Redes 5G I: Introdução
No princípio os aparelhos de rede móvel celular proporcionaram uma certa liberdade na
questão de mobilidade quando se realizava uma comunicação de voz. Porém, os aparelhos
que permitiam esse tipo de serviço, apresentaram problemas com clonagem e deficiência
espectral devido ao aumento na quantidade de usuários. Os próximos aparelhos
desenvolvidos melhoraram esses pontos, mas houve a necessidade em acessar a internet
através do aparelho celular e como não tinham sidos desenvolvidos a princípio com este
propósito, também apresentaram dificuldades no acesso.
As criações seguintes vieram sempre com o intuito de melhorar o acesso com a internet,
entretanto foram criados aplicativos que vem apresentando uma evolução diversificada,
além de outros tipos de serviços que se utilizam da internet como meio de transmissão,
tornando-se a rede cada vez mais densa onde apresentam-se outros tipos de problemas.
Isto serviu como incentivo no desenvolvimento de uma nova rede móvel celular, que no
presente momento está em processo de criação. Diversas organizações no mundo estão
envolvidas com o propósito de ampliar, otimizar, padronizar a nova rede celular, onde
através de reuniões e acordos foi apresentado um calendário com ações a serem tomadas.
Objetivo
Por essa motivação tecnológica, é apresentado este trabalho acadêmico que poderá servir
de auxílio para o estudo da nova tecnologia celular que será desenvolvida. Sendo dividido
em um breve histórico da rede móvel celular, onde em seguida é apresentado as gerações
celulares, sendo o foco principal as características da rede de 5ª geração. Neste tópico são
discutidos pontos como os possíveis espectros utilizados, tecnologias de antenas
assumidas, técnicas de acesso para a interface de RF e outros fatores que devem ser
tomados em consideração como os casos de uso, modelos de serviços e criação de valores.
Também será mostrado os órgãos regulamentadores que estão envolvidos, fazendo-se
uma comparação entre a tecnologia atual e a futura.
Tutoriais
Este tutorial parte I apresenta inicialmente um breve histórico e resumo das gerações de
tecnologias de telefonia celular (1G ao 4G), e em seguida apresenta o estágio atual da
tecnologia 5G.
O tutorial parte II continuará a apresentar o estágio atual de tecnologia 5G, e em seguida
apresentará os órgãos regulamentadores e outras organizações envolvidas com o 5G.
Continuará fazendo um comparativo entre as rede atuais e futuras de telefonia celular e
finalizará com as conclusões do autor.
Redes 5G I: Rede Móvel Celular
Esta seção destina-se em fazer uma breve apresentação do histórico da rede móvel
celular, além de comentar sobre as características da 5ª geração e falar sobre os tópicos
separadamente que estão sendo estudados, desenvolvidos e melhorados para alcançar
os requisitos exigidos.
História da Rede de Telefonia Celular
O início da transmissão da voz por sinais elétricos, começou por volta de 1876 com
Alexander Graham Bell. Aproximadamente em 1880, Heinrich Hertz constatou a
propagação de ondas eletromagnéticas que foram teoricamente sugeridas por Maxwell.
O italiano Gugliermo Marconi deparou-se com a primeira aplicação para comunicação
entre pontos não fixos em 1897, onde fez várias transmissões de rádio de Needles, na
ilha de Wight, para um navio a 18 milhas da costa. Com esse fato, pode-se dizer que as
primeiras comunicações móveis importantes, ocorreram na utilização em navios
(GUEDES, 2014).
O primeiro uso regular de sistemas de rádio móvel aconteceu em 1921, onde o
departamento de polícia de Detroit instalou o sistema em viaturas, que primeiramente
só recebiam ordens da central de polícia, mas posteriormente também podiam enviar.
Tendo uma faixa de 2MHz, era um sistema Simplex que também começou a ser usado
pelo departamento de polícia civil de Nova York, onde 5000 veículos compartilhavam
apenas 11 canais de voz (GUEDES, 2014).
O órgão regulador FCC aprovou o uso de quatro canais na faixa de 30MHz-40MHz,
em bases experimentais. A sua utilização foi regulamentada em 1938. Devido ao
avanço tecnológico, as intenções eram aumentar as frequências de operação
(GUEDES, 2014).
Em 1946 a AT&T colocou em funcionamento um sistema experimental com 150MHz
e seis canais espaçados de 60KHz. Apesar da distância entre esses canais, poderiam
existir interposições entre canais adjacentes de usuários de uma mesma área
(GUEDES, 2014).
Foi instalado um sistema de telefonia móvel em 1947 ao longo da rodovia de Boston
em Nova York, onde operava nas faixas de 35MHz - 44MHz. Tinha-se a noção de que
frequências mais baixas como a utilizada, alcançavam uma distância maior fazendo-se
o contorno de relevos. Porém, as conversações seguiam por reflexão na camada
ionosférica, chegando a quilômetros de distância, causando interferência em outros
aparelhos (GUEDES, 2014).
Nessa época, as chamadas eram realizadas via telefonista, sendo que, era necessário
que o usuário procurasse manualmente um canal vago antes de realizar uma ligação.
Com o aumento da demanda, aumentou-se a lista de espera de usuários causando uma
escassez de canais disponíveis (GUEDES, 2014).
Foi implantado o primeiro sistema Full-Duplex, com a técnica TDM para sistemas de
telefonia fixa, em 1950 pelo departamento de polícia da Filadélfia. Com um
aprimoramento do sistema devido ao novo método de fabricação de filtros que
diminuíram os espaçamentos dos canais, houve um melhor desempenho permitindo o
uso de frequências cada vez mais elevadas. Isso ocorreu em 1955 e permitiu a seleção
automática de canais vagos pelos equipamentos de rádios móveis (GUEDES, 2014).
A base dos sistemas de telefonia móvel de hoje, teve o seu princípio com o surgimento
dos sistemas Trunked em 1960 que foi o apoio inicial para o sistema IMTS tendo
faixas entre 150MHz - 450MHz com canais de 30KHz (GUEDES, 2014).
A limitação do espectro disponível sempre foi uma dificuldade para expansão de
sistemas de telefonia móvel. O FCC encontrou-se numa situação que o levou a
liberação da faixa de frequência de 75MHz, devido as exigências das operadoras e do
mercado para aumentar a capacidade do sistema. Porém foi preciso negociar com as
emissoras televisivas, pois perderiam alguns canais de UHF. Então foi possível liberar
uma faixa de frequência entre 800MHz - 900MHz com canais de 40MHz em 1975
após a confirmação da viabilidade técnica do sistema (GUEDES, 2014).
Quando a AT&T disponibilizou o primeiro sistema de telefonia celular no EUA, o
Japão já tinha instalado um sistema similar na cidade de Tóquio. Era 13 de outubro de
1983 e o sistema instalado chamou-se AMPS nos EUA. Na Europa foi usado o NMT
enquanto que no Reino Unido, Itália, Áustria, Espanha e Irlanda utilizou-se o TACS e
na Alemanha e Portugal o C-450. A américa latina adotou o AMPS em 1989 que se
utilizava de 666 frequências entre 800MHz - 900MHz. No Brasil essa tecnologia foi
instalada primeiramente no Rio de Janeiro e posteriormente em Brasília, Campo
Grande, Belo Horizonte e Goiânia (GUEDES, 2014).
A necessidade do usuário móvel de buscar conexão em qualquer lugar que esteja, é
um fator de incentivo para modernidade, onde as operadoras investirão grandemente
para obter um melhor compartilhamento de rede móvel no mercado (GUEDES, 2014).
Gerações de rede móvel celular
A evolução dos sistemas celulares, acontece através da implementação de novos
serviços de telefonia móvel, onde adiciona novos padrões, arquitetura ou simplesmente
faz a otimização do que já existe. Cada geração é dividida em padrões e em “subigerações”, lembrando-se que para alcançar a próxima geração os padrões existentes
devem ser melhorados (SANTOS, 2008).
A seguir descrevem-se as gerações de telefonia celular.
Primeira Geração (1G)
Vários padrões foram propostos e implementados, mas o AMPS foi o padrão
americano que o Brasil seguiu. Este utiliza-se da comutação de circuitos do FDMA
como método de acesso, onde reserva-se uma banda de frequência para cada canal, que
pode ser usada o tempo todo. Cada canal tem 30KHz de largura, operando na faixa de
800MHz com banda de 25MHz para o enlace direto e também com 25MHz no enlace
reverso. Fazendo-se a divisão de 25MHz por 30KHz, consegue-se descobrir a
quantidade de canais que é de 833. Como o canal 0 é utilizado para controle, haverá
832 canais disponíveis para os usuários (SANTOS, 2008).
Segunda Geração (2G)
Teve o seu surgimento no início dos anos 90, sendo uma tecnologia digital que visava
na melhoria da qualidade de voz, trazendo como novidade os serviços de identificação
de chamadas, serviço de mensagens curtas (SMS), roaming internacional, chip de
segurança, direcionamento de chamadas e aviso de tarifação, etc (FONTANA, 2014).
Pela busca de maior capacidade de tráfego, o EUA implementou três padrões: IS-54
que é um AMPS digital, IS-136 representado como um TDMA digital e IS-95 que é
semelhante ao CDMA digital. A Europa queria uniformizar os sistemas para o MCE e
com este esforço fez surgir o GSM. Este foi o principal representante do 2G, porque
atingiu escala mundial, sendo ampliada a escala de produção destes produtos, o que
diminuiu o preço dos mesmos (SANTOS, 2008).
Basicamente os protocolos de transmissão de dados dos sistemas de segunda geração
se esforçaram em adaptar o canal de voz para a transferência de bits de dados. Como o
GSM foi projetado inicialmente para atender ao tráfego de bits gerado por
conversações telefônicas, não estava preparado para acessar a internet, onde precisaria
de uma taxa maior de tráfego (SANTOS, 2008).
Então houve um novo padrão para o GSM, que foi o GPRS. O seu benefício foi
adicionar a técnica de comutação por pacotes, para atender aos assinantes móveis com
altas taxas de bits para transmissão de dados. O GPRS é considerado como uma
tecnologia 2,5G onde a rede só envia um pacote de dados quando este for requisitado,
ou seja, os canais são alocados aos usuários somente quando ocorrer o envio ou
recebimento de pacotes. Também não foi preciso mexer no espectro de frequência,
pois apresentou vantagens no uso dos 200KHz existentes de canal de rádio
(PIMENTA, 2006).
Figura 1: Arquitetura GPRS
Fonte: SANTOS, 2008
O objetivo da rede GPRS é acessar a internet que se utiliza da comutação de pacotes,
enquanto o GSM continua a usar a comutação por circuitos. A sua arquitetura
adicionou algumas interfaces, alterou certos elementos de rede e também acrescentou
outros novos. Os principais elementos de serviços são o SGSN, GGSN e PCU. O
SGSN é considerado o coração da rede GPRS, pelo fato de fazer a manutenção e o
registro de novos funcionários, criptografia com os mesmos algoritmos do GSM 2G,
gerenciamento de mobilidade, entre outras funções. O GGSN fornece a conexão com
as redes de pacotes externas enquanto o hardware PCU direciona o tráfego de dados
para a rede GPRS, sendo acrescentado ao BSC onde novos softwares foram
atualizados (SANTOS, 2008).
Para aumentar a eficiência do sistema GPRS, foi criado o EDGE. Ele é considerado
como uma tecnologia 2,75G e suas principais mudanças estão nos protocolos de acesso
à interface, tipo de modulação e pelos novos procedimentos de codificação de canal
(SANTOS, 2008).
Apresenta-se na tabela 1 as principais diferenças entre as tecnologias GSM, GPRS e
EDGE:
Terceira Geração (3G)
Foi gerado um documento pela ITU por volta de 1989, onde foram descritas certas
condições para considerar uma tecnologia como 3G. Essa visão foi chamada de IMT2000 onde uma nova alocação de espectro foi exigida e a ANATEL reservou para o
3G a frequência de 1,9GHz. Com o objetivo de migrar do 2G para o 3G e integrar a
comunicação de dados em banda larga na telefonia, tecnologias de RAT foram
escolhidas como o UTRA e o WCDMA. Estas duas tecnologias estão unidas no
UMTS, que foi desenvolvido pelo 3GPP com a função de possibilitar um uso efetivo
de banda larga móvel, utilizando o WCDMA como interface de rádio (GUEDES;
VASCONCELOS, 2009).
Utilizando a mesma rede de suporte dos sistemas GPRS e EDGE, o que facilita a
implementação, havendo diferença apenas nos protocolos e interface aérea entre esses
sistemas (SANTOS, 2008).
Na figura 2 é mostrado um exemplo da arquitetura UMTS.
Figura 2: Arquitetura de Rede UMTS
Fonte: GUEDES; VASCONCELOS, 2009
Dentro das funções dos elementos de rede, tem-se o RNC, que é responsável pelo
controle da estação de rádio base chamada de NodeB (NB) e pela comunicação entre a
NB e o CN. O RNC tem a função de gerenciamento de tráfego, roteamento,
comunicação dentre múltiplos protocolos (IP, ATM, etc) e é formado pela MGW,
SGSN e MSC Server (GUEDES; VASCONCELOS, 2009).
Com uma velocidade de acesso maior à rede, aumento da capacidade da rede e melhor
transmissão de dados, veio o HSPA que também é conhecido como o 3,5G. Para o seu
funcionamento, não é necessário fazer modificações na rede central UMTS, apenas
uma melhoria na infraestrutura para comportar o aumento no fluxo de dados, pois o
que está sendo feito é basicamente uma melhora no acesso. Sendo o HSPA uma junção
das melhorias de download chamada de HSDPA e de upload chamada de HSUPA, na
qual ambas podem ser implementadas no canal de 5MHz usado pelo UMTS
(GUEDES; VASCONCELOS, 2009).
Quarta Geração (4G)
Com o aumento da demanda por tráfego de dados exigido por usuários de tecnologia
móvel, foi projetado o sistema de quarta geração LTE, sendo a sua padronização feita
também pelo 3GPP (PIRES; SILVA; VEIGA; ROSA, 2012).
O LTE tem a característica de ser compatível com as redes previamente estabelecidas,
tanto as padronizadas pelo 3GPP como as demais. Tendo um sistema de tráfego de voz
que é suportado principalmente através da tecnologia VoIP, a tecnologia LTE faz
transição entre o uso da comutação de circuitos para a comutação de pacotes no tráfego
de voz (GUEDES; VASCONCELOS, 2009).
É demonstrado na figura 3 a arquitetura de uma rede LTE.
Figura 3: Arquitetura LTE
Fonte: PIRES et al, 2012
Devido à combinação de comutação de circuitos e pacotes, apresenta uma arquitetura
simples do sistema, que é conhecida como EPC, sendo caracterizada pela simplicidade
e pela integração com as demais redes baseadas no IP (GUEDES; VASCONCELOS,
2009).
Na sua interface aérea, tem uma variabilidade de canais de banda larga, podendo
variar de 1,4MHz – 20MHz. Utiliza-se da técnica OFDMA para downlink e SCFDMA para uplink (CARDOSO, 2015).
A multiplexação por divisão de frequências ortogonais, ou OFDM, é uma técnica de
transmissão de dados que utiliza sua banda dividida em múltiplas portadoras
ortogonais. Estas são chamadas de subportadoras para modulação, não apresentando
sobreposição de frequência o que evita a ocorrência de interferência de uma com a
outra. O seu funcionamento, deve-se ao fato de converter um fluxo de dados serial de
taxa de transmissão elevada em múltiplos subfluxos paralelos de taxa de transmissão
baixa. Tem vantagem em relação às técnicas que utilizam uma única portadora, porque
podem alcançar a mesma taxa de transferência, por causa do paralelismo de
subportadoras de taxas baixas, com maior resistência a condições ruins do meio
(OTTO; COUTINHO, 2008).
A utilização do SC-FDMA no uplink deve-se ao fato do equipamento móvel consumir
uma alta potência principalmente pela modulação utilizada na transmissão de RF. No
caso do OFDMA, apresenta uma alta relação pico/média, o que exige um esquema de
amplificação linear que não é muito eficiente (ÁVILA, 2009).
O LTE utiliza-se de muitas antenas para aproveitar os sinais propagados em múltiplos
percursos presentes no ambiente rádio móvel. Essa técnica de operação das antenas é
chamada de MIMO (ÁVILA, 2009).
Logo após, tem-se a tecnologia LTE-ADVANCED que também foi criado pelo 3GPP
e está no Release 10. Ela surgiu para aumentar o desempenho de rede, a velocidade e a
utilização de frequências. Pode aumentar a velocidade com a combinação de
portadoras usando CA, permitindo velocidade máxima teórica e velocidade maiores
para o usuário com o aumento de portadoras. Tendo um aprimoramento maior de
antenas inteligentes MIMO, podendo aumentar o desempenho e suportando no
máximo combinações 8X8 MIMO no downlink e 4X4 MIMO no uplink. Também
incluem redes SON e CoMP (4GAMERICAS,2015).
O quadro 1 faz uma comparação entre o LTE e o LTE-Advanced.
Quadro 1: LTE x LTE-Advanced indicadores desempenho
INDICADOR
RELEASE 8 LTE
RELEASE 10 LTEADVANCED
Downlink: 300Mbps
Downlink: 1Gbps
Uplink: 75Mbps
Uplink: 500Mbps
Downlink: 15[bps/Hz]
Downlink: 30[bps/Hz]
Uplink: 3.75[bps/Hz]
Uplink: 15[bps/Hz]
Plano de usuário: 10ms
Plano de usuário: 5ms
Controle de plano: 100ms
Controle de plano: 50ms
Acima dos 20MHz
Acima dos 20MHz com
agregação de banda acima dos
100MHz
Downlink: Acima de 4X4
Downlink: Acima de 8X8
Uplink: N/A
Uplink: Acima de 4X4
Pico de Taxa de dados
Pico de Eficiência de Espectro
Latência
Suporte de Banda Larga Escalável
MIMO (multiplexação espacial)
Fonte: 4G AMERICAS, 2015 (Editado pelo autor)
Com a introdução do uso de smartphone, tablet e outros dispositivos móveis que
utilizam aplicativos que exigem um alto consumo de taxa de dados da rede móvel,
aumenta-se o tráfego e a demanda da capacidade celular. Entretanto, iniciativas de
melhora da capacidade tem sido iniciada pelo 3GPP como solução para o
desenvolvimento das tecnologias LTE/LTE-A que são referidas como LTE-B. Os três
componentes principais deste método são a eficiência do espectro, extensão do
espectro e a densidade da rede (ISHII, 2014).
Estes componentes são apresentados na figura 4.
Figura 4: Cubo de Capacidade de Evolução
Fonte: KISHIYAMA; TAKAHASHI, 2014 (Editado pelo autor)
Além de conter técnicas de recebimento avançado a eficiência do espectro contêm
beamforming, Massive MIMO e CoMP. Já a extensão do espectro pode ser melhorada
com a agregação de portadoras, enquanto a densidade da rede necessita de camadas
adicionais para as diferentes frequências. O pior caso para o LTE é quando há uma
concentração de terminais na borda da célula, tendo como solução o uso de HetNet,
onde dentro de uma macro célula são desenvolvidas várias células pequenas. As
células pequenas fornecem alta capacidade de tráfego permitindo o uso de diferentes
bandas de frequências ou portadoras que evitam interferências com a macro célula.
Porém encontra-se dois problemas que são na questão de mobilidade e conectividade,
pois com a diminuição do tamanho da célula aumenta-se o número de handovers,
precisando de logística e um planejamento cuidadoso para operar em larga escala
(ISHII, 2014).
Para ambiente indoor as pequenas células têm o WiFi, as Femto cells e o uso de DAS
como solução de capacidade. Contudo, o ambiente outdoor ainda sofre com recursos
para a mobilidade e conectividade. Para resolver este problema, as pequenas células
podem ser usadas com a macro célula de forma espalhada ou uma próxima à outra. No
cenário com pontos de tráfego alto onde as pequenas células encontram-se distantes
umas das outras, há a necessidade do UE ser rapidamente detectado no handover,
porém os procedimentos de handovers são realizados devido a força e qualidade do
sinal, necessitando de métodos mais eficientes de medida e identificação da frequência
da célula. Na área com tráfego muito alto, as células encontram-se próximas umas das
outras devido ao desenvolvimento denso e necessitam de uma boa mobilidade entre as
frequências das pequenas células, tendo as perdas de pacotes e falhas nas taxas durante
o handover como prejuízo (ISHII, 2014).
Apresenta-se na figura 5 as duas formas que algumas células pequenas podem ser
usadas com a macro célula.
Figura 5: Cenários de Desenvolvimento Outdoor para Bandas de Alta Frequência
Fonte: KISHIYAMA; TAKAHASHI, 2014 (Editado pelo autor)
A divisão da configuração C-Plane/U-Plane é uma solução para o uso eficiente,
flexível e de baixo custo das bandas de alta frequência. O C-Plane é fornecido pela
macro célula em bandas de baixa frequência, fazendo a conexão com o UE para
manter uma boa mobilidade e conectividade, enquanto o U-Plane é fornecido em
bandas de alta frequência pelas pequenas células que aumentam as taxas de dados do
usuário. Como as pequenas células são dedicadas a carregar o tráfego de usuário, são
chamadas de Phantom Cells e fornecem conexão direta com o UE permitindo uma
maior flexibilidade e eficiência operacional. Este método permite adicionar capacidade
a rede, onde futuramente devido às requisições poderá aumentar o número de células
pequenas gradualmente (ISHII, 2014).
Demonstra-se na figura 6 o método utilizado pela arquitetura Phantom Cell.
Figura 6: Divisão de C-Plane/U-Plane e Phantom Cell
Fonte: KISHIYAMA; TAKAHASHI, 2014 (Editado pelo autor)
Redes 5G I: A Nova Geração de Rede Celular (1)
Nas seções seguintes serão enfatizados os pontos degradantes que precisam ser
melhorados para haver uma grande ampliação da capacidade de transmissão da rede
móvel atual, tais como os primeiros passos a serem executados, o espectro de rádio
disponível, as tecnologias de antenas a serem pesquisadas e as técnicas de acesso para
a interface de RF.
Primeiros Passos para Alcançar a 5° Geração
Inicialmente o progresso das redes 3G apresentaram uma inovação de tecnologia
móvel de banda larga para a indústria e para a sociedade. Se o 5G tornar-se uma nova
geração em tecnologia móvel, será uma transformação de alto nível, principalmente
em termos de espectro e topologia da rede (WARREN; DEWAR, 2014).
A forma de sincronismo rigoroso e ortogonalidade usada pelo LTE e o LTEAdvanced para transportar o sinal de informação, apresentaram algumas deficiências
devido algumas tendências que estão crescendo rapidamente como o MTC, que
apresentam procedimentos volumosos necessários para garantir um sincronismo
rigoroso. Também por causa das redes que estão se tornando cada vez mais
heterogêneas, necessitando de um sistema que colete os ganhos dos sinais e faça um
gerenciamento deles com a rede (WUNDER, 2014).
Os estudos para o espectro de rádio de quinta geração, estão acima dos 6GHz, ou seja,
pretendem utilizar altas bandas de frequências que diminuem o alcance das ondas,
portanto, diminuindo o tamanho das células. Para alcançar uma cobertura mais ampla,
terá que mexer na topologia da rede atual (WARREN; DEWAR, 2014).
É altamente considerada a forma de onda que foca na interface de rádio dentro da
propagação na qual ela será usada sobre grandes distâncias, que é chamada de
“beamforming”, tem uma função importante em definições de interface de rádio que
utilizarão 6GHz ou bandas de frequências mais altas. Para atender os requisitos do 5G,
essa forma de onda deverá seguir o dispositivo que estiver sendo conectado, sendo que
cada célula terá que suportar centenas de ondas individuais (WARREN; DEWAR,
2014).
Outro estudo que está sendo realizado como solução em bandas de alta frequência, é a
utilização em ampla escala de MIMO, chamada de “Massive MIMO”. Com o aumento
da frequência, os elementos que formam a antena podem ser minituarizados,
aumentando-se assim o número de antenas utilizadas que formaram propagações
estreitas (DOCOMO, 2014).
Entre os fatores determinantes para a evolução da rede móvel celular 5G estão, o
espectro de rádio disponível, o tipo de tecnologia de antena assumido, a arquitetura da
rede, o RAT e o hardware do rádio (CARDOSO, 2015).
Lembrando-se que uma taxa muito alta de dados, baixa latência, alta confiabilidade e
uma possibilidade de manter extrema massa volumar entre os dispositivos, será
realizada com a continuidade do desenvolvimento do LTE em combinação com as
novas tecnologias de acesso de rádio desenvolvidas para a quinta geração
(ERICSSON, 2015).
Espectro de Rádio Disponível
Muitos países consideram o espectro de RF como uma propriedade exclusiva do
estado, assim como a água, terra, etc. A interferência entre ondas de rádio, prejudicam
a forma da onda original dificultando a sua leitura no destino, por isso o espectro de
rádio tem regulamentação onde faixas de frequência são separadas para o uso em
determinados equipamentos. Pelo fato de ser uma fonte que pode ser reutilizada, tem
um gerenciamento que visa resolver os problemas com interferência, projetar curtas e
longas alocações de frequência, avançar tecnologicamente para a introdução de novas
tecnologias wireless, etc (MANIKKOTH, 2014).
Quanto mais afastado o aparelho móvel encontra-se da rede wireless, mais base
station são exigidas e por consequência, mais espectro. Isso ocorre devido a atenuação
do espectro, que é um dos primeiros problemas encontrados quando tentaram lançar
novos serviços wireless como os sensores do IoT, comunicação M2M, vigilância
wireless, etc. A escassez de espectro disponível, limita o avanço para novos tipos de
serviços com alta mobilidade e velocidade de transmissão. Sendo mantido sobre o
regime e controle do governo, mantenedores do desenvolvimento de novos serviços
wireless e interessados começaram a considerar possíveis mudanças nas restrições do
acesso ao espectro (MANIKKOTH, 2014).
Desde o início as comunicações móveis dependeram de espectros licenciados para
oferecer serviços a operadores de uma determinada área. Este princípio será mantido
no 5G, com a adição de espectros não licenciados que poderão ser usados pelos
operadores principalmente em frequências acima de 10GHz. Como o foco em altas
frequências será a transmissão em banda larga e devido o ambiente denso com
condições de tráfego variadas, o espectro licenciado terá que ser dividido entre os
usuários, diminuindo assim a capacidade de transmissão. Por isso, com esse caminho
dinâmico para espectros não licenciados, poderá aumentar a eficiência na utilização do
mesmo (ERICSSON, 2015).
Por volta de 2020 algumas tecnologias de interface aérea assim como a evolução do
WiFi, possivelmente serão usadas em espectros sem licença. Todavia será necessário
considerar como estas tecnologias irão coexistir e compartilhar acesso ao espectro
quando operando em espectros não licenciados. O papel do gerenciamento do tráfego
de dados pode continuar o mesmo, porém com a limitação no gerenciamento do
serviço, cobertura da célula e na sustentação do tráfego, fazendo com que esses tipos
de serviços sejam melhorados e inseridos gradativamente na plataforma do 5G. A ideia
principal seria garantir qualidade de serviço quando estiver acessando espectros
compartilhados (HATTACHI; ERFANIAN, 2015).
Como um resultado na flexibilidade dos ganhos de eficiência espectral, os espectros
licenciados continuarão em desenvolvimento assim como a coexistência entre os
diversos tipos de RATs (HATTACHI; ERFANIAN, 2015).
Com a ênfase em ondas milimétricas (mmW) que não são esperadas para ser
compatíveis com o LTE, mas usadas como backhaul para comunicação entre as
estações base, mantendo as ligações para melhorar a cobertura dentro das células,
assim como na comunicação entre base station e o usuário terminal. Poderá trabalhar
em bandas de frequência licenciada ou não licenciada, sendo em sua maioria em
frequência licenciada. Terá que competir com tecnologias como o ADSL, VDSL e a
fibra nas comunicações de backhaul, onde apresenta vantagem em relação a facilidade
de ser desenvolvida, mas também terá o desafio em relação ao preço que dependerá da
quantidade de link distribuído por localidade (TARDY; HAKEGARD, 2014).
O padrão desenvolvido para comunicações de mmW é aplicado em ambiente indoor,
onde é usado em bandas de frequências licenciadas de 57Hz - 66GHz, sendo
desenvolvidas para a alta definição de transmissão. Porém, em cenários outdoor na
comunicação de celularesa propagação de mmW é considerada um risco devido a
atenuação do sinal em espaço livre, que reduz o alcance da transmissão de altas
frequências (TARDY; HAKEGARD, 2014).
Espera-se que o 5G seja integrado embaixo da cobertura do IMT que é desenvolvido
dentro do quadro de trabalho da ITU. O uso de alocações de espectros adicionais deve
ser identificado pela Regulação de Rádio ITU, mas primeiramente decidido no WRC15 quais bandas de frequência estarão disponíveis para o IMT. O espectro abaixo de
1GHz é essencial para uma entrega econômica de dados, sendo utilizado em ambientes
indoor e áreas rurais. Já o espectro acima dos 6GHz, permite o suporte para uma alta
taxa de dados com conectividade a curto alcance. Dependendo do resultado do WRC15, poderá ter outra conferencia para mais espectros de banda-larga que melhorem a
cobertura e capacidade (HATTACHI; ERFANIAN, 2015).
Medidas revelaram que na maior parte do tempo, espectros licenciados são
subutilizados. Novas tecnologias oferecem o método de gerenciamento dinâmico, onde
um sistema de computadores faz o acesso dinâmico ao espectro organizando-os de
forma eficiente. É o CR quem faz a seleção de um canal que não está sendo usado, ou
seja, ele alcança bandas de frequência que não estão sendo usadas, mudando os
parâmetros de frequências de transmissão e recepção durante o carregamento de dados
pesados, permitindo assim um uso mais eficiente do espectro. O CR também pode ser
útil para calcular uma forma de reduzir as interferências em canais ocupados,
disponibilizando para que sejam utilizados por mais pessoas. Já o DSM ou DAS, é um
conjunto de técnicas baseado em pesquisas e desenvolvimentos teóricos, para melhorar
a performance da rede por completo. O seu conceito envolve a otimização para o
cruzamento entre camadas, inteligência artificial, etc. Cobrindo diferentes áreas com
coexistência de espectro, atribuições de frequências, alocação de canais
dinamicamente, acesso a bandas de frequência licenciadas e não licenciadas
(MANIKKOTH, 2014).
Um CR é um rádio inteligente que pode ser programado ou configurado
dinamicamente. Com seus transmissores projetados para utilizar o melhor canal
wireless da vizinhança, também pode utilizar temporariamente uma porção do espectro
que está sendo utilizado, sem interferir na transmissão dos outros usuários. Tem como
principais funções a flexibilidade de mudar a forma de onda, agilidade para mudar a
banda de operação do espectro e os níveis de potência, sensibilidade para observar o
estado do sistema tendo uma rede com alta capacidade para comunicar-se com
múltiplos nós. Portanto, o CR é desenvolvido como um rádio transceiver que pode
utilizar os canais de espectro oportunisticamente. Porém existe uma rede que aprende
com as consequências de suas decisões e utiliza-se desse aprendizado para tomar
decisões futuras, sendo chamada de CN. Podendo utilizar o espectro de rádio e os
recursos de estações base, o CN é uma rede que pode organizar CR’s (MANIKKOTH,
2014).
Ainda não é certo quais bandas de alta frequência estarão disponíveis para a
comunicação móvel, chegando aproximadamente à 100GHz os níveis de frequência
que estão sendo considerados. As frequências abaixo dos 30GHz, são preferíveis no
ponto de vista de propagação, mas a possibilidade de ampla transmissão em bandalarga na ordem de 1GHz ou mais, só vai estar disponível em bandas de frequência
acima de 30GHz (ERICSSON, 2015).
Observa-se na figura 7 o alcance de espectro que está sendo estudado para o uso no
5G.
Figura 7: Espectro Relevante para Acesso Wireless do 5G
Fonte: ERICSSON, 2015 (Editado pelo autor)
Lembrando que as faixas de frequência acima de 10GHz, servem apenas como um
complemento que fornece a capacidade adicional ao sistema e uma ampla transmissão
de banda-larga, para a extrema taxa de dados quando em desenvolvimento em
ambientes densos. As baixas frequências, permanecerão nas redes de comunicação
móvel durante a fase do 5G, fornecendo conectividade entre ambas as áreas
(ERICSSON, 2015).
A evolução do projeto de rádio e antena que possuem uma sensibilidade alta, permite
que cada vez mais possa carregar mais dados dentro de espectros menores com menos
potência. Tornando-se possível criar tecnologias wireless que mesmo sendo sensíveis a
outras transmissões de rádio, possam trabalhar em ambientes com ruído através de
técnicas como o uso de beamforming com múltiplas antenas, polarização, etc
(MANIKKOTH, 2014).
Devido ao controle e centralização do espectro por parte do governo e de organizações
reguladoras envolvidas, obteve-se uma escassez do espectro livre, onde procurava-se
promover uma harmonia entre ondas aéreas e acabou-se criando uma ineficiência no
espectro utilizado. Mas com a implementação de rádios com aplicações inteligentes,
pode-se obter ultra banda larga ou transmissão de propagação de espectro de uma
maneira mais fácil, porque possuem uma infraestrutura wireless baseada em nuvem e
que pode ser acessada em qualquer lugar. A proximidade entre os dispositivos pode ser
um diferencial também, pois como estão próximos podem obter um ganho maior
utilizando-se de um mesmo espectro, com uma baixa potência em uma rede de alta
potência e através de técnicas de antenas inteligentes, reduzindo a interferência entre
os dispositivos. Entretanto, com o aumento no número de rádios fazendo o uso do
espectro, torna-se mais difícil conseguir ondas aéreas para a sua operação
(MANIKKOTH, 2014).
Possíveis Tecnologias de Antenas Assumidas
O conceito por transmissão em multiantenas, realiza um papel importante nas redes de
comunicação móvel de quarta geração e serão ainda mais importantes nas redes
móveis de quinta geração. Poderá ser usado especialmente em altas frequências,
utilizando-se do beamforming para transmissão ou recepção local, mas com um
determinado problema de propagação para altas frequências. Entretanto, o
beamforming será também de extrema importância em baixas frequências, para o caso
da ampliação de cobertura e no fornecimento de altas taxas de dados para
equipamentos dispersos (ERICSSON, 2015).
O conceito de Phantom Cell é uma das opções que podem ser usadas nas redes de
tecnologia 5G. Dividindo-se o controle C-Plane dos dados do usuário U-Plane entre
Macro Cell e Small Cells, com bandas de frequência diferentes onde as Small Cells
suportam um tráfego com alta taxa de transmissão de dados, enquanto a Macro Cell
mantém a sinalização de controle como RRC por exemplo (NTT DOCOMO, 2014).
Na figura 8 apresenta-se a configuração Phantom Cell.
Figura 8: Arquitetura Phantom Cell com divisão de C/U Plane
Fonte: NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)
Em altas frequências, pode-se reduzir os elementos da antena e também colocá-las
mais próximas formando uma matriz de antenas (beamforming) onde os feixes se
tornam mais estreitos. Essa técnica é conhecida como Massive MIMO e poderá ser um
forte aliado em Small Cells, cobrindo toda a célula e podendo fornecer altas
velocidades de transmissão em cenários com alta densidade de tráfego (NTT
DOCOMO, 2014).
Outra característica que garante o tamanho reduzido da antena é o uso de mmW,
porém na implementação de uma matriz de antenas fornecendo o máximo de
adaptação, deve-se separar a cadeia de RF do conversor A/D em cada elemento de
antena, conduzindo para uma alta complexidade e consumo de potência. É o algoritmo
do beamforming que deve fazer o balanceamento entre a performance, complexidade e
consumo de potência. Modelos de antena beamforming analógicas oferecem grandes
ganhos de um jeito simples, enquanto antenas beamforming digitais fornecem alto grau
de liberdade com performance melhor para tratar o aumento de complexidade, custo e
potência de consumo (TARDY; HAKEGARD, 2014).
Apresenta-se na figura 9 o benefício da utilização do beamforming que dá origem ao
Massive MIMO.
Figura 9: Massive MIMO usando um número muito grande de elementos de antenas
em Small Cells para bandas de alta frequência
Fonte: NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)
Todavia, questões técnicas como o contorno a prejuízos causados a rádio frequência,
como alcançar o beamforming exato e como fornecer a sinalização de controle para a
mobilidade e conectividade sobre altas direções de links devido o ganho do
beamforming pelo Massive MIMO, são alguns dos problemas encontrados no uso do
Massive MIMO em Small Cell. O uso de beamforming juntamente com a Phantom
Cell seria uma solução, onde a Macro Cell envia os sinais de controle em baixas
frequências como um broadcast, enquanto a Small Cell opera em altas frequências
fornecendo os planos do usuário (NTT DOCOMO, 2014).
Demonstra-se na figura 10 a utilização do Massive MIMO em conjunto à Phantom
Cell.
Figura 10: Massive MIMO e Phantom Cell combinado
Fonte: NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)
Técnicas de Acesso para a Interface de RF
Com o surgimento do 5G, virá um novo modelo de RAT que deverá coexistir com o
modelo do LTE. Lembrando que o LTE continuará em desenvolvimento, enquanto o
5G é desenvolvido, deste modo, servindo como interligação entre as bandas de
frequência já utilizadas, com as novas bandas adotadas (ERICSSON, 2015).
Representa-se na figura 11 o método de interligação entre as tecnologias de espectro
existente com os novos que irão surgir.
Figura 11: A completa solução de acesso wireless do 5G consistindo da evolução do
LTE e da nova tecnologia
Fonte: ERICSSON, 2015 (Editado pelo autor)
Com um RAT simples e unificado, ou seja, uma interface aérea comum, permitirá
otimizar as frequências e os casos de uso, a implementação dos dispositivos serão
simples e os operadores poderão evitar o gerenciamento de múltiplos acessos de redes.
Entretanto, será um desafio manter a performance e eficiência da cobertura de uma
área ampla, com o desenvolvimento de uma nova interface aérea, necessitando de
reformas em espectros já existentes usados por tecnologias como o LTE-Advanced
(HATTACHI; ERFANIAN, 2015).
A agregação de uma nova RAT juntamente com a evolução do LTE e LTE-Advanced,
será fundamental para migração em boa performance com a nova tecnologia mantendo
a motivação nos operadores pelo uso de um serviço com ampla cobertura
(HATTACHI; ERFANIAN, 2015).
Apresenta-se na figura 12 o trajeto da evolução RAT ao 5G.
Figura 12: Caminhos da Evolução para o 5G
Fonte: NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)
Devido a limitação de espaço na infraestrutura de rede existente, que dificulta o
desenvolvimento de bandas de alta frequência para a ampliação da largura de espectro,
o sistema de acesso à rádio do 5G prevê uma estrutura com duas camadas que são a
camada de cobertura e a camada de capacidade. Enquanto utiliza-se das bandas de
baixa frequência com um LTE RAT melhorado para o fornecimento de uma cobertura
básica e mobilidade, a camada de capacidade usa as bandas de alta frequência e a nova
RAT para o fornecimento das altas taxas de dados (NTT DOCOMO, 2014).
Na figura 13 é possível visualizar os benefícios da coexistência entre o espectro LTE
melhorado e a nova RAT.
Figura 13: Conceito de acesso a rádio
Fonte:(NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)
Outro modo seria ter múltiplas RATs na interface aérea, onde uma complementa a
outra, funcionando como uma única unidade. Nesse caso, poderá desenvolver RATs de
usos específicos dependendo da sua categoria, como para altas frequências cobrindo
lugares urbanos com alta densidade ou ambientes indoors em baixas frequências para
fornecer cobertura onde a alta frequência é limitada, para o fornecimento de latência
extremamente baixa ou alta confiabilidade. Assim, é notório que com o aumento do
número de RATs, pode-se estender as possibilidades de cobertura, mas a ideia do 5G é
reduzir o número de RATs para uma, alcançando assim a escala de economia
(HATTACHI; ERFANIAN, 2015).
No quadro 2 representa-se as opções de comunicação entre as tecnologias RAT.
Quadro 2: Opções de interface de acesso à tecnologia
Fonte: HATTACHI; ERFANIAN, 2015 (Editado pelo autor)
Compreendendo múltiplas RATs, a família do 5G RAT é otimizada devido a
categoria dos casos de uso e espectro. Na opção 1 é necessária a evolução do EPC,
pois os componentes do 5G RAT são fornecidos através deles. O EPC deverá dar
suporte para a diversidade de casos do 5GF, tornando-o limitado, podendo ser
ineficiente e caro. Na opção 2 permite que a tecnologia de virtualização possa ser
realizada ao mesmo tempo, minimizando o impacto na RAN. Mas só pode ser
realizada nas áreas de cobertura da nova RAT, precisando de uma interface entre o
5GF e EPC para suportar a mobilidade do novo RAT e da evolução do 4G. Finalmente
a opção 3, que é a preferida pelo NGMN, facilita a migração entre o 5G e a evolução
do 4G para todos os tipos de RATs, sendo mantida apenas pelos 5GFs. Mesmo assim,
a terceira opção exige uma reforma no 4G RAN, para suportar a conexão do EPC com
os 5GFs (HATTACHI; ERFANIAN, 2015).
A transmissão ortogonal de acesso evita interferências e conduz um sistema de alta
capacidade, sendo esta a forma de onda utilizada para acesso de rádio 4G, tanto no DL
(Downlink) quanto no UL (Uplink). Mas para atribuir está forma de sinal para vários
usuários, requer uma sinalização ampla que conduz para um tempo de latência
adicional. Assim as formas de ondas não ortogonais estão sendo estudadas para o uso
no 5G, que incluem o NOMA e SCMA (4G Americas, 2014).
A multiplexação da taxa de dados do usuário pode ser melhorada no downlink através
do uso de MU-MIMO, onde várias propagações são formadas sobre as matrizes de
antenas para um TP que fornecerá múltiplos usuários distribuídos dentro da célula.
Apresenta uma simplicidade na detecção do usuário onde os precoders selecionam os
canais que estão sendo utilizados, mas tem dificuldade no feedback do CSI para um
determinado TP. Isso pode causar interferência nas camadas cruzadas das antenas,
diminuindo a performance do ganho de MU-MIMO (NIKOPOUR et all, 2014).
O NOMA é um esquema de multiplexação para multiusuários entre células que se
utiliza de um novo domínio referente a potência, sendo a não ortogonalidade
introduzida intencionalmente no downlink através do domínio de potência na
multiplexação tanto para o tempo, frequência ou código. A de-multiplexação é obtida
no lado da transmissão através da ampla diferença de potência entre usuários pareados,
enquanto o lado do receptor faz o uso do SIC. A superposição dos sinais transmitidos
de múltiplos usuários, permite compartilhar a potência reduzindo a potência alocada
por cada usuário, onde os usuários com baixo e alto ganho de canal podem ser
conectados mais frequentemente com o uso de mais banda-larga. Portanto, o NOMA
melhora o uso da multiplexação sem depender do conhecimento CSI do transmissor de
cada usuário, tornando a performance da rede mais robusta em cenários de alta
mobilidade e no uso de backhauling para redes móveis. Podendo suportar mais
conexões simultâneas, é adequado para os desafios relacionados a massiva
conectividade (NTT DOCOMO, 2014).
Na figura 14 é apresentado as características da utilização não ortogonal na
multiplexação NOMA.
Figura 14: NOMA com a intenção da não ortogonalidade entre as células
Fonte: NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)
O SCMA é uma biblioteca de códigos não ortogonal baseada na técnica de acesso
múltiplo com uma ótima eficiência de espectro, onde seus bits de entrada são
diretamente mapeados para códigos complexos e em seguida são selecionados para
códigos de parametrização predefinidos. Através da multiplexação pode fazer a
alocação de camadas de domínio de código para diferentes usuários sem precisar
conhecer o CSI dos usuários. Como as camadas não são completamente separadas no
sistema de acesso múltiplo não-ortogonal, um receptor não linear é necessário para
detectar a camada pretendida por cada usuário. A complexidade na detecção deve-se a
não-ortogonalidade e especialmente quando o sistema está sobrecarregado com várias
camadas multiplexadas, utilizando-se do MPA que apresenta baixa complexidade e
boa performance quando o sistema encontra-se sobrecarregado (NIKOPOUR et all,
2014).
O SCMA pode ser considerado como uma generalização do LDS que é uma
aproximação do CDMA. Tanto o LDS quanto o SCMA, apresentam um codeword
escasso, pois os bits de entrada são diretamente direcionados para ele, ou seja, no
SCMA o mapa QAM e o propagador CDMA ou LDS, são fundidos juntos para
mapearem um conjunto de bits no complexo vetor escasso. A modulação QAM e a
propagação LDS é substituída no SCMA por codebooks, que beneficiam na formação
de códigos ou ganhos de códigos de constelações multidimensionais (TAHERZADEH
et all, 2014).
A F-OFDM também está sendo considerada, devido a diversificação em suportar
diferentes formas de ondas, múltiplos esquemas de acesso e estruturas de quadros
baseados nas aplicações simultâneas dos cenários e requisições de serviços (HUAWEI,
2015).
Oferece boa eficiência de espectro e resistência à interferência causada pelos vários
caminhos. A figura 15 apresenta subportadoras nulas aos picos das subportadoras
adjacentes, o que garante interferência zero entre as portadoras (JUE, SHIN, 2015).
Figura 15: Os benefícios oferecidos pelo OFDM na eficiência do espectro, resistência
de multi-caminhos e interferência zero entre portadoras
Fonte: JUE; SHIN, 2015 (Editado pelo autor)
Redes 5G I: Considerações finais
Este tutorial parte I procurou apresentar inicialmente um breve histórico e resumo das
gerações de tecnologias de telefonia celular (1G ao 4G), e em seguida apresentou o
estágio atual da tecnologia 5G.
O tutorial parte II continuará a apresentar o estágio atual de tecnologia 5G, e em seguida
apresentará os órgãos regulamentadores e outras organizações envolvidas com o 5G.
Continuará fazendo um comparativo entre as rede atuais e futuras de telefonia celular e
finalizará com as conclusões do autor.