La plataforma desarrollada por el proyecto europeo 5G-Clarity permite mejorar las redes privadas 5G para impulsar su adopción en fábricas y lugares privados, como estadios o centros de transporte. La plataforma se caracteriza por ser multibanda y multitecnológica; con capacidad para unificar la infraestructura de localización y comunicación; además de ofrecer una gestión de red basada en la interacción, y habilitación de modelos de servicio como servicio (SaaS). De esta forma, se consigue una baja latencia, una mayor capacidad de área, confiabilidad, posicionamiento preciso y capacidades de sincronización en las redes 5G privadas.
La red privada 5G del proyecto 5G-Clarity combina diversas tecnologías, que permiten generar una red de acceso inalámbrico heterogénea, combinando las tecnologías celular R16, wifi y LiFi; así como crear una gestión basada en los principios de redes definidas por software (SDN) y de virtualización de funciones de red (NFV). Esta gestión funciona con algoritmos de inteligencia artificial (IA), que permitirá automatizar la red 5G.
La arquitectura de la plataforma 5G-Clarity tiene la capacidad de proporcionar una implementación dinámica de los servicios de conectividad tanto en el interior del edificio, dirigidos al propietario, como en los operadores de las redes móviles (MNO), que atienden a los clientes dentro del lugar.
Estratos de la plataforma 5G-Clarity
En la arquitectura se pueden apreciar cuatro estratos diferentes: infraestructura; funciones de red y aplicaciones; gestión y orquestación; e inteligencia. El primer estrato, infraestructura, consiste en la infraestructura física, incluidos los puntos de acceso (AP) wifi, LiFi y cabezales de radio 5GNR, así como servidores COTS para sostener las funciones de radio, núcleos y aplicación 5G basadas en software.
Por su parte, el estrato de funciones de red y aplicación integra todas las funciones de aplicación y red virtual en los dominios RAN, Core y edge, necesarias para crear una instancia de una red 5G-Clarity.
En el tercer estrato de gestión y orquestación se incluye un conjunto de funciones de gestión (MF) utilizadas para configurar los segmentos de red sobre la infraestructura física y virtual de 5G-Clarity. Por último, el estrato de inteligencia contiene una funcionalidad adicional para exponer una interfaz simplificada basada en la intención hacia el operador de red privada.
Gracias a estos cuatro estratos, se consiguen las funcionalidades necesarias para ofrecer capacidades novedosas en términos de multiconectividad, posicionamiento, gestión basada en intenciones y modelos de prestación de servicios público-privados.
Pilotos en una fábrica y un museo
La plataforma 5G-Clarity se ha desarrollado en un marco de conectividad que proporciona dos nuevos servicios de conectividad. Por un lado, un servicio eMBB multitecnología, mediante el cual un dispositivo, que incluye interfaces 5GNR, wifi y LiFi, agrega la capacidad de todas las redes de acceso inalámbrico en una única tubería de datos.
Por otro lado, un servicio URLLC multitecnología, es un dispositivo con interfaces 5GNR, wifi y LiFi que puede reducir la latencia y aumentar la confiabilidad al transmitir datos en paralelo a través de todas las tecnologías inalámbricas. Para comprobar la efectividad de la nueva plataforma, el proyecto 5G-Clarity se implementó y demostró en dos proyectos diferentes: piloto de industria 4.0 y piloto turismo inteligente.
En el piloto de industria 4.0, la plataforma se implementó de forma centralizada en la fábrica de Bosch en Aranjuez (España). En este caso, todos los componentes de la plataforma se desplegaron in situ en el mismo rack. Mientras, el piloto de turismo inteligente se desarrolló en el Museo M-Shed en Bristol (Reino Unido), donde la plataforma se desplegó de forma distribuida, con solo los elementos RAN ubicados en el museo y el resto de los componentes ubicados en un nodo de borde en la Universidad de Bristol.
En cada uno de los espacios se utilizaron diferentes configuraciones de 5GNR y wifi. En el museo se aplicó una portadora 5GNR de 100 MHz y una portadora Wi-Fi 6 de 160 MHz, mientras que en la fábrica se utilizó una portadora 5GNR de 40 MHz y una portadora Wi-Fi 6 de 80 MHz.
En las pruebas, se pudo apreciar que el Wi-Fi 6 sobresalía en términos de velocidad de datos cuando estaba cerca de la ubicación del punto de acceso (AP), pero su rendimiento se degrada rápidamente con la distancia. Para 5GNR, en cambio, se observó un rendimiento consistente, casi plano, en todas las ubicaciones de los entornos de museos y fábricas con una capacidad determinada por el ancho de banda del operador disponible y el patrón TDD utilizado.
En el caso de la tecnología LiFi, la capacidad está espacialmente confinada dentro el cono de luz, que demuestra el potencial de LiFi en términos de reutilización espacial del espectro de luz y, por tanto, de capacidad de área (impulsando la densificación de la red inalámbrica a nuevos niveles), así como de seguridad.
La velocidad de datos disponible en el sistema LiFi implementado en los pilotos es limitada debido al uso de una generación de productos anterior a 802.11bb. Con la ratificación y aprobación total de IEEE 802.11bb, se espera que los puntos de acceso LiFi alcancen capacidades de enlace descendente de alrededor de 300 Mbps.
Como resultado, al agregar todas las redes de acceso usando MPTCP se pudo observar una capacidad de enlace descendente que corresponde aproximadamente a la suma de las capacidades 5GNR y Wi-Fi 6, lo que resulta en un sólido desempeño del servicio eMBB en todo el conjunto de área de cobertura.
El potencial de agregar redes de acceso 5GNR, wifi y LiFi
Con base en los resultados obtenidos en los dos proyectos piloto, los investigadores llegaron a la conclusión de que incorporar redes de acceso 5GNR, wifi y LiFi dentro de un sistema común para redes privadas puede agregar un valor significativo a las industrias verticales que requieren nuevos servicios de posicionamiento, URLLC y eMBB.
Asimismo, los investigadores analizaron algunas de las buenas prácticas aprendidas a través de la integración de las tecnologías 5G-Clarity en los dos proyectos piloto, las cuales ayudarán a ampliar el uso del 5G en las redes privadas en otros proyectos de I+D. Algunas de estas conclusiones fueron que el uso de open5gs en el momento de las pruebas proporcionó una mayor estabilidad de las redes centrales 5GSA y que podría afrontar un mejor rendimiento de radio disponible.
Para disponer de dispositivos compatibles con 5GSA, los pilotos del proyecto requirieron el desarrollo de equipos personalizados en las instalaciones del cliente, que incluyeran un kernel Linux compatible con MPTCP. Esto requirió integrar dongles 5G conectados por USB, para lo cual se encontró que Quectel RM500Q era el mejor modelo cuando se probó con las radios Nokia y Amarisoft disponibles en el proyecto. Se descubrió que algunos de los adaptadores M2 a USB utilizados para conectar los módulos Quectel a los CPEs degradaban el rendimiento de la radio.
Por último, debido a la falta de madurez en el ecosistema ORAN, los desarrollos del proyecto encontraron problemas de rendimiento al integrar una pila ORAN multiproveedor considerada para los pilotos. Debido a estos problemas, en las pruebas finales se utilizaron soluciones 5G RAN integradas.
Liderado por el Instituto Leibniz de microelectrónica de alto rendimiento (IHP) en Alemania, el consorcio ha contado con la colaboración de 13 entidades procedentes de Bélgica, España, Reino Unido e Irlanda. La participación española estaba representada por Bosch España, Fundació i2CAT, Telefónica investigación y desarrollo y la Universidad de Granada.
Para desarrollar la plataforma 5G-Clarity, el consorcio ha contado con una financiación de 5.744.885 euros, íntegramente financiados por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, y cuatro años de ejecución (noviembre de 2019-febrero de 2023).
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