En este artículo cerramos la serie analizando por qué 80 GHz se ha convertido en la opción preferida para backhaul carrier-grade y aplicaciones donde cada microsegundo cuenta.

Después de analizar la banda V (60 GHz) y sus aplicaciones, el siguiente paso natural en la evolución de enlaces milimétricos es la banda E, y en particular el segmento de 80 GHz (71–86 GHz). Si la banda de 60 GHz destaca por su simplicidad y despliegue rápido, la de 80 GHz está diseñada para algo muy concreto: máxima capacidad, mayor alcance y latencias extremadamente bajas.

De 60 GHz a 80 GHz: ¿cuándo dar el salto?

En el artículo anterior sobre 60 GHz vimos cómo esta banda es ideal para distancias cortas y despliegues rápidos. Sin embargo, tiene una limitación clave: la absorción por oxígeno, que restringe el alcance efectivo a unos pocos kilómetros.

La banda de 80 GHz elimina en gran medida ese problema:

• Mayor alcance
• Mayor estabilidad en condiciones normales
• Espectro más amplio
• Enlaces con capacidad multi-gigabit comparables a fibra

Además, gracias a la alta direccionalidad de sus antenas, se consiguen enlaces muy “limpios”, con interferencias prácticamente inexistentes incluso en entornos urbanos densos. Es verdad que esto también implica que los enlaces son más complicados de alinear correctamente.

En 80 GHz se pueden llegar a tener enlaces de 10 Km e incluso 20 Km, pero el apuntamiento es algo muy complicado a estas distancias, ya que las antenas pueden tener una zona de cobertura de menos de 1°. Lograr un apuntamiento correcto a distancias largas requiere de mucha experiencia y paciencia.

Instalación y alineamiento de enlaces en 80 GHz

Uno de los aspectos más críticos, y a menudo subestimados, en los enlaces de 80 GHz es la instalación física. A diferencia de bandas más bajas, donde existe cierto margen de tolerancia, en frecuencias milimétricas pequeños errores mecánicos puede traducirse directamente en pérdida de rendimiento o incluso en la caída del enlace.

En instalaciones con radios de 80 GHz es necesario hacer una instalación robusta donde los movimientos por viento, dilataciones y contracciones por cambios de temperatura o las vibraciones estructurales se reduzcan al mínimo o sean inexistentes.

El motivo principal de esta necesidad es la extrema directividad de las antenas, incluso antenas con poca ganancia pueden tener una apertura menor de 1 grado. Esto implica que cualquier pequeño ajuste que hagamos en la instalación, al apretar los tornillos o al moverse el soporte del radio, puede hacer que la antena deje de apuntar hacia el receptor.

Alineamiento

Como se pueden imaginar, el alineamiento de las antenas es otro punto vital en estos enlaces con una apertura de antena tan pequeña. Las antenas en 80 GHz generan haces extremadamente estrechos. Esto tiene grandes ventajas (alta ganancia, baja interferencia), pero también implica una dificultad añadida: el margen de error en el apuntamiento es mínimo.

Todos los enlaces de 80 GHz incluyen un kit de montaje de alta precisión. En estos accesorios los tornillos para mover la antena son muy precisos, necesitando varias vueltas para mover un solo grado la antena. Hay sistemas más avanzados que permiten mejorar el alineamiento electrónicamente y ajustarlo en tiempo real en caso de pequeñas variaciones debido al viento o dilataciones.

Para hacer un apuntamiento adecuado es necesario tener una estructura muy estable donde instalar los equipos y coordinación entre los equipos de instalación que deben estar en los dos extremos del enlace. El proceso de apuntamiento es lento y meticuloso. A veces alinear correctamente un enlace en 80Ghz pueden llevar varias horas o incluso unos pocos días. Técnicos experimentados ayudan mucho en este proceso mejorando radicalmente los tiempos.

FDD y TDD

En este artículo explico las técnicas de transmisión TDD y FDD. ¿por qué es importante nombrarlas ahora? Porque a diferencia de 60 GHz donde la mayoría de los aparatos utilizan TDD y transmiten y reciben en el mismo canal, en 80 GHz se utiliza FDD y se tiene un canal de transmisión y otro de recepción emparejados entre sí. Esto permite tener una latencia mucho más baja que en cualquier sistema TDD y un ancho de banda mayor, aunque siempre está dividido al 50 % entre subida y bajada.

Latencia extremadamente baja

A diferencia de muchas soluciones inalámbricas tradicionales, los sistemas en 80Ghz están diseñados para funcionar prácticamente como una extensión de la fibra, con latencias del orden de los nanosegundos y con transmisión transparente en capa 1, es decir, básicamente sin procesar la información que entre por el puerto cableado, simplemente cualquier bit que entra, por un lado, es mandado al otro lo más rápidamente posible.

Esto implica que muchas de las soluciones en 80 GHz no tengan ninguna funcionalidad de switching o calidad de servicio o ni siquiera de encriptado, dejando todas estas funciones a los switches o routers de la red que las harán mejor y más rápido, ya que esa es su función principal. Esta simplificación implica que la transmisión tendrá menor latencia, los radios tendrán menor complejidad y se disminuyen los puntos de fallo.

¿Cuándo utilizar soluciones de 80 GHz?

Si necesitamos conectar dos puntos a través de un enlace inalámbrico, tenemos que decidir qué tecnología usar. Los enlaces de 80 GHz suelen ser caros y complejos de instalar. Normalmente, su configuración es muy sencilla, pero su complejidad estriba en lo meticuloso que hay que ser a la hora de la instalación y apuntamiento.

Otro punto de decisión es su gran ancho de banda, que puede llegar hasta los 10 Gbps full dúplex, es decir 10 Gbps de bajada más 10 Gbps de subida.

Por estas razones los enlaces en 80 GHz se utilizan casi exclusivamente para Backhaul, donde se necesitará transmitir grandes cantidades de datos, muy rápidamente y con fiabilidad, condiciones todas que cumplen las soluciones en 80 GHz.

Entre las aplicaciones más comunes podemos encontrar radioenlaces PtP para conectar redes móviles 5G o posteriores y extensión de redes metropolitanas para transmisión de cualquier tipo de datos donde las obras de infraestructura son muy caras o llevan demasiado tiempo.

Podemos concluir que las soluciones en 80 GHz pueden ser usadas para conexiones que requieran gran ancho de banda y baja latencia con muy buena disponibilidad y fiabilidad. Normalmente, se utilizan para enlaces en el core de la red y pueden ser una opción interesante para reemplazar enlaces en banda licenciada.

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.