las estaciones base pueden estar inactivas en cualquier momento. A pesar del mayor número de dispositivos y las velocidades de datos más altas, 5G puede tener más oportunidades para apagar las estaciones base. Dado que 5G tiene una mayor velocidad de transferencia de datos, los datos transitan por la red más rápidamente, lo que aumenta el tiempo cuando la estación base está inactiva. Los paquetes de datos 5G están más comprimidos, lo que reduce aún más el volumen de tráfico.
La nueva red también agrega un protocolo de control de transporte multitrayecto (MPTCP) que reduce la necesidad de replicación y retransmisión de paquetes y aumenta la confiabilidad a medida que se crean más rutas de red. Esto es posible porque 5G utiliza antenas MIMO (entradas múltiples, salidas múltiples) baratas y eficientes. Un sistema de antenas MIMO puede manejar más clientes y mayores volúmenes de actividad de red, y aumentar la confiabilidad al proporcionar más rutas para que los datos tomen. Si una ruta falla, otra puede ocupar su lugar.
Las antenas MIMO se comunican con múltiples clientes utilizando haces enfocados de ondas de radio ("formación de haces"). Esto aumenta la eficiencia del canal junto con las velocidades de transferencia de datos y reduce la posibilidad de interferencia. También enfoca la energía de radio directamente hacia el dispositivo conectado, y puede identificar la cantidad exacta de energía y energía requerida para reducir aún más el consumo de energía tanto para la estación base como para el dispositivo en sí.
Además, 5G utiliza celdas de red más pequeñas, que cubren un área determinada con una mayor cantidad de antenas más pequeñas. En las redes móviles, una célula se refiere a la estación base, sus antenas y el área física a la que sirven.
Las celdas pequeñas de 5G están diseñadas para desplegarse dentro de edificios grandes o afuera en áreas altamente pobladas. El consumo de energía aumenta con la distancia entre la estación base y el dispositivo cliente (la antena tiene que "gritar"), por lo que estas celdas de red más pequeñas deben desplegarse para mantener la distancia de comunicación lo más pequeña posible.
Finalmente, a través de una combinación de nuevos algoritmos de programación, la eficiencia espectral de 5G New Radio se mejora enormemente en las redes actuales.
En las redes 4G, la programación de la señal incluía una gran cantidad de códigos de control y verificación a intervalos regulares que podrían consumir hasta el 20 por ciento de la sobrecarga de energía de la red durante las transmisiones de frecuencia más alta.
En las transmisiones 5G, los códigos de control y verificación se reducen considerablemente. Esto se debe a que el uso de celdas de red móvil más pequeñas reduce la distancia de comunicación, reduciendo la posibilidad de interferencia o falla.
La escalabilidad y flexibilidad de las redes 5G aumentan con las redes definidas por software (SDN) y sus tecnologías de virtualización relacionadas. SDN funciona desacoplando la capa de control de la red más amplia de su plano de datos y fusionándose en un plano de control centralizado, que tiene acceso y visión general sobre toda la red. Esto significa que el software puede asignar dinámicamente los recursos de hardware para optimizar el flujo de tráfico.
¿Qué ofrece realmente 5G?
El diseño 5G especifica una tecnología casi utópica que promete una revolución en la eficiencia energética en todo el ecosistema de comunicación móvil, pero estas promesas deben tomarse con una pizca de sal al analizar cómo funcionará la tecnología una vez implementada.
El lanzamiento de 5G al público será lento, principalmente debido a la inversión inicial relativamente alta requerida. Por lo tanto, está a la vista una cobertura completa de 5G al nivel de la implementación actual de 4G, pero tomará algunos años. La cobertura total va mucho más allá de eso.
Durante mucho tiempo, las redes móviles "heredadas" como 3G y 4G representarán la mayoría del consumo total de energía de una estación base. Las últimas cifras del Informe anual de Internet 2018-2023 de Cisco enfatizan esto con “los tres principales países 5G en términos de porcentaje de dispositivos y conexiones compartidas en 5G serán China (20.7 por ciento), Japón (20.6 por ciento) y Reino Unido ( 19.5 por ciento), para 2023."
Algunos analistas han argumentado que, de hecho, puede no haber ahorro de energía cuando se implementa la tecnología, dependiendo de la definición de eficiencia energética en 5G.
Por ejemplo, la potencia computacional requerida para procesar señales 5G es aproximadamente cuatro veces mayor que la de 4G. En hardware comparable, uno esperaría que el componente de procesamiento de datos de 5G tenga cuatro veces el consumo de energía. Sin embargo, esto solo es cierto si 5G se implementa en la misma infraestructura en la que se ejecuta actualmente 4G sin adoptar la mayor eficiencia entregada por los fabricantes de hardware.
Los operadores móviles han recibido un espectro significativo para las redes 5G, en parte debido a la inminente saturación de las redes anteriores y al aumento de la IoT industrial y comercial. Por eficiente que sea el 5G por diseño, se sumará a un aumento adicional en la energía utilizada por la infraestructura total de comunicaciones móviles. Este será el caso hasta que (y si) las generaciones anteriores de la red se eliminen paulatinamente.
Esto puede tener un efecto dominó en la infraestructura digital más amplia. El crecimiento de las redes 5G va de la mano con el aumento y la expansión de los centros de datos Edge, por lo que parece razonable incluir el uso de energía de estas instalaciones cuando se habla de la eficiencia de 5G.
Acercar los recursos críticos al borde de la red puede reducir la latencia, por lo que las instalaciones 5G plus Edge pueden brindar interacciones individuales con el cliente de manera más efectiva. Sin embargo, si consideramos el gran aumento en el almacenamiento de datos y las necesidades de procesamiento de estas aplicaciones en la próxima década, parece que 5G de hecho simplemente permitirá una industria de infraestructura digital aún más hambrienta de energía que la actual.
Esto podría compensarse potencialmente con una estrecha colaboración entre todas las industrias de interconexión, asegurando una red inteligente potente y confiable respaldada por energías renovables y tecnologías de almacenamiento de energía adecuadas.
Buscando estándares
Los estándares tardan en surgir, ya que se necesita un consenso entre varias partes del ecosistema de comunicaciones y energía. El número de bits transmitidos por Joule de energía gastada es ahora una de las principales métricas utilizadas para analizar la eficiencia de una red.
Actualmente, un sitio celular entregará una eficiencia energética de alrededor de 20kbit / Joule, y algunos trabajos de investigación en el campo pronostican que 5G podría aumentar esto más de dos órdenes de magnitud a 10Mbit / Joule.
El futuro parece aún más emocionante ya que las tecnologías ya están comenzando a aparecer y presentan nuevas formas de aprovechar 5G.
En la "recolección de radiofrecuencia", la energía transmitida a través de ondas de radio puede capturarse y utilizarse en el dispositivo del cliente o partes de la infraestructura subyacente.
Dado que las señales de radiofrecuencia transportan tanto información como energía, es teóricamente posible cosechar algo de energía y recibir cierta información de la misma entrada.
Este sistema se conoce como SWIPT: información inalámbrica simultánea y transferencia de energía. El hardware requerido para esto todavía está en desarrollo y existe una compensación de velocidad de energía entre la cantidad de datos y la energía derivada de una señal.
Por lo tanto, SWIPT nunca cargará su teléfono inteligente de forma inalámbrica, pero es un enfoque novedoso que podría compensar el consumo de energía requerido para la transmisión de datos en el dispositivo cliente.
Es probable que el lanzamiento de 5G esté estrechamente relacionado con el auge del mercado de centros de datos "Edge" modular y en contenedores, que a su vez se ve impulsado por la necesidad de hacer que la comunicación sea lo más eficiente posible en términos de energía y latencia, al colocar funcionalidad sensible al tiempo en el borde de la red.
Está claro que la eficiencia energética será clave para todos los desarrollos futuros en la industria de infraestructura digital.
En la próxima década, veremos cómo se desarrolla la eficiencia energética de 5G y su impacto en el mundo. En este momento, la tecnología está en su infancia y no hay suficientes datos para saber cuál será el impacto que tendrá su consumo de energía en la vida real.
A medida que cada parte móvil de la industria se vuelve más conocedora y menos reacia al riesgo, 5G podría generar una era de comunicación casi instantánea con una gran cantidad de nuevas industrias y mercados, haciendo todo lo posible para minimizar su impacto en el mundo, a través de la colaboración y la infraestructura inteligente Despliegue y gestión.
El despliegue de esta tecnología basada en Edge traerá grandes cambios a los centros de datos y otras infraestructuras.
Pero para que eso suceda, las empresas deben asegurarse de que la eficiencia es primordial, ya que se apresuran a competir por el sector.