Móviles 5G y la radio definida por software

Pocos avances tecnológicos en la historia de la humanidad han experimentado un desarrollo tan vertiginoso como el llevado a cabo por las tecnologías de comunicación inalámbricas, y más concretamente por la telefonía celular o móvil. De hecho, hasta hace tan sólo unos pocos años, los teléfonos móviles eran dispositivos electrónicos con un único modo de operación y cuya única funcionalidad era la transmisión de voz (llamados de primera generación o 1G), y mensajes cortos de texto o SMS (de “Short Message Service”), presentes en la segunda generación (2G), cuyas velocidades de transmisión de datos eran del orden de unos pocos de miles de bits por segundo (kb/s).

Con el desarrollo de la tercera generación (3G), los terminales móviles pasaron a ofrecer servicios multimedia y conexión a Internet de banda ancha con una velocidad de transferencia de datos de millones de bits por segundo (Mb/s). De hecho, esta tendencia continúa y recientemente ya disponemos de redes que operan con terminales móviles de cuarta generación (4G), que son dispositivos enormemente más complejos tecnológicamente que los teléfonos móviles de generaciones anteriores.

Estos terminales integran de forma eficiente los servicios de telefonía móvil ya existentes con nuevos estándares de acceso a redes inalámbricas, los cuales pueden llegar a alcanzar tasas de transferencia de datos de hasta miles de millones de bits (Gb/s), dependiendo de las condiciones de la red en la que se encuentre. Los teléfonos 4G incorporan, entre otros, el estándar celular LTE (de “Long-Term Evolution” o evolución a largo término), que permite acceder a Internet a velocidades de varias decenas de Mb/s, y que se ha hecho popular recientemente por ser la causa de la resintonización obligatoria de la Televisión Digital Terrestre o TDT, también llamado dividendo digital.

La forma actual en la que se incluyen nuevos estándares o modos de operación en los teléfonos de última generación o “smart phones”, supone casi siempre la incorporación de nuevo hardware, es decir, de nuevos chips específicos, que son diferentes para cada generación de terminales. Sin embargo, el ritmo creciente de incorporación de nuevas funcionalidades hace que este modelo de evolución — basado en la actualización de nuevo hardware – esté llegando a sus límites. Esto plantea la necesidad de redefinir el concepto de un teléfono móvil, desde una dispositivo electrónico esencialmente basado en hardware hacia un sistema que reparta o complemente sus prestaciones y funcionalidades entre su hardware y su software.

Actualizaciones del software

Este nuevo paradigma de las comunicaciones móviles recibe el nombre de radio definida por software o SDR (de “Software Defined Radio”), y permitirá en un futuro el desarrollo de teléfonos móviles universales – que podrán actualizarse a nuevos estándares a través de actualizaciones del software, en lugar del hardware como se ha hecho hasta ahora – siendo de este modo capaces de ser programados para operar en un amplio rango del espectro electromagnético.

Además de estas ventajas, los móviles basados en SDR permitirán implementar la tecnología conocida como radio cognitiva o CR (de “Cognitive Radio”), mediante la cual se podrá hacer un uso más eficiente del espectro electromagnético, modificando de una forma dinámica los parámetros de la señal transmitida, incluída la banda de frecuencias, en función de la información sensada del entorno – tecnología conocida como “spectrum-sensing” (o sensado del espectro).

Sin embargo, la situación de los “smart phones” que se comercializan actualmente, dista mucho – tanto en concepto como en su implementación física – del mencionado paradigma SDR/CR. Para poder llevarlo a cabo, se necesitaría realizar un procesado y acondicionamiento previo de las señales de Radio Frecuencia (RF) que se reciben en la antena de los dispositivos móviles. Como estas señales son analógicas, deben ser procesadas por un procesador analógico o ASP (de “Analog Signal Processor”), para luego poder digitalizarlas con un convertidor analógico-digital o ADC (de “Analog-to-Digital Converter”) y finalmente realizar todo el tratamiento de la señal en un procesador digital o DSP (de “Digital Signal Processor”).

Todos estos subsistemas deberían a su vez estar dotados de una alta capacidad de programabilidad y reconfigurabilidad, gracias al control digital – mediante software – de cada uno de sus componentes, como se ilustra conceptualmente en la Fig. 1.

La implementación eficiente – tanto en términos energéticos como de coste – de un sistema como el mostrado en la Fig. 1 supone un gran reto, dada la dificultad que encierra diseñar los bloques ASP y ADC con la precisión requerida y utilizando tecnologías integradas a escalas nanométricas, las cuales son generalmente más apropiadas para implementar microprocesadores digitales rápidos que circuitos analógicos precisos.

El camino hacia la realización real de terminales móviles SDR/CR requiere por tanto un esfuerzo significativo en I+D+I, como el que se está llevando a cabo en el Instituto de Microelectrónica de Sevilla, IMSE-CNM (CSIC / Universidad de Sevilla), y más específicamente por el grupo de investigación de Ingeniería de Circuitos y Sistemas Micro/Nanométricos. Entre otras muchas ventajas con respecto a los terminales actuales, los futuros teléfonos móviles basados en la tecnología SDR/CR permitirán hacer un uso mucho más eficiente del espectro electromagnético, evitando así problemas de congestión y de solapamiento de bandas de frecuencias, como el recientemente ocurrido con algunas emisoras de TDT y el dividendo digital

Pocos avances tecnológicos en la historia de la humanidad han experimentado un desarrollo tan vertiginoso como el llevado a cabo por las tecnologías de comunicación inalámbricas, y más concretamente por la telefonía celular o móvil. De hecho, hasta hace tan sólo unos pocos años, los teléfonos móviles eran dispositivos electrónicos con un único modo de operación y cuya única funcionalidad era la transmisión de voz (llamados de primera generación o 1G), y mensajes cortos de texto o SMS (de “Short Message Service”), presentes en la segunda generación (2G), cuyas velocidades de transmisión de datos eran del orden de unos pocos de miles de bits por segundo (kb/s).

Con el desarrollo de la tercera generación (3G), los terminales móviles pasaron a ofrecer servicios multimedia y conexión a Internet de banda ancha con una velocidad de transferencia de datos de millones de bits por segundo (Mb/s). De hecho, esta tendencia continúa y recientemente ya disponemos de redes que operan con terminales móviles de cuarta generación (4G), que son dispositivos enormemente más complejos tecnológicamente que los teléfonos móviles de generaciones anteriores.