Red inalámbrica en malla de banda ancha

Descripción

La conectividad mediante redes de malla inalámbricas de banda ancha (B-WMN) se ha convertido en uno de los aspectos esenciales de la infraestructura de las ciudades inteligentes. A pesar de la amplia disponibilidad de fibra óptica en los entornos urbanos, proporcionar una infraestructura cableada para cualquier servicio digital es una tarea costosa que requiere una planificación cuidadosa y que, a menudo, da lugar a estructuras estáticas e inflexibles. Esto provoca importantes trastornos en la vida de los ciudadanos y supone unos costes elevados a la hora de implementar soluciones de forma rápida y flexible. Las B-WMN pretenden superar estos problemas minimizando o eliminando la necesidad de infraestructura cableada y utilizando las infraestructuras urbanas existentes como plataformas para su despliegue (Egners et al., 2013).

Las B-WMN tienen bajos costes de instalación y mantenimiento y facilitan la conexión a cualquier lugar posible en entornos urbanos o rurales, independientemente de lo complicado que sea llegar hasta allí. Hay varias aplicaciones de las B-WMN, como el hogar digital, el acceso a Internet de banda ancha, la automatización de edificios, los sistemas sanitarios y médicos, y las redes de emergencia y en caso de catástrofes (Salah y Salleh, 2013). Los responsables de obras públicas pueden usar las B-WMN para supervisar el suministro de agua y electricidad instalando una red de malla inalámbrica en alcantarillas, plantas de tratamiento de agua o generadores. Los trabajadores de seguridad pública pueden usar redes virtuales seguras para mantenerse en contacto. Los nodos de malla también se pueden instalar en farolas, semáforos y otros objetos en movimiento, lo que permite que varios dispositivos se conecten a la red de malla en caso de emergencia (BasuMallick, 2022).

La B-WMN es una infraestructura formada por una red de routers que se comunican entre sí de forma inalámbrica a velocidades de gigabit (similares a la fibra óptica). Está compuesta por nodos de radio que no necesitan estar conectados por cable a un puerto como los puntos de acceso inalámbricos convencionales (Parvin, 2019). Las B-WMN han ido ganando cada vez más atención como un medio atractivo para ofrecer conectividad generalizada, complementando el acceso que proporcionan los proveedores de servicios de Internet (ISP) habituales. La topología en malla de las B-WMN ofrece una gran flexibilidad, una fiabilidad de hasta el 99,999 % y una latencia inferior a 2 ms, lo que resulta ideal para aplicaciones en tiempo real que requieren un gran ancho de banda; de este modo, se consigue una infraestructura física que permite conexiones flexibles de enrutamiento y transporte (Matos et al., 2011).

Infraestructura de las B-WMN en zonas urbanas (Cilfone et al., 2019)

Problemas que hay que resolver

Modelo de valor

Ventajas de una red en malla inalámbrica de banda ancha (BABLE, 2022)

Costes de una red de malla inalámbrica de banda ancha (BABLE, 2022)

Contexto de la ciudad

En concreto, una ciudad inteligente se puede modelar como una unión de muchas «subredes», cada una de ellas dedicada a gestionar un aspecto concreto de la supervisión general de la ciudad y que se basa en el uso de varios sistemas de comunicación con tecnologías heterogéneas (Cilfone et al., 2019).

A través de una red de malla inalámbrica de banda ancha (B-WMN), cada nodo se comunica con todos los demás, y cada uno recibe datos de un nodo mientras los reenvía al siguiente. Los factores que deben tener en cuenta las ciudades antes de implementar una B-WMN incluyen:

• Mobiliario urbano: la existencia de mobiliario urbano facilita el despliegue de las redes B-WMN; por ejemplo, farolas y semáforos.
• Línea de visión: Las redes de mallade banda ancha que operan en el rango de ondas milimétricas (incluidos los 60 GHz) requieren un medio de transmisión con línea de visión, lo que significa que los extremos de transmisión y recepción del enlace deben verse entre sí para garantizar la transmisión. Los árboles, edificios y otros obstáculos entre los extremos de transmisión y recepción reducirán la fiabilidad o eliminarán por completo la conectividad del enlace. Por eso, es esencial planificar bien la línea de visión entre emplazamientos antes de empezar a construir (Perrin, 2020).
• Condiciones climáticas: varían de una región a otra y la topografía cambia de una ruta a otra. Por eso, hay que planificar bien la ubicación para entender las limitaciones que pueda haber según el contexto local.
• Normas y reglamentos: Hay que revisar las normas establecidas por las autoridades centrales y los organismos reguladores competentes para garantizar su cumplimiento.

Factores de apoyo

Entre los factores que favorecen las redes B-WMN se incluyen:

• Facilidad de despliegue: con acceso a la red eléctrica y a los postes, la instalación in situ y la puesta en marcha se pueden realizar en menos de 30 minutos, en comparación con los meses que lleva instalar nueva fibra u otras formas de redes cableadas
• Mejor acceso a los datos: red de datos escalable que permite WiFi, LTE/5G privado y acceso inalámbrico fijo
• Mejor detección: cámaras, sensores para la salud y el medio ambiente, gestión del tráfico, etc.
• Mejor transporte de datos: redes de transporte en superficie
• Aplicaciones en un futuro próximo: vehículos autónomos y redes de drones para la atención predictiva

Iniciativas gubernamentales

Entre las iniciativas gubernamentales que apoyan la implantación de tecnologías que permiten la conectividad de alta velocidad y el acceso digital se incluyen:

• La Estrategia Digital de la UE: la estrategia de la Comisión Europea para dar forma al futuro digital de Europa. Durante los próximos cinco años, la Comisión se centrará en tres objetivos clave para garantizar que las soluciones digitales ayuden a Europa a trazar su propio camino hacia una transformación digital que beneficie a las personas. Estos son: 1) Desarrollar e implantar tecnología que sirva a las personas 2) Una economía justa y competitiva: un mercado único sin barreras en el que empresas de todos los tamaños y de cualquier sector puedan competir en igualdad de condiciones; 3) Una sociedad abierta, democrática y sostenible: un entorno de confianza en el que los ciudadanos tengan control sobre cómo actúan e interactúan, así como sobre los datos que facilitan tanto en línea como fuera de línea (Comisión Europea).
• Programa «Europa Digital»: el nuevo programa de financiación de la UE centrado en llevar la tecnología digital a las empresas, los ciudadanos y las administraciones públicas. Su objetivo es acelerar la recuperación económica y dar forma a la transformación digital de la sociedad y la economía europeas, aportando beneficios a todo el mundo, pero sobre todo a las pequeñas y medianas empresas. Este programa apoya proyectos en cinco áreas clave de capacidad: supercomputación, inteligencia artificial, ciberseguridad, competencias digitales avanzadas y la garantía de un amplio uso de las tecnologías digitales en toda la economía y la sociedad, incluso a través de los Centros de Innovación Digital (Comisión Europea).
• Iniciativa «Internet de la Próxima Generación» (NGI): Una iniciativa europea que busca dar forma al futuro de Internet como un ecosistema de plataformas interoperables que encarne los valores que Europa aprecia: apertura, inclusividad, transparencia, privacidad, cooperación y protección de datos (Comisión Europea). La NGI impulsará la revolución tecnológica y garantizará la adopción progresiva de conceptos y metodologías avanzados que abarcan los ámbitos de la inteligencia artificial, el Internet de las cosas, las tecnologías interactivas y mucho más, al tiempo que contribuirá a que la Internet del futuro esté más centrada en las personas.
• La estrategia de banda ancha de la UE: La Comisión Europea está apoyando a las empresas, los gestores de proyectos y las autoridades de la UE para ampliar la cobertura de red y alcanzar los objetivos de la «Sociedad Gigabit» de la UE. «Broadband Europe» promueve la estrategia de la Comisión sobre conectividad para una «sociedad gigabit europea» para 2025, así como la visión establecida por la «Década Digital para Europa» para la transformación digital de Europa de aquí a 2030, con el fin de conectar a los ciudadanos y las empresas europeas mediante redes de muy alta capacidad, lo que permitirá ofrecer productos, servicios y aplicaciones a todos los ciudadanos y empresas de toda la UE (Comisión Europea).

Mapeo de las partes interesadas

Mapa de partes interesadas de un sistema B-WMN (BABLE, 2022)

Potencial del mercado

El mercado mundial de ciudades inteligentes se valoró en 392.9 mil millones de dólares en 2019 y se prevé que alcance los 1380.21 mil millones de dólares en 2030, con una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) del 12,1 % entre 2020 y 2030 (NMSC, 2022). Las ciudades y los ciudadanos exigen una mejor conectividad. La red WMN, como solución para ciudades inteligentes —que consiste en una red de comunicación distribuida entre varios nodos de malla inalámbrica—, satisface esta demanda. Estas tecnologías de red ofrecen una ventaja significativa frente a las redes inalámbricas tradicionales, ya que no necesitan cables Ethernet ni ningún tipo de cableado físico, salvo en el nodo de origen. La red de malla inalámbrica se configura automáticamente, lo que permite integrar nuevos nodos de malla de forma automática sin necesidad de administrar la red. (Global Market Insights, 2019).

El tamaño del mercado de las redes de malla inalámbricas superó los 2.000 millones de dólares en 2019 y se prevé que crezca a una tasa compuesta anual (CAGR) superior al 15 % entre 2020 y 2026. El crecimiento del mercado se debe a la creciente adopción de las redes de malla inalámbricas, gracias a sus capacidades de red fiables, como una transmisión de datos más rápida y un despliegue de la red más sencillo (Global Market Insights, 2019).

Potencial de mercado (Global Market Insights, 2019). Imagen modificada por BABLE.

Estructura de costes

Según Heavy Reading (Perrin, 2020), la banda de 60 GHz sale bien parada frente tanto a la fibra hasta el hogar (FTTP) como a las opciones de espectro de ondas milimétricas con licencia, aunque el coste del equipo en sí no es el factor principal en ninguno de los dos casos. En cuanto a las instalaciones de FTTP, Ovum calcula que, en países con mano de obra cara, los costes de construcción de la red pueden suponer el 80 % o más del coste total de la red FTTP. Por ejemplo, los datos de la Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU. (FCC) sobre los costes de construcción de fibra por milla varían mucho, desde 20 000 dólares hasta más de 100 000 dólares, dependiendo de si la fibra es aérea, se instala en conductos ya existentes o se trata de una construcción totalmente nueva. Aun así, Heavy Reading cree que la mayoría de las decisiones entre fibra y ondas milimétricas no se basarán en un análisis de costes.

Más bien, los operadores optarán por las ondas milimétricas cuando la fibra simplemente no sea una opción o cuando la rapidez de comercialización sea un factor clave. Como se ha señalado anteriormente, los proyectos de instalación de fibra pueden durar desde varios meses hasta incluso años, teniendo en cuenta los plazos para obtener los permisos y la aprobación municipal. Al comparar las bandas de espectro sin licencia de 60 GHz con las de ondas milimétricas con licencia, las diferencias en el coste de los equipos quedan eclipsadas por el factor de coste más importante a la hora de utilizar el espectro con licencia: el coste de las propias licencias. Las subastas del espectro de 24 GHz y 28 GHz en EE. UU. generaron 2.7 mil millones de dólares en ingresos, principalmente de operadores móviles de primer nivel (Perrin, 2020).

La estructura de costes asociada al despliegue de una red de malla inalámbrica de banda ancha se muestra en la siguiente figura:

Estructura de costes para el despliegue de una B-WMN (BABLE, 2022)

Modelos operativos

Modelos operativos para las redes de gestión empresarial (Egners, 2014). informo

Requisitos legales

• Directiva 2013/752/UE: El objetivo principal de este documento normativo es limitar los niveles de potencia de transmisión para garantizar que no interfieran con otros equipos inalámbricos. En el caso de los dispositivos de corto alcance que operan en la banda de 57 GHz a 66 GHz, están limitados a 40 dBm de potencia isotrópica radiada equivalente (EIRP) y a densidades de EIRP de 13 dBm/MHz. Las instalaciones fijas en exteriores están exentas de cumplir estas restricciones. Además, se garantizará que estos dispositivos de corto alcance no se conviertan en una fuente grave de interferencias para los enlaces de backhaul en la banda de 57 GHz a 64 GHz.
• ECC/REC/(09)01: El Comité de Comunicaciones Electrónicas (ECC), dependiente de la Conferencia Europea de Administraciones Postales y de Telecomunicaciones (CEPT), ofrece algunas recomendaciones sobre el uso de la banda de frecuencias de 57-64 GHz para sistemas inalámbricos fijos punto a punto. También establece los requisitos de potencia isotrópica radiada equivalente (EIRP) para los sistemas fijos punto a punto que operan en este rango de frecuencias.
• ETSI EN 302 217-2: Norma europea armonizada para sistemas de radio fijos; características y requisitos para equipos y antenas punto a punto; sistemas digitales que operan en bandas de frecuencia de 1,3 GHz a 86 GHz; y normas armonizadas que cubren los requisitos esenciales del artículo 3.2 de la Directiva 2014/53/UE.
• Reino Unido: En 2010, la Oficina de Comunicaciones del Reino Unido (OFCOM) aprobó el uso sin licencia del espectro de 57-64 GHz. Aunque la asignación del espectro sigue la norma de la Comisión Federal de Comunicaciones (EIRP máxima de +55 dBm), la potencia conducida máxima de +10 dBm y la ganancia mínima de la antena de +30 dBi se basan en la norma europea del ETSI.

Datos y normas

• Estándar WiGig: También se conoce como Wi-Fi de 60 GHz y hace referencia a un conjunto de protocolos de red inalámbrica de 60 GHz. Incluye los estándares IEEE 802.11ad e IEEE 802.11ay. La especificación WiGig permite que los dispositivos se comuniquen sin cables a velocidades de varios gigabits. Permite aplicaciones inalámbricas de datos, vídeo y audio de alto rendimiento que amplían las capacidades de los dispositivos LAN inalámbricos anteriores.
• Estándar WirelessHD: También se conoce como UltraGig y es un estándar propietario de Silicon Image (antes SiBeam) para la transmisión inalámbrica de contenido de vídeo de alta definición en productos de electrónica de consumo. Se basa en un canal de 7 GHz dentro de la banda de radio de frecuencia extremadamente alta (EHF) de 60 GHz. Permite la transmisión digital, ya sea ligeramente comprimida (mediante un códec propietario adaptado al enlace inalámbrico) o sin comprimir, de señales de vídeo, audio y datos de alta definición, lo que lo convierte, en esencia, en el equivalente a un HDMI inalámbrico.
• IEEE 802.15.3c: El primer estándar inalámbrico del IEEE en la banda de 60 GHz (ondas milimétricas). Ofrece tres modos de capa física (PHY) para segmentos específicos del mercado, con velocidades de datos obligatorias que superan 1 Gb/s. Durante el proceso de desarrollo del estándar, también se realizaron nuevas aportaciones a la tecnología de comunicación inalámbrica, entre las que se incluyen un nuevo modelo de canal, un esquema de formación de haces basado en un libro de códigos y un método de agregación de baja latencia.
• Especificaciones del ISG del ETSI para la transmisión de ondas milimétricas (MWT): El Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones ha publicado varios libros blancos y especificaciones de grupo, y ha analizado las normativas mundiales para la banda V (de 57 a 66 GHz) y la banda E (de 71 a 86 GHz), así como la madurez tecnológica, las aplicaciones y los casos de uso de la transmisión por ondas milimétricas.