Laboratório de Comunicações Sem Fio

O Core é a estrutura responsável por gerenciar os recursos de rede e as conexões dos usuários, como autenticação, QoS, segurança, roteamento, encaminhamento de pacotes, mobilidade, interceptação legal e outros. Juntamente com a interface de acesso via rádio, Radio Access Network (RAN), compõe a rede móvel de telecomunicações.

No 5G, o Core foi concebido tendo-se como foco uma arquitetura baseada em serviços, ou seja, uma estrutura flexível em que suas funcionalidades são divididas em nós ligados a um barramento comum que interagem entre si de forma independente. Essa abordagem permite a utilização de recursos em nuvem, de orquestração e de edge computing para escalonar a rede e adaptá-la continuamente a variações na carga de processamento, atingindo-se, assim, maior eficiência e estabilidade.

Para comunicação entre os nodos, chamados de Network Functions (NFs), a 3GPP definiu uma API (Application Programming Interface) que funciona sobre o protocolo HTTP (Hypertext Transfer Protocol) e que segue o modelo REST (Representational State Transfer). O modelo REST, proposto em 2000, conta com amplo suporte nas linguagens de programação e é muito empregado na Web, onde muitas empresas disponibilizam uma API em REST para interação com seus produtos.

As funções de rede essenciais do Core 5G (mostradas na Figura 1) são: AMF, UDM (Unified Data Management), AUSF (Authentication Server Function), UDR (Unified Data Repository), SMF (Session Management Function), NRF (Network Repository Function) e UPF. São elas que gerenciam a autenticação, estabelecimento de sessão, roteamento, interface com a rede de rádio, interface com o equipamento do usuário (UE), mobilidade, estabelecimento de túnel com a rede de dados ou Data Network (DN), entre outras funcionalidades. No entanto, há ainda funções de rede adicionais que estendem as capacidades do Core (mostradas na Figura 2), como a PCF (Policy Control Function), NSSF (Network Slice Selection Function), N3IWF (Non-3GPP Inter Working Function), AF (Application Function), NEF (Network Exposure Function), SMSF (Short Message Service Function), LMF (Location Management Function) e outras.

Figura 1 – Elementos essenciais de uma rede 5G [2].

Figura 2 – Funções de rede de um Core 5G [2].

O conjunto de protocolos NAS (Non Access Stratum), composto por 5GMM (5GS Mobility Management) e 5GSM (5GS Session Management), intermedia a conexão entre o UE e o Core. Para as mensagens de controle entre UE e AMF, destinadas ao gerenciamento do registro de dispositivos, mobilidade e segurança, o protocolo 5GMM é utilizado, enquanto que para as mensagens entre UE e SMF, como as destinadas ao gerenciamento das sessões PDUs (Protocol Data Unit), utiliza-se o protocolo 5GSM.

As próximas subseções descrevem as principais função de rede do Core 5G.

AMF

O AMF (Access and Mobility Management Function) é responsável por estabelecer a conexão com a RAN, através da interface N2, e com o UE, através da interface N1. O AMF gerencia o registro, autenticação e mobilidade do UE, além de gerenciar a encriptação e integridade das mensagens NAS. Também, retransmite as mensagens de gerenciamento de sessão, Session Management (SM), entre UE e SMF, as mensagens SMS (Short Message Service) entre UE e SMSF, as mensagens dos serviços de localização entre UE e LMF e entre RAN e LMF e as mensagens de política entre UE e PCF. Por fim, conta ainda com suporte para entrega de mensagens de aviso públicas, Public Warning System (PWS), e interface para interceptação legal, Lawful Interceptation (LI). Ressalta-se que um determinado UE só poderá ser servido por um AMF em um instante de tempo. A Figura 3 ilustra as interfaces utilizadas pelo AMF para interação com as demais funções de rede.

Figura 3 – Interfaces de rede utilizadas pelo AMF [2].

SMF

O SMF (Session Management Function) estabelece e gerencia a conexão entre o UE e a rede de dados (DN). Para isso, ele seleciona o UPF de acordo com os requisitos da conexão e estabelece uma sessão PDU (Protocol Data Unit) entre o acesso e o UPF ou entre UPFs quando necessário. A interface de comunicação entre SMF e UPF é chamada de N4. O protocolo PFCP (Packet Forwarding Control Protocol), desenvolvido para o 4G e evoluído para o 5G, é utilizado na camada de aplicação da interface N4 e atua em cima do protocolo UDP. O estabelecimento da sessão PDU, bem como de suas características, depende dos requisitos do UE, das informações dos bancos de dados do UDM/UDR e das políticas de serviço e QoS configuradas no PCF. O SMF também pode alocar endereços IPs para as sessões PDUs e possui suporte para interface de interceptação legal (LI). A Figura 4 ilustra as interfaces utilizadas pelo SMF para interação com as demais funções de rede.

Figura 4 – Interfaces de rede utilizadas pelo SMF [3].

UPF

O UPF (User Plane Function) é a função de rede que gerencia o tráfego do usuário. Suas interfaces de rede estão expostas na Figura 5. Ele é escolhido e controlado pelo SMF, no que tange as políticas de serviço, e serve como ponte entre a rede de dados (DN) e o UE, roteando, processando e direcionando os pacotes de acordo com as regras do SMF. Desse modo, atua como ponto de ancoragem para a sessão PDU, abstraindo os eventos de mobilidade na rede e armazenando os pacotes que não podem ser entregues ao UE em um buffer para posterior encaminhamento. Pode ser disposto de forma geograficamente centralizada ou distribuída, não havendo restrições no número de UPFs servindo uma sessão PDU, conforme especificações da 3GPP. Além disso, podem ser implementados em série, encaminhando-se o tráfego com base em regras de roteamento.

O UPF é responsável, também, por coletar dados estatísticos de tráfego, gerar relatórios, aplicar QoS de acordo com a demanda da rede e replicar o tráfego para monitoramento legal.

Há uma funcionalidade no UPF chamada de Up Link Classifier (UL CL) que permite direcionar o tráfego para diferentes UPFs baseado em regras de encaminhamento fornecidas pelo SMF. O UL CL gerencia o envio dos pacotes do UE para as diferentes redes e das redes de volta para o UE, podendo ser adicionado ou removido a qualquer momento pelo SMF. A Figura 6 ilustra o funcionamento do UL CL.

Figura 5 – Interfaces de rede utilizadas pelo UPF [3].

Figura 6 – Direcionamento de tráfego através de UL CL [2].

NRF

O NRF (Network Repository Function) serve como repositório das funções de rede (NFs) disponíveis para o Core. Ele armazena as características que descrevem cada NF registrado e permite que outras NFs consultem seu banco de dados para obter o endereço, na rede, dos serviços desejados. A grande vantagem trazida pelo NRF é a não exigência de conhecimento prévio dos endereços e perfis dos elementos do Core que compõem a rede, podendo ser requisitados no momento em que uma determinada NF necessitar de um serviço de outra NF. Cada NF, ou entidade representando a NF, é responsável por registrar-se no NRF e atualizar seu status, porém, o NRF dispõe de um mecanismo keep alive que identifica elementos que não estão mais disponíveis. Mudanças na estrutura do Core ou de escalabilidade são simplesmente efetuadas através de atualizações do status da NF alterada no NRF, sem necessidade de alterar-se as configurações internas das outras NFs. Dentre as informações de perfis disponíveis no NRF, pode-se citar: tipo da NF, ID (identificação), endereço, capacidade, serviços suportados e informações de autorização.

UDM

O UDM (Unified Data Management) acessa e gerencia os dados de inscrições armazenados no UDR, envia dados relevantes para as NFs que servem o UE, como AMF e SMF, autoriza acessos e serviços, autentica usuários, gerencia identificação de usuários e oferece suporte a serviços SMS. De forma geral, o UDM fornece uma interface de acesso aos bancos de dados com informações da rede, permitindo que um usuário utilize múltiplos UDMs para transações diferentes.

UDR

O UDR (Unified Data Repository) armazena e fornece acesso de dados de inscrições para o UDM, dados de políticas para o PCF e dados estruturados para exposição para o NEF.

AUSF

O AUSF (Authentication Server Function) realiza a autenticação primária e o estabelecimento de chaves entre o UE e a rede, utilizando para isso informações do UDM. Suas interfaces com o AMF e o UDM podem ser visualizadas na Figura 7.

Figura 7 – Interfaces de rede utilizadas pelo AUSF [3].

PCF

O PCF (Policy Control Function) é responsável por armazenar e prover as políticas de serviço para as NFs. Para o SMF, as políticas fornecidas são os níveis de QoS e regras de tráfego e cobrança, as relacionadas ao estabelecimento da sessão PDU e as relacionadas ao tráfego local que podem influenciar a escolha do UPF por parte do SMF. Para o AMF, o PCF fornece as regras de acesso e mobilidade, como restrições de áreas de serviço e prioridades de acesso. Para o UE, o PCF fornece, através do AMF, políticas relacionadas ao acesso não 3GPP, políticas de escolha de fatias na rede (slicing), de escolha de redes de dados (DN), entre outras. As interfaces de rede do PCF estão expostas na Figura 8.

As políticas são determinadas considerando-se fatores como condição da rede, políticas da operadora local, requisitos de aplicativo e dados de assinatura do usuário.

Figura 8 – Interfaces de rede utilizadas pelo PCF [3].

NSSF

O NSSF (Network Slice Selection Function) é o elemento que seleciona as fatias de rede para serem utilizadas pelo UE. Tal procedimento é realizado com base no parâmetro de Single Network Slice Selection Assistance Information (S-NSSAI), que define a fatia desejada. Também, o NSSF lista os AMFs que podem servir o UE, podendo consultar o NRF para isso.

N3IWF

O N3IWF (Non-3GPP Inter Working Function) permite a integração de redes que não são parte do acesso definido pela 3GPP, como WiFi, ao Core 5G. Essa interconexão é feita através do estabelecimento de túneis IKEv2 (Internet Key Exchange) e IPsec (IP Security Protocol) entre N3IWF e UE. A Figura 9 ilustra a utilização do N3IWF para conectar uma rede não 3GPP ao Core 5G.

Figura 9 – N3IWF conectando uma rede não 3GPP ao Core 5G [2].

NWDAF

A função NWDAF (Network Data Analysis Function) é responsável por coletar dados de outras funções de rede por meio de serviços que expõem eventos dessas funções [4]. Ela também coleta dados de sistemas, operações e gerenciamento e do repositório unificado de dados (UDR). Qualquer outra função de rede ou até mesmo aplicativos externos podem teoricamente consumir os serviços oferecidos pela NWDAF [4,5]. Os principais consumidores da NWDAF são a NSSF e a PCF. Ao coletar dados, a NWDAF pode realizar análises, como resumos históricos ou estatísticos, ou previsões de valores futuros [4]. As análises realizadas pela NWDAF podem ser usadas por outras funções de rede para realizar ações específicas na rede, como modificar uma fatia específica ou modificar a qualidade de serviço (QoS) de um serviço [2,4].

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

[4] 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.

[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: 26 ago. 2022.

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.

Característica	4G LTE	5G NR
Codificação do canal de dados	Turbo	LDPC
Codificação do canal de controle	TBCC	Polar
Esquema de modulação para o uplink	SC-FDMA (Single-carrier frequency-division multiplexing)	DFT-S-ODFM; OFDM (opcional)
Esquema de modulação para o downlink	OFDM	OFDM
Largura de banda (MHz)	1,4; 3; 5; 10; 15; 20	5, …, 100 (sub 6 GHz); 50, …,400 (above 6 GHz)
Espaçamento da subportadora (kHz)	15 (unicast, Multimedia Broadcast Multicast Service [MBMS]); 7,5/1,25 (portadora MBMS dedicada)	30, 60, 120; 240 (não para dados)
Máxima agregação de portadora (CC)	32	16
Máximo de portas de antena MIMO	8 (SU-MIMO); 2 (SU-MIMO)	8 (SU-MIMO); 16 (SU-MIMO)
HARQ transmissão/retransmissão	TB	TB, Code block group

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

Estrutura do frame	4G LTE	5G NR
Duração do frame de rádio	10 ms	10 ms
Duração do subframe	1 ms	1 ms
Duração do slot	0,5 ms	0,5 ms
Formato do slot	Predefinido	Configurado de forma dinâmica e semiestatística

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.

Texto por: Dener Kraus

Curso gratuito, disponibilizado pela CISCO, de introdução ao software Packet Tracer. Basta se cadastrar no site e, após esse pré-requisito, acessar aqui para baixar o programa e dar início ao curso.

Após a conclusão do curso, o aluno será capaz de criar projetos de redes envolvendo roteadores, switches, servidores e uma variedade de componentes relacionados, sendo possível configurar rotas, firewalls e demais recursos.

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

Sigla/Abreviatura	Significado
3GPP	3rd Generation Partnership Project
5GMM	5GS Mobility Management
5GSM	5GS Session Management
AF	Application Function
AMF	Access and Mobility Management Function
API	Application Programming Interface
AUSF	Authentication Server Function
CA	Carrier Aggregation
DN	Data Network
EC2	Elastic Compute Cloud
eMBB	enhanced mobile broadband
GTP-U	GPRS tunneling protocol for the User Plane
HTTP	Hypertext Transfer Protocol
IKE	Internet Key Exchange
IMEI	International Mobile Equipment Identity
IMSI	International Mobile Subscriber Identity
IoT	Internet of Things
IP	Internet Protocol
Ipsec	IP Security Protocol
ITU-R	International Telecommunications Union Radiocommunication Sector
LI	Lawful Interception
LMF	Location Management Function
LTE	Long Term Evolution
MIMO	Multiple Input Multiple Output
mMIMO	massive Multiple Input Multiple Output
mMTC	massive machine-type communication
MU-MIMO	Multi User Multiple Input Multiple Output
N3IWF	Non-3GPP Inter Working Function
NaaS	Network as a Service
NAS	Non-Access Stratum
NEF	Network Exposure Function
NF	Network Function
NFV	Network Function Virtualization
NG-RAN	NG-Radio Access Network
NGAP	NG Application Protocol
NR	New Radio
NRF	Network Repository Function
NSSF	Network Slice Selection Function
PCF	Policy Control Function
PDU	Protocol Data Unit
PFCP	Packet Forwarding Control Protocol
PLMN	Public Land Mobile Network
PWS	Public Warning System
QoS	Quality of Service
RAM	Random Access Memory
RAN	Radio Access Network
REST	Representational State Transfer
RRM	Radio Resource Management
S-NSSAI	Single Network Slice Selection Assistance Information
SCTP	Stream Control Transmission Protocol
SD	Slice Differentiator
SDN	Software Defined Networking
SINR	signal-to-interference-plus-noise ratio
SM	Session Management
SMF	Session Management Function
SMS	Short Message Service
SMSF	Short Message Service Function
SST	Slice/Service Type
SU-MIMO	Single User Multiple Input Multiple Output
SUPI	Subscription Permanent Identifier
TCP	Transmission Control Protocol
TLS	Transport Layer Security
UDM	Unified Data Management
UDP	User Datagram Protocol
UDR	Unified Data Repository
UE	User Equipment
UL CL	Up Link Classifier
UPF	User Plane Function
URLLC	ultra-reliable and low-latency communication
XnAP	Xn Application Protocol

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.

Geração	Década de Surgimento	Descrição
1G	1980	Analógica, a primeira completa ou quase completa rede móvel automática que foi destinada apenas para chamadas de voz, apesar de que soluções baseadas em acessórios pudessem ser adaptadas para uso de dados.  Os sistemas iniciais eram baseados em equipamentos de usuários montados em veículos que podiam, também, ser utilizados como dispositivos portáteis. O peso era tipicamente de vários quilos e havia um auricular separado. Alguns exemplos dessa fase do 1G são NMT-450, Netz-C e AMPS. No desenvolvimento futuro do 1G, também foram introduzidos dispositivos portáteis, embora os primeiros fossem grandes e pesados em comparação com os dispositivos modernos, pois não eram destinados para os bolsos. Exemplo dessa fase é o NMT-900, lançado nos países nórdicos entre 1986 e 1987.
2G	1990	O diferencial mais importante do 2G foi a funcionalidade digital, que forneceu a integração de serviços de mensagens e dados no sistema e nos dispositivos. Exemplos dessa geração são GSM e IS-95.
3G	2000	O desenvolvimento adicional de sistemas com capacidade de multimídia levou à terceira geração. O principal diferencial dessa geração é a possibilidade de usar taxas de dados consideravelmente mais altas. De acordo com o conjunto original de requisitos de desempenho da ITU, o LTE inicial ainda pertence à fase 3G.
4G	2010	A ITU-R definiu um conjunto de princípios e requisitos de desempenho para os sistemas da quarta geração. Na fase inicial da revisão de conformidade pela ITU, havia dois sistemas que atendiam aos requisitos, ou seja, a versão avançada do LTE (LTE-A, a partir da Release 10) e WiMax (a partir do WirelessMAN-Advanced). Como os mercados de telecomunicações móveis têm crescido fortemente e a concorrência está mais forte do que nunca, também houve interpretações paralelas das capacidades 4G. Geralmente, a Release 8 LTE é interpretada como pertencente ao 4G e o HSPA+ é considerado por várias operadoras como um sistema 4G.

 

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.