Serge Abiteboul, Inria y Gérard Berry, Collège de France

Este artículo se publica en colaboración con Binaire.

Los mensajes pueden transmitirse mediante ondas electromagnéticas. Por ejemplo, un teléfono móvil intercambia mensajes con una emisora de radio, normalmente situada en lo alto de una torre o en un tejado. Para ello se utilizan ondas de diferentes frecuencias; las más bajas viajan más lejos, las más altas requieren antenas más pequeñas y las más altas no se utilizan mucho por el momento.

Las primeras redes celulares eran analógicas. Se convirtieron en digitales con la 2G, que también introdujo los SMS. Con el nuevo milenio, la 3G introdujo la telefonía móvil en el mundo de Internet. Con velocidades de datos mucho más altas y la explosión de los smartphones, el 4G trajo el vídeo en buena definición.

Cada 10 años aproximadamente, llega un nuevo estándar y una nueva generación de teléfonos móviles que transforma el uso; recientemente, fue el 5G.

Desde la llegada de la 2G, se ha producido un aumento exponencial de la cantidad de datos transportados por la red y un incremento masivo del número de objetos conectados (teléfono, televisión, monitorización remota, coches conectados, etc.). Esto es posible gracias a los avances científicos y tecnológicos que han mejorado las "tuberías" por las que circulan los datos. De hecho, los usos absorben todo lo que la tecnología ofrece. Cabe señalar que la parte esencial de esta conectividad proviene de la fibra óptica, de la que no hablaremos.

Las tecnologías de telefonía móvil han proporcionado soluciones eficaces y asequibles para la cobertura de servicios de comunicaciones globales, enlazando lugares remotos, zonas rurales y rutas de transporte por carretera o ferrocarril. De este modo, contribuyen a reducir la brecha digital territorial.

El 5G supone una verdadera disrupción. Nos gustaría señalar un avance científico en su núcleo, pero en realidad se basa en toda una serie de innovaciones. El mundo de la telefonía móvil es un mundo de normas: Funciona porque los operadores se ponen de acuerdo, en un marco llamado 3GPP, sobre las normas que permitirán, por ejemplo, que un paquete de bits pase de tu teléfono en el corazón de Lozère al ordenador de una amiga en su oficina de Río. Para ello es necesario reunir todo un conjunto de avances científicos y técnicos antes de lanzar una nueva norma. Así que el 5G es más bien un cuchillo de múltiples hojas, donde cada hoja es una tecno de 4G, pero mejorada, o una nueva tecno que salió de los laboratorios en los últimos diez años.

Características de la 5G

La 5G permitirá mejoras técnicas principalmente en cuatro direcciones: rendimiento, latencia, densidad y virtualización.

Un aspecto muy visible de las comunicaciones celulares es la cantidad de información intercambiada en una unidad de tiempo: el rendimiento. Si el rendimiento es demasiado bajo, no puedo ver una película, o sólo puedo verla con muy mala calidad. Con el 5G, podemos esperar que el "rendimiento máximo" sea hasta 10 veces superior al del 4G, casi como la fibra ordinaria. De hecho, los rendimientos aumentarán sobre todo gracias a las nuevas frecuencias que la telefonía móvil colonizará con el 5G, que son frecuencias altas entre 1GHz y 6 GHz e incluso frecuencias más altas conocidas como "milimétricas" por encima de 6 GHz.

Pero no soñemos: en la telefonía móvil, las frecuencias se comparten entre los distintos operadores, y para cada operador con las personas que nos rodean: el vecino que está viendo un partido de rugby, la vecina que está pasando la tarde con un videojuego en red, etc. ¿Qué vamos a ver los usuarios? Veremos que la situación mejora en las zonas muy densas donde las redes celulares ya están saturadas o lo estarían a corto plazo sin el 5G. En realidad, no veremos muchos cambios en las zonas de baja densidad que ya están cubiertas por el 4G, tal vez descargas de vídeo más rápidas. Y si vemos una buena mejora en una zona blanca donde no había casi nada, lo más probable es que se deba a la llegada de las redes 4G.

La segunda dirección de mejora es la latencia, es decir, el tiempo de un viaje de ida y vuelta entre el teléfono y el servidor de aplicaciones, que hoy se mide en decenas de milisegundos. Con la 5G, la latencia se medirá en milisegundos. Para ver una película, no importa. Pero para un videojuego, para la realidad aumentada, para la cirugía a distancia, puede marcar la diferencia entre lo posible y lo imposible. El objetivo es que todo el sistema ofrezca una reactividad mucho mayor, combinada con una fuerte garantía de transmisión de mensajes.

La tercera dimensión es la densidad. Hablamos de comunicaciones y servicios de máquina a máquina que requieren un número masivo de objetos con bajo consumo de energía y baja velocidad de datos (la Internet de los objetos). Uno de los objetivos es poder gestionar un millón de objetos por kilómetro cuadrado. En esta dimensión, la 5G compite con las llamadas técnicas 0G, como Sigfox y Lora. Tradicionalmente, para la comunicación de objetos, se distinguía entre los objetos baratos y de gama baja que utilizaban 0G, y los objetos más exigentes que utilizaban 4G. El 5G afirma poder cubrir toda la gama con el mismo estándar.

Pero cuidado, no va a pasar todo en un día. La 5G llega por etapas, porque hay que instalar nuevos componentes de radio en todas partes, pero también porque, para que funcione de forma óptima, habrá que transformar el software de los "núcleos de red".

La eficiencia energética ha sido un objetivo desde el inicio del diseño del 5G. Se anuncia una ruptura con las generaciones anteriores. El objetivo es reducir el coste energético por gigabyte transportado al menos en un factor de diez. Como veremos, esto no impide que tengamos temores legítimos sobre el efecto de esta tecnología en el medio ambiente.

El tema de la seguridad informática es mixto: se tiene más en cuenta que para el 4G, lo que mejora las cosas. Por otra parte, la superficie de los posibles ataques está explotando, como veremos, en particular debido a la ampliación de los aspectos de software de las redes, lo que abre la puerta a otras posibilidades de ataque. De hecho, el control de la seguridad está pasando del hardware al software. Además, esto lleva a la supervisión en tiempo real para detectar y estar preparados para remediar los ataques. El creciente uso de la inteligencia artificial complica la tarea: por un lado, porque el software de las redes basado en esta tecnología tendrá comportamientos más difíciles de predecir, y por otro, porque los propios atacantes podrán apoyarse en la IA. Por otro lado, los sistemas de detección de ataques también pueden incluir IA.

En cuanto a las innovaciones científicas y técnicas en las que se basa la 5G, pueden agruparse en dos clases: radio y software.

Innovaciones técnicas basadas en software

Virtualización

Tradicionalmente, las redes de telecomunicaciones se han basado en máquinas dedicadas: diferentes niveles de routers, cortafuegos, etc. La idea es trasladar esto a arquitecturas de software como las de las plataformas web. La idea es trasladar esto a arquitecturas de software como las de las plataformas web. Se trata, pues, de la convergencia entre los sistemas informáticos y los sistemas de comunicación. Aparte de los elementos puramente electrónicos de la radio, en cuanto pasamos a lo digital, pasamos a una red de máquinas genéricas (de cálculo, almacenamiento y conexión) capaces de realizar todas las diferentes funciones en software. Por ejemplo, en lugar de instalar un router físico que gestione el enrutamiento de los mensajes para una red virtual, se desplegará un router virtual en un ordenador genérico de la red, que podrá configurarse según las necesidades. En lo que respecta a la virtualización de la verdadera funcionalidad de radio, esta convergencia debe relativizarse, ya que, por razones de rendimiento, a menudo hay que recurrir a la aceleración por hardware.

Los servicios de Edge Computing

Los servicios se ubican ahora en centros de datos, a veces lejos de sus usuarios. Esta computación en la nube induce costes de transporte de los mensajes e introduce una latencia incompresible aunque las comunicaciones sean hiperrápidas. La idea es instalar pequeños centros de datos en la red más cerca de los usuarios. Para aplicaciones como el control de máquinas o la realidad aumentada, esto ahorra un tiempo precioso para la detección y el control de eventos.

Network slicing

Una limitación actual de la tecnología celular es la incapacidad de garantizar la calidad del servicio. La fragmentación de la red permite reservar virtualmente una franja de frecuencias para un servicio concreto o, más exactamente, ofrecer una determinada garantía de servicio. En determinadas configuraciones o para ciertos usos con requisitos específicos, el servicio está en posición de monopolio y, por tanto, no tiene que compartir con otros servicios. Cuando se controla a distancia una máquina-herramienta de precisión, por ejemplo, se quiere garantizar un retardo máximo de unos pocos milisegundos entre la orden dada por el conductor y su recepción por la máquina. Esto no puede hacerse en competencia con otros servicios. En ondas milimétricas, la red en cuestión puede ser pequeña, por ejemplo, limitada a un recinto industrial.

Innovaciones técnicas de radio

Con MIMO masivo (entrada múltiple, salida múltiple), cada antena está formada por un gran número de antenas pequeñas. Cada pequeña antena de la estación enfoca las ondas hacia un usuario al que sigue. En concreto, las ondas emitidas por diferentes elementos de la antena se combinan de forma inteligente para que el haz se dirija a un usuario concreto. Así se evita la amplísima pulverización del entorno que hacen las antenas convencionales. Es una tecnología más compleja, pero que ahorrará energía una vez dominada. Y se pueden utilizar varias antenas distantes para la misma comunicación, lo que mejora aún más el enfoque.

El uso de frecuencias más altas, bandas milimétricas como los 26 GHz previstos en Francia. Esto permite aumentar las frecuencias utilizables para las comunicaciones y, sobre todo, llegar a las bandas en las que hay una gran cantidad de frecuencia disponible. El uso simultáneo de diferentes tecnologías y frecuencias. Por ejemplo, ya puedes hacer llamadas desde casa usando el móvil o el wifi (voz sobre wifi). El teléfono tiene que elegir y cambiar de uno a otro es complicado, y hoy en día muy lento. Las futuras generaciones de teléfonos facilitarán ese uso simultáneo de varias tecnologías y frecuencias para mejorar los servicios, por ejemplo evitando caer en un "agujero" al pasar de una a otra.

El modo TDD (Time Division Duplexing)

Se comparten las mismas frecuencias con una división temporal de las fases de subida (del teléfono a la estación) y de bajada (de la estación al teléfono). Esto significa que no hay una elección a priori del reparto de frecuencias entre el tráfico de enlace ascendente y descendente. El mejor uso de las frecuencias es un elemento clave en la utilización de las redes celulares, ya que se trata de un recurso escaso que hay que compartir entre todos los usuarios.

Células pequeñas (small cells)

La tecnología permite el uso de bandas muy altas (por ejemplo, 26 GHz) que están disponibles en cantidades muy grandes. Sin embargo, los mensajes se propagan mucho menos, unos cientos de metros como máximo. Por lo tanto, utilizaremos antenas muy pequeñas (células) en postes de luz, paradas de autobús, etc. Se trata de una tecnología para los centros de las ciudades y los lugares más concurridos, como los estadios o los festivales.

Comunicaciones de terminal a terminal

Permite que los terminales se comuniquen directamente entre sí sin pasar por el sistema del operador. La comunicación puede continuar incluso cuando la red está saturada o funciona mal, por ejemplo en caso de desastre natural o ataque informático.

Radio cognitiva

La idea es poder hacer un mejor uso de las frecuencias, deslizándose temporalmente en frecuencias no utilizadas cuando sea posible.

En cuanto a la radio cognitiva y las comunicaciones de terminal a terminal, aunque estos dos aspectos forman parte de la visión 5G, no parecen estar realmente maduros en esta fase.

Y mañana, 6G

Si ya no es fácil decir lo que será el 5G en proceso de despliegue, resulta francamente surrealista describir una tecnología que aún está en los laboratorios de investigación, el 6G: ¡no somos futurólogos! Por lo tanto, nos limitaremos a presentar las líneas generales. Técnicamente, aunque el objetivo es un rendimiento aún mayor, la 6G aspira a lo más "fino": antenas más pequeñas (células pequeñas) y centros de datos más pequeños (edge). Estaremos permanentemente conectados a la red celular y en los mismos estándares, aunque sea por satélite. La red debe estar a nuestro servicio, nosotros los "humanos", probablemente cada vez más inmersos en un mundo de robots (que individualmente no deseamos necesariamente, pero ese es otro tema); se habla de realidad virtual y aumentada (que está empezando), holografía para reuniones a distancia. Y el 6G también debería permitir un buen seguimiento de los objetos que se mueven a gran velocidad o en entornos complicados.

De hecho, la 6G cumplirá la promesa de la 5G al permitir las comunicaciones entre un número masivo de máquinas de todo tipo (quizás millones por kilómetro cuadrado). Si el 5G ya se ha diseñado pensando en la eficiencia energética, el 6G irá aún más lejos en esa dirección.

Por supuesto, la inteligencia artificial estará hiperpresente, aunque sólo sea porque los sistemas de comunicación y su seguridad se habrán vuelto demasiado complejos para nosotros, los simples humanos.

El 6G solucionará todos los problemas de las redes celulares, podrá hacer de todo, por qué no hacer el café... No se ve muy bien hacia dónde va esto. Bueno, nosotros tampoco. Por eso es esencial seguir todo esto de cerca, porque tendremos que tomar algunas decisiones sociales quizá esenciales sobre temas como el nivel de robotización de nuestras vidas, la seguridad o el medio ambiente.

Serge Abiteboul, Director de Investigación de Inria, miembro de la Academia de Ciencias, Inria y Gérard Berry, Profesor Emérito de Informática, Collège de France.

Este artículo se publica de nuevo en The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.