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Redes densas para redes 5G eficientes energéticamente

Se espera que el tráfico móvil aumente en un factor 1 000 durante la próxima década, pero, si queremos evitar posibles daños y efectos adversos sobre el medio ambiente, esta revolución no debería ir acompañada de un aumento equivalente del consumo energético. Un proyecto financiado por la Unión Europea estudió cómo poder aumentar simultáneamente la capacidad de la red y la eficiencia energética mediante el despliegue de celdas pequeñas y sistemas de antenas de gran escala.
Redes densas para redes 5G eficientes energéticamente
El principal reto al que se enfrenta la próxima generación de sistemas de comunicaciones inalámbricos (5G) es proporcionar un acceso con datos de alta velocidad a múltiples usuarios móviles, al tiempo que se garantiza la calidad del servicio de extremo a extremo. Aunque 5G puede aportar velocidades más elevadas y conectividad ubicua, inevitablemente plantea varios desafíos: el consumo energético y las emisiones de dióxido de carbono aumentan abruptamente a medida que los clientes aumentan su consumo digital.

Los puntos de acceso de celdas pequeñas y la tecnología de antenas múltiples masivas (MIMO) son dos vías prometedoras para lograr despliegues densos de enlaces y pueden mejorar muchísimo la capacidad y la eficiencia energética. En el marco del proyecto DENSE4GREEN (Dense deployments for green networks), los científicos utilizaron herramientas matemáticas avanzadas y desarrollaron nuevos modelos para simular el funcionamiento de este tipo de redes densas y evaluar su resistencia frente a las interferencias.

En primer lugar, los científicos definieron un nuevo modelo del consumo total de energía de redes de celdas pequeñas y MIMO, en el que se incluían todos los componentes analógicos y digitales. A continuación, este modelo sirvió para maximizar la eficiencia energética de la red en función de la densidad de estaciones base, la potencia de transmisión, el número de antenas de estaciones base y de usuarios por celda, así como el factor de reutilización del piloto para la adquisición de canales. Los resultados mostraron que, sin duda, las celdas pequeñas aumentan la eficiencia energética. Sin embargo, la potencia de los circuitos electrónicos no debería superar la potencia de transmisión de la celda. La incorporación de antenas adicionales en MIMO permitió mejorar todavía más la eficiencia energética.

El equipo de DENSE4GREEN desarrolló nuevos algoritmos lineales que permiten minimizar el consumo energético total de la red, teniendo en cuenta los distintos grados de cooperación de las estaciones base, desde ninguna cooperación en absoluto hasta la cooperación completa, y el intercambio de información de estados de canales. La cooperación de las estaciones base se clasificó, además, según si el procesamiento de la banda de base se realiza localmente en estaciones base individuales o en una sola unidad central (procesamiento centralizado y descentralizado).

Otro tema importante fue estudiar el impacto de la movilidad de los usuarios en el consumo energético de la red. Los científicos estudiaron el consumo energético de una red heterogénea en la cual una capa densa de puntos de acceso a celdas pequeñas se superpone con una macrocapa MIMO masiva, utilizando una red de retorno inalámbrica para el tráfico. Los resultados demostraron que, cuando la movilidad de los usuarios alcanza cierto valor crítico, la potencia de los transmisores aumenta rápidamente.

El equipo de DENSE4GREEN también desarrolló un marco para comprender el aspecto que debería tener una red celular diseñada para la máxima eficiencia energética. El análisis muestra que, sin duda, reducir el tamaño de las celdas es la forma de aumentar la eficiencia energética, pero el efecto positivo de aumentar la densidad de estaciones de base deja de aumentar cuando la potencia del circuito domina sobre la potencia de transmisión. Por lo general, la eficiencia energética puede aumentar todavía más añadiendo antenas de estación de base adicionales a fin de multiplexar distintos usuarios por celda, lo cual indica que el despliegue denso de celdas pequeñas y MIMO masivas puede aumentar de forma importante la capacidad de la red y, a la vez, garantizar que el consumo de energía no sea proporcional al volumen del tráfico gestionado.

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Palabras clave

Redes densas, 5G, celdas pequeñas, eficiencia energética, DENSE4GREEN, MIMO masivo
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