Laboratório de Comunicações Sem Fio

O modelo da (QoS) do 5G é baseado em fluxos de QoS, que possuem identificadores únicos. Existem dois tipos de fluxos: com GBR (Taxa de Bits Garantida) e sem GBR. Esses fluxos são utilizados para diferenciar o tratamento de tráfego de usuário. No nível do usuário, os pacotes são filtrados e mapeados para os fluxos de QoS. No nível de acesso, os fluxos de QoS são mapeados para as Portadoras de Rádio de Dados (DRBs). Cada fluxo de QoS possui um perfil com parâmetros e características que podem ser padronizadas ou configuradas dinamicamente [1].

Parâmetros da QoS

Cada fluxo de QoS possui um identificador único chamado Identificador de Fluxo de QoS (QFI). Existem dois tipos de fluxos: Fluxos de QoS com Taxa de Bits Garantida (GBR) e Fluxos de QoS não GBR. O Fluxo de QoS é a menor granularidade de diferenciação de QoS na Sessão PDU. O tráfego da Plataforma do Usuário (UP) com o mesmo QFI recebe o mesmo tratamento de encaminhamento. Cada fluxo de QoS possui um perfil de QoS que inclui parâmetros de QoS e características deles. Os parâmetros aplicáveis dependem do tipo de fluxo GBR ou não GBR. As características de QoS são padronizadas ou configuradas dinamicamente [1,2]. Os parâmetros da QoS para o 5G (5QI) estão listados nos Quadros 1, 2 e 3.

Quadro 1 – Mapeamento padronizado de 5QI para características de QoS com recurso GBR [6].

Quadro 2 – Mapeamento padronizado de 5QI para características de QoS com recurso Non-GBR [6].

Quadro 3 – Mapeamento padronizado de 5QI para características de QoS com recurso Delay Critical GBR [6].

Alguns Detalhes importantes para ressaltar:

• Identificador de QoS 5G (5QI): Um identificador para características de QoS que influenciam pesos de agendamento, limites de admissão, limites de gerenciamento de fila, configuração do protocolo de camada de enlace, etc.
• Prioridade de Alocação e Retenção (ARP): Informações sobre nível de prioridade, capacidade de substituição (pode substituir recursos atribuídos a outros fluxos de QoS) e vulnerabilidade à substituição (pode ser substituído por outros fluxos de QoS).
• Taxa de Fluxo Garantida (GFBR): Medida ao longo da Janela de Tempo Médio. Recomendado como a taxa de bits mais baixa na qual o serviço sobreviverá.
• Taxa de Fluxo Máxima (MFBR): Limita a taxa de bits ao máximo esperado por este fluxo de QoS.
• Taxa Máxima de Bits Agregada (AMBR): Session-AMBR é por sessão PDU em todos os seus fluxos de QoS. UE-AMBR é para cada UE.
• Controle de Notificação de QoS (QNC): Configura a NG-RAN para notificar o se o GFBR não puder ser atendido. Útil se a aplicação puder se adaptar às condições em mudança. Se perfis de QoS alternativos forem configurados, a NG-RAN indica se um deles corresponde às métricas de desempenho atualmente atendidas.
• Taxa Máxima de Perda de Pacotes: No [3], isso é limitado à mídia de voz.
• Packet Error Loss Rate (PELR): A Taxa de Perda de Erros de Pacote (PELR) é uma métrica que estabelece um limite superior para a taxa de perda de pacotes que ocorrem devido a erros no nível da camada de enlace de uma rede. Ele representa a proporção de Unidades de Dados de Serviço (SDUs) processadas pelo remetente de um protocolo de camada de enlace, mas que não são entregues com sucesso pelo receptor correspondente à camada superior [4]
• Packet Delay and Budget (PDB): Define um limite superior para o tempo que um pacote pode ser atrasado entre o UE (Equipamento do Usuário) e o ponto de terminação N6 na UPF. O PDB se aplica ao pacote DL recebido pela UPF na interface N6 e ao pacote UL enviado pelo UE. Para um determinado 5QI, o valor do PDB é o mesmo no UL e DL [5].

Saiba mais sobre slicing, uma das tecnologias importantes para QoS em 5G, no seguinte artigo: Fatiamento de Rede (slicing) no 5G

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Douglas Liao, intitulado Implementação de QoS em rede 5G através do Network Slicing, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/248721.

Referências:

[1] LIAO, Douglas. Implementação de QoS em rede 5G através do Network Slicing.  2023. 75 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/123456789/248721. Acesso em: 13 jul. 2023.

[2] DEVOPEDIA. 5G Quality of Service. 2021. Disponível em: https://devopedia.org/5g-quality-of-service. Acesso em: 6 jun. 2023.

[3] 3GPP. Release 16. 2020. Disponível em: https://www.3gpp.org/specifications-technologies/releases/release-16. Acesso em: 6 jun. 2023.

[4] 3GPP. Digital cellular telecommunications system. 2011. Disponível em: https://www.etsi.org/deliver/etsi%5C_ts/123200%5C_123299/123203/09.09.00%5C_60/ts%5C_123203v090900p.pdf. Acesso em: 6 jun. 2023.

[5] 3GPP. 5G QoS characteristics. 2022. Disponível em: https://www.tech-invite.com/3m23/toc/tinv-3gpp-23-501%5C_za.html. Acesso em: 6 jun. 2023.

[6] 3GPP. 5G; System architecture for the 5G System (5GS). TS 23.501, version 17.9.0, Release 17, July. 2023. Disponível em: https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/123500_123599/123501/17.09.00_60/ts_123501v170900p.pdf. Acesso em: 22 jul. 2022.

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/>.