¿Qué es la arquitectura de red 5G?

La primera pregunta que puede hacerse es: ¿Qué es exactamente el 5G? La segunda pregunta puede ser: ¿Cómo se diseña de forma diferente para ofrecer velocidad, baja latencia, capacidad y otras muchas ventajas?

En este artículo abordaremos la cuestión de la arquitectura 5G. Veremos algunas de las capacidades que posibilita la arquitectura de red 5G y cómo las aplicaciones conectadas pueden beneficiarse de ella. Puede encontrar más recursos en los enlaces que aparecen a lo largo de este artículo y en los recursos relacionados del pie de página. Para una buena introducción básica al 5G, consulte el artículo Qué es el 5G, parte 1. Nuestra visión general del 5G continúa en Parte 2, ¿Quién adoptará la tecnología 5G y cuándo?

Una cosa es cierta: Nuestro mundo conectado está cambiando. La 5G, con su arquitectura de red de nueva generación, tiene el potencial de soportar miles de nuevas aplicaciones tanto en el segmento de consumo como en el industrial. Las posibilidades de la 5G parecen casi ilimitadas cuando la velocidad y el rendimiento son exponencialmente superiores a los de las redes actuales.

Estas capacidades avanzadas permitirán aplicaciones en mercados verticales como la fabricación, la sanidad y el transporte, en los que la 5G desempeñará un papel importante en todo, desde la automatización avanzada de la fabricación hasta los vehículos totalmente autónomos. Para desarrollar casos de uso y aplicaciones empresariales rentables para el 5G, ayuda tener al menos una comprensión general de la arquitectura de la red 5G que se encuentra en el corazón de todas estas nuevas aplicaciones.

El 5G ha recibido una enorme cantidad de atención, y más que un poco bombo. Aunque el potencial es enorme, es importante saber que el sector está aún en sus primeras fases de adopción. El proceso de despliegue de la red 5G comenzó hace muchos años y supuso la construcción de la nueva infraestructura, financiada en su mayor parte por los principales operadores inalámbricos.

El despliegue completo del 5G llevará tiempo, y se desplegará en las grandes ciudades mucho antes de que pueda llegar a las zonas menos pobladas. Digi apoya a sus clientes en preparándose para el 5Gcon comunicaciones sobre planificación de la migración y productos de próxima generación. Aunque Digi no participa directamente en el desarrollo del núcleo de la nueva radio (NR) 5G y de la red de acceso radioeléctrico (RAN) 5G, los dispositivos Digi formarán parte integral de la visión 5G y su uso en una miríada de Aplicaciones 5G.

Arquitectura de la red 5G

Entonces, ¿qué es exactamente la 5G y en qué se diferencia la arquitectura tecnológica de la red 5G de las anteriores "G"?

Las normas 3GPP que sustentan la arquitectura de la red 5G fueron introducidas por el Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP), la organización que desarrolla normas internacionales para todas las comunicaciones móviles. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) y sus socios definen los requisitos y el calendario de los sistemas de comunicaciones móviles, definiendo una nueva generación aproximadamente cada década. El 3GPP desarrolla especificaciones para esos requisitos en una serie de publicaciones.
 
La "G" de 5G significa "generación". La arquitectura de la tecnología 5G presenta avances significativos más allá de la tecnología 4G LTE (evolución a largo plazo), que llega tras la 3G y la 2G. Como describimos en nuestro recurso relacionado, El viaje al 5GSiempre hay un periodo de tiempo en el que existen varias generaciones de redes a la vez. Al igual que sus predecesoras, la 5G debe coexistir con las redes anteriores por dos razones importantes:

1. El desarrollo y despliegue de nuevas tecnologías de red requiere una enorme cantidad de tiempo, inversión y colaboración de las principales entidades y operadores.
2. Los primeros en adoptar las nuevas tecnologías siempre querrán tenerlas en sus manos lo antes posible, mientras que los que han hecho grandes inversiones en grandes despliegues con las tecnologías de red existentes, como 2G, 3G y 4G LTE, quieren hacer uso de esas inversiones durante el mayor tiempo posible, y desde luego hasta que la nueva red sea totalmente viable. (Hay que tener en cuenta que las redes 2G y 3G están desapareciendo para dejar espacio al despliegue de la 5G. Véase nuestra entrada del blog Actualizaciones del cierre de las redes 2G, 3G y 4G).

La arquitectura de red de la tecnología móvil 5g mejora enormemente las arquitecturas anteriores. Las grandes redes densas en células permiten enormes saltos en el rendimiento. Además, la arquitectura de las redes 5G ofrece mayor seguridad que las actuales redes 4G LTE.

En resumen, la tecnología 5G ofrece tres ventajas principales:

• Mayor velocidad de transmisión de datos, hasta velocidades de varios gigabits/s.
• Mayor capacidad, alimentando una cantidad masiva de dispositivos IoT por kilómetro cuadrado.
• Menor latencia, de hasta un solo dígito de milisegundos, lo que es de vital importancia en aplicaciones como los vehículos conectados en aplicaciones ITS y los vehículos autónomos, donde es necesaria una respuesta casi instantánea.  

¿Significa esto que la 5G está totalmente lista hoy? ¿Y significa que la arquitectura 5G es adecuada para todas las aplicaciones? Siga leyendo para ver cómo la nueva tecnología es compatible con aplicaciones clave y qué aplicaciones son más adecuadas para 4G LTE.
 

Consideraciones sobre el diseño y la planificación de la 5G

Las consideraciones de diseño para una arquitectura de red 5G que soporte aplicaciones muy exigentes son complejas. Por ejemplo, no hay un enfoque único para todos los casos; la gama de aplicaciones requiere que los datos recorran distancias, grandes volúmenes de datos o alguna combinación. Por ello, la arquitectura 5G debe admitir espectro de banda baja, media y alta -de fuentes licenciadas, compartidas y privadas- para ofrecer toda la visión 5G.
 
Por esta razón, la 5G está diseñada para funcionar en frecuencias de radio que van desde menos de 1 GHz hasta frecuencias extremadamente altas, llamadas "ondas milimétricas" (o mmWave). Cuanto más baja es la frecuencia, más lejos puede viajar la señal. Cuanto más alta sea la frecuencia, más datos podrá transportar.

Hay tres bandas de frecuencia en el núcleo de las redes 5G:

• La banda alta 5G (mmWave) ofrece las frecuencias más altas de la 5G. Éstas van de 24 GHz a aproximadamente 100 GHz. Como las altas frecuencias no pueden atravesar fácilmente los obstáculos, la banda alta 5G es de corto alcance por naturaleza. Además, la cobertura de mmWave es limitada y requiere más infraestructura celular.
• La banda media 5G opera en el rango de 2 a 6 GHz y proporciona una capa de capacidad para las zonas urbanas y suburbanas. Esta banda de frecuencias tiene picos de velocidad de cientos de Mbps.
• La banda baja 5G opera por debajo de 2 GHz y proporciona una amplia cobertura. Esta banda utiliza el espectro que está disponible y en uso hoy en día para 4G LTE, proporcionando esencialmente una arquitectura LTE 5g para los dispositivos 5G que están listos ahora. El rendimiento de la banda baja 5G es, por lo tanto, similar al de 4G LTE, y admite el uso de dispositivos 5G en el mercado actual.

Además de la disponibilidad de espectro y los requisitos de las aplicaciones en cuanto a distancia frente a ancho de banda, los operadores deben tener en cuenta los requisitos de potencia de la 5G, ya que el diseño típico de una estación base 5G exige más del doble de potencia que una estación base 4G.
 

Consideraciones para la planificación y el despliegue de aplicaciones 5G

Los integradores de sistemas, y aquellos que desarrollan e implantan aplicaciones 5G para los sectores verticales que hemos analizado, descubrirán que es importante tener en cuenta las compensaciones. (Nuestro vídeo, 5 factores para guiar su preparación para el 5G, es un gran recurso).

Por ejemplo, aquí hay ejemplos de algunas de las consideraciones clave:

• ¿Dónde se desplegará su aplicación? Las aplicaciones optimizadas para las ondas milimétricas no funcionarán como se espera en el interior de los edificios y cuando se requiera un mayor alcance. Los casos de uso óptimos incluyen las telecomunicaciones celulares 5G en las bandas de 24 a 39 GHz, los radares policiales en la banda Ka (33,4 a 36,0 GHz), los escáneres en la seguridad de los aeropuertos, los radares de corto alcance en los vehículos militares y las armas automatizadas en los buques de guerra para detectar y derribar misiles.
• ¿Qué tipo de rendimiento se necesitará? Para los vehículos autónomos y las aplicaciones de sistemas de transporte inteligentes (ITS), los dispositivos y la conectividad deben estar optimizados para la velocidad. Las comunicaciones en tiempo casi real -medidas en millonésimas de segundo- son fundamentales para que los vehículos y los dispositivos "tomen decisiones" al girar, acelerar y frenar, y la menor latencia posible es fundamental para estas aplicaciones.
• Las aplicaciones de vídeo y RV, por el contrario, deben optimizarse para el rendimiento. Las aplicaciones de vídeo, como las de imágenes médicas, pueden aprovechar al máximo las enormes cantidades de datos que pueden soportar las redes 5G.

Para que la 5G pueda cumplir plenamente su visión, la infraestructura de red debe evolucionar también. El siguiente diagrama ilustra la migración en el tiempo, así como Planes de productos 5G de Digi. 



Los primeros usos de la tecnología 5G no serán exclusivamente 5G, sino que aparecerán en aplicaciones en las que la conectividad se comparte con la 4G LTE existente en lo que se denomina modo no autónomo (NSA). Cuando funcione en este modo, un dispositivo se conectará primero a la red 4G LTE, y si la 5G está disponible, el dispositivo podrá utilizarla para obtener ancho de banda adicional. Por ejemplo, un dispositivo que se conecte en modo 5G NSA podría obtener 200 Mbps de velocidad de enlace descendente a través de 4G LTE y otros 600 Mbps a través de 5G al mismo tiempo, para una velocidad agregada de 800 Mbps. 
 
A medida que la infraestructura de la red 5G vaya entrando en funcionamiento en los próximos años, evolucionará para permitir el modo autónomo (SA) sólo para 5G. Esto aportará la baja latencia y la capacidad de conectarse con un número masivo de dispositivos IoT , que son algunas de las principales ventajas de la 5G.

Red principal

En esta sección se ofrece una visión general de la arquitectura del núcleo 5G y se describen sus componentes. También mostraremos cómo se compara la arquitectura 5G con la actual arquitectura 4G.

La red central 5G, que permite la funcionalidad avanzada de las redes 5G, es uno de los tres componentes principales del sistema 5G, también conocido como 5GS (fuente). Los otros dos componentes son la red de acceso 5G (5G-AN) y los equipos de usuario (UE). El núcleo 5G utiliza una arquitectura basada en servicios (SBA) alineada con la nube para soportar la autenticación, la seguridad, la gestión de sesiones y la agregación del tráfico de los dispositivos conectados, todo lo cual requiere la compleja interconexión de las funciones de red, como se muestra en el diagrama del núcleo 5G.

Los componentes de la arquitectura del núcleo 5G incluyen:

• Función de plano de usuario (UPF)
• Red de datos (DN), por ejemplo, servicios del operador, acceso a Internet o servicios de terceros
• Función básica de gestión del acceso y la movilidad (AMF)
• Función de servidor de autenticación (AUSF)
• Función de gestión de la sesión (SMF)
• Función de selección de cortes de red (NSSF)
• Función de exposición en red (NEF)
• Función de repositorio de la NF (NRF)
• Función de control de políticas (PCF)
• Gestión unificada de datos (UDM)
• Función de aplicación (AF)

El siguiente diagrama de arquitectura de red 5G ilustra cómo se asocian estos componentes.
 

Diagrama de la arquitectura 4G

Cuando 4G evolucionó a partir de su predecesor 3G, sólo se hicieron pequeños cambios incrementales en la arquitectura de la red. El siguiente diagrama de arquitectura de red 4G muestra los componentes clave de una red central 4G:



Fuente: 3GPP

En la arquitectura de la red 4G, Equipo de usuario (UE) como los smartphones o los dispositivos móviles, se conecta a través de la red LTE Red de acceso radioeléctrico (E-UTRAN) a la Evolved Packet Core (EPC) y luego a las redes externas, como Internet. La página web NodoB evolucionado (eNodeB) separa el tráfico de datos de usuario (plano de usuario) del tráfico de datos de gestión de la red (plano de control) y alimenta ambos por separado en el EPC.

Diagrama de la arquitectura 5G

El 5G se diseñó desde cero y las funciones de la red se dividen por servicios. Por eso esta arquitectura también se llama núcleo 5G Arquitectura basada en servicios (SBA). El siguiente diagrama de topología de red 5G muestra los componentes clave de una red central 5G:

Fuente: Techplayon

Así es como funciona:

• Losequipos de usuario (UE), como los smartphones 5G o los dispositivos celulares 5G, se conectan a través de la nueva red de acceso radioeléctrico 5G al núcleo 5G y, además, a las redes de datos (DN), como Internet.
• La función de gestión del acceso y la movilidad (AMF) actúa como punto de entrada único para la conexión del equipo de usuario.
• Basándose en el servicio solicitado por el UE, la AMF selecciona la respectiva función de gestión de sesión (SMF) para gestionar la sesión de usuario.
• La función de plano de usuario (UPF) transporta el tráfico de datos IP (plano de usuario) entre el equipo de usuario (UE) y las redes externas.
• La función de servidor de autenticación (AUSF) permite a la AMF autenticar al UE y acceder a los servicios del núcleo 5G.
• Otras funciones como la función de gestión de sesiones (SMF), la función de control de políticas (PCF), la función de aplicación (AF) y la función de gestión unificada de datos (UDM) proporcionan el marco de control de políticas, aplicando las decisiones de política y accediendo a la información de suscripción, para gobernar el comportamiento de la red.

Como se puede ver, la arquitectura de la red 5G es más compleja entre bastidores, pero esta complejidad es necesaria para ofrecer un mejor servicio que pueda adaptarse a la amplia gama de casos de uso del 5G.

Diferencia entre la arquitectura de las redes 4G y 5G

En esta sección, hablaremos de las diferencias entre las arquitecturas 4G y 5G. En una arquitectura de red 4G LTE, la RAN LTE y el eNodeB suelen estar cerca, a menudo en la base o cerca de la torre de telefonía que se ejecuta en hardware especializado. En cambio, el EPC monolítico suele estar centralizado y más alejado del eNodeB. Esta arquitectura hace que la comunicación de alta velocidad y baja latencia de extremo a extremo sea un reto o un imposible.
 
Cuando los organismos de normalización como el 3GPP y los proveedores de infraestructuras como Nokia y Ericsson diseñaron el núcleo de la nueva radio 5G (5G-NR), separaron el EPC monolítico e implementaron cada función de manera que pudiera ejecutarse independientemente de las demás en un hardware de servidor común y disponible. Esto permite que el núcleo 5G se convierta en nodos 5G descentralizados y muy flexibles. Por ejemplo, las funciones del núcleo 5G pueden ahora ubicarse junto con las aplicaciones en un centro de datos de borde, acortando las vías de comunicación y mejorando así la velocidad y la latencia de extremo a extremo.

Fuente: Techmania

Otra de las ventajas de estos componentes de núcleo 5G más pequeños y especializados que se ejecutan en un hardware común es que ahora las redes pueden personalizarse mediante la fragmentación de la red. La fragmentación de la red permite disponer de múltiples "trozos" lógicos de funcionalidad optimizados para casos de uso específicos, todos ellos operando en un único núcleo físico dentro de la infraestructura de la red 5G.
 
Un operador de red 5G puede ofrecer una porción optimizada para aplicaciones de gran ancho de banda, otra porción más optimizada para baja latencia y una tercera optimizada para un número masivo de dispositivos IoT . Dependiendo de esta optimización, algunas de las funciones básicas de la 5G pueden no estar disponibles en absoluto. Por ejemplo, si sólo se da servicio a los dispositivos de IoT , no se necesitaría la función de voz que es necesaria para los teléfonos móviles. Y como no todos los segmentos deben tener exactamente las mismas capacidades, la potencia de cálculo disponible se utiliza de forma más eficiente.


Fuente: Central SDX
 

La evolución del 5G

Cada generación o "G" de comunicación inalámbrica tarda aproximadamente una década en madurar. El paso de una generación a la siguiente se debe principalmente a la necesidad de los operadores de reutilizar o reutilizar la cantidad limitada de espectro disponible. Cada nueva generación tiene más eficiencia espectral, lo que permite transmitir datos más rápidamente y con mayor eficacia a través de la red.


La primera generación de comunicaciones inalámbricas, o 1G, comenzó en los años 80 con tecnología analógica. Le siguió rápidamente la 2G, la primera generación de redes que utilizó tecnología digital. El crecimiento de la 1G y la 2G fue impulsado inicialmente por el mercado de los teléfonos móviles. La 2G también ofrecía comunicación de datos, pero a velocidades muy bajas.

La siguiente generación, la 3G, empezó a crecer a principios de la década de 2000. El crecimiento de la 3G fue impulsado de nuevo por los teléfonos móviles, pero fue la primera tecnología en ofrecer velocidades de datos en el rango de 1 Megabit por segundo (Mbps), adecuadas para una variedad de nuevas aplicaciones tanto en los teléfonos inteligentes como para el emergente ecosistema del Internet de las Cosas (IoT). Nuestra actual generación de tecnología inalámbrica, 4G LTE, comenzó a despuntar en 2010.

Es importante señalar que 4G LTE (Long Term Evolution) tiene una larga vida es una tecnología muy exitosa y madura y se espera que se utilice ampliamente durante al menos otra década.
 

Arquitectura 5G y la nube y el borde

Hablemos de la computación de borde dentro de la arquitectura de la red 5G.

Un concepto más que distingue la arquitectura de la red 5G de su predecesora 4G es el de computación de borde o computación de borde móvil. En este escenario, se pueden tener pequeños centros de datos situados en el borde de la red, cerca de donde están las torres de telefonía. Esto es muy importante para una latencia muy baja y para aplicaciones de gran ancho de banda que transportan el mismo contenido.

Para un ejemplo de gran ancho de banda, piense en los servicios de streaming de vídeo. El contenido se origina en un servidor que está en algún lugar de la nube. Si la gente está conectada a una torre de telefonía móvil y, digamos, 100 personas están transmitiendo un programa de televisión popular, es más eficiente tener ese contenido tan cerca del consumidor como sea posible, allí mismo en el borde, idealmente en la torre de telefonía.

El usuario transmite este contenido desde un medio de almacenamiento que se encuentra en el borde, en lugar de tener que transmitir y transferir esta información y transportarla para 100 personas desde la ubicación central en la nube. En su lugar, utilizando la estructura 5G, se puede llevar el contenido a la torre una sola vez y luego distribuirlo a sus 100 suscriptores.
 
El mismo principio se aplica en las aplicaciones que requieren una comunicación bidireccional en la que se necesita una baja latencia. Si un usuario tiene una aplicación que se ejecuta en el borde, el tiempo de respuesta es mucho más rápido porque los datos no tienen que atravesar la red.

En la estructura de la red 5G, estas redes de borde también pueden utilizarse para los servicios que se prestan en el borde. Como es posible virtualizar estas funciones centrales de la 5G, se pueden ejecutar en un servidor estándar o en el hardware de un centro de datos y tener fibra que llegue a la radio que envía la señal. Así que la radio está especializada, pero todo lo demás es bastante estándar.
 
Hoy en día, 4G LTE sigue creciendo. Ofrece una velocidad excelente y un ancho de banda suficiente para soportar la mayoría de las aplicaciones de IoT en la actualidad. Las redes 4G LTE y 5G coexistirán durante la próxima década, a medida que las aplicaciones comiencen a migrar y, posteriormente, las redes y aplicaciones 5G acaben sustituyendo a 4G LTE.

Dispositivos que utilizan la 5G

La 5G evolucionará con el tiempo, y los dispositivos 5G seguirán su ejemplo. Los primeros productos estarán "preparados para 5G", lo que significa que tienen la potencia de procesamiento y los puertos Gig abit Ethernet necesarios para soportar los módems 5G de mayor ancho de banda y los extensores 5G que se vislumbran en el horizonte.

Los productos 5G posteriores tendrán módems 5G directamente integrados y contarán con un procesador multinúcleo más rápido, interfaces 2,5 o incluso 10 Gigabit Ethernet y radios Wi-Fi 6/6E. Estos cambios en los productos encarecerán el coste de los productos 5G, pero son necesarios para gestionar la velocidad adicional y la menor latencia que ofrecerán las redes 5G.
 

Explore las soluciones 5G de Digi para saber más

El futuro de la 5G es brillante y Digi se complace en lanzar al mercado una creciente variedad de nuevos productos 5G en los próximos años. Con su mayor velocidad, mayor capacidad y menor latencia, la 5G aportará funciones adicionales y nuevos e interesantes casos de uso que la 4G no puede ofrecer. Los sectores comercial y gubernamental IoT se beneficiarán enormemente de la nueva arquitectura 5G, su flexibilidad y sus diferentes componentes. Así que fíjese en la próxima generación y en las futuras oportunidades de negocio. Y piense en cómo podría tener que evolucionar sus sistemas.

¿Planificando el 5G? Hay mucho que aprender. Visite el Centro de recursos Digi 5G para seguir aprendiendo. Y no dude en ponerse en contacto con nosotros cuando esté preparado para hablar sobre cómo puede encajar la 5G en sus planes de negocio futuros y cómo puede maximizar el rendimiento de sus sistemas 4G LTE existentes para lograr una transición fluida, sin problemas y rentable a medida que evolucionan los ecosistemas 5G.
 

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