Tecnología de redes celulares de celdas pequeñas: tendencia clave de IoT/5G para 2023 y más allá

Una tendencia clave de mediados de década para las redes celulares 5G es el cambio hacia el uso de estaciones pequeñas y de baja potencia como nodos en la red celular. Estos nodos celulares se conocen como celdas pequeñas y forman un cambio marcado con respecto a las torres celulares más grandes tradicionales y las estaciones base (conocidas como macroceldas) que generalmente brindan cobertura celular en un área amplia.

Aunque  la tecnología de celdas pequeñas no es nueva, se está volviendo más prominente en la infraestructura de redes celulares y está cada vez más orientada al consumidor y adaptada para una amplia gama de aplicaciones de redes novedosas. Proporcionará a los operadores de red no solo la capacidad de proporcionar conectividad de baja latencia a través de las redes, sino que también satisfará la creciente demanda de aplicaciones de IoT. Por lo tanto, hay prisa por aumentar la densidad de la provisión de red actual con estos nuevos dispositivos de radio más pequeños. La tecnología de celdas pequeñas también es un medio por el cual es probable que las redes celulares 5G se vuelvan cada vez más descentralizadas, con modelos de redes peer-to-peer cada vez más prominentes.

Este compendio analizará qué son las celdas pequeñas, la demanda de redes celulares de celdas pequeñas, las aplicaciones clave y los requisitos de antena para celdas pequeñas.

¿Qué son las celdas pequeñas?

La celda pequeña es un término clave utilizado para describir una clase de equipos de radiocomunicaciones físicamente compactos y de baja potencia que son capaces de funcionar como una estación base. Al igual que las macroceldas convencionales, las celdas pequeñas pueden ofrecer transmisión de ondas milimétricas con tecnologías MIMO y de formación de haces a menor escala.

Estos nodos de acceso de radio se utilizan para proporcionar cobertura de telefonía celular e Internet móvil dentro de su área inmediata. Se pueden utilizar con partes del espectro radioeléctrico con o sin licencia y varían en la distancia recorrida, que suele no superar los pocos cientos de metros en comparación con una macrocélula estándar.

La prestación de servicios de una célula pequeña está muy localizada. Esto significa que se utilizan para proporcionar áreas de cobertura focalizadas, por ejemplo, dentro de un edificio o áreas exteriores contenidas. Se pueden utilizar múltiples celdas pequeñas para distribuir mejor la cobertura dentro de una red celular, aumentando su capacidad y calidad de conexiones en un área específica. Las celdas pequeñas requieren backhaul, que puede ser cableado, inalámbrico o de fibra, así como conexiones de energía que determinarán su ubicación y agregarán gastos a una instalación.

¿En qué se diferencian las celdas pequeñas de los potenciadores celulares?

Los potenciadores celulares y las celdas pequeñas no son lo mismo, aunque ambos pueden usarse para mejorar la cobertura celular en un área específica. Los amplificadores celulares son repetidores de señal celular que constan de una antena donante, un amplificador y una antena interior que retransmite una señal celular que se adquiere y amplifica desde el exterior. Las celdas pequeñas son estaciones base miniaturizadas que generan su huella celular en lugar de retransmitir una señal existente.

Tipos de celdas pequeñas

Hay muchos tipos de celdas pequeñas. Las celdas pequeñas generalmente se clasifican por tamaño, capacidad y aplicación. También se pueden clasificar según su volumen y nivel de potencia transmitida. Por ejemplo, una celda pequeña de rango medio tiene un volumen de entre 5 y 15 litros y es capaz de una potencia de transmisión de hasta 12W. Estos son algunos de los principales tipos de celdas pequeñas disponibles comercialmente:

• ¿Qué es una femtocelda? Las femtoceldas son las celdas pequeñas más pequeñas (del tamaño de la palma de la mano) disponibles y proporcionan conectividad celular hiperobjetivo en un área pequeña con backhaul inalámbrico. Su cobertura típica es de entre 32 y 164 pies (10 a 50 metros). También consumen menos energía (110 milivatios) y ancho de banda que otras celdas pequeñas y se utilizan como soluciones de bajo impacto y baja huella que pueden complementar la cobertura donde existe un backhaul de red. Las femtoceldas de consumo se pueden usar en el hogar para proporcionar cobertura celular completa para llamadas telefónicas. También se pueden utilizar en oficinas pequeñas para proporcionar cobertura celular de banda ancha al personal y, por lo general, cubren entre 8 y 16 usuarios. Las femtoceldas utilizarán el ancho de banda existente para proporcionar su cobertura, por lo que la calidad de la conectividad de banda ancha disminuirá si se realiza una llamada telefónica.

• ¿Qué son las picoceldas? Las picoceldas son estaciones base ligeramente más grandes que las femtoceldas, aproximadamente del tamaño de una resma de papel A4. Proporcionan un área de cobertura más grande que las femtoceldas (hasta 200 metros / 656 pies) y utilizan más energía (250 milivatios) y ancho de banda. Por lo general, se instalan en edificios o aviones para proporcionar cobertura o aumentar la capacidad de la red en áreas de alto tráfico donde el uso de teléfonos y dispositivos es alto. Son ventajosas donde es difícil lograr la cobertura de macroceldas y cada picocelda puede ser utilizada por hasta 70 dispositivos. Las picoceldas se conectan a un controlador de estación base (BSC) que administrará la transferencia de datos entre la picocelda y el centro de conmutación o puerta de enlace más cercano a través de una conexión por cable o de fibra. Las Picoceldas están más integradas con las macroceldas y mejoran la capacidad de datos móviles donde existe cobertura de red.

• ¿Qué es una microcelda? Las microceldas son otra solución para agregar capacidad a un área con cobertura celular existente y se pueden usar indistintamente con las picoceldas. Estas torres celulares miniaturizadas son un poco más grandes que las picoceldas y pueden alcanzar una cobertura de hasta 2 kilómetros (1,2 millas) con un backhaul cableado o de fibra. La potencia (de 2 a 5 vatios) de la microcelda determinará su cobertura, que puede utilizarse en centros comerciales, estaciones y estadios. Las microceldas se pueden utilizar exclusivamente para formar redes con traspaso entre celdas individuales. Las microceldas son más caras que las femtoceldas y las picoceldas y suelen utilizarse en entornos comerciales.

• ¿Qué son las Metroceldas? Las metroceldas son estaciones base compactas que se distribuyen en entornos exteriores en áreas urbanas para mejorar la capacidad, la velocidad y la calidad del servicio de las redes celulares comerciales. Son instalados por compañías de telefonía celular y operan principalmente en el espectro que require licencia. Su tamaño más pequeño permite que las metroceldas se monten discretamente en farolas, marquesinas de autobuses o paneles publicitarios y otras estructuras urbanas. Las metroceldas están diseñadas para proporcionar un nivel específico de cobertura especificado por el operador de la red. Son monitoreados y administrados por el operador para garantizar que proporcionen una baja latencia y una cobertura sin interferencias de hasta 200 metros (328 pies).

Las celdas pequeñas se pueden utilizar como:

• Estaciones base domésticas (Home BS): Celdas pequeñas que se utilizan en el entorno doméstico.

Estaciones base de área local (Local Area BS): Son soluciones de redes celulares empresariales diseñadas para oficinas y otros entornos comerciales. Pueden dar servicio al público en general que pasa por ambientes interiores como estaciones de tren o autobús.

• Estaciones base de alcance medio (Medium Range BS): Estas estaciones base proporcionan una cobertura extendida y están conectadas en red para su uso en áreas rurales o remotas como aldeas. Dependiendo del diseño de la estación base, estas estaciones base pueden desplegarse rápidamente en una situación de emergencia o desastre.
• Sistemas en edificios (IBS): Un sistema en un edificio está diseñado para proporcionar cobertura celular en un edificio.

También es posible conectar en red celdas pequeñas como nodos dentro de un  sistema de antenas distribuidas, con cada celda pequeña dentro del sistema proporcionando una zona de cobertura individual de baja potencia. La cobertura equivalente de todos los nodos coincidiría con una macrocelda sin el espacio y la infraestructura necesarios para construir una gran torre de telefonía móvil. Las instalaciones de celdas pequeñas pueden ser tanto móviles como estacionarias, y las celdas pequeñas se utilizan cada vez más a bordo de aviones, barcos y trenes.

¿Por qué son importantes las celdas pequeñas?

Aumento de la demanda de los usuarios finales

Las celdas pequeñas están aumentando en prevalencia para satisfacer la creciente demanda de conectividad móvil. Esto se debe principalmente al teléfono inteligente, que representa más del 50% de las conexiones de redes celulares a nivel mundial. Los teléfonos inteligentes también son responsables de un mayor uso de dispositivos celulares en interiores (ahora más del 80% del uso móvil) con un mayor consumo de datos por dispositivo.

Dado que los teléfonos inteligentes y las computadoras portátiles son grandes consumidores de datos, requieren una conexión de banda ancha móvil de calidad. Sin embargo, las velocidades de datos más altas solo se logran si se está cerca de las antenas de la estación base de la red.

Necesidad de una cobertura interior robusta

Aumentar la cobertura en interiores es un enigma para los operadores de red porque las mejoras en el aislamiento y el acristalamiento de los edificios han reducido la penetración de la señal celular en los edificios. Se ha demostrado que la atenuación de la señal celular es mayor en los edificios más nuevos y mejor aislados. Por lo tanto, las celdas pequeñas se ven favorecidas como una solución para mejorar la cobertura en edificios, ya que se pueden implementar dentro de los edificios para proporcionar directamente la cobertura requerida.

En entornos comerciales o edificios públicos, se requieren celdas pequeñas para proporcionar la calidad de servicio que el público demanda. A medida que el uso de dispositivos móviles en interiores aumente a más del 90% a mediados de la década, las celdas pequeñas aumentarán de manera similar en número y distribución.

Una alternativa de bajo impacto a la macrocelda

Las celdas pequeñas también son discretas, lo que significa que es probable que puedan instalarse en lugares donde una macrocelda no obtendría el permiso de planificación. Su bajo tamaño significa que pueden instalarse cerca de edificios de interés cultural o histórico, siendo respetuosos con el entorno circundante. Las celdas pequeñas son ventajosas para los planificadores urbanos, ya que generalmente se montan a una altura no superior a 45 pies, en comparación con las torres celulares que pueden alcanzar los 200 pies de altura. Los planificadores parecen favorecer la infraestructura de celdas pequeñas, ya que puede mezclarse con el entorno circundante y proporciona un servicio localizado eficiente. Esto permite que los despliegues de la red celular continúen con poca demora administrativa por parte del gobierno local.

Un panorama regulatorio cambiante

Como módulos de acceso por radio de baja potencia, las celdas pequeñas están sujetas a regulaciones nacionales e internacionales. En la actualidad, el enfoque de la regulación de las células pequeñas no está armonizado a nivel mundial porque los despliegues de celdas pequeñas son en gran medida ad hoc y carecen de un enfoque uniforme. El despliegue de 5G ha puesto el tema en primer plano, ya que las celdas pequeñas son un componente clave de las redes celulares 5G, lo que les permite alcanzar la capacidad de red requerida, en particular para la conectividad IoT. La red 5G será heterogénea o una red hetnet, que consistirá en una cobertura de área amplia proporcionada por macroceldas, así como focos de cobertura localizada específica a nivel de celdas pequeñas. Los procesos regulatorios y administrativos y los límites de exposición a RF para el desarrollo de nuevos sitios celulares se basan actualmente en la evaluación de los requisitos de las macroceldas en lugar de las celdas pequeñas, lo que casi con certeza requerirá una revisión de sus requisitos de registro.

Implementación rápida y sencilla

El hardware de celda pequeña está diseñado para una implementación rápida y fácil con hardware compacto que se puede montar fácilmente en ubicaciones discretas y de espacio limitado. Esto significa que el despliegue de celdas pequeñas dentro de una red en particular se puede completar a gran velocidad.

Antenas de celdas pequeñas para redes celulares peer-to-peer y privadas

Los dispositivos de radio de celdas pequeñas ya se están utilizando para proporcionar  cobertura 3G y 4G/LTE para redes celulares privadas. La expansión de las redes celulares privadas en la  era 5G ha abierto el potencial para la creación de una red 5G peer-to-peer que utiliza celdas pequeñas de propiedad privada como puertas de enlace.

El ejemplo más maduro de esta forma de red 5G de código abierto es la asociación entre FreedomFi y Nova Labs (Helium Network).

Nova / Helium 5G proporcionará una red nacional de pasarelas de redes celulares de propiedad privada que operan en la banda de frecuencia del Servicio de Radio de Banda Ancha Ciudadana (CBRS). Esta red peer-to-peer de nodos celulares estará disponible para el uso de aplicaciones de IoT y la descarga de las redes de los operadores. Los participantes privados en la red pueden comprar hardware de puerta de enlace que se puede conectar a una celda pequeña para proporcionar una parte de la cobertura celular de la red. Luego, al propietario de la puerta de enlace se le paga en una criptomoneda propietaria por proporcionar tiempo de actividad de la red.  Las pasarelas Nova / Helium 5G funcionan con femtoceldas, picoceldas o microceldas de banda CBRS adecuadas. La calidad de la celda pequeña y cualquier antena celular externa que esté conectada determinará el rendimiento de la puerta de enlace y su potencial de ganancias.

Nuevas antenas para celdas pequeñas

La selección de la antena es clave para el rendimiento de una solución de red celular basada en celdas pequeñas. Afectan no sólo a la calidad de la cobertura lograda, sino también al número de celdas pequeñas necesarias, así como al costo total de implementación, incluido el alquiler y el mantenimiento continuos del sitio. Las radios de celda pequeña vendrán equipadas con una antena interna, que es la antena predeterminada y se usa de manera rutinaria para su conveniencia. Sin embargo, un enfoque más perspicaz para la selección de antenas podría reducir sustancialmente el número de emplazamientos de celdas pequeñas.

Los operadores de red y los proveedores de redes celulares más pequeños buscan antenas que cumplan con los diferentes requisitos de uso que se encuentran en una implementación de celdas pequeñas 4G o 5G. Las soluciones de antenas para celdas pequeñas deben adquirirse fácilmente y ser simples. Las antenas utilizadas suelen ser antenas de panel (direccionales) u omnidireccionales.

Los diseños de las antenas se seleccionan para que el impacto visual sea mínimo. Los diseños discretos incluyen botes cilíndricos y antenas omnidireccionales para iluminación y antenas y paneles Yagi cubiertos en centros comerciales y estadios.

Para los operadores de redes, la prioridad a la hora de elegir antenas para celdas pequeñas, además de cumplir con los objetivos de capacidad y diseño de RF, es la capacidad de escalar las instalaciones de celdas pequeñas y reducir el tiempo de ciclo y los costos continuos.

Antenas externas para redes de celdas pequeñas

La antena interna de un sitio de celdas pequeñas está encerrada dentro del dispositivo de radio, para una huella reducida que facilita la adquisición de ubicaciones y permisos de planificación para instalaciones discretas en mobiliario urbano en áreas donde se necesita una mayor capacidad. La antena incluida con una celda pequeña es indudablemente de menor ganancia que las antenas externas y también de inclinación fija que no se puede ajustar. Sin embargo, las radios de celda pequeña proporcionan los medios para la conexión de una antena externa compatible, generalmente a través de un conector SMA. Una antena externa tendrá una ganancia más alta y también proporcionará una inclinación variable, lo que significa que la antena se puede ajustar manualmente para concentrar el área del haz hacia abajo para mejorar el rendimiento de datos en un área con uso denso. Debido a que las antenas externas se pueden seleccionar y montar con más discernimiento y ajustes donde sea necesario, la cobertura de celdas pequeñas lograda puede hacer frente a un mayor rendimiento y velocidades de datos con menos interferencias.

Como uno de los principales distribuidores de antenas de celdas pequeñas del suroeste, entendemos que la calidad de la antena es fundamental para el despliegue de una celda pequeña.

La elección de la antena interna o externa para la instalación de células pequeñas puede afectar a la implementación de la red celular de varias maneras:

• Nuestras antenas de calidad están construidas con los más altos estándares de fabricación y, por lo tanto, es menos probable que se vean afectadas por defectos y deficiencias que, en el mejor de los casos, comprometan la calidad del servicio y, en el peor, puedan causar fallas en la red y costosos tiempos de inactividad. A través de una gran red con miles de antenas, incluso una tasa de falla del 1% puede costar cientos de miles de dólares en visitas al sitio.
• El amplio inventario de antenas celulares de Data Alliance  proporciona el rendimiento constante que necesitan los usuarios finales y los dispositivos IoT. El material y la fabricación duraderos significan que nuestras antenas celulares para exteriores pueden soportar los desafíos de cada temporada mientras mantienen un rendimiento ejemplar.

Explore nuestro inventario o póngase en contacto con nosotros directamente por teléfono o correo electrónico para averiguar cómo podemos ayudarle a lograr una implementación exitosa de celdas pequeñas a cualquier escala.