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To beam or not to beam

  Pues sí. Sin llegar a la complejidad que plantea Sir William Shakespeare, la llegada del 5G nos trae con todo el peso de la ingeniería, un nuevo dilema, una nueva cuestión engendrada en el ocaso del LTE. Los ingenieros de planificación Radio estamos de enhorabuena con solo plantearla. Tras unos años en los que el diseño y planificación de redes móviles se ha reducido drásticamente fruto de la «auto-organización» de las mismas, volvemos a desempolvar digitalmente nuestros viejos mapas para trazar líneas, áreas y marcar en rojo las zonas específicas donde queremos dar un mejor servicio a los usuarios, las empresas o las cosas. Todo esto gracias al beamforming.

Pero, ¿qué es el beamforming?

Nuevo en su madurez, el beamforming, nacido en 4G, ha crecido y está en plena adolescencia en las nuevas redes 5G. Consiste en una técnica de tratamiento de señales mediante la cual somos capaces de generar un frente de onda direccional y más estrecho de lo normal. El uso de unos pesos específicos que afectan tanto a la amplitud como a la fase de la señal, van a permitir generar zonas donde la interferencia de las ondas sea constructiva y, por el contrario, otras donde es destructiva. Generamos así diferentes haces estrechos que van a permitir aprovechar mejor la potencia de señal y reducir la interferencia entre ellos. En resumen, ayudan a mejorar la calidad de la señal a la hora de la recepción.

El trabajo del ingeniero de planificación radio supondrá ahora desarrollar potencialmente un diseño específico para cada site, de cada sector, de cada haz. Para ello, contaremos con las antenas activas que están dotadas de cientos de elementos radiantes para permitir la generación de estos frentes de onda direccionales y que aúnan elementos hardware con el software y los algoritmos necesarios para la generación de los mismos. Incluso nos van a permitir simultanear diferentes haces al mismo tiempo para multiplicar la eficiencia espectral de la celda. Estas antenas disponen de un panel en forma de matriz, lo que permite no solo generar haces en horizontal, sino también en vertical. Es decir, dejamos de ver la red móvil como algo plano para dotarlo de profundidad o, dicho de otra manera, el beamforming se convierte en tridimensional.

Tradicionalmente, los diagramas de radiación de las antenas pasivas tienen forma lobular donde tenemos un punto de máxima potencia y un ancho de haz donde esa potencia se reduce a la mitad (-3dB de potencia frente al máximo). Comúnmente este ancho de haz está en unos 65º (dependiendo de la antena).

 

Con la aparición del beamforming, ese ancho de haz se aprovecha al máximo introduciendo un número determinado de beams dentro de lo que antes era un lóbulo principal. No solo ganamos cobertura, sino que también ganamos en resolución. Imagina una celda con beamforming de 8 haces, en el que prácticamente los únicos haces en los que hay tráfico (y, por tanto, señal) son los dos del centro. Inmediatamente, un ingeniero con poca experiencia en 5G puede asumir algún problema en el sistema radiante y que sea necesario cambiar de antena. Pero, ¿y si lo que vemos en las estadísticas es que el tráfico realmente se concentra en esos 2 haces? ¿y si, al revisar el entorno, vemos que justo delante del sector, tenemos un edificio de oficinas de 15 pisos? Podríamos suponer, con bastante acierto, que la mayoría del tráfico de ese sector se encuentra en ese edificio. Pero es más, ¿qué te parecería que en lugar de cubrir con 8 haces horizontales pudiéramos crear una estructura de beams de 4 filas y 2 columnas, enfocarlo al edificio y cubrir todas las plantas al mismo tiempo? Todo esto es posible con el beamforming.

Tipos y características

Se presentan muchas opciones de diseño de beamforming, dependiendo de la capacidad o no de generar un haz enfocado directamente al terminal. Las tecnologías comúnmente denominadas Eigenbeamforming y Grid of Beams se erigen como principales alternativas, aunque también se pueden ver soluciones intermedias.

Con Eigenbeamforming, es posible generar un haz directivo hacia donde se encuentra el usuario. Para ello, los diferentes receptores de la antena activa deberán recibir una señal conocida por parte del móvil (la Sounding Reference Signal), gracias a la cual podrán detectar la procedencia de dicha señal y, por tanto, generar los pesos necesarios a los transmisores para crear el beam hacia el terminal.

La otra opción de diseño es el Grid of Beams. Las antenas activas almacenan una base de datos con los pesos necesarios para cada transmisor en función del beam que se quiere utilizar. Gracias a esta aproximación, conseguimos obtener una envolvente en el que el punto de máxima potencia se mantiene, en mayor o menor medida, durante todo el ancho del haz. Esta forma de transmitir beams tiene ventajas pero también inconvenientes. Entre las ventajas contamos con que la capacidad de cálculo necesaria en las estaciones base es reducida comparada con lo que el Eigenbeamforming necesita. Además, los beams no solo se generan para transmitir datos de los canales PDSCH y recibir el UL del PUSCH, sino que también se radian en los bloques de Sincronización (SSB) con lo cual, la detección del mejor beam se realiza directamente midiendo la potencia de la señal de cada uno. Como contrapartida, esa generación de bloques SSB por beam implica una reducción de las prestaciones pico en cuanto a velocidades de transmisión.

Como alternativa intermedia, el uso de GoB trae la opción de incrementar el número de haces mediante los refined beams. Por cada uno de los beams principales, podemos generar hasta 4 adicionales y más estrechos en posiciones diferentes (en cuadrado alrededor del beam principal o en línea). Permitimos así incrementar la resolución haciendo más certera la unión del beam con el terminal. Tendremos que estar atentos a cómo evoluciona la industria y hacia dónde finalmente declinará la solución final, si hacia un control total del beam o hacia un nivel computacional menor pero menos óptimo.

Finalmente, el beamforming también cambia dependiendo de en qué rangos de frecuencias nos encontramos. Podemos diferenciar entre beamforming analógico y digital. Plantea diferencias no solo computacionalmente hablando sino también a nivel de hardware. En rangos por debajo de 6 GHz (FR1), el beamforming es digital. Este tipo de beamforming tiene la particularidad de que los pesos (cambios de amplitud y fase) se aplican directamente a la señal digital, antes de convertirse en analógica a cada transmisor. En este rango de frecuencias, los transmisores son más numerosos, llegando a tener uno por cada elemento de antena. Esto hace que los pesos se manipulen para cada transmisor individualmente. El beamforming analógico se reserva para las frecuencias altas (FR2), es decir, por encima de 6 GHz. En este caso solo contamos con un transmisor por polarización, el cual, envía la señal de RF a cada uno de los elementos de antena. La modificación de los pesos y la generación de los beams, en consecuencia, se realiza modificando directamente la señal RF (entre el transmisor y el elemento de antena).

Respondiendo al dilema

Como ingeniero y, por qué no decirlo, amante de la tecnología, es gratificante ver en directo el funcionamiento del beamforming. La experiencia de usuario se eleva a niveles excelentes. Cuando sentimos de primera mano el rendimiento de la red 5G con beamforming, experimentamos velocidades de transferencia en downlink estables superiores a 400 Mbps (con 100MHz de BW) en lugares donde no tenemos línea de vista con la antena y donde antes, con antenas pasivas, no superábamos los 200 Mbps. La gestión de los beams servidores es muy rápida, al estar localizada en capas inferiores (L1/L2), por lo que siempre estamos conectados al mejor beam y las transiciones son muy suaves. La propagación multicamino no solo no es nociva en este caso, sino que se antoja imperativa para poder disfrutar de órdenes de MIMO superiores y poder llegar a picos de throughput por encima del Gigabit por segundo. Esto hace, como decíamos antes, que no tengas que “ver” la antena para poder tener una calidad de servicio superior.

En definitiva, y ante todo lo expuesto anteriormente, podemos decir que se nos abre un abanico de posibilidades de diseño y optimización de las redes 5G gracias al beamforming. No será fácil, se requiere un nivel de conocimiento de la tecnología que permita hilar entre los diferentes sistemas que entran en juego, pero los beneficios son claramente positivos. Ante la pregunta inicial, “To beam or not to beam?”, por supuesto, nos decantamos por “to beam”.

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