Massive MIMO: las dos palabras clave para entender qué va a ser el 5G

Las promesas que pone «encima de la mesa» la tecnología 5G las conocemos desde hace tiempo. Las compañías que están trabajando en la puesta a punto de la telefonía móvil de quinta generación suelen hacer hincapié en que la latencia media de los enlaces, que es el tiempo que tarda en transferirse un paquete de datos dentro de la red, oscilará en la órbita de 1 ms, que es un valor bajísimo. Y también en que las conexiones alcanzarán una velocidad máxima teórica de 20 Gbps, que es veinte veces más que la velocidad máxima ideal de 4G.

Estas cifras no pintan nada mal, pero las comunicaciones 5G van más allá de una latencia mínima y una velocidad de transferencia impactante. En realidad, esta innovación aglutina un paquete de varias tecnologías, y una de las más importantes si nos ceñimos a los beneficios que introducirá y los servicios que hará posibles es Massive MIMO (en adelante la llamaremos mMIMO para abreviar). Gracias a ella será viable administrar un volumen de tráfico de datos muy superior al actual, lo que permitirá que muchos más dispositivos permanezcan conectados a Internet. Pero esta es solo la punta del iceberg.

Qué son MIMO y mMIMO

La tecnología MIMO (Multiple-Input Multiple-Output, que en español significa «múltiple entrada, múltiple salida») se utiliza comercialmente en el ámbito de las comunicaciones inalámbricas desde hace aproximadamente quince años. De hecho, algunos de los routers que tenemos en casa y muchos smartphones de gama alta, entre otros dispositivos, la usan. Su nombre nos permite intuir de qué va esta innovación porque consiste en conectar dos dispositivos, como, por ejemplo, un ordenador portátil y un router, simultáneamente mediante varias señales sobre un único enlace inalámbrico en vez de a través de una sola señal, que es lo que hacen los equipos que no usan MIMO.

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Para hacerlo posible es necesario instalar varias antenas en los dispositivos que intervienen en la comunicación. De hecho, habitualmente los equipos MIMO incorporan dos o cuatro antenas. La razón por la que merece la pena instalar más antenas es que podemos enviar y recibir datos simultáneamente a través de todas ellas, por lo que la velocidad de transferencia que obtenemos es muy superior a la que nos ofrecen los dispositivos que se conectan utilizando una única antena.

El impacto tan positivo que tiene la tecnología MIMO en las prestaciones ha provocado que forme parte de algunos de los estándares con los que todos estamos familiarizados, como las normas WiFi 802.11n y 802.11ac, o las comunicaciones HSPA+ (3G) y 4G LTE, entre otras opciones.

Algunos de los routers que tenemos en casa y muchos smartphones de gama alta, entre otros dispositivos, recurren a la tecnología MIMO para mejorar sus prestaciones

En la descripción formal de la tecnología MIMO he recurrido a conceptos con los que muchas personas pueden no estar familiarizadas, como lo son los términos «señal» y «enlace inalámbrico». Por esta razón, os propongo que recurramos a un ejemplo muy sencillo que puede ayudarnos a entender sin ningún esfuerzo cómo funciona MIMO y por qué consigue incrementar drásticamente la cantidad de datos que podemos transferir entre dos dispositivos utilizando varias antenas y no solo una.

Imaginemos que las ciudades A y B solo se comunican a través de una única carretera de doble sentido. Cada una de las ciudades equivale a uno de los dispositivos involucrados en la comunicación, la carretera sería el equivalente a nuestro enlace inalámbrico y los dos carriles de diferente sentido equivaldrían en nuestro ejemplo a una antena que nos permite enviar y recibir señales de datos.

El tráfico que es capaz de asumir nuestra carretera con dos únicos carriles, uno en cada sentido, es relativamente limitado. Pero hay una solución por la que podemos optar si queremos que muchos más vehículos (que en nuestro ejemplo equivalen a paquetes de datos) puedan viajar entre las ciudades A y B en el mismo tiempo en el que ahora lo hacen unos pocos: podemos apropiarnos de más terreno e incrementar el número de carriles de la carretera.

Nuestra estrategia no requiere construir otra carretera, sino incrementar el número de carriles de la actual. Si mantenemos el paralelismo con nuestro ejemplo lo que estamos haciendo es recurrir a más antenas para habilitar más señales (que equivalen a cada uno de los carriles) sobre un mismo enlace (que equivale a nuestra carretera).

Algunos fabricantes han puesto a punto equipos de comunicaciones mMIMO que utilizan hasta 128 antenas

Si reformamos nuestra carretera para que en vez de los dos carriles iniciales tenga ocho será capaz de asumir un tráfico mucho mayor. En circunstancias ideales y sin contratiempos que lo obstaculicen, como semáforos o accidentes, estaríamos multiplicando por cuatro el número de vehículos que pueden viajar entre las dos ciudades en el mismo tiempo que antes de la reforma. O, retomando nuestro símil, añadiendo más antenas conseguimos transportar más paquetes de datos entre los dos dispositivos involucrados en la comunicación en el mismo tiempo que antes invertíamos con una única antena. Y más paquetes de datos en el mismo tiempo equivale a una velocidad de transferencia mayor.

La tecnología MIMO tiene algunas otras implicaciones, pero lo que acabamos de ver es su «columna vertebral», por lo que no es necesario que profundicemos en ellas. Ya conocemos con bastante precisión cómo funciona y por qué conlleva un incremento de la velocidad de transferencia, por lo que estamos preparados para ir un paso más allá y averiguar qué es mMIMO.

Los routers domésticos con tecnología MIMO aventajan a los modelos convencionales por su velocidad de transferencia máxima y su cobertura en espacios interiores.

Llegados a este punto lo tenemos muy fácil: no es más que una tecnología inalámbrica de comunicaciones con una filosofía muy similar a MIMO pero que, a diferencia de esta, recurre a varias decenas de antenas en vez de solo a unas pocas. De ahí procede el término en inglés massive, que en español significa «masivo», como podemos intuir fácilmente. Algunos fabricantes de equipos de comunicaciones, como Huawei o Ericsson, han puesto a punto equipos mMIMO que utilizan hasta 128 antenas. Ahí es nada.

La utilización de tantas antenas permite incrementar drásticamente la velocidad de transferencia de los dispositivos involucrados en la comunicación, pero esta no es en absoluto la única ventaja que pone a nuestro alcance mMIMO. Probablemente es la más llamativa para los usuarios porque podemos esperar que tenga un impacto positivo en nuestra experiencia, pero hay otras implicaciones que también merece la pena que conozcamos.

Así es como mMIMO promete mejorar nuestra experiencia

Para que mMIMO funcione es necesario que los dos dispositivos involucrados en la comunicación tengan múltiples antenas. No basta que las incorpore solo uno de ellos. Aunque, eso sí, no tienen por qué tener el mismo número. Si efectuamos la transferencia de los datos, por ejemplo, entre nuestro smartphone y una estación base, que es la centralita física a la que se conecta nuestro móvil dependiendo de nuestra ubicación geográfica, lo habitual será que la estación base tenga más antenas que el smartphone. Y es lógico que sea así debido a que esta instalación debe tener la capacidad de sostener la comunicación simultáneamente con muchos dispositivos móviles.

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Además, recurrir a más antenas nos permite sacar más partido al medio que utilizamos para transferir los datos sin necesidad de incrementar el espectro de frecuencias. Y esto es muy importante porque el espectro radioeléctrico, que es el conjunto de ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio entre las frecuencias que van desde los 9 kHz a los 3.000 GHz, es un recurso limitado. Y nos pertenece a todos, por lo que en España el organismo que se encarga de dividir y adjudicar el espectro de frecuencias es el Ministerio de Industria, Comercio y Turismo.

La integración en los dispositivos que participan en la comunicación de más antenas tiene otras ventajas más allá del incremento de la velocidad de transferencia del que hemos hablado. Una tecnología asociada a mMIMO que tiene un impacto muy positivo en la cobertura, la fiabilidad y la estabilidad de las comunicaciones inalámbricas es la conformación de haces, conocida en inglés como beamforming.

La tecnología de conformación de haces aprovecha que las señales inalámbricas se reflejan en los objetos del entorno para propagarse hasta el otro dispositivo utilizando múltiples caminos, y no solo uno

La estrategia a la que recurre esta innovación es muy fácil de entender porque lo que hace es aprovechar que el dispositivo mMIMO tiene varias antenas para ajustar la intensidad de la señal que emite a través de cada una de ellas. El objetivo es que el otro dispositivo reciba la señal en las mejores condiciones posibles, pero inicialmente ambos equipos desconocen la ubicación del dispositivo con el que van a «hablar». Por esta razón, lo que hacen es iniciar la «conversación» emitiendo señales con la misma intensidad a través de todas las antenas.

Una vez que han iniciado el intercambio de información pueden identificar en qué dirección espacial se encuentra el dispositivo con el que están «hablando» debido a que la señal que reciben no llega con la misma intensidad a todas sus antenas. Es probable que una o dos reciban la señal con más intensidad debido a que el otro dispositivo se encuentra ubicado en la dirección hacia la que apuntan esas antenas, por lo que el siguiente paso que es conveniente dar está muy claro: una vez que conocen dónde está el dispositivo con el que están hablando pueden incrementar la potencia de la señal de las antenas que apuntan en la dirección adecuada para, de esta forma, mejorar la estabilidad y la fiabilidad de la conexión.

Además, la tecnología de conformación de haces aprovecha que las señales inalámbricas se reflejan en los objetos del entorno, como las paredes, el techo e incluso los muebles, para, así, propagarse hasta el otro dispositivo utilizando múltiples caminos, y no solo uno. De esta forma no solo se incrementa la estabilidad de la conexión, sino también la cobertura debido a que es más probable que la señal emitida alcance su objetivo si se propaga simultáneamente por varios caminos. Un apunte interesante: no es estrictamente necesario que los dos dispositivos utilicen beamforming. Aunque solo uno de ellos lo haga, habitualmente el punto de acceso inalámbrico, la comunicación se verá reforzada en todos los frentes que he mencionado.

Por último, la conformación de haces también tiene un impacto positivo en el rendimiento y la fiabilidad de la conexión inalámbrica debido a que el dispositivo que incorpora beamforming no solo es capaz de analizar la intensidad de la señal que recibe en cada una de sus antenas, sino también de medir el ruido y las interferencias asociados a cada una de las señales. Esta capacidad le permite actuar con cierta inteligencia, emitiendo la señal por una u otra antena y con más o menos intensidad para contener el impacto negativo de estos fenómenos, que pueden estar ocasionados, por ejemplo, por otros dispositivos cercanos que emiten ondas electromagnéticas.

mMIMO es crucial para que llegue 5G, pero tiene que superar este reto

Como os hemos anticipado desde el mismo título de este artículo, la tecnología mMIMO será un componente fundamental de las comunicaciones 5G. Acabamos de ver con cierto detalle el impacto positivo que tendrá en características tan importantes como son la velocidad de transferencia, la cobertura, la fiabilidad y la estabilidad de las comunicaciones inalámbricas. Pero esto no es todo. También permitirá que los equipos instalados en las estaciones base sean capaces de administrar un volumen de tráfico muy superior al actual.

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En los párrafos anteriores hemos visto que una estación base es la instalación física a la que se conecta nuestro teléfono móvil para acceder a la red de telefonía. Y a medida que nos desplazamos se irá conectando a una u otra estación base (normalmente a la que nos proporciona la conexión de más calidad, que suele ser la más cercana). Cada una de estas instalaciones es capaz de gestionar una cantidad máxima de conexiones, por lo que no pueden dar servicio a un volumen ilimitado de dispositivos. Este número límite es alto, pero en absoluto infinito. Y todos sabemos que cada vez tenemos más dispositivos con la capacidad de conectarse a Internet mediante una conexión 3G o 4G.

Un dato que refleja muy bien el crecimiento que experimentará el tráfico en Internet durante los próximos años, y con el que los proveedores de acceso tendrán que lidiar, lo maneja el fabricante de equipos de telecomunicaciones Cisco. Según esta compañía en 2020 habrá 5.500 millones de dispositivos que tendrán la capacidad de conectarse a Internet a través de las redes de telefonía. Es una cifra bastante impresionante, pero lo más preocupante es que no tenemos un margen para reaccionar de varios años. Este hito se producirá en relativamente pocos meses, si se cumple el pronóstico de Cisco.

Fuente: GSM Association

Afortunadamente, la llegada de las comunicaciones 5G y, como parte de ellas, de la tecnología mMIMO, nos permitirá resolver esta necesidad. Las decenas de antenas con las que contarán los equipos instalados en las estaciones base permitirán dar servicio a un número muy alto de dispositivos. Y, además, lo harán preservando la calidad de las conexiones, y, por tanto, evitando que parámetros tan importantes como son la velocidad de transferencia, la latencia o la estabilidad se resientan si el número de dispositivos conectados es muy alto y el tráfico alcanza un volumen muy importante.

Las decenas de antenas de los equipos mMIMO de las estaciones base permitirán dar servicio a un número muy alto de dispositivos

Lo curioso es que las antenas, aunque son muy importantes, son solo uno de los ingredientes de la ecuación. El otro componente crucial es la lógica o el software que aporta la «inteligencia» necesaria para administrar tanto el tráfico como las conexiones. A medida que se incrementan el número de dispositivos que se conectan a una estación base y el tráfico, la lógica que se responsabiliza de controlarlo todo se vuelve más compleja. Por esta razón, actualmente algunas compañías de telecomunicaciones, como Huawei, Ericsson o ZTE, están llevando a cabo tests diseñados para poner a prueba sus equipos antes de que se produzca el despliegue a gran escala de la infraestructura de comunicaciones 5G.

Algunas de ellas incluso han ido un paso más allá debido a que han instalado equipos mMIMO en las infraestructuras 4G LTE actuales para ponerlos a prueba en un escenario de uso real. En China y Japón existen este tipo de instalaciones desde hace más de dos años, pero en la mayor parte de los países desembarcarán de la mano de la tecnología 5G. Telefónica nos ha confirmado que iniciará el despliegue comercial de 5G a partir de 2020 en sus filiales más importantes, pero esta compañía espera que el despliegue masivo de esta tecnología de comunicaciones se produzca entre 2022 y 2025. Y es muy probable que esta hoja de ruta sea similar a la que prevén otros grandes operadores de telecomunicaciones.

Aún tendremos que esperar para comprar un smartphone mMIMO

Muchos de los teléfonos móviles de gama alta que han llegado al mercado durante los dos últimos años incorporan la tecnología MIMO 4x4. Esta nomenclatura refleja que tienen cuatro antenas que pueden ser utilizadas simultáneamente para enviar y recibir datos, lo que, en teoría, les permite duplicar la velocidad de transferencia de los smartphones con soporte MIMO 2x2. O cuadruplicar el rendimiento de los móviles con una única antena.

Muchos de los smartphones de gama alta que usamos actualmente incorporan la tecnología MIMO 4x4

Algunos de los terminales que ya tienen la tecnología MIMO 4x4 son el Pixel 3 de Google, el Mate 20 Pro de Huawei, el OnePlus 6T o el iPhone XS, entre muchos otros. Sin embargo, estos móviles aún no están preparados para sacar partido a la tecnología mMIMO. Para que esto fuese posible tendrían que incorporar todavía más antenas y un módem preparado para trabajar con mMIMO. De hecho, ni siquiera los teléfonos que anuncian estar preparados para acceder a redes 5G, como el Galaxy S10 5G de Samsung, cuentan con esta tecnología. Tienen conectividad MIMO 4x4.

Por el momento ningún fabricante de móviles ha anunciado cuándo colocará en el mercado un terminal mMIMO, pero es probable que no lleguen hasta que la infraestructura 5G esté desplegada. Es razonable pensar que el año que viene podrían desembarcar los primeros, junto a las primeras tarifas de acceso 5G, pero no tenemos ninguna garantía de que vaya a ser así, por lo que lo más prudente es tomarlo como una posibilidad plausible y no como una certeza.

Así es como Telefónica y Huawei ven la tecnología mMIMO

Ya conocemos con bastante detalle qué es mMIMO, cómo funciona y qué impacto tendrá en nuestra experiencia cuando llegue de la mano de las comunicaciones 5G. Aun así, nos parece una buena idea poner fin a este artículo descubriendo cómo contemplan esta innovación dos de las compañías involucradas en el despliegue de la tecnología 5G en España. Por esta razón hemos hablado con Jesús Manuel Domíngues Ferreira, Technical Product Marketing en Huawei CBG España, y Vicente Javier Abad García, Gerente de Tecnología de Acceso Radio de Telefónica España.

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Jesús Manuel recalca varias de las características de mMIMO en las que hemos profundizado en este artículo: «mMIMO es un elemento clave dentro de 5G porque permite mejorar la capacidad de la red y la experiencia de los usuarios, ofreciendo una mayor cobertura gracias a su habilidad a la hora de administrar las interferencias. Además, permite controlar mejor el ruido de la señal y desplegar un servicio de más calidad para los usuarios gracias a la capacidad de los canales».

El técnico de Huawei también menciona el impacto que tendrá esta tecnología en la experiencia de los usuarios debido a su capacidad de incrementar la velocidad de transferencia de las operaciones de subida y bajada de datos. «Gracias a la combinación de una gran cantidad de capas para servicios y un búfer a pleno rendimiento mMIMO consigue ofrecernos una capacidad máxima teórica de N x 100%, donde N es el número de capas multiplexadas. De esta forma esta tecnología consigue mejorar la efectividad del servicio ofrecido a los usuarios», asegura Jesús.

Lo que nos explica en el párrafo anterior es que la capacidad de administración simultánea de varios canales de transmisión de datos permite sostener una mayor cantidad de servicios durante la comunicación entre nuestros dispositivos y las estaciones base de telefonía a las que se conectan. El búfer que menciona es una memoria intermedia que almacena temporalmente la información en los equipos que intervienen en la comunicación, y las capas multiplexadas no son más que varias señales diferentes que han sido previamente combinadas para poder ser transferidas como si se tratase de una sola.

Además de lo que acaba de explicarnos Jesús, Vicente Abad nos recuerda que mMIMO es uno de los motores de las comunicaciones 5G: «esta es una tecnología orientada a la capacidad de la red y uno de los pilares fundamentales para el eMBB (Enhanced Mobile Broadband o banda ancha móvil mejorada), que, junto al mMTC (massive Machine Type Communications o comunicaciones masivas entre máquinas) y el uRLLC (ultra Reliable Low Latency Communications o comunicaciones de baja latencia y alta fiabilidad), representan los tres ejes fundamentales de desarrollo de las tecnologías 5G. Por tanto, aunque mMIMO no es una innovación orientada a servicios concretos, sí que todos aquellos amparados bajo el paraguas del eMBB se verán directamente favorecidos».

Imagen de portada | rawpixel.com
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