Por qué una arquitectura centralizada y distribuida es la única solución RAN viable a largo plazo
¿Dónde estamos ahora?
Las primeras implementaciones de 5G se denominan “5G no autónomo (NSA)” y se basan en la conectividad dual. En este caso, el dispositivo se conecta primero a una estación base LTE “principal” 4G y, luego, bajo la dirección de esta, establece la conectividad 5G.
Estos primeros despliegues de 5G utilizan espectro en el rango de frecuencia 1 de 5G. En Europa, es probable que se trate de la banda de 3,4 a 3,8 GHz (aunque no exclusivamente). En términos de cobertura, las células 5G que pueden funcionar en estas frecuencias dentro de las ciudades permiten que las estaciones base 5G “secundarias” se ubiquen junto con la “principal” 4G. Estas estaciones base están invariablemente bien ubicadas en lugares seguros y equipadas con una buena conectividad de retorno, principalmente en forma de enlaces de fibra. En efecto, se está utilizando 5G para añadir capacidad al sitio 4G existente, al tiempo que se aporta una eficiencia adicional en términos de técnicas de antena más avanzadas.
¿Qué pasa después?
A medida que se libere más espectro 5G, los operadores comenzarán a obtener acceso a frecuencias de ondas milimétricas. Estas son mucho más altas (se prevé que sean de 24,25 GHz a 27,5 GHz en Europa) que las frecuencias celulares tradicionales. Las características del canal de radio de ondas milimétricas son muy diferentes, con una atenuación (pérdida de señal) mucho mayor con la distancia y menores efectos de difracción, lo que significa que las "áreas de sombra de señal" detrás de los edificios no se rellenan tan bien como en las frecuencias más bajas. Todo esto significa que la cobertura de las células de ondas milimétricas 5G está limitada prácticamente a unos 200 m, y en gran medida a una cobertura de línea de visión.
Sin embargo, en estas frecuencias más altas, hay mucho espectro adicional disponible (y, por lo tanto, capacidad). Además, la alta atenuación con la distancia significa que las células se pueden implementar de forma aislada (individuales o en grupos pequeños), lo que reduce en gran medida la interferencia general de la red. Por lo tanto, el espectro, que es mucho mayor, también se puede reutilizar a distancias mínimas mucho más reducidas en comparación con el espectro celular tradicional. Por último, los tamaños de antena más pequeños significan que se utilizarán conjuntos de antenas, en lugar de antenas individuales. Esto abre un mundo completamente nuevo de técnicas de antena altamente eficientes, incluida la formación de haces avanzada. Por lo tanto, en general, el pensamiento actual de la industria es que la tecnología 5G de células pequeñas (ondas milimétricas) vale mucho la pena.
¿Cómo maximizamos la inversión?
Hay una serie de consideraciones que determinarán la forma en que se implementará la tecnología 5G una vez que esté disponible el espectro de ondas milimétricas. Todas ellas tienen un impacto en el retorno de la inversión y, en general, nos indican una arquitectura de RAN 5G centralizada y distribuida:
Maestría-secundaria
Las celdas de ondas milimétricas más pequeñas deben funcionar en una disposición maestro-secundaria con la celda LTE más grande, o con celdas 5G de menor frecuencia en el modo de implementación 5G "autónomo". Esto funcionará para combinar una buena cobertura y conectividad confiable proporcionada por la celda maestra, y capacidad adicional disponible a través de las celdas secundarias pequeñas de ondas milimétricas. Se pueden ubicar adecuadamente varias celdas secundarias para que funcionen con una celda maestra para proporcionar conectividad dual para diferentes dispositivos en el área de cobertura general de la celda maestra. La conectividad de los dispositivos se cambiará entre la celda maestra y la secundaria (y viceversa) a medida que varíe la intensidad de la señal de radio. Estadísticamente, si suficientes dispositivos están usando las celdas secundarias, habrá suficiente capacidad general, incluso si algunos dispositivos están usando temporalmente la capacidad de la celda maestra.
Transporte de retorno
Los sitios LTE existentes están generalmente bien equipados en términos de conectividad de backhaul, generalmente en forma de fibra. Si un sitio secundario puede realizar backhaul por sí mismo al maestro, los datos pueden agregarse a través de la conexión de fibra existente hacia la red central. Con tanto espectro disponible en las frecuencias de ondas milimétricas, debería ser relativamente sencillo utilizar parte de él para formar un enlace de microondas (o para formar un haz) desde el sitio secundario al maestro para proporcionar la conexión de backhaul por sí mismo. Por supuesto, se requeriría una línea de sitio, pero en general esta es una opción mucho más económica que cablear hacia todos y cada uno de los sitios secundarios.
Frente de transporte
El enlace desde la propia estación base hasta la(s) antena(s) puede adoptar muchas formas. Sin embargo, la conexión final se realiza tradicionalmente en forma de representaciones digitales de la onda analógica real que se va a aplicar a cada antena. Con 5G, el aumento masivo del número de antenas significa que la cantidad de información digital simplemente no es factible de trasladar a cualquier distancia (ni siquiera por fibra). La solución obvia es que la etapa final de procesamiento (la capa más baja en la pila de protocolos) probablemente se encuentre en la propia unidad de antena.
Esto significa básicamente que, en el caso de las estaciones base de ondas milimétricas (células pequeñas), la funcionalidad de la estación base inevitablemente estará separada. La forma que adopte la separación de funciones y dónde se ubicará el resto de la funcionalidad es un tema abierto a discusión. ¿Debería ser en el sitio de la célula pequeña (que actúa como una unidad distribuida, DU), en el sitio maestro (que ahora actúa como una unidad centralizada, CU) o una combinación, con capas superiores en el sitio maestro centralizado y capas inferiores en el sitio distribuido (con la subcapa más baja en la unidad de antena)?
Facilidad de implementación
Si optamos por implementar la mayor parte de la funcionalidad en un sitio centralizado (posiblemente el sitio de la estación base maestra o un sitio RAN centralizado), significa que se pueden implementar celdas pequeñas adicionales de manera rentable como pequeñas unidades de hardware. La capacidad debería ser suficiente, pero cualquier implementación de celdas adicionales requeriría actualizaciones mínimas de la UC. La implementación podría simplificarse aún más si se utilizan técnicas robustas de autooptimización o autoorganización como parte del proceso de implementación de celdas pequeñas.
Seguridad
La seguridad es una preocupación cada vez mayor para cualquier operador, y la tecnología 5G ha logrado mejoras significativas en esta área en comparación con la tecnología 4G. Sin embargo, el cifrado y la protección de la integridad de la interfaz de radio 5G (los dos mecanismos de seguridad principales de la interfaz de radio) funcionan entre el dispositivo y la estación base. La funcionalidad de seguridad real es parte de uno de los protocolos ubicados más arriba en la pila de protocolos. Por lo tanto, tiene sentido ubicar esa parte de la funcionalidad de la estación base en una ubicación más segura, en este caso, una unidad centralizada, en lugar de la unidad distribuida.
Existen otros mecanismos de seguridad para proteger la conexión de la Unidad Centralizada/Unidad Distribuida, pero, sin embargo, la mejor manera de garantizar la seguridad en términos de confiabilidad es ubicar la función de cifrado en una ubicación más segura.
MAEC
Para reducir la latencia en el respaldo de una amplia gama de nuevos casos de uso y servicios, la ubicación de los recursos informáticos en el borde de la red es un requisito fundamental. Esto podría ser en un sitio RAN adecuado o en la misma estación base para brindar un respaldo de servicios con una latencia especialmente baja. Esto potencialmente genera todo tipo de preocupaciones, siendo dos de las principales la seguridad y la ubicación física del hardware de procesamiento real.
El equilibrio consiste en obtener acceso a un soporte de baja latencia y, al mismo tiempo, reducir el riesgo y mantener la facilidad de implementación. Una vez más, una arquitectura centralizada y distribuida parece ser una solución probable, donde los recursos informáticos se encuentran en una unidad de control relativamente segura y bien equipada.
Operación sin células
Por último, y un poco más adelante en el tiempo, la tecnología 5G podría traer consigo una forma completamente nueva de pensar en la cobertura de radio, que podría mejorar significativamente la eficiencia y la fiabilidad de la conexión. Basada en una cobertura sin células y con un uso extensivo de haces, requiere un posicionamiento específico de la unidad de radio para funcionar de forma óptima; idealmente, un posicionamiento muy regular en patrones específicos. Las unidades pequeñas serían mucho más fáciles de posicionar que las unidades más grandes. Esto apunta de nuevo hacia una arquitectura distribuida, donde la DU se mantiene pequeña y ligera.
RESUMEN
Todo apunta a una arquitectura RAN 5G centralizada y distribuida
Aunque estas consideraciones (arriba) no son nuevas, los documentos de especificación 5G del 3GPP incluyen interfaces recientemente estandarizadas que permiten que el gNodeB (el nombre técnico de la estación base 5G) se implemente de manera muy flexible. Podría ser como una estación base completamente integrada o separada en las diferentes funciones que se analizan en este blog. A primera vista, parece que solo tenemos opciones. En realidad, la forma en que se implemente 5G (el espectro que usemos, los casos de uso que admitamos, las preocupaciones en torno a la seguridad y la facilidad de implementación, entre otras preocupaciones) dictará la arquitectura real. Por las razones expuestas en este blog, parece apuntar firmemente hacia una arquitectura centralizada y distribuida para la estación base y la RAN a mediano y largo plazo.