Laboratório de Comunicações Sem Fio

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.

Na lista abaixo são introduzidos os significados de algumas siglas e abreviaturas utilizadas na área de Redes Móveis e afins.

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.

Desde o surgimento da primeira geração de comunicação móvel, o 1G, na década de 1980, muito foi aperfeiçoado e adaptado tendo-se como base os requisitos por maior capacidade, velocidade e confiabilidade durante a troca de informações. O Quadro 1 mostra um panorama geral das características de cada geração enquanto que a Figura 1 mostra a evolução das taxas de transferência de dados [1].

Quadro 1 – Resumo da evolução das redes de comunicação móveis [2]. Traduzido pelo autor.

Figura 1 – Evolução das taxas de transmissão [2].

A jornada começa com a primeira geração 1G, implantada inicialmente no Japão em 1979 pela NTT (Nippon Telegraph and Telephone) e posteriormente disponibilizada comercialmente em outros países na década de 1980. Essa geração, baseada em sistemas analógicos, foi projetada para fornecer serviços de comunicação de voz. Uma inovação significativa foi o MTSO (Mobile Telephone Switching Office), que facilitava o roaming (a capacidade de um dispositivo manter a conectividade ao se mover entre áreas geográficas) e o handoff (o processo de transferência de uma chamada em andamento ou sessão de dados de uma célula de serviço para outra sem interrupção), tornando-se a espinha dorsal da infraestrutura 1G [3,4].

A década seguinte viu o nascimento da segunda geração 2G, marcada por uma mudança revolucionária para a transmissão de dados digitais. A introdução da internet móvel e das mensagens de texto, juntamente com o aprimoramento da qualidade do serviço e eficiência espectral, destacaram a 2G. Além disso, surgiram evoluções como o GPRS (General Packet Radio Service) e o EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), permitindo maior capacidade de transmissão de dados e estabelecendo a base para as gerações futuras [3,4].

Respondendo à crescente demanda por altas taxas de transmissão para serviços multimídia, a terceira geração 3G foi desenvolvida no final dos anos 1990, seguindo o conjunto de requisitos IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) definido pela ITU (International Telecommunication Union). Entre as especificações apresentadas, o padrão UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) da 3GPP (Third Generation Partnership Project) destacou-se, levando a uma evolução natural do GSM e a introdução do HSPA+ (High Speed Packet Access Plus), que aprimorou drasticamente as taxas de transferência de dados em relação às suas predecessoras [3,5].

Finalmente, a quarta geração 4G foi lançada em 2010, elevando a capacidade de transmissão de dados a um novo patamar e introduzindo o conceito de Voz sobre IP, VoIP (Voice over IP). Esta geração foi padronizada através do LTE, da 3GPP, e do WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), do IEEE, ambos baseados em multiplexação ortogonal por divisão de frequência: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Multiple Access) e SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access) [3,6].

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.

Lucas Kienen Rota, intitulado Avaliação e validação da interoperabilidade das Redes Non3GPP com as redes 5G fim a fim (UE a UE), disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/248729.

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] ROTA, Lucas Kienen. Avaliação e validação da interoperabilidade das Redes Non3GPP com as redes 5G fim a fim (UE a UE).  2023. 88 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, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/248729. Acesso em: 13 jul. 2023.

[4] BOTH, C. ET AL. Soft5G+: explorando a softwarização nas redes 5G. [S.l.]: XXXVIII Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos, 2020. P. 27, 28, 29, 30.

[5] SILVA, Gabriel Henrique Davanço. Classificação de tráfego por classes de serviço no núcleo 5G. 2022. 80 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, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/237577. Acesso em: 13 jul. 2023.

[6] KRAUS, Dener. Computação de borda para indústria utilizando a rede 5G. 2021. 95 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, 2021. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/228613. Acesso em: 13 jul. 2021.

Com o surgimento de conceitos e tecnologias como IoT (Internet of Things), Indústria 4.0, Blockchain, Big Data e outras que são voltadas ao acumulo de informações e comunicação, deparou-se com um empecilho: a falta de recursos das tecnologias sem fio existentes para lidar com grandes volumes de dados e prover o gerenciamento adequado desses dados na rede.

A solução que visa resolver esse problema é a nova geração de comunicação sem fio chamada de 5G, que aumenta consideravelmente a velocidade de troca de informações, apresenta baixa latência e maior eficiência espectral comparada às gerações anteriores. Além disso, essa nova geração conta com recursos que possibilitam gerenciar o tráfego de informações baseado na exigência de cada dispositivo, como fatiamento de rede (network slicing), permitindo que operadoras disponibilizem redes como serviço para seus clientes.

Ressalta-se a importância de tecnologias como Software Defined Networking (SDN) e Network Function Virtualization (NFV) para o 5G, termos que, respectivamente, nomeiam redes que são estabelecidas em ambiente virtual e funções de rede que, também, são criadas e executadas virtualmente.

A tecnologia 5G não melhora somente a velocidade de transmissão, mas também torna a comunicação mais estável, eficiente e disponibiliza novos serviços de Core. Altas frequências (aproximadamente 27 GHz) e MIMO (Multiple Input Multiple Output) são algumas das técnicas que possibilitam esses avanços, no entanto, as antenas de alta frequência possuem curto alcance (300 m).

O componente por trás da infraestrutura que fará o gerenciamento dos dispositivos de usuário e das virtualizações de rede é o Core Network, porém, até o 4G, essa tecnologia ficou restrita às operadoras de telecomunicações. O Core do 5G, chamado de 5G Core, foi concebido de forma a suprir as deficiências do Core do 4G (Evolved Packet Core) e baseia-se em conceitos como micro serviços, nuvem, container, virtualização e automação.

A arquitetura de uma rede 5G Standalone pode ser resumida em Acesso, Core e Rede de Dados. Tal arquitetura pode ser visualizada na Figura 1. O dispositivo que irá acessar a rede 5G é chamado de User Equipment (UE). Diferentemente das gerações anteriores, no 5G os UEs não serão representados apenas por smartphones, mas, sim, por uma ampla gama de dispositivos como sensores, carros e até mesmo robôs cirúrgicos.

Figura 1 – Elementos essenciais de uma rede 5G. Os retângulos representam as funções de rede do Core. Fonte: [2].

De forma genérica, são três as classes de uso que visam ser atendidas pelo 5G: enhanced mobile broadband (eMBB), massive machine-type communication (mMTC) e ultra-reliable and low-latency communication (URLLC). A Figura 2 ilustra as três classes citadas.

Figura 2 – Classes de uso do 5G. Fonte: [3]

Enhanced mobile broadband é a evolução da banda larga móvel existente para suportar maior capacidade de troca de informações. Visa atender áreas densamente povoadas, podendo atingir altas velocidades de envio e recebimento de dados.

Massive machine-type communication é a comunicação entre um grande número de dispositivos, como aplicações de Internet das Coisas. Uma característica comum desse tipo de comunicação é a troca de mensagens de pequeno tamanho, normalmente contendo dados como medições ou comandos para atuadores. Os dispositivos que usufruem desse serviço também necessitam de um baixo consumo de energia, uma vez que uma longa duração de bateria é essencial para a Internet das Coisas.

Ultra-reliable and low-latency communication é a comunicação voltada para serviços que exijam troca de dados em tempo real e com confiabilidade elevada, como carros autônomos, automação industrial e controle de tráfego. A latência, que deve ser menor do que 1 ms, é mais importante do que banda para essas aplicações.

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

[3] CHANDRAMOULI, D.; LIEBHART, R.; PIRSKANEN, J. 5G for the Connected World. [S.l.]: Wiley, 2019.