Actualmente las redes de comunicación inalámbricas de quinta generación (5G) se están desplegando en todo el mundo, normalizando capacidades como la conectividad masiva, la ultra-fiabilidad, y la baja latencia. Sin embargo, el 5G no cumplirá con los futuros requisitos que necesitaremos para el 2030. Las redes de comunicación de ta generación (6G) van a introducir nuevas métricas de rendimiento, ampliando los casos de uso y proporcionando una cobertura mundial con una mayor eficiencia espectral, energética y de costes, así como un mayor nivel de inteligencia y seguridad. Una larga reseña publicada en Science China que lleva como título “Hacia las redes de comunicación inalámbrica 6G: visión, tecnologías habilitadoras y nuevos cambios de paradigma”, hace un estudio exhaustivo de los avances recientes y las tendencias futuras de las redes 6G.
En el mismo, los profesores Xiaohu YOU y el Prof. Chengxiang WANG de la Universidad del Sudeste de China, junto con otros 48 expertos, establecen como las redes 6G se basarán en nuevas tecnologías habilitadoras y tendrán cuatro nuevos cambios de paradigma. En primer lugar, para satisfacer el requisito de cobertura mundial, la 6G no se limitará a las redes de comunicaciones terrestres, que deberán complementarse con redes no terrestres, como las redes de comunicaciones por satélite y por vehículos aéreos no tripulados, con lo que se logrará una red de comunicaciones integrada espacio-aire-tierra-mar. En segundo lugar, se explorarán a fondo todos los espectros para aumentar aún más las velocidades de datos y la densidad de conexión, incluidas las bandas de frecuencias sub-6 GHz, de ondas milimétricas (mmOnda), terahercios (THz) y ópticas. En tercer lugar, frente a los grandes conjuntos de datos generados por el uso de redes extremadamente heterogéneas, diversos escenarios de comunicación, gran número de antenas, amplios anchos de banda y nuevos requisitos de servicio, las redes de 6G permitirán una nueva gama de aplicaciones inteligentes con la ayuda de la inteligencia artificial (IA) y las grandes tecnologías de datos. Finalmente, en cuarto lugar, la seguridad de la red tendrá que reforzarse al desarrollar las redes 6G.
A continuación hacemos un recorrido por algunos de los aspectos que se desarrollan en el artículo.
Las futuras redes 6G de comunicación inalámbrica
Las redes de comunicación inalámbrica de quinta generación (5G) se están normalizando y desplegando en todo el mundo a partir de 2020. Las principales capacidades de estas redes 5G incluyen una velocidad de datos máxima de 20 Gbps, una velocidad de datos de 0,1 Gbps experimentada por el usuario, una latencia de extremo a extremo de 1 ms, que permite una movilidad de 500 km/h, una densidad de conexión de 1 millón de dispositivos/km2, una capacidad de tráfico de área de 10 Mbps/m2 , una eficiencia del espectro 3 veces mayor y una eficiencia energética 100 veces mayor en comparación con los sistemas de comunicación inalámbrica de cuarta generación (4G).
Sin embargo, el 5G no cumplirá todos los requisitos del futuro en 2030. Los investigadores ahora comienzan a centrarse en las redes de comunicación inalámbrica de ta generación (6G). El 6G tendrá requisitos adicionales de alta precisión de sincronización de tiempo y fase más allá de lo que puede ofrecer el 5G. Además, el 6G tendrá que proporcionar una cobertura geográfica cercana al 100%, una precisión de geolocalización de subcentros y una tasa de actualización de geolocalización de milisegundos para satisfacer los casos de uso. En comparación con la red 5G, se espera que las redes de comunicación inalámbrica 6G proporcionen una eficiencia espectral/energética/coste mucho mayor, una mayor velocidad de datos (Tbps), una latencia 10 veces menor, una densidad de conexión 100 veces mayor, más inteligencia para una automatización completa, una precisión de geolocalización de subcentros, una cobertura cercana al 100% y una sincronización temporal de submilisegundos.
Ejemplos de verticales de la industria
En el artículo se muestran algunos ejemplos de verticales de la industria donde las redes 6G se desplegaran: las aplicaciones de realidad virtual en la nube, la automatización de la industria del IoT, las comunicaciones en vehículos autónomos (V2x), o los digital twins son algunas de ellas.
Industria 4.0
La industria 4.0 hace referencia a la cuarta etapa de la revolución industrial. En comparación con la tercera etapa, la cual utiliza la electrónica y las tecnologías de la información para lograr la automatización de la fabricación, la industria 4.0 tiene como objetivo llevar la producción industrial con una flexibilidad, versatilidad, facilidad de uso y eficiencia significativamente mejorada basada en el sistema ciberfísico. La futura fabricación inteligente de la industria 4.0 seguirá introduciendo el enfoque de las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC), por ejemplo, con la integración del IoT, y explorará la ventaja de los servicios de conectividad ubicua en el ámbito de la fabricación industrial. Debido a la gran importancia que se le da a la comunicación entre máquinas y a una comunicación de ultra baja latencia y alta fiabilidad, las soluciones 5G encajan como un guante dentro de la Industria 4.0.
Sin embargo, debido a las peculiaridades de esa industria vertical, también hay que tener en cuenta muchos desafíos, por ejemplo, la diversidad de casos de uso con requisitos realmente exigentes en cuanto a términos de rendimiento de la red, el difícil entorno de propagación con posibles interferencias elevadas, así como las preocupaciones específicas de seguridad y los obstáculos de las terminologías entre industrias. A fin de abordar las cuestiones mencionadas y establecer un entendimiento común entre las distintas industrias, en abril de 2018 se estableció la alianza 5G para las industrias conectadas y la automatización (5G-ACIA). Se trata de un foro mundial para abordar, debatir y evaluar los aspectos técnicos, reglamentarios y comerciales pertinentes con respecto a la 5G para el ámbito industrial. 5G-ACIA ha definido las áreas de aplicaciones y casos de uso para la automatización en los dominios de fabricación que utilizarán la tecnología 5G:
- Áreas de aplicación: (1) automatización de fábricas, (2) automatización de procesos, (3) interfaces hombre-máquina y TI de producción, (4) logística y almacenamiento, (5) supervisión y mantenimiento predictivo.
- Casos típicos de uso: (1) control de movimiento, (2) control a control, (3) paneles de control móviles, (4) robots móviles, (5) redes masivas de sensores inalámbricos, (6) acceso y mantenimiento a distancia, (7) AR, (8) control de procesos de circuito cerrado, (9) supervisión de procesos, (10) gestión de activos de la planta.
Entre todos estos, el control de movimiento es uno de los casos de uso de control de circuito cerrado más desafiantes en la automatización industrial. Como sistema de control de movimiento, es para controlar el movimiento / rotación de ciertos componentes en las máquinas, lo que requiere una confiabilidad ultra alta y baja latencia, capacidad de comunicación determinista, etc. Ciertos casos de uso de control de movimiento pueden ser incluso difíciles de cumplir con 5G. Por lo tanto, podrían considerarse como los casos de uso iniciales para 6G.
Un Gemelo Digital del cuerpo humano
El concepto de Digital Twins o Gemelos Digitales, hace referencia a la construcción de una réplica digital de una entidad física viva o no viva, que simula el comportamiento de su homólogo físico. Se trataría por tanto de una copia virtual donde se podría experimentar sin correr riesgos, especialmente utilizado para procesos de fabricación, instalaciones, edificios, etc. Se trata de una tecnología que está recibiendo mucha atención y que puede ser realmente revolucionaria. Gartner, incluyó a los Gemelos Digitales entre las entre las diez principales tendencias estratégicas de desarrollo tecnológico durante tres años consecutivos (2016-18), considerando que esta tecnología producirá una innovación completamente disruptiva.
A parte de su uso, podríamos decir más industrial, en aplicaciones médicas, los “Digital Twin Body” también va ser completamente revolucionario. Con la llegada de la tecnología 6G y la mayor madurez de las materias interdisciplinarias como la biociencia, la ciencia de los materiales y la medicina bioelectrónica, se espera realizar un completo «gemelo digital del cuerpo humano» en el futuro, es decir, mediante la aplicación extensiva de un gran número de sensores inteligentes (>100 dispositivos/persona) en el cuerpo humano, para simularcon precisión órganos importantes, el sistema nervioso, el sistema respiratorio, el sistema urinario, el musculoesquelético, el estado emocional, etc.
Las técnicas de “image mapping” en tiempo real pueden formar una réplica precisa en el mundo virtual de todo el cuerpo humano, y luego realizar el monitoreo en tiempo real de los datos de salud personalizados del mismo. Además, combinado con los resultados de la resonancia magnética (MRI), la tomografía computarizada (TC), la ecografía en color, análisis de sangre, la bioquímica de la orina y otros exámenes profesionales de imágenes y bioquímicos, el uso de la tecnología de IA puede proporcionar una evaluación precisa y una intervención oportuna del estado de salud individual y puede proporcionar una referencia importante para el próximo paso del diagnóstico preciso y el programa manual personalizado de las instituciones médicas profesionales.
Estos Gemelos Digitales podrían simular el cuerpo humano de forma virtual a través del 6G, pudiendo predecir enfermedades por adelantado, simulando los efectos de un tratamiento o medicamento, acelerando así la investigación y desarrollo de nuevos medicamentos, a fin todo ello de mejorar la calidad de la vida humana.
Comunicaciones Ópticas Inalámbricas
Cómo se ha comentado, la llegada de las redes 6G obligan explorar a fondo todos los espectros para aumentar aún más las velocidades de datos y la densidad de conexión, incluidas las bandas de frecuencias sub-6 GHz, de ondas milimétricas (mmOnda), terahercios (THz) y ópticas.
Si bien las bandas de menos de 6 GHz y mmWave han sido ampliamente investigadas, las bandas de frecuencia de THz y ópticas necesitan una mayor investigación. Debido a su diferente longitud de onda y ancho de banda, las características de propagación de sus canales tienen grandes diferencias y deben ser estudiadas cuidadosamente.
El espectro óptico ya es un elemento clave para la Internet global. Las redes de comunicación por fibra óptica no sólo conectan todos los continentes, sino que también forman la columna vertebral de las redes de comunicación modernas que proporcionan acceso a datos de alta velocidad a las ciudades, pueblos y, cada vez más, también a los hogares. Extender el medio de la fibra óptica para incluir el medio del espacio libre para la conectividad de la última milla y para el acceso móvil parece un paso natural.
En los últimos años ha habido un importante interés por las tecnologías de comunicación inalámbrica óptica. Entre ellas se encuentran las comunicaciones ópticas en el espacio libre, comunicaciones de cámaras ópticas y finalmente las comunicaciones a través de la luz, también conocidas como LiFi.
El espectro óptico puede utilizarse para proporcionar sistemas de comunicación de próxima generación rápidos, seguros, robustos y eficientes. En términos del ancho de banda óptico, es tres órdenes de magnitud más grande que los recursos de espectro disponibles en las bandas de radio frecuencia (RF). Sin embargo, las actuales tecnologías de inalámbricas ópticas requieren la conversión eléctrica a óptica y la conversión óptica a electrónica, que se realizan en dispositivos ópticos como los LED y fotodetectores. El ancho de banda eléctrico de estos dispositivos es limitado, lo que limita la plena explotación de los recursos del espectro óptico. Sin embargo, es evidente que los esfuerzos de investigación se han incrementado en esta área en los últimos 15 años, lo que ha dado lugar a importantes avances. Por ejemplo, los resultados recientes muestran mejoras significativas del ancho de banda de los diodos emisores de luz orgánica (OLED), lo que conduce a velocidades de datos 20 veces mayores en comparación con las velocidades de datos de última generación que se pueden lograr con los OLED.
Una de las principales ventajas del espectro óptico para las comunicaciones inalámbricas es la contención y el control de las señales irradiadas por medio de subsistemas ópticos simples. Esto significa que es posible cubrir unos pocos metros cuadrados hasta un área muy pequeña de sólo unos pocos centímetros cuadrados con la misma fuente de luz. Esto hace que esta tecnología sea muy versátil para construir sistemas de retroceso punto a punto de terabits, así como sistemas de acceso móvil de terabits de células ultra pequeñas. En estos últimos, las señales pueden ser transportadas en piggyback en los sistemas de iluminación existentes. Se ha demostrado que el LiFi puede prestar apoyo suficiente y eficaz a los sistemas de comunicaciones móviles en interiores, incluida la gestión eficaz de las interferencias y el traspaso. Además, los conceptos de modo de suspensión pueden utilizarse eficazmente. Por ejemplo, si bien todas las luces pueden encenderse para la iluminación, sólo esas luminarias pueden activar su función de comunicación cuando hay usuarios activos dentro de su zona de cobertura. Esto mejorará la eficiencia y al mismo tiempo reducirá la interferencia co-canal.
Las tecnologías de comunicación a través de la luz también son una solución viable para habilitar redes inalámbricas de comunicación bajo el agua. Se considera que esta es una característica importante dentro de las tendencias de la 6G para ampliar las capacidades de las redes inalámbricas más allá de las comunicaciones celulares terrestres.
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