Investigadores brasileños desarrollan sistemas de conexión, softwares y hardwares para el nuevo estándar de telefonía e internet móvil

Fuente: Investigación FAPESP

Un sistema desarrollado bajo la coordinación técnica de investigadores brasileños podría convertirse en un estándar global para llevar la tecnología de telecomunicaciones de quinta generación (5G) a áreas remotas, beneficiando a 1.400 millones de personas en todo el mundo que hoy no tienen acceso a cobertura telefónica e internet móvil. La innovación también podrá permitir la transformación digital y la implementación del Internet de las cosas (IoT) en propiedades rurales, mineras e infraestructuras alejadas de las zonas urbanas, como centrales hidroeléctricas, líneas de transmisión de energía, sistemas de distribución de agua y redes ferroviarias.

Las pruebas realizadas en Santa Rita do Sapucaí, en el interior de Minas Gerais, demostraron la capacidad de un sistema de estaciones radio base (ERB) para transmitir señales 5G, que será el futuro estándar global utilizado por las redes de telefonía móvil, a una distancia de 50 kilómetros (km) y a una velocidad de 100 megabits por segundo (Mbps). “En una red 4G, esta velocidad se logra a una distancia entre 5 km y 10 km o, al contrario, se pierde rendimiento para alcanzar grandes distancias”, compara el ingeniero eléctrico Luciano Leonel Mendes, coordinador técnico del proyecto y del Centro de Referencia en Radiocomunicaciones del Instituto Nacional de Telecomunicações (CCR-Inatel).

“El flujo de datos logrado permite que un dron, por ejemplo, envíe imágenes de alta resolución en tiempo real de un cultivo para evaluar si hay plagas o que los rociadores se activen de forma remota. También permite la transmisión de voz y datos a alta velocidad, todo al mismo tiempo”, dijo Mendes.

El sistema, aún sin nombre, es el resultado del trabajo de un consorcio formado por instituciones brasileñas y europeas reunidas en el Proyecto 5G-Range, cuyo objetivo es desarrollar soluciones de conectividad en áreas remotas. Además de Inatel, participan del consorcio el Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPQD), las universidades de São Paulo (USP), Federal do Ceará (UFC) y de Brasilia (UnB), Ericsson do Brasil y las universidades europeas Carlos III de Madrid, España, de Tecnología de Desdén, Alemania, y de Oulu, en Finlandia, además de la empresa española Telefónica I+D.

China, India, Rusia, Estados Unidos, Finlandia y Australia son algunos de los países que ya han mostrado interés en la solución creada en Brasil, que enfrenta la competencia de otros sistemas gestionados en el extranjero. La tecnología aún tardará un tiempo en estar disponible a nivel mundial, ya que será necesario antes el aval de la organización internacional que establece estándares para telefonía y banda ancha móvil, el 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Se espera que el documento que traerá los estándares para 5G en áreas remotas, llamado Release 17, se publique en 2025. “Por ahora, estamos trabajando para que la Agencia Nacional de Telecomunicaciones [Anatel] apruebe el uso de tecnología en el territorio nacional para aplicaciones en redes para uso privado en campo o en industrias”, informa Mendes.

Los especialistas señalan que se espera que la tecnología 5G genere ganancias significativas en el desempeño de las telecomunicaciones, tanto en áreas remotas como en centros urbanos. Mientras que las actuales redes móviles de cuarta generación (4G y su evolución, 4.5G) tienen velocidades medias que van desde los 15 Mbps a los 25 Mbps, con un potencial máximo de 300 Mbps, la conexión 5G promete velocidades desde los 50 Mbps y que pueden llegar a casi 2 gigabits por segundo (consulte la tabla siguiente). Una comparación común entre especialistas es el tiempo de descarga de una película en alta definición: 10 minutos en 4G y solo unos segundos en 5G.

La latencia, o tiempo de respuesta de una demanda, es de 5 milisegundos en 5G, una décima parte del registrado en 4G. Esta diferencia es significativa cuando está en juego el tiempo de respuesta necesario para que un vehículo autónomo evite una colisión, para esquivar un imprevisto en cirugía robótica o para que las máquinas industriales sincronicen sus tareas. Otra ventaja del 5G es la densidad de dispositivos capaces de operar simultáneamente en la misma área, de 1 millón de dispositivos por kilómetro cuadrado (km²), mientras que hoy no llegan a los 100 mil.

La tecnología 5G comenzó a implementarse en 2019 en algunos países europeos, en Estados Unidos, Japón, Corea del Sur y China. En Brasil, la expectativa es que el pliego de condiciones de la licitación de frecuencias para uso público, aquellas en las que los operadoras de telefonía atienden al usuario común, se publique en 2021. Anatel ya informó que estarán disponibles cuatro bandas de frecuencia: 700 megahercios (MHz), 2,3 GHz (gigahercios), 3,5 GHz y 26 GHz.

En la subasta deben participar los principales operadores de telecomunicaciones, que elegirán a los proveedores de paquetes tecnológicos y equipos, entre ellos las chinas Huawei y ZTE, la surcoreana Samsung, la sueca Ericsson y la finlandesa Nokia. El anuncio definirá la exclusión o no de proveedores de tecnología, el índice de nacionalización de piezas y la inversión obligatoria en I + D + i en el país.

Ondas milimétricas


La tecnología 5G permite el uso de un amplio rango de frecuencias, desde la denominada Ultra Alta Frecuencia (UHF), que designa las bandas entre 300 MHz y 3 GHz, las que utiliza el experimento del Consorcio 5G-Range, de CCR-Inatel, hasta las frecuencias en ondas milimétricas, entre 24 GHz y 300 GHz. Estas frecuencias más altas no son utilizadas por las redes 4G actuales. Su ventaja es que permiten una mayor velocidad de conexión. Sin embargo, tienen un alcance reducido, de cientos de metros, y se bloquean más fácilmente por la presencia de objetos físicos, como puertas, paredes, árboles o incluso el cuerpo humano. Esto requiere la instalación de un mayor número de antenas de transmisión mejoradas.

La investigación y desarrollo de tecnologías para circuitos y sistemas, como antenas, transmisores, receptores y radares, son el foco del trabajo del recién creado Centro de Caracterización de Ondas Milimétricas (CentrommW) de la Escola Politécnica (Poli), USP, inaugurado en Abril. Es el único en Brasil equipado con instrumentos para caracterización de circuitos y sistemas en ondas milimétricas hasta 110 GHz. Para ello contó con financiación de la FAPESP.

“Nuestra propuesta es ser un espacio para que la industria pruebe sus circuitos, sistemas y equipos, pero también estamos comprometidos con el desarrollo de soluciones de hardware en ondas milimétricas”, dijo el ingeniero eléctrico Gustavo Rehder, coordinador del Centro en alianza con la también ingeniera eléctrica Ariana Serrano, ambos del Departamento de Sistemas Electrónicos de la Poli-USP.

Uno de los focos del laboratorio es el desarrollo de soluciones de beamforming, la formación de un haz para la transmisión de la señal para evitar la dispersión de ondas que se produce en las antenas tradicionales. “El objetivo es dirigir electrónicamente la radiación a un punto de recepción específico, lo que mejorará la calidad de la señal recibida y aumentará su alcance”, explica Serrano. Otra línea de investigación de CentrommW es el desarrollo de una tecnología basada en nanocables de cobre para la miniaturización de dispositivos con alto rendimiento en ondas milimétricas.

La concepción y el desarrollo de toda la tecnología 5G se ha llevado a cabo de forma colaborativa en centros de investigación públicos y privados desde principios de la década de 2010 y continuará en los próximos años, con innovaciones que deberán ser refrendadas en los nuevos protocolos 3GPP. Una vez que la agencia ha definido los estándares que se utilizarán en 5G, los proveedores de equipos los utilizan para desarrollar sus productos, que serán utilizados por las operadoras de telefonía.

En Brasil, el Grupo de Investigación de Telecomunicaciones Inalámbricas (Gtel) de Universidade Federal de Ceará (UFC), mantenido en alianza con Ericsson, ya presentó cuatro contribuciones técnicas patentadas internacionalmente. Una es un sistema inteligente de conexión con las antenas de la operadora de telecomunicaciones. Un usuario en movimiento cambiará de antenas muy rápidamente, ya que su área de cobertura es comparativamente más pequeña en los sistemas 5G. “Nuestra solución utiliza inteligencia artificial para prever de antemano la antena a la que apuntará el teléfono inteligente unos segundos antes de que esto suceda. De esta forma, es posible preparar la red 5G para recibir la nueva conexión, reduciendo el riesgo de interrupción o caída de la conexión”, describe el ingeniero eléctrico Francisco Rodrigo Cavalcanti, coordinador de Gtel.

Otra característica de la tecnología 5G es la virtualización, es decir, la transferencia a software y computación en la nube de diversas tareas que tradicionalmente realizada por la infraestructura física, el hardware, como enrutadores, decodificadores, sincronizadores de señal y balanceadores de carga. “La virtualización permite simplificar las ERB, reduciendo su peso, tamaño y electrónica, con impacto en el consumo de energía”, dijo el ingeniero electrónico Rodrigo de Lamare, coordinador del Laboratorio 5G del Centro de Estudios de Telecomunicaciones de la Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (Cetuc-PUC-RJ). Lamare trabaja en el desarrollo de técnicas de procesamiento de señales y arquitectura de sistemas de comunicaciones para centros de compartición de datos y computación en la nube por parte de operadores.

Una innovación 5G es segmentar las redes. Mientras que en 4G todos los usuarios reciben señales iguales, segmentar la red permite que la operadora de telecomunicaciones pueda gestionar las características de la conexión, como la disponibilidad de la infraestructura, la tasa de transferencia de datos y la latencia, según la demanda de cada usuario, sin ningún nadie sea perjudicado. Una posibilidad técnica en 5G es la interoperabilidad de conexiones. Siempre que exista un acuerdo entre las compañías de telefonía, el cliente de una operador puede ser atendido por la infraestructura de otra, teniendo siempre disponible la mejor conexión  en todo momento.

La interoperabilidad y la segmentación de la red deben administrarse a cada conexión de un dispositivo con cada antena. “La conexión al hospital de una ambulancia en caso de emergencia migrará de ERB y de operadora en numerosas ocasiones durante su recorrido, pero habrá que garantizar que esta conexión siempre mantendrá el estado de prioridad”, ejemplifica el ingeniero eléctrico Moacyr Martucci, de Departamento de Ingeniería en Computación y Sistemas Digitales de Poli-USP.

CPQD es uno de los principales desarrolladores y proveedores en el país de Sistema de Soporte de Operación (OSS), el conjunto de software que permite la automatización de la prestación del servicio y de la administración de la infraestructura de telecomunicaciones, realizando tareas como orquestador de red, que determina la solicitud de servicio de cada infraestructura, y el llamado core, que realiza el procesamiento, control de los servicios e interconexión con otras operadoras, incluyendo el cálculo de los cargos para cada una.

Aún en 2020, CPQD debe iniciar un proyecto apoyado por el Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações (Funttel), en un convenio de R$ 20,7 millones distribuidos en tres años, que incluye la adaptación de sus sistemas OSS al 5G. “El proyecto cubre el desarrollo de una red 5G completa, que incluye una red de acceso abierta y virtualizada, un núcleo de red 5G y un sistema de orquestación de servicios e infraestructura”, dijo Gustavo Correa Lima, líder de la Plataforma de Comunicaciones Inalámbricas del CPQD. "Será un proyecto de innovación abierta, que también explorará el uso de la inteligencia artificial en la gestión de redes y la tecnología blockchain para la compartición dinámica de infraestructura".

Red de intriga


La elección del nuevo estándar es el telón de fondo de la disputa geopolítica entre Estados Unidos y China

Se espera que el pliego de condiciones de la licitación de frecuencias destinadas al 5G en Brasil se publique en 2021 y traerá la definición más esperada por el mercado de las telecomunicaciones: el veto o no por parte del gobierno brasileño de la participación de proveedores de tecnología de origen chino, como Huawei y ZTE. La Ley General de Telecomunicaciones establece la competencia de la decisión a la Agencia Nacional de Telecomunicaciones (Anatel), pero el presidente Jair Bolsonaro ya ha declarado que dependerá de él la decisión.

Alegando preocupaciones sobre la ciberseguridad, Anatel delegó oficialmente la decisión al Gabinete de Seguridad Institucional de la Presidencia de la República. Las operadoras de telecomunicaciones Vivo, Claro y TIM, potenciales competidores en la subasta, ya han manifestado públicamente que están en contra del veto a cualquier proveedor de tecnología. Para ellos, cuanto mayor sea el número de proveedores calificados, mejor. Mayor será la capacidad para negociar y, en consecuencia, la posibilidad de reducir el costo de adquisición de los equipos.

Para el ingeniero eléctrico Moacyr Martucci, de Poli-USP y miembro del foro Think Tank en Implantación de 5G en Brasil, no existen estudios conocidos de instituciones independientes que demuestren una diferencia cualitativa significativa entre proveedores de tecnología o trabajos que demuestren riesgos de ciberseguridad asociado con cualquiera de los proveedores. "Vetar a los proveedores no será una decisión técnica, sino una decisión política", dijo.

El ingeniero eléctrico y científico de la computación Paulo Lício de Geus, del Instituto de Informática de la Universidade Estadual de Campinas (IC-Unicamp), tiene una opinión diferente, según él, sí existen riesgos de ciberseguridad al contratar el 5G. “La interferencia sobre los fabricantes de equipos electrónicos de gobiernos de grandes potencias, no solo de China, se conoce desde hace al menos 15 años”, reflexiona. Para él, la duda para países tecnológicamente dependientes, como Brasil, es sobre "de qué nación ser rehén: si de una democrática, cuyas acciones están sujetas al referéndum público, o una que no debe tales explicaciones".

Brasil elegirá el estándar 5G después de las elecciones presidenciales de noviembre en Estados Unidos. Tanto demócratas como republicanos ya han expresado su oposición a la adopción de tecnología china en el 5G norteamericano, alegando riesgos cibernéticos. El candidato a la reelección, el presidente Donald Trump pone el peso de la diplomacia para influir en aliados, como el gobierno brasileño, para vetar a los chinos. Reino Unido, Australia, Polonia y Portugal son algunos de los países que siguieron la decisión de veto estadounidense. Aún se desconoce el peso que el candidato demócrata Joe Biden, de ser elegido, le dará al tema en sus relaciones internacionales.

Los estadounidenses temen que los chinos controlen la infraestructura digital global. Por eso, ya han impuesto restricciones a Huawei y ZTE. Argumentan que el país asiático puede instalar capas ocultas de tecnología en redes 5G capaces de espiar todas las actividades del complejo industrial y militar estadounidense y de sus aliados. El gobierno de China niega tener este poder y refuerza la independencia de sus empresas.


Proyectos
1. Dispositivos MnM de alta eficiencia y bajo costo para aplicaciones en sistemas de ondas milimétricas de 30 a 110 GHz (
nº 12/15159-2); Modalidad Jóvenes Investigadores; Investigadora a cargo Ariana Serrano (USP); Inversión R$ 795.724,65.
2. EMU concedido en el proceso 
nº 12/15159-2: Analizador Vectorial de Red (VNA) hasta 70 GHz (nº 16/23779-9); Modalidad Programa Equipos Multiusuarios (EMU); Investigadora a cargo Ariana Serrano (USP); Inversión R$ 469.808,18.

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