Tema 4.1 Enlaces 5G Sesión 1 2024 PDF

Enlaces 4G/5G Máster de formación permanente RTVE CONTENIDOS MÓDULO TRANSMISIÓN TEMA ENLACES 4G/5G Clase 1 – Introducción teórica David Jiménez - UPM Clase 2 – Equipamiento Clase 3 – Casos de uso Virginia Hernández - RTVE TEMARIO Tecnol...

Enlaces 4G/5G Máster de formación permanente RTVE CONTENIDOS MÓDULO TRANSMISIÓN TEMA ENLACES 4G/5G Clase 1 – Introducción teórica David Jiménez - UPM Clase 2 – Equipamiento Clase 3 – Casos de uso Virginia Hernández - RTVE TEMARIO Tecnologías 5G Víctor Sánchez - RTVE CONTENIDOS TEMARIO ¿Qué es 5G? ¿Qué busca 5G? Evolución de las tecnologías 5G Usos de 5G Frecuencias 5G 5G-NSA & SA Arquitectura 5G Network Slicing Edge Computing Redes Privadas MIMO ¿QUÉ ES 5G? 5G es el estándar de la quinta generación de redes móviles 5G también es nombrado como NR (New Radio) La nueva red tendrá mayor ancho de banda, proporcionando velocidades de descarga más rápidas, eventualmente alcanzando hasta 10 gigabits por segundo (Gbps). 5G utiliza mmWave (ondas milimétricas) para señales de alta capacidad. 5G presenta dos versiones: SA (5G independiente / standalone) NSA (5G no independiente / non-standalone). El estándar 5G también se conoce como el Estándar IMT-2020 de la UIT-R (Unión Internacional de Telecomunicaciones - Sector de Radiocomunicaciones). ¿POR QUÉ 5G? El tráfico de datos móviles crece rápidamente, principalmente debido a la transmisión de video. Cada usuario tiene un creciente número de conexiones (múltiples dispositivos). La Internet de las Cosas requerirá redes que deban manejar miles de millones de dispositivos adicionales. Los tres puntos anteriores llevan a que tanto los dispositivos como las redes necesitan mejorar la eficiencia energética. Los operadores de red buscan reducir los gastos operativos (oferta competitiva) Dar respuesta a nuevos casos de uso y nuevas aplicaciones para la industria que requieren mejores capacidades de la red.  ¿QUÉ BUSCA 5G? El diagrama de radar de los estándares IMT-2020 ilustra las ocho dimensiones de mejora con respecto a las IMT-Advanced (también conocidas como LTE). EVOLUCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS 5G  EVOLUCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS 5G Technology 1G 2G 3G 4G 5G Start/Deployment 1970/1984 1980/1999 1990/2002 2000/2010 2014/2020 Data Bandwidth 2Kbps 14-64Kbps 2Mbps 200Mbps 1Gbps and higher Technology Analog cellular Digital cellular Broadbandwidth/C Unified IP & 4G+WWW DMA/ IP seamless combo of technology LAN/WAN/WLAN/ PAN Multiplexing FDMA TDMA/CDMA CDMA CDMA CDMA Core Network PSTN PSTN Packet network Internet Internet Service Mobile telephony Digital voice, short Integrated high Dynamic Dynamic messaging quality audio, information information video & data access, variable access, variable devices devices with AI capabilities  EVOLUCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS 5G Característica PSTN Packet Network Core Network de Internet Tecnología de Conmutación de Conmutación de Conmutación de Transmisión Circuitos Paquetes Paquetes Tipo de Red Red Telefónica Red de Datos Columna Vertebral de Local/Internacional Internet Tipo de Datos Voz (principalmente) Voz, Video, Datos, Datos y Mensajes Comunicaciones Globales Uso del Canal Circuito dedicado Canal compartido Canal compartido y rutas dinámicas Ventaja Principal Calidad y estabilidad de Eficiencia y flexibilidad Conectividad global y llamadas alta capacidad Desventaja Principal Ineficiencia y baja Latencia variable Complejidad de gestión escalabilidad y seguridad EVOLUCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS 5G… and beyond De 1G al 5G  EVOLUCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS 5G… and beyond Trends and Target Implementations for 5G evolution & 6G Yoshihisa Kishiyama, Satoshi Suyama, and Satoshi Nagata USOS DE 5G La UIT-R ha definido los siguientes escenarios principales de uso para IMT en 2020: Banda Ancha Móvil Mejorada (eMBB) para manejar tasas de datos enormemente incrementadas, alta densidad de usuarios y alta capacidad de tráfico en escenarios de puntos de acceso, así como una cobertura continua y escenarios de alta movilidad con tasas de datos de uso aún mejoradas. Comunicaciones Masivas Tipo Máquina (mMTC) para el Internet de las Cosas (IoT), que requieren bajo consumo de energía y bajas tasas de datos para un gran número de dispositivos conectados. Comunicaciones Ultra Confiables y de Baja Latencia (URLLC) para atender aplicaciones de seguridad crítica y aplicaciones de misión crítica. USOS DE 5G Servicios eMBB (3GPP SMARTER – Rel 15) eMBB es la evolución de los servicios MBB donde, siguiendo la línea de proveer acceso inalámbrico a Internet. Busca brindar tasas de datos mayores: videojuegos, videos de inmersión virtual y realidad aumentada. En general, eMBB aportará: Conexión permanente, de banda ancha y que estará disponible en todas partes siempre y cuando se teng a cobertura de 5G. Alta movilidad, permitiendo disfrutar de todos los servicios inclusive en viajes de larga distancia y a gran v elocidad como lo es en tren bala o en avión. Gran capacidad, con lo cual se busca que cada usuario disfrute de una conexión de banda ancha (se plant ean los 100 Mbps de bajada) sin importar la cantidad de usuarios, el ambiente (dentro de un edificio, en u n estadio, etc) y con una baja latencia. USOS DE 5G Servicios URLLC Este tipo de servicios se basan en dos características fundamentales de transmisión: la confiabilidad y el retardo extremo a extremo (Rel. 16) ITU y 3GPP marcan como objetivos: Retardo de 1ms (aproximadamente 10 veces inferior a lo que ofrece LTE) Fiabilidad de cinco nueves o 99.999%. Este tipo de servicios incluye a las aplicaciones denominadas de Misión Crítica, en área s como la Industria, Telemedicina, Transporte Autónomo, donde existe la posibilidad de que ocurran grandes desastres si la comunicación falla o no llega la orden a tiempo. USOS DE 5G Servicios mMTC Busca dar soporte a la industria de la IoT al dotar de una gran capacidad de conexiones si multaneas (el requisito es de 1 millón de equipos por Km2) Rel.17. Este tipo de servicios se aprovecha de las características de transmisión, pues cada equipo IoT requiere enviar pequeños paquetes de información a intervalos irregulares, y como el data rate no es importante, se enfocan en incrementar la capacidad del enlace de subida al máximo a la vez que se trata de mantener la vida útil de las baterías de los equipos y su consumo energético. FRECUENCIAS 5G FRECUENCIAS 5G El estándar actual contempla 3 tipos de bandas nativas para 5G: 700 MHz, 3.5GHz y 26 GHz. FRECUENCIAS 5G El estándar actual contempla 3 tipos de bandas nativas para 5G: 700 MHz, 3.5GHz y 26 GHz. La banda 700 MHz es una frecuencia 5G baja que potencia la propagación de la señal: cobertura extensa y gran penetración en interiores. Esta banda proporciona más ventajas para zonas de gran extensión de cobertura, como carreteras o zonas rurales así como también para mejorar la cobertura en los interiores de zonas urbanas. La banda de 3,5GHz, es una banda que está orientada para necesidades de mayor ancho de banda con un buen compromiso entre alcance/cobertura y capacidad/velocidad. En las zonas urbanas ambas bandas se complementan: 3,5 GHz soporta los servicios que precisan de muy alta velocidad de transmisión, mientras 700 MHz permite un mayor alcance y mejor comportamiento ante a obstáculos. FRECUENCIAS 5G El espectro de frecuencias 5G se completa con las bandas milimétricas de 26 GHz, la tecnología de cobertura más reciente. Esta banda está destinada a ofrecer las mayores velocidades y capacidades (hasta 10Gbps de velocidad de pico y latencias ente 1 y 10 ms) lo que la hace ideal para reproducir vídeo de alta resolución en tiempo real. Como frecuencia alta, presenta un menor alcance y una peor respuesta ante obstáculos, por lo que se necesita visión directa de forma que es necesario desplegar muchas más celdas de cobertura (incremento de complejidad). Una celda de mm tiene un área de cobertura de 1 milla (1,6 km). El MIMO y la formación de haces (beamforming, proceso mediante el cual una antena direccional o un conjunto de antenas emite señales en una dirección específica, formando un "haz" de ondas de radio) palian la problemática de la visión directa permitiendo apuntar hacia los dispositivos mejorando alcance y estabilidad. FRECUENCIAS 5G El 5G NSA y SA El coste y la complejidad de despliegue de infraestructuras de red 5G ha llevado a que no siempre se pueda ofrecer los servicios sobre una red completa 5G. 5G-SA transporta todo el tráfico de señalización y los datos del usuario en canales 5G-NR. 5G-Non-Standalone (5G-NSA) utiliza un canal LTE existente para señalización 5G y un canal 5G-NR para datos de usuarios entre una celda 5G-NSA. Idealmente, los edificios con sistemas LTE interiores implementarán 5G-NSA agregando una red superpuesta 5G-NR que coincida con la cobertura LTE existente y uniendo estaciones base 5G-NR y LTE. 5G NSA y SA CAPAS DE PROTOCOLO 5G (MAPEADAS FRENTE A LA PILA OSI) ARQUITECTURA 5G La arquitectura 5G se compone de una estructura distribuida segmentada en capas que separa las funciones de plano de usuario y plano de control, ofreciendo una mayor flexibilidad y escalabilidad. Se basa en el enfoque SBA (Service-Based Architecture) que permite un despliegue eficiente y la integración de redes heterogéneas. Beneficios de la Segmentación de Capas en 5G Separación clara entre planos permite mayor escalabilidad y flexibilidad. Asegura una implementación eficiente de nuevos servicios y casos de uso. Facilita la integración de redes heterogéneas y la mejora de la seguridad. ARQUITECTURA 5G ARQUITECTURA 5G 1. Capa Física (Physical Layer) Responsable de la transmisión de datos en la interfaz de radio. Incluye tecnologías como OFDM (Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal) y MIMO (Multiple Input Multiple Output). Principales funciones: Modulación y codificación de la señal. Gestión de la interferencia y ruido. Técnicas de formación de haces (beamforming) para mejorar la eficiencia. Control de potencia de transmisión y recepción de señales. ARQUITECTURA 5G 2. Capa de Control (Control Layer) Gestiona la configuración y control de la red. Proporciona inteligencia de red para funciones como la autenticación, el control de acceso y la gestión de la movilidad. Componentes Clave: AMF (Access and Mobility Function): Control de acceso y movilidad de los dispositivos. SMF (Session Management Function): Gestión de sesiones y control de calidad. PCF (Policy Control Function): Define y gestiona políticas de red. NSSF (Network Slice Selection Function): Selección de cortes de red para diferentes servicios. ARQUITECTURA 5G 3. Capa de Aplicación (Application Layer) Proporciona servicios y aplicaciones a los usuarios finales. Permite la interacción con aplicaciones como realidad aumentada, transmisión de video 4K y aplicaciones de baja latencia. Principales funciones: Exposición de capacidades de red mediante la NEF (Network Exposure Function). Gestión de funciones de aplicación a través del AF (Application Function). Soporte para MEC (Multi-Access Edge Computing) para reducir la latencia. ARQUITECTURA 5G COMPONENTES FUNCIONALES DE LA ARQUITECTURA 5G 1. Red de Acceso 5G (5G Access Network) La red de acceso 5G conecta a los usuarios finales (como dispositivos móviles e IoT) con la red central de 5G mediante la interfaz de radio. Incluye componentes como la RAN (Radio Access Network) y gateways para redes no tradicionales como WLAN y cable. La red de acceso permite la integración de dispositivos IoT y proporciona la capacidad de manejar una amplia variedad de servicios, desde aplicaciones de alta velocidad hasta dispositivos de baja potencia. 2. Funciones del Plano de Usuario (User Plane Functions) El plano de usuario es responsable del manejo y transporte de los datos del usuario a través de la red. Su principal componente es la User Plane Function (UPF), que se encarga de enrutar y reenviar los paquetes entre la red de acceso y la red de datos. Las funciones del plano de usuario están diseñadas para garantizar baja latencia y alta capacidad de transmisión, gestionando el tráfico de datos de manera eficiente. COMPONENTES FUNCIONALES DE LA ARQUITECTURA 5G 3. Funciones del Plano de Control (Control Plane Functions) El plano de control gestiona las funciones relacionadas con la señalización, como la autenticación, la gestión de sesiones y la movilidad del dispositivo. Incluye componentes como el AMF (Access and Mobility Function) y el SMF (Session Management Function). Estas funciones permiten el control dinámico de la red, asegurando que las políticas de calidad de servicio (QoS) y la seguridad se apliquen correctamente para cada usuario y sesión. 4. Gestión de Subscriptores (Subscriber Management) La gestión de subscriptores incluye la administración de la información de los usuarios, como su perfil, políticas y datos de autenticación. Los componentes clave son el UDM (User Data Management) y el AUSF (Authentication Server Function). Estos elementos garantizan la seguridad y la personalización de la experiencia del usuario en la red, así como la correcta implementación de las políticas de control de acceso. COMPONENTES FUNCIONALES DE LA ARQUITECTURA 5G 5. Servicios de Localización e IMS (Location Services and IMS) La arquitectura 5G incluye funciones dedicadas a la localización, como el LMF (Location Management Function), que proporciona información de ubicación precisa para aplicaciones críticas como el seguimiento de flotas o servicios de emergencia. El IMS (IP Multimedia Subsystem) gestiona la entrega de servicios de comunicación avanzados como llamadas de voz y video, asegurando una experiencia multimedia fluida para los usuarios. 6. Políticas y Señalización (Policy and Signaling) La capa de políticas y señalización controla la implementación de reglas y políticas de red para optimizar el uso de los recursos. Componentes como el PCF (Policy Control Function) y el AF (Application Function) aseguran que las reglas de calidad de servicio se apliquen de manera coherente. La señalización también gestiona la exposición de funciones de red a terceros, facilitando la integración de aplicaciones y servicios externos. ARQUITECTURA 5G Red de acceso 5G - 4G/5G RAN: Red de Acceso por Radio. - IoT: Soporte para Internet de las Cosas. - Gateways no 3GPP: - N3IWF: Redes no confiables no 3GPP. - TNGF: Redes confiables no 3GPP. - W-AGF: Redes cableadas. - TWIF: Redes WLAN no compatibles con 5G. ARQUITECTURA 5G Plano de usuario (funciones) - UPF (User Plane Function): Responsable del enrutamiento y reenvío de paquetes. - Distribuido en diferentes centros de datos: - Edge - Regional - Central. ARQUITECTURA 5G Plano de Control (funciones) AMF (Access and Mobility Function): Controla el acceso y la movilidad de los dispositivos. SMF (Session Management Function): Gestión de sesiones y políticas de calidad. PCF (Policy Control Function): Control de políticas de red. UDM (User Data Management): Gestión de datos de usuario. AUSF (Authentication Server Function): Función de autenticación. ARQUITECTURA 5G Gestión de subscriptores UDR (User Data Repository): Repositorio de datos del usuario. UDSF (User Data Storage Function): Almacenamiento de datos de usuario. HSS (Home Subscriber Server): Subsistema para el registro de datos del suscriptor. ARQUITECTURAS 5G Servicios de Localización e IMS LMF (Location Management Function): Proporciona servicios de localización. GMLC (Gateway Mobile Location Center): Controlador de gestión de localización. CSCF (Call Session Control Function): Control de llamadas en el sistema IMS. SBC (Session Border Controller): Control de sesiones de borde en IMS. ARQUITECTURAS 5G Capa de políticas y señalización AF (Application Function): Interfaz de aplicaciones y servicios. CHF (Charging Function): Gestión de cargos y facturación. NEF (Network Exposure Function): Exposición de capacidades de red. SEPP (Security Edge Protection Proxy): Punto de seguridad para comunicaciones externas.  NETWORK SLICING Tecnología que permite crear múltiples redes virtuales independientes sobre una infraestructura física común. - Características: Cada red virtual (slice) tiene características específicas de ancho de banda, latencia y QoS. - Aplicaciones: Redes privadas para IoT, vehículos autónomos, y aplicaciones críticas. - Beneficios: Flexibilidad, optimización de recursos y soporte para diferentes servicios en la misma red. NETWORK SLICING En la Capa de Infraestructura de Red, SDN desacopla el plano de datos, que incluye routers, switches y servidores de uso común, del plano de control. Este plano se ha independizado del hardware subyacente y ahora forma parte de la capa de control de la red, donde se pueden ejecutar funciones de red virtualizadas (VNFs). Servicios como NAT, cifrado, firewalls y DNS ya no se llevan a cabo en dispositivos dedicados y propietarios, sino en esta capa, gracias a la virtualización. Finalmente, en la capa superior, se implementan los segmentos de red (slices), que se pueden considerar como redes aisladas ajustadas para casos de uso específicos. EDGE COMPUTING Paradigma de computación que lleva el procesamiento y el almacenamiento de datos cerca del lugar donde se generan. Características: Reduce la latencia al procesar datos en el borde de la red (Edge Nodes). Aplicaciones: Realidad aumentada, vehículos autónomos, y aplicaciones de baja latencia. Beneficios: Mejora el rendimiento, reduce el tráfico de red y permite respuestas en tiempo real. ARQUITECTURA PROGRAMABLE 5G REDES PRIVADAS 5G Las redes 5G privadas son infraestructuras de telecomunicaciones diseñadas específicamente para empresas, proporcionando conectividad segura, baja latencia y control total sobre la red. - Uso en entornos con aplicaciones críticas (industria, salud,…). - Beneficios: Mayor seguridad, optimización de recursos y soporte a aplicaciones específicas. Tipos - Redes Privadas Autónomas: La empresa posee y opera la infraestructura y el espectro. - Redes Híbridas: Combinan infraestructura privada con acceso a la red pública para un mejor control y cobertura. - Aplicaciones: Automóviles conectados, automatización industrial, y gestión de flotas. REDES PRIVADAS 5G Beneficios Seguridad: Mayor protección de datos y control sobre el acceso. Baja Latencia: Respuestas en tiempo real para aplicaciones críticas. Personalización: Configuración de la red para cumplir con requisitos específicos del negocio. Optimización de Recursos: Permite a las empresas gestionar su propia red con mayor eficiencia. MIMO Masivo (Massive MIMO) MIMO (Multiple Input, Multiple Output) es una tecnología que utiliza múltiples antenas en el transmisor y el receptor para mejorar la capacidad de transmisión y recepción. - Permite el uso de varios canales simultáneamente para enviar y recibir datos. - Incrementa la capacidad de la red y la cobertura. - Es fundamental para el rendimiento de 5G, especialmente en áreas densamente pobladas. La polarización se refiere a la orientación de las ondas electromagnéticas transmitidas. En 5G, se utilizan principalmente polarizaciones duales y polarización circular para mejorar la eficiencia espectral y la calidad de la señal.  MIMO Masivo (Massive MIMO) Polarización Dual (Vertical y Horizontal) Consiste en transmitir dos señales de radiofrecuencia utilizando dos orientaciones ortogonales: una vertical y otra horizontal. Esta técnica permite multiplexar más datos en el mismo canal, mejorando la eficiencia espectral. Minimizar la interferencia y maximizar la capacidad de transmisión. Polarización Cruzada (Cross-Polarization) En la polarización cruzada, las antenas transmiten señales con ángulos de polarización de ±45° en relación con el plano horizontal. Se utiliza en configuraciones MIMO masivo, donde cada antena transmite en diferentes orientaciones para mejorar la diversidad y la capacidad de la red. Permite que una única antena transmita y reciba señales en diferentes orientaciones sin necesidad de antenas adicionales. MIMO Masivo (Massive MIMO) Polarización Circular La polarización circular rota la orientación de la onda en espiral (en sentido horario o antihorario). Se utiliza en algunos escenarios de 5G donde es esencial mantener una conexión robusta, incluso con rotación de dispositivos o cambios en la orientación de las antenas. Ayuda a compensar las variaciones de polarización que pueden ocurrir durante la transmisión debido a reflejos o movimientos del dispositivo. MIMO Masivo (Massive MIMO) La recepción en MIMO se optimiza utilizando técnicas de diversidad espacial para reducir la interferencia y mejorar la calidad de la señal. Las señales recibidas desde diferentes antenas se combinan para minimizar errores y pérdidas. Se utilizan algoritmos avanzados para sincronizar los flujos de datos y mejorar la estabilidad. Esencial para garantizar una conexión de alta calidad en 5G. MIMO Masivo (Massive MIMO) Beamforming es una técnica de direccionamiento de señales que permite enfocar la energía hacia dispositivos específicos. En MIMO masivo, el beamforming utiliza decenas de antenas para dirigir la señal con precisión. Mejora la cobertura y reduce la interferencia en áreas con alta densidad de usuarios. Facilita la transmisión a larga distancia y la comunicación en condiciones difíciles.