Laboratório de Comunicações Sem Fio

Por Christian Mailer.

Recentemente, a empresa controladora da plataforma Facebook alterou seu nome para Meta com o intuito de apostar em uma tecnologia conhecida como metaverso. Segundo a empresa, o metaverso representa a evolução das redes sociais para uma plataforma em que será possível aprender, jogar, colaborar, interagir e mais de forma virtual em um ambiente 3D que pode ser acessado através de tecnologias de realidade virtual e aumentada [1].

Essa aposta pode significar o futuro da Meta como uma das empresas líderes no segmento de redes sociais e anúncios, já que o crescimento de usuários e de faturamento de redes sociais como TikTok e Youtube, comparados ao Facebook, fizeram com que as ações da Meta despencassem 26,4% em apenas um dia [2]. Essa queda diária, de mais de 230 bilhões de dólares, é um recorde negativo para uma empresa estadunidense [2].

A Meta/Facebook nem sempre realiza boas apostas e um exemplo disso é o fracasso da criptomoeda Diem (antes chamada de Libra). A empresa esperava que a Diem fosse mantida por um consórcio liderado por ela mesma e utilizada de forma universal para transações financeiras montadas em cima de uma Blockchain, porém a empreitada acabou encontrando entraves regulatórios e de aceitação do público, que preferia utilizar criptomoedas consolidadas e populares como Bitcoin e Ethereum. No início de 2022, a Meta anunciou a dissolução do grupo de desenvolvimento da Diem e a venda de toda a propriedade intelectual para a Silvergate Capital Corporation [3].

Nova marca da empresa detentora do Facebook. Fonte: Meta.

Não é possível dizer ainda se o metaverso será a rede social do futuro ou se será um sucesso comercial assim como o Facebook ou o Twitter, no entanto, podemos fazer algumas previsões de como a comunicação móvel 5G poderia contribuir para a construção desse ambiente. Abaixo segue a nossa visão sobre o tema.

Mobilidade

Talvez o ponto que mais beneficie as tecnologias utilizadas para interagir com o metaverso seja a possibilidade de se conectar com os recursos virtuais em qualquer lugar e qualquer hora. Isso é, as pessoas podem se conectar a plataforma enquanto estiverem em um trem, ônibus ou carro e participar de uma reunião como se estivessem na mesma sala de outros participantes.

O 5G possibilita que os usuários não se preocupem com a qualidade da conexão, algo que no 4G é um problema, tendo em vista que há muitas falhas decorrentes do efeito Doppler e do handover.

Óculos de realidade aumentada. Fonte: Adobe Stock

Baixa latência e alta qualidade da conexão

Dentre os tipos de casos de uso previstos no projeto do 5G estão o de eMBB (enhanced Mobile Broadband) e o de URLLC (Ultra Reliable and Low Latency Communication). O primeiro trata da capacidade da arquitetura de quinta geração de suportar uma grande quantidade de transferência de dados de muitos usuários em uma mesma região, enquanto que o segundo garante que as comunicação de alta criticidade sejam realizadas da forma mais confiável e rápida possível. Desse modo, interações no metaverso que dependam de recursos avançados de áudio e vídeo, como streaming 4K, são cobertas pelo eMBB e as aplicações críticas, como um óculos de realidade aumentada para uso em cirurgias, são cobertas pelo URLLC.

Os casos de uso citados acima não podem ser satisfeitos através das gerações 4G e anteriores e, com exceção do 5G, só poderiam ser atingidos através de conexões fixas e dedicadas.

Outro ponto positivo da arquitetura 5G é o suporte nativo a computação de borda por meio de técnicas como UL CL (Uplink Classifier) da função de rede UPF (User Plane Function). Essa técnica facilita a utilização de recursos na borda e, além de reduzir a latência para o usuário final, diminui a carga da rede 5G central. Um caso de uso beneficiado pelo UL CL é o de reuniões no metaverso em que a maioria dos participantes se encontra próxima ou na mesma região, logo, o tráfego pode ser direcionado para uma instância na borda que realiza o controle da aplicação, provendo maior fluidez para a interação.

Metaverso na indústria. Fonte: Microsoft

Segurança

Segurança é um fator fundamental nas comunicações e o 5G foi concebido de forma a utilizar métodos consolidados de segurança da informação para tornar a arquitetura mais robusta.

Um dos recursos utilizados para aumentar a segurança em redes 5G, por exemplo, é o de fatiamento de rede (network slicing) que permite dividir uma rede física em diversas redes lógicas através de software. Ou seja, diferentes aplicações e acessos podem utilizar fatias de rede diferentes, o que garante um nível de qualidade de serviço (QoS) e de segurança compatíveis com os requisitos de cada tipo de uso. Grandes empresas podem utilizar de uma fatia exclusiva para comunicações no metaverso e, assim, impedem que indivíduos mal intencionados se aproveitem de vulnerabilidades em outras partes da rede para interceptar a comunicação.

Também, o Core do 5G é compatível com acessos oriundos de redes não 3GPP, isto é, de redes que não fazem parte da arquitetura 5G, como a Internet. Para isso, a função de rede N3IWF pode ser utilizada como porta de entrada no Core para usuários que estão conectados à Internet através de protocolos como Ethernet e Wi-Fi. Essa técnica possibilitaria, por exemplo, que usuários em Home Office se comuniquem com o metaverso, que está em uma fatia de rede do Core 5G, através de sua conexão residencial fixa.

Escalabilidade

Ao se projetar um produto, uma das primeiras coisas que são levadas em conta é a capacidade de se atender a uma demanda variável de usuários ou a rápidos crescimentos a partir de pouco ou nenhum esforço. O 5G provê essa capacidade nativamente e é uma boa escolha para qualquer tipo de aplicação que precise ser fornecida em escala global e para um grande número de usuários.

Através de funções de redes customizadas para o Core 5G, o metaverso pode ser implantado de forma rápida, distribuída e preparado para atender variações nas demandas de uso, já que bastaria o lançamento de novas instâncias dessa função de rede para que a capacidade seja aumentada. Da mesma forma, caso a demanda em um determinado período seja baixa, essas funções de redes podem ser desligadas. Tudo isso pode ser realizado com o auxílio de virtualização, containers e plataformas de orquestração, ferramentas que são muito utilizadas no setor de Tecnologia da Informação (TI).

Metaverso no cotidiano. Fonte: Meta

Referências

[1] Meta. Conheça a Meta. Disponível em: <https://about.facebook.com/br/meta/>. Acesso em 09 fev. 2022.

[2] Clayton, James. Facebook owner Meta sees biggest ever stock market loss. BBC. Disponível em: <https://www.bbc.com/news/business-60255088>. Acesso em 09 fev. 2022.

[3] Duffy, Clare. Facebook’s dream of creating its own global cryptocurrency officially comes to an end. CNN Business. Disponível em: <https://edition.cnn.com/2022/02/01/tech/facebook-diem-association-dissolving/index.html>. Acesso em 09 fev. 2022.

A computação de borda trata de deixar os serviços mais próximos do local onde serão entregues. Os serviços aqui incluem potência de computação e memória necessária para, por exemplo, rodar uma requisição de um aplicativo. A computação de borda, portanto, visa trazer os aplicativos, dados e poder de computação (serviços) que se encontram longe em pontos centralizados (central de dados) para locais mais próximos do usuário (como centrais de dados distribuídas). O objetivo é atingir uma latência mais baixa e reduzir os custos de transmissão e tráfego no Core da rede. Aplicativos que usam grandes volumes de dados e/ou requerem tempos de resposta curtos, por exemplo, jogos de realidade virtual em tempo real, inspeção de qualidade por vídeo na indústria 4.0, carros autônomos, cidades inteligentes etc., são alguns dos candidatos que podem se beneficiar da computação de borda [1].

A 3GPP não especifica nenhuma solução ou arquitetura especial para computação de borda, em vez disso, a 3GPP define várias ferramentas gerais que podem ser usadas para fornecer um eficiente caminho para o usuário. Essas ferramentas não são específicas para computação de borda, mas podem ser usadas como facilitadores na sua implantação [2].

1 Seleção da UPF pela SMF

A SMF é responsável pela seleção da UPF. Os detalhes de como isso é feito não são padronizados e dependem de vários aspectos, por exemplo, aspectos de implantação relacionados à topologia de rede das UPFs implantadas, bem como, os requisitos do serviço que será entregue.

Quando a SMF faz a seleção de uma UPF, um pré-requisito é que a própria SMF esteja ciente de quais UPFs estão disponíveis em suas respectivas configurações, como recursos da UPF, sequência de carregamento no caso de mais de uma UPF, etc. Uma das formas é que a SMF pode ser configurada com as UPFs disponíveis. Essa configuração pode incluir informações relacionadas à topologia para que a SMF esteja ciente sobre a localização da UPF e de que forma as UPFs estão conectados. Isso permite que a SMF selecione UPFs adequadas, por exemplo, dependendo da localização do UE.

Uma vez que a SMF sabe sobre a(s) UPF(s) disponíveis e há uma necessidade da SMF selecionar uma ou mais UPFs para uma sessão de PDU, como exemplo, no estabelecimento de sessão de PDU ou em algum evento de mobilidade, a SMF pode levar diferentes informações em consideração para selecionar uma UPF. Os detalhes não são padronizados, mas deixados para implementação e configuração do operador [1]. Algumas dessas informações são recebidas da UPF, outras são recebidas da AMF, enquanto que algumas podem ser pré-configuradas na SMF, como as informações relacionadas à topologia do plano do usuário e terminações do plano do usuário.

2 Formas de classificação de tráfego para a DN

Uma sessão de PDU tem no caso mais simples uma única sessão PDU âncora (PSA PDU Session Anchor) denominada de PSA UPF e, portanto, uma única interface N6 para a DN [1]. Mas uma sessão de PDU também pode ter mais do que uma PSA UPF e, portanto, várias interfaces N6 para uma DN conforme a Figura 1.

1. 1. 1. 1. PSA UPF: Esta é a UPF que faz a conexão com a DN através da interface N6.

         2. UPF intermediária (I-UPF): Esta é a UPF que é inserida no caminho do plano do usuário entre a AN e a PSA UPF. Ela encaminha o tráfego entre a AN e o PSA UPF.

         3. UPF com classificador de Up-Link (UL-CL) ou ponto de ramificação (BP): Esta é uma UPF que está “bifurcando” o tráfego para uma sessão de PDU na conexão ascendente e “mesclando” caminhos Up-Link descendente, fazendo funções relacionadas a QoS.

Figura 1 – Configurações de UPF. A: PSA único. B: PSA + I-UPF. C: UL-CL + 2 PSAs [1].

Essa última opção apresentada na Figura 1 pode ser usada para rotear seletivamente o tráfego do plano do usuário para diferentes interfaces N6, por exemplo, rotear de uma PSA UPF com interface N6 para um site periférico local e outra PSA UPF com interface N6 para um data center Remoto [1]. Essa funcionalidade é de suma importância para este trabalho, pois pode ser usada em aplicações da computação de borda 5G.

3 Classificação de Up-Link

Classificação de Up-Link é uma funcionalidade que é suportada por uma UPF onde a UPF desvia parte do tráfego para uma PSA UPF diferente (local) conforme é apresentado na Figura 2. O UL CL fornece encaminhamento de tráfego de ligação ascendente para diferentes Âncoras de Sessão PDU e desvia o tráfego de ligação descendente para o UE, isto é, o desvio do tráfego de diferentes Âncoras de Sessão PDU na ligação para o UE. O UL CL desvia o tráfego com base nas regras de detecção e encaminhamento de tráfego, fazendo uso de filtros de tráfego fornecidos pela SMF. Assim, o UL CL aplica as regras de filtragem, por exemplo, para examinar o endereço IP de destino dos pacotes IP da conexão ascendente enviados pelo UE e determina como o pacote deve ser encaminhado. A UPF que suporta um UL CL também pode ser controlada pela SMF para oferecer suporte à medição de tráfego e aplicar cobranças. O uso do UL CL se aplica a Sessões de PDU do tipo IPv4 ou IPv6 ou IPv4v6 ou Ethernet, de modo que a SMF possa fornecer filtros de tráfego [1].

Figura 2 – Acesso local a DN usando o UL CL [1].

Quando a SMF decide desviar o tráfego, ela insere um UL CL no caminho de dados e uma PSA adicional. Isso pode ser feito a qualquer momento durante a vida útil de uma sessão de PDU. A PSA adicional pode ser colocada na mesma UPF que o UL CL ou pode ser uma UPF autônoma. Quando a SMF determina que o UL CL não é mais necessário, ele pode ser removido do caminho de dados pela SMF [1].

O UE desconhece o desvio de tráfego por parte do UL CL e não participa na inserção e na remoção do UL CL. A solução com o UL CL, portanto, não requer nenhuma funcionalidade específica do UE.

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Dener Kraus, intitulado Computação de borda para indústria utilizando a rede 5G, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/228613.

Referências:

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

[2] 3GPP. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; General UMTS Architecture (3GPP TS 23.101 version 8.0.0 Release 8). Acesso em: 26/08/2021. Disponível em:<https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/123100_ 123199/123101/08.00.00_60/ts_123101v080000p.pdf>.

Na Tabela 1 é apresentado as principais empresas no depósito de patentes, declaração de patentes essenciais a padrões (SEP – Standard-Essential Patent) e desenvolvimento de padrões relacionados com computação de borda 5G. Essas empresas são do ramo de computação em nuvem ou de setores de dados e software.

	Cessionário atual/ Desenvolvedor de padrões	Pedidos de patente	Declaração SEP	Contribuições de padrões
1	Huawei (CN)	821	138	862
2	Intel (US)	686	42	488
3	Nokia (FN)	576	87	439
4	SAS Institute (US)	426	0	0
5	Apple (US)	386	72	41
6	Samsung Electronics (KR)	287	16	536
7	Verizon (US)	196	0	50
8	Microsoft (US)	188	0	0
9	Cisco (US)	168	0	39
10	Ericsson (SE)	163	6	374
11	LG Electronics (KR)	160	33	144
12	NEC (JP)	158	3	55
13	Pure Storage (US)	155	0	0
14	IBM (US)	125	0	0
15	Siemens (DE)	120	0	30
16	Sony (JP)	119	0	66
17	AT&T (US)	99	0	130
18	TE (CN)	96	4	193
19	Qualcomm (US)	68	6	256
20	Tencent (CN)	64	0	117
21	Convida Wireless (US)	60	0	88
22	CATT Datang Mobile (CN)	55	2	0
23	China Mobile (CN)	54	0	206
24	Deutsche Telekom (DE)	47	0	64
25	InterDigital (US)	46	2	77
26	SoftBank (JP)	46	0	4
27	Orange (FR)	41	0	60
28	Hewlett Packard Enterprise (US)	39	0	19
29	ETRI (KR)	37	1	29
30	Fraunhofer (DE)	35	11	17
31	Robert Bosch (DE)	34	0	10
32	Sharp (JP)	30	2	0

Tabela 1 – Relação empresas/desenvolvedores e número de patentes que descrevem tecnologias de computação de borda [1].

Fabricantes de chips, celulares e redes como Huawei (China), Intel (EUA), Nokia (Finlândia), Apple (EUA), Samsung Electronics (Coréia) e Ericsson (Suécia) contribuem fortemente para o desenvolvimento de padrões e, ao mesmo tempo, possuem grandes carteiras de patentes, algumas das quais são declaradas essenciais como padrão, isto é, uma patente que se torna um padrão que outros desenvolvedores ou empresas devem seguir. Além disso, muitas das operadoras de telecomunicações podem ser encontradas na lista dos principais proprietários de patentes e desenvolvedores de padrões, como Verizon (EUA), AT&T (EUA), China Mobile (China), Deutsche Telekom (Alemanha) e Orange (França).

Os líderes de tecnologia listados na Tabela 1 são de extrema importância para o sucesso da computação de borda, pois têm desenvolvido dispositivos, chips, redes, aplicativos, serviços, sensores e padrões de conectividade para realizar os primeiros casos de uso da computação de borda. Prevê-se que o mercado global da computação de borda em nuvem crescerá para US$12 bilhões ainda em 2021 [1]. Supõe-se que, até 2023, cerca de 70% das empresas estarão realizando parte de seus processamentos de dados usando a computação de borda 5G [1]. Assim, o interesse por uma parcela desse mercado é propagado entre várias empresas do ramo de desenvolvimento de tecnologia.

Uma dessas empressas interessada na computação de borda 5G é a WEG que tem criado parcerias com empresas da Tabela 1, como: Nokia e Qualcomm, além da já existente cooperação com a Agência Brasileira de Desenvolvimento Industrial (ABDI), a Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) e a Claro. O Open Lab 5G – V2COM da WEG em uma das fábricas, localizada na cidade de Jaraguá do Sul no estado de Santa Catarina (BR) completou testes práticos de conectividade à rede 5G. Foram realizados testes para avaliação de desempenho e a convivência de dispositivos e antenas com a tecnologia 5G em ambiente real para reunir informações sobre faixas de frequência, latência, potência e outras características necessárias às aplicações industriais [2].

De acordo com o relatório de resultados preliminares do Open Lab 5G – V2COM [3], foram obtidos dados experimentais utilizando a ferramenta iPerf [4], com transmissão de dados tanto TCP como em UDP ativando tráfego em cinco premissas de equipamentos de usuário (CPEs – Customer-premises equipment) parados e a uma distância de aproximadamente cinco metros de uma Small Cell: rede privada independente da Nokia na banda n78 (3,5 GHz), faixa de 3,7 GHz a 3,8 GHz, operando com largura de canal de 100 MHz, no modo SA (Stand Alone) e TDD (Time-Division Duplex) com distribuição 3:7 e saída de potência (Effective Isotropic Radiated Power – E.I.R.P.) de 23 dBm.

Um dos testes do relatório de resultados preliminares do Open Lab 5G – V2COM [3] é o de Throughput, latência e perda de pacotes versus a distância entre a Small Cell e um dos CPEs. Tais testes foram realizados posicionando fisicamente os CPEs a diferentes distâncias da Small Cell 4 da rede privativa independente – SA representada na Figura3, ou seja, apenas uma Small Cell ligada e as outras três desligadas.

Figura 1 – Topologia do teste da rede privativa independente – SA [3].

Foramrealizados testes utilizando-se a ferramenta iPerf com transmissão de dados em TCP para esta topologia em específico. As verificações foram feitas com o CPE parado às distâncias de 5, 20, 40 e 60 metros da Small Cell. Os valores de Throughput máximo, médio e mínimo obtidos durante o tempo de um minuto de medição são apresentados na Figura 2 e Figura 3. Também são apresentados nas mesmas figuras, os valores de latência médios obtidos durante quinze segundos antes do início do envio dos pacotes de dados, durante o um minuto em que são enviados os pacotes de dados e durante quinze segundos depois do envio dos pacotes de dados. Todas essas medições são apresentadas para cada uma das quatro distâncias em um mesmo gráfico para melhor visualização e comparação. São apresentados também, para as diferentes distâncias, os percentuais de redução de Throughput obtidos com relação ao Throughput a 5 metros.

Figura 2 – Uplink – Latência vs Throughput máximo (TCP) [3].

Figura 3 – Downlink – Latência vs Throughput máximo (TCP) [3].

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Dener Kraus, intitulado Computação de borda para indústria utilizando a rede 5G, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/228613.

Referências:

[1] Pohlmann, T. Who is leading the 5G patent race for edge computing? Acesso em: 26/08/2021. Disponível em:<https://www.managingip.com/article/ b1rznbcc4dsk23/who-is-leading-the-5g-patent-race-for-edge-computing>.

[2] WEG. WEG completa testes práticos de conectividade à rede 5G. Acesso em: 26/08/2021. Disponível em:<https://www.weg.net/institutional/BR/pt/news/ produtos-e-solucoes/weg-completa-testes-praticos-de-conectividade-a-rede-5g>.

[3] WEG-V2COM OPEN LAB. RESULTADOS PRELIMINARES WEG-V2COM OPEN LAB 5G. Acesso em: 04/09/2021. Disponível em:<https://sei.anatel.gov.br/sei/modulos/pesquisa/md_pesq_documento_consulta_externa. php?eEP-wqk1skrd8hSlk5Z3rN4EVg9uLJqrLYJw_9INcO6fX6o9bVPoiTHX_ HKDp8z4jNp1Hsw31wuTQX8J-fqjddyWo1pe5dZRrEvwZXjQvETUCBSxxyrrpuXwu\ EBod27a>.

[4] iPerf. iPerf – The ultimate speed test tool for TCP, UDP and SCTP. Acesso em: 07/09/2021. Disponível em:<https://iperf.fr/>.