Comunicación inalámbrica saturada: La necesidad de una nueva arquitectura de comunicaciones para un mundo hiperconectado

La ubicuidad y la flexibilidad del acceso inalámbrico a Internet han jugado un papel muy significativo en el enorme crecimiento de dispositivos móviles, tales como los teléfonos inteligentes, los PCs tipo tableta y los ordenadores portátiles, durante los últimos años. Su estrecha integración en la vida cotidiana está teniendo un impacto sustancial en la sociedad. En consecuencia, una fracción cada vez mayor del tráfico de Internet es transmitido de forma inalámbrica. Cómo hacer frente a este crecimiento es uno de los retos más importantes para las futuras redes inalámbricas.

En contraste con las redes cableadas, donde la capacidad de red se puede aumentar simplemente por medio de la instalación de líneas de fibra óptica adicionales, aumentar el rendimiento de los sistemas inalámbricos es mucho más difícil. Los enlaces inalámbricos operan ya cerca de su límite físico teórico y ganancias adicionales en eficiencia son poco probables. Como consecuencia, la opción más prometedora para aumentar sustancialmente la capacidad es aumentar el ancho de banda de comunicación, ya que la velocidad de datos que se puede lograr es directamente proporcional al ancho de banda. Mientras que algunos esfuerzos se dirigen a la reasignación del espectro de radio de más baja frecuencia, que es actualmente utilizado para fines distintos a la comunicación de datos, un ancho de banda suficiente para soportar el crecimiento exponencial en el tráfico móvil de datos está disponible únicamente en la zona de muy alta frecuencia del espectro inalámbrico. Al mismo tiempo, es de extremada importancia lograr una reutilización espacial eficiente y de hecho se estima que ésta ha aumentado la capacidad inalámbrica por un factor de 1600 en los últimos 50 años. En el pasado esto se ha logrado principalmente mediante la reducción del tamaño de las celdas de las redes móviles, es decir, el área a la que da servicio una única estación base móvil. Las redes móviles también utilizan cada vez más estaciones base de diferentes tamaños de celda, (lo que se denomina “solapamiento”) macro-, micro- y femto-celdas, para mejorar la eficiencia de la red y la reutilización espacial.

El impulso hacia frecuencias más altas es evidente, por ejemplo, en la evolución del estándar IEEE 802.11 (sobre el que se basan los productos inalámbricos que usan Wi-Fi). Hasta ahora, estándares ampliamente utilizados como el IEEE 802.11 (a saber, IEEE 802.11b/g/n) utilizan las bandas sin licencia, de 2,4 GHz y de 5GHz. La futura norma IEEE 802.11ac, sin embargo, sólo funciona en la banda de 5 GHz, ya que el ancho de banda disponible en 2,4 GHz es insuficiente para alcanzar las velocidades de datos previstas. Si bien estas dos bandas de frecuencia tienen propiedades de propagación de radio deseables, simplemente no proporcionan suficiente ancho de banda para satisfacer futuras demandas de capacidad, incluso si se tiene en cuenta que, en un futuro próximo, los reguladores pueden poner espectro libre a disposición del Wi-Fi. El estándar IEEE 802.11ad más reciente da un importante paso hacia adelante y se centra en el espectro sin licencia de 57 a 64GHz, conocido como la banda de 60GHz. Con 7 GHz proporciona un ancho de banda 80 veces superior en comparación con las bandas de frecuencia más bajas utilizadas para 802.11 y promete velocidades de datos de cerca de 7GBit/s. Los avances recientes en el diseño de CMOS*(una tecnología ampliamente utilizada para la construcción de circuitos integrados), permiten la construcción de hardware de radio de 60 GHz de bajo costo y, por lo tanto, existe un interés comercial significativo en llevar dispositivos de 60GHz al mercado en los próximos años.

A pesar de poseer propiedades ventajosas, esta parte del espectro sufre de alta atenuación y de absorción de señal, lo que restringe la comunicación primordialmente a conexiones relativamente cortas en línea de mira. (La “línea de visión” o “de mira”, habitualmente conocida por sus siglas en inglés como LOS – line-of-sight, es la característica de propagación de la radio de alta frecuencia según la cual, en general, cualquier obstrucción entre la antena transmisora ​​y la antena receptora bloqueará la señal). Como consecuencia, casos de uso de IEEE 802.11ad por lo común implican el uso de antenas direccionales de alta ganancia para compensar esta pérdida. Dichas antenas direccionales funcionan particularmente bien en escenarios estáticos punto a punto tales como la sustitución del cable, proporcionando video streaming de alta definición entre un reproductor de Blu-Ray y una pantalla de televisión o transfiriendo archivos a alta velocidad para la sincronización de datos con un dispositivo móvil. Recurrir a otras tecnologías (por ejemplo en caso de que una trayectoria de línea de visión deje de estar disponible) se considera de manera explícita a través de la funcionalidad de transferencia rápida de sesión. Ésta permite la transferencia de sesión íntegra desde el IEEE 802.11ad al legado IEEE 802.11, que opera a frecuencias más bajas. También  soporta implementaciones donde IEEE 802.11ad proporciona pequeñas islas de comunicación de alta velocidad mientras que la cobertura general se realiza a través de tecnologías de baja frecuencia.

Para hacer frente al aumento exponencial de datos inalámbricos en el futuro son necesarios anchos de banda muy superiores (con frecuencias portadoras también de mayor calado) así como una eficiente reutilización del espacio, lo que requiere un replanteamiento radical de las redes inalámbricas. Nuevas reducciones en el tamaño de celda y medidas similares que se utilizaron para mejorar la capacidad en el pasado son, con mucho, insuficientes para proporcionar las ganancias necesarias. En analogía a la evolución del cableado Ethernet desde un medio compartido a una red totalmente conmutada, creemos que la red inalámbrica tiene que evolucionar desde la utilización del canal inalámbrico como un medio compartido hacia uno que brinde canales altamente optimizados a los dispositivos inalámbricos.

El elemento clave para la escalabilidad de las futuras redes inalámbricas es, por tanto, proporcionar un gran número de canales individuales altamente direccionales para la comunicación entre puntos de acceso (APs, por sus siglas en inglés) y dispositivos finales. Esto tiene dos ventajas principales. En primer lugar, las antenas altamente direccionales proporcionan las ganancias de antena necesarias para una comunicación de alta velocidad eficiente en los dominios de frecuencia muy alta que experimentan un alto grado de atenuación. A tales frecuencias, la comunicación requiere principalmente canales que son de línea de visión. En segundo lugar, debido a la direccionalidad, un sistema de este tipo impone muy baja o ninguna interferencia para otros dispositivos finales y, por consiguiente, permite una reutilización espacial que es varios órdenes de magnitud mayor que la de la tecnología actual. Todas estas consideraciones se aplican aún más a los futuros sistemas de comunicaciones en terahercios, que operarán a frecuencias aún más altas, por encima de los 300 GHz.

El principal desafío para este tipo de enfoque es el dinamismo del contexto de radio. En combinación con los dispositivos finales móviles y el movimiento humano, incluso un ámbito interior es extremadamente dinámico y los canales pueden aparecer y desaparecer durante intervalos de tiempo muy cortos. Al mismo tiempo, puesto que tales canales experimentan muy poca interferencia, los recursos (tiempo, frecuencia, procesamiento de señales, etc) que de otro modo se utilizan para manejar la interferencia, pueden ahora ser usados para incrementar aún más la tasa de datos alcanzable entre el emisor y el receptor. Para proporcionar suficientes canales de línea de mira, los puntos de acceso pueden tener que ser desplegados de forma ubicua y pueden superar con creces el número de dispositivos móviles.

El enfoque de la investigación de IMDEA Networks en esta área es el diseño de una arquitectura de red inalámbrica que mantenga un número de canales direccionales de línea de visión entre varios puntos de acceso  y dispositivos finales, como se muestra en la Figura 1. Los datos se transmiten simultáneamente a través de todos estos canales. Un dispositivo final utiliza múltiples antenas para recibir y decodificar varios de dichos flujos de datos y, cuanto mayor sea el número de flujos recibidos, mayor es la tasa de datos que se logra en el receptor. La principal complejidad del diseño reside en la selección de puntos de acceso, así como en las configuración del haz de sus antenas, dado el gran número de dispositivos finales que las futuras redes inalámbricas tendrán que soportar. Como respaldo, cuando no se pueden establecer canales direccionales y para la transmisión oportuna de información de control, el sistema también emplea una red de área local inalámbrica convencional que no requiere de canales de línea de visión ni el uso de antenas direccionales.

Espectro para las masas: redes en la banda de ondas milimétricas

En comparación con los sistemas inalámbricos con tecnología de última generación, esperamos que este tipo de arquitectura:

• Sea escalable a anchos de banda muy elevados y permita niveles sin precedentes de reutilización espacial, al tiempo que mantenga niveles muy bajos de interferencia.
• Se pueda ampliar a un número mucho mayor de puntos de acceso que las implementaciones actuales, por medio de la centralización de la inteligencia y el procesamiento en el controlador de red inalámbrica y en el módulo codificador/decodificador, manteniendo así bajos el costo y la complejidad del punto de acceso.
• Pueda operar a un nivel de consumo de energía similar o menor en comparación con los sistemas actuales gracias a mecanismos de suspensión (sleep mode), a pesar del gran aumento en el número de puntos de acceso.

Creemos que este proyecto tendrá un impacto científico sustancial al ser una vía prometedora para el avance en el diseño de redes inalámbricas de una generación posterior a la próxima. Afronta los grandes retos en la comunicación inalámbrica: el ancho de banda, las interferencias, la reutilización espacial, y la complejidad de procesamiento, para ofrecer un diseño de redes inalámbricas más escalable, de alta eficiencia energética y rentabilidad. Esta investigación se lleva a cabo como parte del proyecto SEARCHLIGHT, una beca ERC Consolidator de 1,7 millones de euros concedida por el Consejo Europeo de Investigación (ERC). Las ERC Grants son las becas individuales mejor dotadas para investigadores en Europa y un importante indicador de la excelencia en la investigación científica. Este proyecto tiene una duración de 5 años, a partir de abril 2014 y hasta marzo de 2019.

*Complementary metal–oxide–semiconductor, en inglés (semiconductor complementario de óxido metálico).