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HAPS as a Hypercell: Enabling Coverage and Capacity Carrier Shutdown in Cellular Networks

Este artículo propone una novedosa arquitectura "HAPS-Hypercell" donde las Estaciones de Plataforma de Gran Altitud actúan como una capa no terrestre de amplia área para permitir el apagado de macrocelas terrestres tanto de cobertura como de capacidad, reduciendo así significativamente el consumo energético total de la red mientras se cumple con los estándares de la 3GPP.

Autores originales: Matteo Bernabè, David López-Pérez, Nicola Piovesan

Publicado 2026-07-08

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CC BY 4.0

Autores originales: Matteo Bernabè, David López-Pérez, Nicola Piovesan

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina una ciudad bulliciosa donde las luces de cada uno de los edificios se mantienen encendidas las 24 horas del día, los 7 días de la semana, por si alguien necesita caminar. Incluso a las 3:00 AM, cuando las calles están vacías, la compañía eléctrica mantiene las luces brillando. Así es exactamente como funcionan nuestras redes móviles actuales: mantienen las "macroceldas" (las grandes torres que proporcionan cobertura) funcionando a plena potencia todo el tiempo, incluso cuando muy pocas personas están usando sus teléfonos. Esto desperdicia una enorme cantidad de electricidad.

Este artículo propone una nueva y astuta forma de ahorrar energía introduciendo un sistema de "respaldo basado en el cielo" llamado HAPS-Hypercell.

Aquí está el desglose de cómo funciona, utilizando analogías sencillas:

1. El Problema: La bombilla "siempre encendida"

Actualmente, las redes móviles tienen dos tipos de torres:

Torres de Cobertura (Las Bombillas Grandes): Estas son las macroceldas gigantes que permanecen encendidas las 24 horas, los 7 días de la semana para asegurar que tengas señal en todas partes, incluso si nadie la está usando. Son costosas de operar.
Torres de Capacidad (Las Lámparas de Escritorio): Estas son torres más pequeñas que se encienden solo cuando el tráfico es intenso (como durante el día). Pueden apagarse por la noche para ahorrar energía.

El problema es que las "Bombillas Grandes" (Torres de Cobertura) nunca se apagan, incluso cuando la ciudad duerme. El artículo argumenta que estamos desperdiciando energía porque no podemos apagar estas grandes torres sin dejar a la gente sin servicio.

2. La Solución: El "Paraguas del Cielo" (HAPS-Hypercell)

Los autores introducen una Estación de Plataforma de Gran Altitud (HAPS). Piensa en esto como un gigante dron o globo alimentado por energía solar que flota en lo alto del cielo, actuando como un enorme "Paraguas del Cielo".

El Nuevo Rol: En lugar de ser solo un respaldo para áreas rurales, este Paraguas del Cielo está diseñado para cubrir toda la ciudad a la vez.
El Truco de Magia: Debido a que el Paraguas del Cielo es tan amplio y potente, puede asumir el trabajo de las "Bombillas Grandes" en el suelo.
El Resultado: Cuando el tráfico es bajo (como por la noche), las "Bombillas Grandes" en tierra pueden apagarse por completo. El Paraguas del Cielo cubre toda el área, asegurando que todos sigan teniendo señal, pero la red utiliza una fracción de la potencia.

3. Cómo se comunican las torres entre sí (Emparejamiento)

El artículo pone a prueba dos formas diferentes de organizar este sistema, como dos formas diferentes de gestionar un equipo de trabajadores:

Opción A: La Línea Directa (No Jerárquica)
Cada torre terrestre habla directamente con el Paraguas del Cielo. Si una torre terrestre quiere irse a dormir, le pregunta al Paraguas del Cielo: "¿Puedes cubrir mi vecindario?". Si el Paraguas del Cielo dice "Sí", la torre se apaga.
- Pros: Muy flexible; puede apagar la mayor cantidad de torres.
- Contras: El Paraguá del Cielo se ve abrumado si demasiadas torres piden dormir a la vez, y podría despertar a la torre equivocada cuando el tráfico aumenta.
Opción B: La Cadena de Mando (Jerárquica)
Las torres terrestres están organizadas en capas. Las torres pequeñas hablan con torres medianas, y las torres medianas hablan con el Paraguas del Cielo.
- Pros: Es más estable. Las torres medianas actúan como gerentes, despertando a torres pequeñas específicas solo cuando es absolutamente necesario.
- Contras: Es ligeramente menos flexible que la Opción A, por lo que podrías ahorrar un poco menos de energía.

4. El Algoritmo de "Dormir y Despertar"

El artículo describe un algoritmo inteligente que actúa como un administrador de edificios:

Verificar la Carga: Cada pocos minutos, las torres revisan cuántas personas las están usando.
La Decisión de Dormir: Si una torre está vacía y su "compañero" (ya sea el Paraguas del Cielo o una torre vecina) puede manejar a los pocos usuarios que sí están allí, la torre se va a dormir (se apaga).
La Decisión de Despertar: Si el Paraguas del Cielo o un compañero se satura, envía una señal para despertar a las torres que están durmiendo para que ayuden.

5. Lo que muestran los resultados

Los investigadores simularon esto en un entorno de ciudad densa y encontraron:

Ahorro de Energía: Al usar el Paraguas del Cielo para cubrir la ciudad por la noche, pudieron apagar tanto las pequeñas "lámparas de escritorio" como las grandes "bombillas" terrestres. Esto ahorró hasta un 12.5% de la energía de la red durante las horas de bajo tráfico.
El Intercambio (Trade-off): Cuanto más agresivamente intentaban ahorrar energía (apagando más torres), la velocidad de internet para los usuarios disminuía ligeramente. Sin embargo, encontraron un "punto ideal" (un enfoque equilibrado) donde ahorraron mucha energía sin que el internet fuera notablemente más lento.
La Arquitectura Importa: El enfoque de la "Línea Directa" ahorró más energía, pero el enfoque de la "Cadena de Mando" fue mejor para mantener las velocidades de internet estables cuando la red se congestionaba.

Resumen

En resumen, este artículo sugiere que, en lugar de mantener cada torre terrestre funcionando las 24 horas del día, podemos usar un "Paraguas del Cielo" de gran altitud para cubrir la ciudad por la noche. Esto nos permite apagar las pesadas y hambrientas de energía torres terrestres, ahorrando una cantidad significativa de electricidad mientras mantenemos nuestros teléfonos conectados. Es como apagar las luces del estadio y usar un único y potente reflector para iluminar todo el campo cuando el juego ha terminado.

Resumen Técnico: HAPS como Hipercelda para el Apagado de Portadoras con Eficiencia Energética

Planteamiento del Problema
La transición hacia los sistemas 5G-Advanced y 6G ha intensificado el desafío del consumo energético para las redes móviles. Los costos energéticos de la Red de Acceso de Radio (RAN) constituyen entre el 20% y el 40% de los gastos operativos de los operadores, y las redes consumen aproximadamente entre el 1% y el 1,3% de la electricidad mundial anualmente. Una fuente primaria de ineficiencia reside en el diseño rígido de la red que distingue entre "celdas de cobertura" (macroceldas de alta potencia que deben permanecer activas para garantizar un servicio ubicuo) y "celdas de capacidad" (activadas dinámicamente para manejar variaciones de tráfico). Si bien los mecanismos de Apagado de Portadora (Carrier Shutdown - CS) permiten que las celdas de capacidad se desactiven durante períodos de baja carga, las celdas de cobertura deben permanecer activas independientemente de la carga de tráfico, lo que limita el potencial de ahorro energético. Además, los esfuerzos actuales en Redes No Terrestres (NTN), incluyendo las Estaciones de Plataforma de Gran Altitud (HAPS), se centran principalmente en la extensión de la cobertura para áreas rurales en lugar de optimizar la eficiencia energética de la red terrestre.

Metodología
El artículo propone un marco novedoso donde un HAPS actúa como una "Hipercelda", una capa no terrestre de área amplia capaz de asumir el rol de cobertura de múltiples macroceldas terrestres. Esto permite el apagado coordinado de las capas terrestres tanto de capacidad como de cobertura.

Modelo de Sistema: Los autores desarrollaron un simulador de nivel de sistema integral y conforme a 3GPP (utilizando el simulador Giulia) que modela una red multicapa urbana densa. El escenario incluye celdas macro de 4G LTE (2 GHz) y 5G NR (3,5 GHz) co-ubicadas, junto con un HAPS de sector único (1,8 GHz) ubicado en el centro de la red. El modelo incorpora condiciones de canal realistas (modelos estadísticos 3GPP UMa, desvanecimiento Rician), arreglos de antenas MIMO (ULA para 4G, UPA para 5G/HAPS) y distribuciones de tráfico dinámicas con puntos calientes (hotspots).
Arquitecturas: Se evaluaron dos arquitecturas de emparejamiento HAPS-Hipercelda:
1. No Jerárquica (HAPS-NH): Todas las celdas terrestres actúan como nodos de capacidad emparejados directamente con el HAPS.
2. Jerárquica (HAPS-H): Las celdas de capacidad terrestres se emparejan con celdas de cobertura terrestres, las cuales a su vez se emparejan con el HAPS. Esto permite que las celdas de cobertura intermedias gestionen el tráfico local y activen las celdas de capacidad desactivadas.
Algoritmo: Se implementó un algoritmo de Apagado de Portadora distribuido. Las celdas deciden autónomamente si desactivarse o reactivarse basándose en la carga local y de la celda emparejada de Bloques de Recursos Físicos (PRB). El apagado ocurre si la carga agregada de una celda y su par está por debajo de un umbral ( $\theta_{shtdn}$ ); la reactivación ocurre cuando la carga de un nodo de cobertura supera un umbral de activación ( $\theta_{wkup}$ ).
Evaluación: Las simulaciones se realizaron en períodos de 24 horas bajo demandas de tráfico variables (Baja a Alta) y tres políticas de CS (Conservadora, Equilibrada, Agresiva) definidas por diferentes valores de umbral.

Contribuciones Clave

Formalización de la HAPS-Hipercelda: El artículo define la HAPS-Hipercelda como un marco de eficiencia energética que desacopla la cobertura de la infraestructura terrestre, permitiendo la desactivación de las capas terrestres de capacidad y de cobertura simultáneamente.
Mecanismos de Emparejamiento Estructurados: Los autores introducen dos arquitecturas de emparejamiento distintas (No Jerárquica y Jerárquica) que facilitan la toma de decisiones distribuida y el intercambio de información entre las capas terrestres y la capa NTN.
Evaluación de Nivel de Sistema Conforme a 3GPP: El estudio proporciona un marco de simulación detallado que captura condiciones de canal realistas, dinámicas de tráfico y operaciones MIMO para cuantificar el ahorro de energía y las compensaciones de rendimiento, yendo más allá de los modelos simplificados utilizados en trabajos previos.

Resultados

Consumo de Energía: Bajo condiciones de tráfico bajo, el enfoque HAPS-Hipercelda supera significativamente al CS puramente terrestre.
- En las primeras horas de la mañana (4:00–7:00), la arquitectura HAPS-NH con un perfil agresivo logró una reducción del 12,5% en el consumo de energía promedio de la red en comparación con una red terrestre sin CS.
- Comparado con una red terrestre que utiliza CS convencional, el perfil agresivo de HAPS-NH produjo una reducción adicional del 10,5% en el consumo de energía promedio de 24 horas.
- Bajo condiciones de tráfico alto, los ahorros se redujeron (por ejemplo, una reducción del 9,2% frente a TN Sin CS en la madrugada), ya que más celdas permanecieron activas, pero la arquitectura HAPS-NH superó consistentemente a HAPS-H.
QoS y Distribución de Tasa:
- Los perfiles conservadores resultaron en un impacto mínimo en las tasas de datos de usuario (reducción media de ~1,3%), igualando estrechamente la línea base de "Sin CS".
- Los perfiles agresivos ofrecieron los mayores ahorros de energía pero incurrieron en mayores reducciones de tasa (hasta un 13,0% para HAPS-NH bajo tráfico alto).
- Compensaciones Arquitectónicas: La arquitectura HAPS-NH proporcionó mayor flexibilidad y ahorro de energía, pero sufrió degradación de QoS bajo carga alta debido al control centralizado en el HAPS, lo que podría conducir a una reactivación de celdas subóptima. La arquitectura HAPS-H mitigó los riesgos de saturación al utilizar celdas de cobertura intermedias para activar las celdas de capacidad, ofreciendo una mejor estabilidad de QoS a costa de un ahorro de energía ligeramente menor.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma ser el primero en demostrar que una capa NTN HAPS puede asumir efectivamente el rol de cobertura de múltiples macroceldas terrestres, permitiendo así el apagado de las capas de capacidad y de cobertura simultáneamente. Los autores sostienen que este enfoque reduce el consumo de energía total de la red manteniendo la disponibilidad del servicio, abordando una ineficiencia crítica en las operaciones de red actuales donde las celdas de cobertura permanecen activas independientemente de la carga.

El estudio destaca que, si bien la integración directa de HAPS genera ganancias significativas, la elección de la arquitectura de emparejamiento es crucial. Los resultados sugieren que la toma de decisiones distribuida basada únicamente en la carga local de PRB tiene limitaciones, particularmente en configuraciones no jerárquicas bajo carga alta. Por consiguiente, el trabajo se posiciona como una base para futuras optimizaciones, incluyendo el desarrollo de políticas basadas en IA y modelos de razonamiento avanzado para capturar mejor las dinámicas de red y maximizar el ahorro de energía para las futuras redes 6G más ecológicas.