Tras haber presentado en nuestro capítulo introductorio una visión general de la E-band (60 a 90 GHz), es momento de adentrarnos con mayor detalle en una de sus porciones más interesantes y versátiles: la banda de 60 GHz.

Esta banda milimétrica, situada en el límite inferior del espectro E-band, destaca por ofrecer grandes anchos de banda, baja latencia, y capacidad para transmitir datos a muy alta velocidad. No obstante, también presenta ciertos desafíos técnicos que deben conocerse bien para aprovechar al máximo su potencial.

¿Qué es la banda de 60 GHz?

La banda de 60 GHz forma parte del espectro de ondas milimétricas (mmWave) y se encuentra comprendida aproximadamente entre los 57 y los 71 GHz, aunque la asignación exacta varía según el país. A diferencia de las bandas más utilizadas actualmente en WiFi (como 2.4 o 5 GHz), el espectro de 60 GHz permite canales mucho más anchos, que pueden superar los 2 GHz por canal, lo que se traduce en capacidades multi-gigabit por segundo. Para que tengan una idea más clara, estos canales pueden ser 100 veces más grandes que los utilizados en 2,4 o 5 GHz.

Esta frecuencia empieza su auge comercial con el reconocimiento de la WiFi Alliance para su uso en los estándares 802.11ad y 802.11ay, de donde surgen nuevos desarrollos para su implementación comercial a precios asequibles.

Desde el punto de vista regulatorio, es una banda no licenciada en muchas regiones, como Estados Unidos, Europa y gran parte de Asia, lo que ha impulsado su adopción tanto en aplicaciones empresariales como de consumo.

Particularidades de la banda de 60 GHz

La banda de 60 GHz es la parte baja de la banda conocida como E-band, que va desde 60 hasta los 90 GHz. En este artículo hablo sobre las características generales de E-band. Estas frecuencias tienen unas características especiales. A continuación, enumero algunas de estas características.

La banda de 60 GHz es conocida por su corto alcance debido a que la energía que transporta es absorbida por el oxígeno del aire. Todos los equipos inalámbricos, al transmitir, van perdiendo potencia, y cuanto más lejos está el receptor, menor potencia le llegará. Cuanto más alta es la frecuencia de transmisión mayor es la atenuación y más sensible es la transmisión a cambios atmosféricos como lluvia o niebla.

Esto es cierto también para la banda de 60 GHz, pero adicionalmente hay otro parámetro que influye particularmente en esta frecuencia, y es el oxígeno del aire. Al transmitir en esta frecuencia, el equipo hace que las moléculas de oxígeno de la atmósfera vibren y absorban la energía transmitida. De esta manera mientras las ondas viajan para llegar al receptor, su energía es absorbida más rápidamente que en cualquier otra frecuencia.

Esta característica trae tres consecuencias importantes:

• Los enlaces en 60 GHz son muy cortos (máximo 1,5 o 2 Km): Las antenas tienen que ser muy directivas y con una ganancia muy alta. El desarrollo de la tecnología ha permitido que se utilicen antenas inteligentes para poder utilizar estas frecuencias para aplicaciones multipunto. (Hay varios artículos en el blog sobre antenas, pero este habla sobre las antenas inteligentes)
• Hay muy pocas interferencias: Por el mismo efecto del oxígeno y de las antenas directivas, las interferencias son casi inexistentes y se pueden reutilizar los canales fácilmente.
• Alta seguridad inherente: Debido a su naturaleza direccional y a la fuerte atenuación, las señales de 60 GHz tienen muy poco alcance fuera de línea de vista (LoS). Esto, que podría parecer una desventaja, en realidad ofrece una capa de seguridad adicional: las señales son difíciles de interceptar fuera del haz principal, lo que reduce el riesgo de espionaje e interferencia.

Otra característica que podemos resaltar de la banda de 60 GHz es el uso de canales anchos. Cuando utilizamos frecuencias tan altas como las de E-band estamos hablando de una parte muy grande del espectro de radiofrecuencias. Cuando hablamos de la banda de 60 GHz, hablamos de 10 GHz de espectro, mientras que en 5 GHz, hablamos solo de 1 GHz o en 2,4 GHz hablamos solo de 100 MHz.

Por lo tanto, en 60Ghz tenemos una cantidad importante de espectro que se utiliza para transmitir mucha más información. Según las principales regulaciones cada canal en 60 GHz ocupa 2 GHz y puede haber hasta 6 canales dependiendo del país y su regulación.

El uso de canales tan grandes trae como ventaja que se puede transmitir mucha información. Los equipos comerciales actuales pueden transmitir alrededor de 4 o 5 Gbps y además se pueden transmitir de manera mucho más estable que en 5 GHz, pero solo para distancias cortas.

Digo que son más estables porque al no haber prácticamente interferencias, el diseño de enlaces es más preciso y una vez instalados y puestos en funcionamiento funcionan sin perturbaciones. Por supuesto al diseñar estos enlaces hay que tomar en cuenta la lluvia y la humedad, pero si se hace un buen diseño, estos parámetros se toman en cuenta y se sabe de antemano como afectarán al rendimiento del enlace.

Regulación y disponibilidad de espectro

A nivel global, muchos países han optado por hacer disponible esta banda de forma no licenciada, pero con ciertas restricciones técnicas principalmente de potencia o directividad de las antenas. Estas limitaciones están orientadas a una utilización ordenada del espectro y permitir la instalación de muchos enlaces en zonas pequeñas.

En Europa, por ejemplo, la CEPT ha definido un uso armonizado del rango 57-71 GHz, permitiendo su utilización sin licencia bajo ciertas condiciones. En EE. UU., la FCC ha habilitado los 57-71 GHz para uso no licenciado, lo que representa uno de los bloques de espectro sin licencia más amplios del mundo.

Conclusión

La banda de 60 GHz representa un equilibrio entre capacidades de transmisión muy altas y desafíos técnicos considerables. Si bien no es una solución universal, en los casos adecuados ofrece una alternativa potente y flexible a la fibra, al tiempo que abre nuevas posibilidades para las redes inalámbricas del futuro.

Puede jugar un papel muy importante en aplicaciones tanto de interior como de exterior, y familiarizarse con las limitaciones y ventajas de la tecnología en 60Ghz es un punto importante para los desarrollos inalámbricos futuros.

Usos y aplicaciones de las bandas libres E-Band.

Las frecuencias entre 60 GHz y 90 GHz se conocen por el nombre genérico de E-Band. Estas frecuencias se utilizan en sistemas de comunicación inalámbrica para proyectos de backhaul o también para conexiones de última milla.

La principal ventaja de estas frecuencias es el gran ancho de banda que son capaces de transportar, lo que las convierte en una alternativa muy interesante a la fibra óptica, sobre todo cuando la rapidez de instalación es importante o cuando instalar cables puede resultar muy costoso.

Un poco de historia

La banda E de frecuencias es parte de lo que se conoce como frecuencias milimétricas y está dentro del rango EHF (Extremely High Frecuency) del espectro de RF.

El uso de estas frecuencias empieza, como muchos otros desarrollos tecnológicos, para aplicaciones militares y también para aplicaciones de uso científico.

Los primeros desarrollos, muy tímidos, empiezan en una época tan tardía para las comunicaciones como las décadas de 1960 a 1990. Antes de esta época, la tecnología de telecomunicaciones y transmisión/recepción de datos no estaba suficientemente desarrollada para poder utilizar estas frecuencias tan altas. Las técnicas de fabricación de componentes no eran lo suficientemente precisas para desarrollar microchips y guías de ondas con la precisión micrométrica necesaria para utilizar en estas bandas de frecuencias.

Ya en la década de 1960 empiezan a desarrollarse los primeros sistemas de 60 GHz y frecuencias superiores. Estas frecuencias, inicialmente, fueron exploradas por agencias militares y laboratorios científicos para aplicaciones de radar, investigación atmosférica y radioastronomía.

Su implementación comercial en este tiempo resultaba imposible, debido al alto costo de la tecnología.

A partir del año 2000 es cuando se empiezan a dar las condiciones adecuadas para la introducción comercial de dispositivos de gran ancho de banda en frecuencias entre 60 y 90 GHz, pero no es hasta la década de 2010 cuando realmente se empiezan a ver en el mercado enlaces en E-band y están a disposición de la mayoría de los usuarios.

Aplicaciones y división de las frecuencias

Las frecuencias de E-band entre 60 y 90 GHz están a su vez divididas en varias categorías, cada una con usos particulares.

La banda de 60 GHz se usa principalmente para el acceso fijo inalámbrico de hogares y pequeños comercios.

La banda baja de 70 GHz (71 a 76 GHz) se utiliza para conexiones de backhaul inalámbrico. Últimamente, muy extendido en conexiones de torres de telefonía móvil

La banda alta de 70 GHz (76 GHz en adelante) se utiliza para aplicaciones de radares de corto alcance, como asistencia a la conducción en vehículos.

La banda de 80 GHz se utiliza para aplicaciones de backhaul inalámbrico.

La banda de 90 GHz tiene actualmente pocas aplicaciones comerciales por su alto coste y poco desarrollo.

Sobre estas aplicaciones principales, las frecuencias de E-band también se utilizan para multitud de otras aplicaciones médicas, de observación atmosférica, etc.

En los artículos siguientes no enfocaremos solamente en las aplicaciones de 60 GHz y de 80 GHz, ya que estás son las más fáciles de utilizar y tienen un licenciamiento más ligero. Veremos sus características principales y las ventajas y dificultades de su utilización.

Principales características

Las frecuencias dentro del grupo E-band tienen diferentes características, y como hemos visto, diferentes usos. Pero todas ellas tienen características comunes que las hacen especiales y la mejor opción para cada una de las aplicaciones hacia las que están orientadas.

Gran Ancho de Banda: Las frecuencias de E-Band entre 60 y 90 GHz pueden transmitir entre 20 Gbps y 60 Gbps, lo que las hace especialmente adecuadas para reemplazar fibra óptica en zonas donde la instalación sea complicada y costosa.

Baja interferencia: Todas las frecuencias de E-Band son altamente directivas, lo que las hace muy resistentes a las interferencias.

Amplio espectro de frecuencias y licencias ligeras: Esta banda de frecuencias tiene disponible un gran pedazo del espectro de frecuencias y en la mayor parte del mundo las licencias son muy fáciles de obtener, con trámites sencillos y precios bastante bajos.

Alcance limitado: Todas estas frecuencias de E-Band se puede utilizar para corto alcance. En los próximos artículos veremos más en detalle cada uno de los grupos de frecuencias.

Línea de vista estricta: La línea de vista y la alineación tienen que ser estrictos. En estas frecuencias no es posible que haya obstáculos en el medio, por pequeños que sean.

Coste Elevado: Incluso con el desarrollo actual de la tecnología, todavía estas frecuencias requieren unos desarrollos tecnológicos muy precisos que hacen que los costes de producción sean elevados comparados con otros equipos en frecuencias más bajas.

Conclusiones

Las frecuencias conocidas como E-band entre 60 y 90 GHz han tenido un rápido desarrollo en los últimos años gracias al avance de la tecnología.

Empezaron siendo utilizadas en desarrollos militares, de investigación científica y médica, para finalmente ser adoptados actualmente en aplicaciones comerciales.

Estas frecuencias son ideales para poder transmitir de forma eficiente y con muy baja latencia las nuevas tecnologías digitales actuales que requieren cada vez más ancho de banda.

Esta banda de frecuencias ha sido recientemente abierta en Estados Unidos y Canadá para el uso de dispositivos Wi-Fi.

Introducción

El gran uso de las tecnologías actuales ha llevado a un incremento muy importante en la transmisión de datos, incluyendo aquellos que se transmiten de manera inalámbrica, bien sea a través de tecnologías móviles, WiFi o radioenlaces de larga distancia. Al aumentar la cantidad de dispositivos y datos que se transmiten, se ha creado una gran presión sobre el espectro radioeléctrico. La cantidad de frecuencias disponibles es constante y limitada, creando el problema de interferencias entre transmisores.

Los primeros APs de WiFi trabajaban solamente en la banda de 2,4 GHz ocupando 80 MHz de espectro (802.11.b/n) con 3 canales de 20 MHz. Después se empieza a utilizar parte de la banda de 5 GHz (802.11a) para aumentar el ancho de banda y la cantidad de espectro disponible. En esta banda se utilizan hasta 500 MHz de espectro y 25 canales de 20 MHz. En este artículo pueden ver un poco más de información sobre la historia de los estándares WiFi, o en este otro.

Después de varios años usando este espectro, los expertos se han visto en la necesidad de añadir más frecuencias para permitir que WiFi y otras aplicaciones puedan seguir creciendo y así cubrir la demanda de ancho de banda que crece exponencialmente.

Para esto, la IEEE, en el estándar WiFi6E introduce la posibilidad de utilizar también la banda de 6 GHz (5925 a 7125 MHz). Para gestionar esta banda de manera eficiente y evitar interferencias, se ha desarrollado la Coordinación Automática de Frecuencias (AFC).

Lo mismo ha pasado con las diferentes tecnologías móviles, que inicialmente utilizaban solo 800 MHz y 900 MHz, después ampliaron a las bandas de 1900 y 2100 y recientemente 5G utilizará también la banda de 3,5 GHz.

La Apertura de la Banda de 6 GHz

En 2020, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE.UU. aprobó el uso no licenciado de la banda de 6 GHz, pensado para poder utilizarlo en WiFi, entre otras tecnologías. Esta decisión fue un hito, ya que casi duplicó la cantidad de espectro disponible para el Wi-Fi, permitiendo la implementación de tecnologías como el Wi-Fi 6E y, posteriormente, Wi-Fi 7. Sin embargo, este espectro ya estaba en uso por servicios de transmisión fija, enlaces de microondas y sistemas de comunicaciones de seguridad pública.

La necesidad de coordinar estos usuarios existentes con los nuevos dispositivos Wi-Fi fue evidente, y aquí es donde entra en juego el AFC, una nueva tecnología que requiere que todos los nuevos dispositivos estén conectados a un servidor central para coordinarlos y evitar las interferencias entre los nuevos dispositivos y entre los existentes de microondas, radio enlaces punto a punto y otras tecnologías y aplicaciones.

¿Qué es la Coordinación Automática de Frecuencias (AFC)?

El AFC es un sistema dinámico y automatizado diseñado para gestionar la asignación de frecuencias en la banda de 6 GHz. Su objetivo principal es evitar interferencias entre dispositivos que comparten el espectro y optimizar su uso.

Actualmente, hay en todo el mundo muchos dispositivos instalados utilizando la banda de 6 GHz. La instalación y puesta en marcha de estos dispositivos ha sido coordinada, de forma centralizada y manual, por el ente regulador de cada país. Como era una banda licenciada cobraban un canon anual y coordinaban para que no hubiera interferencias asignando canales específicos que los instaladores debían utilizar.

Con la apertura de la banda de 6Ghz a tecnologías como WiFi, se prevé que haya muchos más equipos radiando y que estos sean instalados por personas no profesionales, haciendo la gestión de las frecuencias una tarea muy difícil, sino imposible y llevando en el medio plazo a una congestión indeseada y a corto plazo a la interferencia de los equipos que están actualmente instalados.

Para evitar estos problemas se introduce la Coordinación Automática de Frecuencias (AFC). Todos los nuevos dispositivos que se vendan en EEUU y Canadá deben tener esta funcionalidad. El AFC monitoriza continuamente el espectro a través de cada una de los dispositivos conectados, identificando qué frecuencias están en uso y asignando aquellas que están libres a los dispositivos que las necesitan y al mismo tiempo protegiendo a los sistemas que ya estaban instalados o servicios primarios.

Componentes Clave del AFC

1. Base de Datos del Espectro: Centraliza la información sobre el uso del espectro, incluyendo la ubicación y las frecuencias utilizadas por los servicios primarios.
2. Algoritmos de Coordinación: Analizan los datos del espectro para asignar frecuencias de manera eficiente y minimizar interferencias.
3. Dispositivos de Usuario: Equipos como routers Wi-Fi 6E y 7, que se comunican con el sistema AFC para recibir instrucciones sobre las frecuencias disponibles.

La Base de datos de AFC está centralizada y junto con los algoritmos de coordinación permite monitorizar en tiempo real las condiciones de cada dispositivo. En caso de haber problemas entre ellos o interferencias, el AFC es capaz de comunicarse con los dispositivos y asignarles frecuencias diferentes.

Protección de Usuarios Primarios

Uno de los desafíos clave en la banda de 6 GHz es proteger a los usuarios primarios, como los enlaces de microondas y los sistemas de seguridad pública. Estos servicios y sistemas se han instalado desde hace muchos años y no cuentan con mecanismos para evitar las interferencias, ya que no están preparados para ello. Estos sistemas transmiten información que muchas veces es prioritaria, como seguridad pública o redes de telefonía móvil. El AFC garantiza que estos servicios críticos no sean interrumpidos por dispositivos Wi-Fi, asignando frecuencias secundarias sólo cuando están libres de interferencias.

Está claro que para trabajar en la banda de 6 GHz es necesario cierta infraestructura de red, para permitir el uso de la Coordinación Automática de Frecuencia. Esta estructura no es necesaria en 2,4 o 5 GHz. Su instalación encarecerá en cierta medida la implementación de redes WiFi en 6 GHz, pero AFC permite un uso más eficiente del espectro, asignando frecuencias de manera dinámica y adaptativa. Esto maximiza la capacidad total del sistema y permite que más dispositivos operen simultáneamente sin causar interferencias significativas. Los beneficios a largo plazo en términos de eficiencia espectral y reducción de interferencias justifican estas inversiones.

Finalmente, me parece importante notar que la banda de 6 GHz solo ha sido abierta en EEUU y Canadá por el momento y con ello el uso de AFC solo estará disponible en estos países.

En otras partes del mundo se está siguiendo muy de cerca la implementación y la experiencia americana y ya se han dado pasos para la apertura de la banda de 6 GHz, muy probablemente en conjunto con la implementación de algún sistema de coordinación de frecuencias. Pero todavía tendremos que esperar para ver cómo se aplica.

TDD y FDD son técnicas utilizadas en comunicaciones inalámbricas para transmitir la información de diferentes maneras. Cada una de ellas tiene sus ventajas y desventajas y son utilizadas en múltiples aplicaciones y tecnologías.

FDD y TDD son acrónimos de Frequency Division Duplexing y Time Division Duplexing, técnicas de multiplexación de frecuencia y tiempo respectivamente. Explicaremos brevemente en qué consisten estos mecanismos y sus principales ventajas y desventajas.

¿Qué es FDD?

La Multiplexación por División de Frecuencia (FDM) es una técnica de comunicación que asigna distintos canales para la transmisión y recepción de datos. Cada enlace se establece a través de un canal dedicado para la transmisión y otro para la recepción, ambos en diferentes frecuencias. Las dimensiones y frecuencias exactas de estos canales están definidas y estandarizadas, asegurando que los radioenlaces comerciales utilicen los canales requeridos tanto para transmitir como para recibir datos de manera eficiente y confiable.

En la figura podemos ver la configuración de canales recomendada en Europa para la banda de 22-23 GHz. Los canales pueden tener un ancho de 3.5, 7, 14 o 28 MHz. Por supuesto cuanto más grande el canal, menos hay disponibles, ya que el espectro de frecuencias utilizable es siempre el mismo.

El espectro reservado va desde 22.59075 GHz hasta 23.01075 GHz. La separación entre el canal de transmisión y recepción es 252 MHz. Estos canales pareados se nombran con 1 – 1’, 2 – 2’, etc.

Hay una parte de 84 MHz entre los canales de subida y bajada, que no es utilizada por esta canalización. Este espacio es utilizado como margen de seguridad para separar los canales de transmisión y recepción. Por supuesto, esta parte del espectro se utiliza para otro tipo de aplicación y tecnología. Ya que el espectro de frecuencias es un bien escaso, no se puede dejar sin utilizar.

Los fabricantes de radioenlaces tienen que seguir esta regulación para que sus equipos transmitan y reciban con el espaciamiento específico descrito y para que el ancho de canal sea el mismo que el especificado.

¿Qué es TDD?

La Multiplexación por división de tiempo es una técnica de transmisión de datos que asigna distintos intervalos de tiempo para transmitir y recibir. En un momento dado, todo el ancho de banda disponible se destina a esta comunicación, alternando entre transmisión y recepción de manera eficiente.

Al igual que la transmisión FDD, las tecnologías TDD están reguladas, utilizando anchos de canal y frecuencias específicas. Actualmente, WiFi es la tecnología más conocida que utiliza TDD con canales de 20, 40 u 80 MHz. La telefonía móvil 5G y otros estándares también utilizan TDD, pero estos son más complejos y podrían utilizar ambos tipos de transmisión.

En TDD la asignación de tiempo para transmitir y recibir puede ser dinámica o fija. Cuando es dinámica se adapta a los requerimientos de tráfico asignando más o menos tiempo en una dirección para cumplir con el tráfico necesario. Si se configura de forma fija, el tiempo de transmisión y de recepción no variará, aunque pueden ser distintos entre sí, asignando más tiempo en una dirección que en otra. Cuando lo que se quiere es transmitir datos, para acceso a internet, por ejemplo, típicamente se requiere más ancho de banda en la dirección desde la red hasta el usuario.

Ventajas y desventajas

Cada una de estas dos tecnologías tiene sus ventajas y desventajas y por eso es que se siguen utilizando las dos para diferentes aplicaciones.

La principal ventaja de TDD es la flexibilidad. Como hemos hablado, la asignación de tiempo puede ser dinámica, gestionada por cada uno de los radios. De esta manera es posible asignar más ancho de banda en una dirección que en otra y tener el canal lleno todo el tiempo. En FDD los canales de subida y bajada son fijos y los dos se asigna en esa dirección el 100% del tiempo. Puede ser que el enlace esté lleno en una dirección, pero el canal en la otra dirección puede estar completamente vacío.

La principal ventaja de FDD es el menor retardo. Al tener Tx y Rx separados se puede transmitir y recibir al mismo tiempo. Esto hace las comunicaciones mucho más rápidas que en TDD. Con el avance de las tecnologías y las velocidades de transmisión, esta ventaja cada vez es menos importante. Un enlace TDD puede tener retardos del orden de los 2ms, lo que permite utilizarlos para cualquier aplicación sin que eso supongo un problema. El retardo es importante cuando se hacen cadenas largas de radio enlaces donde hay que sumar las latencias de todos ellos.

En cuanto a desventajas, podemos decir que la principal para TDD es la sincronización entre enlaces y la transmisión de información, donde la sincronización es fundamental, como circuitos SDH usados en redes troncales celulares.

Si tenemos un gran número de enlaces TDD, para mejorar su eficiencia y utilizar menos canales podemos sincronizarlos para que transmitan y reciban al mismo tiempo. Pero al hacer esto se pierde la flexibilidad de poder usar dinámicamente el canal para transmitir o recibir. Todavía tendríamos la ventaja de asignar más tiempo en una dirección que en otra, pero toda la red debe tener la misma configuración. En este artículo hablo de la sincronización en redes inalámbricas de banda ancha, sus ventajas y desventajas.

Yo creo que la falta de flexibilidad es la mayor desventaja de la tecnología FDD, lo que está muy ligado al párrafo anterior, por lo cual me parece que limitar el uso dinámico de los canales es una gran limitación. Otras desventajas de FDD es el costo de los equipos. Suelen ser más caros ya que necesitan dos radios para trabajar, uno para recibir y el otro para transmitir.

Se suele decir que los enlaces FDD son más ineficientes en el uso de las frecuencias, lo que es cierto solo a medias. Para transmitir (Tx y Rx) el mismo ancho de banda en FDD se necesitan dos canales, mientras que en TDD solo uno, pero este canal es el doble de grande que en FDD, con lo cual, el espectro que se utiliza es exactamente el mismo. Si es verdad que al ser TDD más flexible es capaz de llenar el canal con más datos que la tecnología FDD.

Conclusión

La tecnología de división por frecuencia se utiliza desde hace mucho tiempo para redes de telefonía, donde el ancho de banda de Tx y de Rx es igual y donde se necesitan retardos muy bajos. Al evolucionar las redes de telefonía para transportar paquetes y datos de forma asimétrica, la tecnología por división de tiempo se está haciendo cada vez más valiosa.

En tecnologías como WiFi, que surgieron solo para transmitir ficheros y datos, la flexibilidad de poder usar dinámicamente el canal para transmitir o recibir le confiere a TDD una ventaja importante al utilizar el espectro de frecuencias de una manera más eficiente.