Cirurgia a distància, smart cities, realitat augmentada, domòtica, conducció autònoma... El 5G revoluciona les telecomunicacions i fa realitat l’internet de les coses. Quina relació tenen freqüència i ample de banda? Com són les antenes 5G?
El Mobile World Congress és un dels esdeveniments tecnològics més important del món. Des de l’any 2006 se celebra a Barcelona. El programa “Quèquicom” el visita per esbrinar cap on es mouen els mòbils. En relació amb el disseny, no s’han mogut gaire en els últims anys. Totes les marques tenen models molt semblants, amb pantalles de vidre planes i una interfície tàctil. La novetat és el mòbil desplegable. El gran protagonista, però, d’aquesta edició és el 5G, la tecnologia mòbil de cinquena generació. S’espera que es comenci a desplegar l’any 2020, serà més ràpida que la fibra òptica, admetrà un gran volum de dades i una latència, o lapse de resposta, de mil·lisegons. Amb aquestes prestacions permetrà ciutats intel·ligents, videojocs de realitat augmentada, domòtica, telecirurgia, o conducció autònoma. S’espera que el 5G revolucioni les telecomunicacions i consolidi l’internet de les coses. A part de continuar augmentant els beneficis a les empreses de telecomunicacions, esclar.




Mobile World Congress 2019
El Mobile World Congress és un dels esdeveniments tecnològics més important del món. Les xifres que belluga són espectaculars: l’organitzen 800 empreses de telefonia, la fira ocupa més de 90.000 m2, aplega 2.200 expositors internacionals, genera uns 460 milions d'euros d’ingressos, i la visiten prop de 100.000 persones. És, doncs, una oportunitat única perquè enginyers, científics i inversors facin negocis i desenvolupin les tecnologies de telecomunicacions. Des de l’any 2006 se celebra a Barcelona. El reporter Pere Renom el visita per esbrinar cap on es mouen els mòbils. I el primer que constata és que, en relació amb el disseny, no s’han mogut gaire en els últims anys. Totes les marques tenen models molt semblants, amb pantalles de vidre planes i una interfície tàctil. L’única tendència apreciable és l’increment de la mida, cosa que dificulta encabir-los a la butxaca. La solució d’aquest atzucac s’ha rebut amb molta expectació: el mòbil desplegable.

5 Generacions de telefonia mòbil
El gran protagonista d’aquesta edició és el 5G, la tecnologia mòbil de cinquena generació. La major part dels estants de la fira l’anuncien d’alguna manera o altra. S’estima que, aproximadament, cada dècada apareix una nova generació de mòbils. Als anys 80 va néixer la primera generació, l’1G, els aparells eren grossos i pesants, es basaven en la tecnologia analògica i la comunicació era lenta. Als anys noranta va sorgir el 2G, amb aparells més petits, basats en la tecnologia digital, permetien els missatges de texts i la itinerància. L’any 2000 va arribar el 3G, els mòbils ja eren petits ordinadors amb nombroses aplicacions, correu electrònic, fotos i vídeos. L’any 2010 va arribar el 4G, que incrementa la velocitat espectacularment i permet videoconferències, jocs i l’alta definició. L’any 2020 s’espera que es comenci a desplegar el 5G, que serà, fins i tot, més ràpid que la fibra òptica, admetrà un gran volum de dades i una latència, o lapse de resposta, de mil·lisegons.

5G a la Smart City
Segons l’ONU, l'any 2050 al voltant del 70% de la població mundial viurà a grans ciutats. Aquesta concentració de gent planteja una sèrie de reptes com la contaminació o el caos circulatori. La tecnologia 5G permetrà construir la Smart City, o ciutat intel·ligent, que garantirà la qualitat de vida dels ciutadans en un model sostenible. La clau serà l’existència de milions de terminals connectats a la xarxa; telèfons mòbils, però també cotxes, semàfors, enllumenat públic, contenidors d’escombraries o generadors d’energia, i totes les dades s’enviaran a un centre de control que actuarà com un cervell i prendrà decisions amb intel·ligència artificial.

5G a la cirurgia
La revolució tecnològica també ha arribat a la cirurgia. Avui, a l’Hospital Clínic de Barcelona està fent una operació d’extracció de càncer de colon amb la tècnica de laparoscòpia, és a dir, introdueixen càmeres i l’instrumental quirúrgic al cos del pacient a través de petits orificis. Però aquesta operació és molt especial, perquè per primera vegada a la història hi ha una connexió de vídeo en 5G amb el Mobile World Congress. A l’altre costat de la línia hi ha el cirurgià Antonio de Lacy, que assessora els seus col·legues en temps real.
Es considera que la cirurgia moderna va néixer de la mà del metge nord-americà William Halsted a principis del segle XX. Va fer importants aportacions en els camps de la sutura, l'hemostàsia i l'asèpsia, per exemple, va introduir l’ús dels guants de goma. El segon gran avanç es va produir l’any 1967 amb el primer trasplantament d’òrgan duta a terme pel també nord-americà Thomas Starzl. La tercera gran transformació va arribar el 1987 amb la invenció de la tècnica de laparoscòpia, pel cirurgià francès Philippe Mouret, que obria la porta a la cirurgia mínimament invasiva. I ara entrem en la cirurgia 4.0., digitalitzada, robotitzada, amb intel·ligència artificial, i realitat virtual augmentada.

5G al transport
Els cotxes també circulen cap aquesta direcció. Els nous models tenen més connectivitat amb altres vehicles, amb infraestructures i amb la resta d’usuaris. El resultat és que rebran més informació de l’entorn i alertaran el conductor, per augmentar la seguretat. També s’evoluciona cap a motors elèctrics, dissenys futuristes, i quadres de comandament cada vegada més sofisticats. El BMW sèrie 3 incorpora la Natural Interaction, una nova manera d’interaccionar amb el cotxe. El pas següent serà el cotxe completament autònom. I si apuntem més alt deixarem de tocar amb els peus a terra: un taxi volador autònom. Aquesta excentricitat, pròpia de xeics àrabs, es vol començar a utilitzar per al Mundial de Futbol de Qatar l’any 2022. Per veure el cel de Barcelona replet de taxis grocs i negres, encara hauran de passar unes quantes dècades. Alguns fan volar coloms i d’altres fan volar taxis.

Antenes 5G
Certament, al Mobile els mòbils costen de trobar; en canvi, el producte estrella són les antenes. I un dels fabricants més importants del món és la companyia sueca Ericsson. Quan es comenci a desplegar el 5G a partir de l’any 2020, s’hauran de canviar milers d’antenes. El negoci està assegurat. Per exemple, les zones rurals, amb espais molt oberts, i poca densitat d’usuaris tenen sovint poca cobertura. Aquí caldria un tipus d’antena que expandís el senyal. Aquesta mena de tauler d’escacs serveix molt bé per entendre la diversitat d’estratègies que planteja una xarxa de telecomunicacions. De vegades convé no enrocar-se. Les freqüències utilitzades fins ara pel 4G tenen una certa capacitat per travessar obstacles com les parets. El 5G funcionarà a una freqüència més alta i, per tant, amb menor capacitat de penetració. Per garantir la cobertura caldrà instal·lar moltes més antenes i connectar-les amb molt de cablejat. O fer servir un antena revolucionària inventada pels enginyers d’Ericsson.
Sembla, doncs, que el progrés tecnològic no s’atura. La connectivitat continuarà creixent i la xarxa serà cada vegada més densa i extensa. Esperem no quedar-hi atrapats.

Precedents històrics
Heinrich Hertz va demostrar les prediccions de Maxwell que deien que hi ha una radiació electromagnètica que viatja per l’espai i que pot ser captada sense fils. Ho va fer el 1887 amb un generador de guspires. Té unes esferes que fan de condensador i quan la diferència de potencial és prou alta salta un petit llamp. Després de molts estudis, va construir una anella, també metàl·lica, que és un circuit. Es pot mantenir a distància sense cap part que toqui els mecanismes… Si salta una guspira en el condensador, l’anella respon. Tres anys després, el 1890, Édouard Branly va inventar un aparell portàtil, amb unes antenes que poden captar les ones electromagnètiques i convertir-les en senyals acústics. Es coneix com a Cohesor de Branly. Aquest va ser l’inici de moltíssimes aplicacions, com ara la telegrafia sense fils, la ràdio... o el mòbil. Aparells que funcionen per ones hertzianes, en honor a Hertz.

5G i ample de banda
El 5G no és cap tecnologia. Són unes especificacions. Com ho són les denominacions d'origen o el certificat de carn ecològica. Un llistat de requeriments a complir. Es parla molt de la velocitat de transmissió, però no està als requeriments. El que sí que s’especifica són les freqüències de servei. La freqüència determina l’ample de banda i d’aquesta en depèn la velocitat de transmissió. Freqüència i ample de banda estan lligades. Podríem dir que l'ample de banda és el gruix de la canonada que permet enviar informació. Aquest gruix depèn de la tecnologia que s'utilitza, però sobretot de la freqüència de transmissió i l'ample de banda és aproximadament un 1% de la freqüència portadora. Una freqüència de 100 permetrà un ample de banda d’1, una freqüència de 1.000 un ample de banda de 10. A més freqüència, més ample de banda: més capacitat d'enviar més informació. Amb una freqüència baixa no hi haurà problema per enviar una o diverses converses que en termes de dades ocupen poc volum, “tenen poc pes”. Però si volem enviar informació molt pesada necessitarà el seu temps. Una freqüència més alta permetrà enviar la mateixa informació més ràpidament. L'actual 4G treballa a diverses freqüències, però la més alta és de 2,6 GHz. Una oscil·lació de dos mil sis-cents milions de vegades per segon. Això permet un ample de banda aproximat de 25 MHz, que ja és molt. Però el 5G treballarà amb freqüències de 27 GHz, pràcticament deu vegades més. Això què vol dir? Doncs que amb una freqüència deu vegades superior tindrem un ample de banda deu vegades més gran, una canonada 10 vegades més ample i que tot podrà anar deu vegades més ràpid, o, com a oportunitat de mercat, voldrà dir que hi haurà deu vegades més de gent baixant la pel·lícula i pagant, que és de què va aquest negoci.

Comprimir la veu
El negoci gros de la telefonia no està a fabricar mòbils sinó a transportar missatges. Les empreses de telecomunicacions i les de logística saben que reduir la mida del paquet és augmentar el benefici. Ens podem imaginar un fabricant de cadires que desmuntant el respatller -ja el muntaran a destí- redueix la mida del paquet a la meitat. Un bon negoci. Ara podrà transportar el doble amb el mateix esforç. Però pot depurar aquesta tècnica de compressió i desmuntar també les potes, encara millor. I pot iniciar un exercici de comprimir la mercaderia perquè ocupi menys i menys. Però arribarà un moment que és molt difícil reduir el volum del paquet. Haurà de canviar d'estratègia. Sabent que a destí tenen prou tecnologia per reconstruir un cadira… ¿Què pot fer per reduir l'enviament a la mínima expressió? Enviar els planells i que el destinatari es faci la cadira. Potser sembla una solució extravagant, però en la telefonia fa anys que es fa així. Si quan parleu per telèfon mòbil amb algú penseu que sentiu la seva veu, aneu ben arreglats. La veu del vostre interlocutor no ha sortit mai del seu aparell. Només n’han sortit números. Des del mateix instant en què s’activa el micròfon el sistema pren multitud de mostres del so, l’analitza i la codifica en uns i zeros. Immediatament sap totes les característiques d’aquella veu. A partir d’aquell moment és capaç de predir la fórmula de qualsevol nou fragment en base a unes poques mostres anteriors d’aquella veu. Per exemple, podria ser un 50% de la mostra més recent, un 25% de l'anterior a aquesta, d'un 15% d’un altre fragment més antic, un 6% del seu predecessor, un 1% de l’anterior, etc. Per no haver d’analitzar una quantitat enorme de mostres, els enginyers admeten que hi haurà un petit error. Com que aquelles mostres ja han arribat a l’aparell receptor, en lloc d'enviar tot el fragment nou, l’emissor envia només una fórmula, una recepta amb els percentatges i també del marge d'error. Evidentment, la informació comprimida té una mida molt més petita que el tot. El telèfon del destinatari, amb les mostres que ja havia rebut, la recepta i l'error reconstrueix el fragment que es volia enviar. O sigui que no intentem quedar bé dient que la veu de la persona estimada és inconfusible, perquè cada cop que parlem pel mòbil estem sentint una veu sintetitzada i no ens en adonem.

Agrupacions d’antenes (Arrays)
El 5G farà servir freqüències molt altes. Freqüència alta significa longitud d'ona petita. La mida òptima d’una antena és que mesuri la meitat de la longitud d'ona. Per al 5G, la longitud d'ona serà de mil·límetres, així que amb el 5G les antenes seran més petites que una punta de llapis. Això estalvia material i espai, però no és res comparat amb l’avantatge principal, que és fer matrius, agrupacions, d'antenes que tenen un rendiment espectacular. Una antena omnidireccional emet igual en totes direccions. Això fa que el seu diagrama de radiació sigui pròxim a una esfera, com una poma, per posar un exemple. Si a una distància determinada - no pot ser qualsevol, ja veureu per què- hi posem una segona antena, l’emissió de la segona antena s’afegirà a la de la primera i donarà un senyal més potent que arribarà més lluny. Però, ¿això passa en totes direccions? No. En les emissions cap a un costat, com que les antenes estan desplaçades una distància precisa de mitja longitud d'ona, resulta que quan una puja, l'altra baixa i al revés, es contraresten, així que la suma serà zero. Mentre que cap endavant el senyal és el doble de potent, cap a 90º és nul. És una instal·lació directiva. El seu diagrama de freqüència ja no serà com una esfera, tindrà una forma més semblant a una pera. Llàstima que no podem orientar el feix. Que no podem? Mireu com en són de llestos els enginyers de telecomunicacions. Si al senyal d'aquesta segona antena li introduïm un retard; ara, cap endavant els senyals s'anul·len i cap al costat se sumen. Gràcies al retard entre antenes l’emissió mira cap als costats, sense moure-la! És fàcil intuir que jugant amb el retard podrem apuntar cap un lloc o cap un altre. Si afegim una tercera antena l'efecte serà més fort. Cap a on sumi serà el triple de potent i a mesura que es desincronitzin els senyals l'efecte apaivagador serà més fort. El grup d'antenes serà encara més directiu. I amb quatre antenes, encara més, com més antenes, més directivitat. Amb aquesta disposició lineal el nostre diagrama de radiació (que també és de recepció) és una mena de ventall, però, si en lloc d’una línia d'antenes, fem una matriu d'antenes -una agrupació de centenars d’antenes- els nostre mòbil treballarà amb un feix molt estret i molt fàcil de dirigir. Tenir un feix tan direccional reporta molts avantatges. Un diagrama estret significa emetre menys radiació i, per tant, menys contaminació radioelèctrica prop de les antenes fixes (un altre tema és que amb l’Internet de les coses es multiplicarà el nombre d’emissors). A més, la geolocalització serà molt precisa ja que el terminal sabrà amb exactitud d'on li arriba el senyal i amb un sol repetidor es podrà ubicar calculant la distància en funció de la potència i el retard amb què li arribin les ones. També, com que no caldrà tanta potència d'emissió cap als costats, el terminal gastarà menys bateria. Si us hi fixeu bé, molts radars ja no giren com ho feien els antics. Ara són una filera d'antenes, i l'orientació del feix es fa electrònicament jugant amb els retards del senyal que s'envia a cada antena. (En telecomunicacions és freqüent fer servir la veu anglesa “array” per referir-se a les agrupacions d’antenes).

Hi intervenen
Albert Cuesta, divulgador i analista de tecnologia, Victòria Eugènia, Royole, Min Yan, China Mobile, Antonio de Lacy, cirurgià, Hospital Clínic de Barcelona, Fabio Bellicanta, Ooredoo, Natalie Modesto, Ericsson i Pål Frenger, Ericsson. Linköping University.

Primera emissió: 26.06.2019
Reportatge: Cari Pardo i Pere Renom
Realització: Toni Bargalló
Producció: Virginia Gran
Responsable científic: Ignasi Arribas
Atrezzo: Montse Minguell
Director i presentador: Jaume Vilalta