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A 3GPP definiu que a tecnologia de rádio 5G será chamada de New Radio (NR) e que contará com diversas novidades comparadas às suas antecessoras, com suporte a recursos como massive Multiple Input Multiple Output (mMIMO), beamforming, novas bandas de frequência, novas técnicas de modulação de canal e Carrier Aggregation (CA).

Na geração anterior, o 4G ou LTE (Long Term Evolution), já havia se feito muito progresso em melhorar a eficiência da banda móvel e do espectro, em diminuir o tempo de latência, em possibilitar um custo mais baixo para os dispositivos e em aumentar a duração da bateria. Logo, tais evoluções possuem um papel fundamental para o rádio 5G.

A Tabela 1 mostra as diferenças entre as principais características do 4G e do 5G, enquanto que a Tabela 2 mostra a comparação entre as principais definições do quadro estrutural do 4G e do 5G.

Tabela 1 – Principais diferenças entre o rádio 4G e 5G [2]. Traduzida pelo autor.

Tabela 2 – Comparação das definições do quadro estrutural do 4G e do 5G [2]. Traduzida pelo autor.

No 5G, as bandas de frequência suportadas variam de 450 MHz até 6 GHz (classificada como Frequency Range 1, FR1, mid/low band ou sub 6 GHz bands) e de 24,250 GHz até 52,600 GHz (classificadas como Frequency Range 2, FR2, high band ou above 6 GHz bands). A grande inovação são as altas frequências, também chamadas de millimiter wave (mmWave), capazes de transferir uma grande quantidade de dados com uma latência muito baixa. No entanto, quanto maior a frequência de transmissão, menor é o alcance das ondas, ficando suscetíveis a perda de sinal causadas por objetos comuns, como portas e janelas, e até mesmo pela presença de indivíduos ou animais entre o emissor e o receptor. Com o intuito de se aumentar a eficácia da transmissão, tecnologias como beamforming e MIMO podem ser empregadas.

Beamforming

Beamforming é uma técnica que visa direcionar a transmissão diretamente para o receptor ou esperar a transmissão vinda da direção do emissor. Essa abordagem permite melhorar a razão sinal-interferência-mais-ruído, signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR), atingindo-se maior taxa de transmissão. Ainda dentro de beamforming, pode-se utilizar técnicas estendidas como multibeam, em que uma antena possui múltiplos feixes (beams) dinamicamente controlados que otimizam a conexão para um dispositivo específico. A Figura 1 ilustra a aplicação de single beam e multibeam.

Figura 1 – Single beam e multibeam, respectivamente [3].

Massive MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output) é uma técnica que utiliza múltiplas antenas de emissão e recepção e, consequentemente, múltiplos caminhos ou canais, não correlacionados, para transmissão de fluxos de dados entre emissor e receptor. Isso permite que o receptor possa juntar os sinais recebidos para aumentar a taxa de transmissão de dados. O termo massive MIMO indica que uma quantidade muito maior do que 8 antenas de transmissão e recepção serão utilizadas na estação base.

Quando múltiplas cópias de um fluxo de dados são enviadas por caminhos diferentes e mesma frequência para o mesmo dispositivo, está sendo realizado Single User Multiple Input Multiple Output (SU-MIMO). No entanto, quando a comunicação é feita com múltiplos dispositivos de usuário ao mesmo tempo na mesma frequência, denomina-se Multi User Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO). Nota-se que para ambas as situações se utiliza beamforming para atingir-se o objetivo desejado. A Figura 2 demonstra a diferença entre SU-MIMO e MU-MIMO.

Figura 2 – Single User MIMO e Multi User MIMO, respectivamente [3].

Arquitetura da rede de rádio

De acordo com a 3GPP, a arquitetura de rede de rádio da nova geração é composta por múltiplas estações base conectadas ao Core 5G e entre elas mesmas. A Figura 3 ilustra a arquitetura da rede de rádio 5G. O nome atribuído às estações rádio base 5G nativas é gNB. Quando a estação base for LTE, o termo utilizado é ng-eNB. No entanto, de forma genérica, pode-se referir a estação base 5G como NG-Radio Access Network (NG-RAN), independentemente de ser gNB ou ng-eNB.

Dentre as funcionalidades do NG-RAN, podem ser citadas: gerenciamento de recursos de rádio, gerenciamento de cabeçalho IP (Internet Protocol), gerenciamento do AMF (Access and Mobility Management Function), funcionalidade de roteamento, configuração e liberação de conexões, funcionalidade de agendamento, medições, marcações de pacotes, gerenciamento de sessões, fatiamento (slicing) de rede, funções de QoS, suporte de UEs em estado RRC_INACTIVE, função de distribuição para mensagens NAS, compartilhamento de rede de acesso de rádio, dual connectivity e interfuncionamento entre NR e E-UTRA (interface de ar da geração LTE).

O gerenciamento de recursos de rádio, Radio Resource Management (RRM), inclui o controle de admissão por rádio e suporte de rádio, gerenciamento de mobilidade e controle e alocação dinâmica de recursos para o UE.

Figura 3 – Arquitetura da rede de rádio 5G [3].

As estações base são interconectadas pelas interfaces Xn, divididas em Xn-C (interface de sinal) e Xn-U (interface para transferência de dados). As interfaces de comunicação com os elementos do Core AMF e UPF são, respectivamente, N2 e N3.

Os dados de usuários são transferidos pelas interfaces N3 e Xn-U utilizando-se a rede IP e a pilha de protocolos exposta na Figura 4.

Figura 4 – Pilha de protocolos utilizada para transferência de dados de usuário [3].

O protocolo GTP-U (GPRS tunneling protocol for the User Plane), que encapsula os dados de usuário, é um protocolo confiável amplamente utilizado nas gerações anteriores e é carregado pela pilha UDP (User Datagram Protocol)/IP.

Já os dados de sinal, são transportados pelo protocolo SCTP (Stream Control Transmission Protocol), que foi definido pela IETF e possui entrega garantida de pacotes e segurança melhor comparado ao TCP (Transmission Control Protocol). A pilha completa dos protocolos utilizados para os dados de sinal pode ser visualizada na Figura 5. Os protocolos de controle NGAP (NG Application Protocol) e XnAP (Xn Application Protocol) são empregados, respectivamente, na interface N2 (entre RAN e AMF) e na interface Xn.

Figura 5 – Pilhas de protocolos para a transferência de dados de sinal [3].

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Christian Mailer, intitulado Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624.

Referências:

[1] MAILER, Christian. Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço. 2020. 54 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624. Acesso em: 15 abr. 2021.

[2] PENTTINEN, J. 5G Explained: Security and Deployment of Advanced Mobile Communications. 1. ed. Hoboken, NJ, EUA: Wiley, 2019.

[3] ROMMER, S. et al. 5G Core Networks: Powering Digitalization. [S.l.]: Academic Press, 2019.