5G Eldorado

1. Objetivo

Estamos prestes a testemunhar o aparecimento de uma nova geração de telecomunicações celulares, que promete revolucionar tudo o que conhecemos em termos de oferecimento de serviços e de experiência pessoal. Ela irá permitir finalmente a integração em altíssima qualidade dos serviços de voz, vídeo, jogos, streaming, conteúdo 4K, tudo disponível em qualquer lugar a qualquer hora. Também irá permitir a criação dos serviços conhecidos como smart cities, direção autônoma de veículos, medicina remota e muitos outros.

Esse artigo se destina a descrever as tecnologias envolvidas na criação dessa nova geração de redes celulares, conhecida como 5G. Também se propõe a mostrar o status da implementação, considerando seus componentes principais: as redes, os smartphones e seus componentes internos.

Tudo isso objetiva dar ao leitor uma visão global dessas novas tecnologias e dos impactos que terão em nossas vidas.

2. Histórico das Redes Celulares

Desde o primeiro telefone celular, apresentado em 1973 por uma equipe liderada por Martin Cooper, usando um Motorola DynaTAC 8000, o setor de telecomunicações móveis mudou bastante em apenas algumas décadas. Saltamos quatro gerações desde a década de 80.

A Fig. 1 abaixo mostra as gerações da telefonia móvel celular, com as características de cada uma delas:

Gerações das redes de telefonia até 5G

diferentes gerações da telefonia móvel celular

Agora, o mercado está pronto para entrar na quinta geração, que promete de 100 a 1.000 vezes a velocidade do atual 4G LTE. Mas o 5G não será um substituto imediato para as redes 4G: quando os dispositivos estiverem conectados à rede, 4G e 5G coexistirão para fornecer uma cobertura mais ampla e facilitar o uso de novas tecnologias na rede. Haverá integração entre 4G e 5G, com a versão inicial do 5G no chamado modo não-autônomo (NSA – non standalone), onde a rede 5G contará com a rede 4G para chamadas de voz e mensagens. A especificação técnica 3GPP Release 15 também suporta o modo standalone (SA), onde a rede 5G opera sozinha. Mas a expectativa é de que as tecnologias 4G, 5G e até mesmo a convergência com WiFi continuarão a funcionar em conjunto por um longo tempo. Essas diferentes opções de redes estão descritas em detalhes nesse documento.

3. Casos de Uso e Aplicações do 5G

A quinta geração de telefonia móvel celular poderá teoricamente oferecer velocidades de centenas de vezes a velocidade do atual 4G LTE. Poderemos ter velocidades de 10 Gbit/s, com centenas de Mbit/s na borda das células. Além de downloads mais rápidos, as redes 5G fornecerão a baixa latência necessária para uso de aplicativos de realidade virtual e direção autônoma, as quais são extremamente exigentes em termos de latência.

Para as redes 5G foram definidos alguns requisitos essenciais:

  • Até 10Gbps de data rate: 10 a 100 vezes mais do que as atuais redes 4G e 4.5G;
  • Latência de no máximo 1 milissegundo;
  • Até 1000 vezes mais largura de banda por unidade de área de cobertura;
  • Até 100 vezes mais número de dispositivos conectados por unidade de área de cobertura;
  • Disponibilidade de 99.999%;
  • Até 90% de redução no uso de energia na rede;
  • Até 10 anos de vida útil das baterias dos dispositivos de baixa potência IoT.

Mas as coisas irão evoluir aos poucos. Antes do 4G LTE ser realmente implementado, a indústria anunciava velocidades de download de até 300 Mbit/s. Quando o LTE foi lançado, as velocidades reais eram em média de apenas 5 a 12 Mbit/s (e de 2 a 5 Mbit/s para uploads).

Os requisitos acima estarão associados a diferentes tipos de serviços e aplicações, cada qual com suas exigências próprias de largura de banda, disponibilidade e latência. As operadoras irão conseguir implementar tudo isso de modo escalável e otimizado, através da tecnologia conhecida como network slicing, descrita mais à frente nesse documento, a qual provê a criação dinâmica de redes virtuais em cima de uma única rede física.

3.1. Serviços e Aplicações

Os serviços e aplicações típicas possibilitadas por redes 5G incluem:

  • Internet móvel ultrarrápida;
  • Download e streaming de conteúdo multimídia HD/4K;
  • Aplicações em grande escala da chamada Internet das Coisas (IoT);
  • Aplicações de Missão Crítica, como Medicina Remota e Direção Autônoma e Assistida;
  • Automação Industrial e Monitoramento real time;
  • Tecnologias de Smart Sensor para Agricultura;
  • Gerenciamento de Inventário em warehouses;
  • Aplicações do tipo Smart city.

3.2. Casos de Uso

Foram definidos três grandes grupos de casos de uso associados às novas redes 5G. Cada um desses grupos terá um conjunto de aplicações e serviços, compartilhando os mesmos requisitos de largura de banda, disponibilidade e latência. Os conjuntos de casos de uso são:

  • Enhanced Mobile Broadband – eMBB;
  • Massive Machine Type Communications – mMTC;
  • Ultra Reliable Low Latency Communications – URLLC.

A Fig. 2 mostra os três grandes grupos de Casos de Uso associados às redes 5G:

5G - Casos de Uso típicos das redes com tecnologias

Casos de Uso típicos das redes com tecnologias 5G

  • Enhanced mobile broadband – eMBB é um dos três casos de uso do 5G definidos pelo 3GPP, abrangendo serviços e aplicações que exigem altas taxas de dados em uma ampla área de cobertura;
  • Massive Machine Type Communications (mMTC): grupo de casos de uso para aplicações que precisam suportar um número muito grande de dispositivos em uma área pequena, capazes de enviar dados esporadicamente, como na Internet das Coisas (IoT);
  • Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) – é outro dos casos de uso, com requisitos rigorosos de latência e confiabilidade, para aplicações de missão crítica, como cirurgia remota, veículos autônomos ou a Internet tátil.

3.2.1. eMBB em detalhes

Para permitir a implantação antecipada dos serviços de eMBB (considerados o principal atrativo comercial das novas redes), o grupo RAN do 3GPP antecipou o cronograma inicialmente aprovado e finalizou a variante 5G NR non-standalone (NSA) em Dezembro de 2017. O modo NSA usa a rede 4G existente, suplementada por portadoras 5G NR para aumentar as taxas de dados. A variante standalone (SA) das especificações foi concluída em Junho de 2018, e apresentada na reunião plenária 3GPP TSG #80.

A primeira fase dos serviços de eMBB possibilitará acesso à Internet de alta velocidade, streaming de vídeo HD/4K, vídeo 360° e jogos envolvendo vídeo 3D 4K. A segunda fase, juntamente com serviços do tipo URLLC, envolverá aplicações para veículos autônomos em grande escala capazes de se conectar e interagir com outros veículos e com a infraestrutura viária circundante.

Dentro do grupo de casos de uso do eMBB, existem três atributos distintos que o 5G precisará entregar:

  • Maior capacidade – o acesso em banda larga deverá estar disponível em áreas densamente povoadas, tanto em ambientes internos quanto externos, como centros urbanos, prédios comerciais ou estádios esportivos;
  • Melhor conectividade – o acesso de banda larga deverá estar disponível em todos os lugares para fornecer uma experiência consistente ao usuário;
  • Maior mobilidade – permitirá serviços de banda larga em veículos em movimento, incluindo carros, ônibus, trens e aviões.

Esses três atributos serão usados de modo diferenciado, dependendo das aplicações:

  • Em um cenário de indoor hotspot, onde há muitos usuários, como por exemplo espectadores em um evento esportivo, haverá uma exigência de capacidade de tráfego muito alta para atender às necessidades de todos os usuários. Mas esses usuários ficarão estáticos ou se movendo lentamente, de modo que a exigência de mobilidade será baixa;
  • Em contraste, o fornecimento de serviços de eMBB aos passageiros em um trem de alta velocidade exigirá um alto grau de mobilidade, mas com um volume de tráfego bem inferior que a de um hotspot;

Finalmente, a cobertura de uma área ampla exigirá um nível médio de mobilidade, com taxa de transferência de dados também médio, não tão alta quanto em um hotspot. O principal critério aqui é uma cobertura perfeita.

5G - Requisitos de banda e latência para os casos de uso

Requisitos de banda e latência para os casos de uso 5G

Para cumprir com todos esses requisitos, espera-se que o 5G suporte:

  • Capacidade de tráfego de 10Mbit/s por metro quadrado em áreas de indoor hotspot;
  • Taxas de transferência de dados de 1Gbit/s, com taxas de pico de 10Gbit/s;
  • Volume de tráfego total de pelo menos 1Tbit/s por quilômetro quadrado;
  • Alta mobilidade de até 500 km/h em trens de alta velocidade e até 1000 km/h em aviões.

Mas o eMBB não é apenas relativo ao consumo de conteúdo multimídia para fins de entretenimento. Ele também suportará usuários acessando aplicativos baseados na nuvem, funcionários remotos em campo que precisam se comunicar com o back office e até um escritório inteligente inteiro, onde todos os dispositivos serão conectados sem fio. Por fim, ele permitirá aplicativos imersivos de VR (virtual reality) e AR (augmented reality), reuniões virtuais com vídeo em 360º, interação em tempo real e até mesmo tradução em tempo real para participantes que falam diferentes idiomas.

Desse modo, o eMBB pode ser visto como a primeira fase do 5G, coberto pela especificação do 3GPP Release 15. O 5G Fase #2 vai além, e será especificado no 3GPP Release 16, a ser concluída no final de 2019.

O Release 16 conterá as especificações relativas ao chamado full 5G, tais como:

  • 5G Vehicle to everything (V2X)
  • 5G Industrial IoT
  • 5G URLLC enhancements
  • 5G para operação em banda não-licenciada
  • 5G para operação em Satélites
  • 5G acima de 52,6 GHz.

4. Tecnologias associadas ao 5G

As futuras redes 5G se tornarão uma realidade através da utilização de uma série de tecnologias, algumas das quais já existentes e já implementadas nas atuais redes 4G LTE. Esse conjunto de tecnologias vem sendo criado desde a especificação Release 8 da 3GPP, até a atual especificação Release 15. É uma série de tecnologias que se somam, e que são reaproveitadas na evolução das redes.

O 5G NR foi projetado para escalar a rede de forma eficiente pelos próximos 10 a 15 anos. Quaisquer melhorias futuras não afetarão a rede existente e melhorias de desempenho são possíveis.

De acordo com a especificação 3GPP Release 15, a primeira implementação de redes e dispositivos será classificada como non-standalone (NSA), ou seja, as redes 5G serão também suportadas pela infraestrutura 4G existente. Desse modo os smartphones habilitados para 5G se conectarão às novas redes para melhores taxas de transferência de dados, mas ainda usarão a infraestrutura 4G LTE para tarefas que não sejam de dados, como chamadas de voz e mensagens. Diz-se nesse caso que a rede 5G será ancorada na rede 4G.

Segue abaixo um resumo das principais tecnologias que tornarão possível a implantação das redes 5G, com suas exigências inéditas de velocidade, latência e disponibilidade:

4.1. Amplo uso de espectro

As redes 5G irão utilizar um conjunto ampliado de frequências, de modo a otimizar os diferentes tipos de implementações, de acordo com as necessidades de serviços descritas acima (casos de uso). Desse modo teremos implementações de redes utilizando faixas de frequências abaixo de 6GHz (conhecidas como sub-6 ou FR1), e acima de 24 GHz (as chamadas mmWave ou FR2).

Desse modo teremos as seguintes configurações possíveis:

  • Faixa de frequência 1 (<6 GHz): a FR1 se sobrepõe e estende as frequências 4G LTE, operando de 450 MHz a 6 G As bandas são numeradas de 1 a 255 e isso é comumente referido como NR sub-6GHz.

A largura de banda máxima do canal definida para FR1 é 100 MHz. A partir do Release 10 o 4G LTE suporta agregação de portadora de 100 MHz (cinco canais de 20 MHz). O FR1 suportará um formato de modulação máximo de 256-QAM (LTE tem um máximo de 64-QAM). Ou seja, o 5G terá grandes melhorias de taxa em relação ao LTE nas bandas sub-6 GHz. No entanto, o LTE-Advanced já usa o 256-QAM, possivelmente eliminando a vantagem do 5G no FR1.

  • Faixa de frequência 2 (24-52 GHz): a FR2 opera em uma faixa alta de 24250 MHz (~ 24 GHz) a 52600 MHz (~ 52 GHz). As bandas são numeradas de 257 a 511, sendo conhecido como onda milimétrica (mmWave), mesmo que estritamente falando as frequências ‘milímetro’ comecem em 30 GHz.

A largura de banda máxima do canal definida para FR2 é de 400 MHz, com agregação de dois

canais suportada no 3GPP Release 15. A taxa máxima teórica nessa configuração é de aproximadamente 40 Gbit/s. Na Europa, o intervalo de frequências proposto é o de 24,25 a 27,5 GHz.

Porém há problemas à vista nessa faixa de frequências: as aplicações ao usuário nunca foram amplamente implantadas nessa escala de frequências. Além disso o modelo de negócios é muito menos compreendido (do que o de abaixo de 6 GHz).  Muitos desafios técnicos ainda precisam ser resolvidos, como em relação às antenas, propagação (path loss), atenuação, consumo de bateria dos smartphones, instrumentação de testes etc.

5G NR - Conjunto de frequências

Conjunto de frequências do 5G NR

4.2. Small Cells

Small Cells são estações base que requerem potência mínima para operar e podem ser colocadas a cada 250 metros ou menos nas cidades. No conceito de pequenas células, mais transmissores lidam com toda a carga de tráfego dentro de uma área geográfica, do que no caso de um único transceptor. Isso possibilita a que os operadores ofereçam cobertura de rede de qualidade, maior taxa de dados e serviço ininterrupto.

As redes celulares 4G LTE já usam um número grande e sempre crescente de estações base, mas para alcançar o desempenho de 5G haverá a necessidade de uma infraestrutura ainda maior. Felizmente, antenas em pequenas células podem ser muito menores que antenas tradicionais. Essa diferença de tamanho torna ainda mais fácil colocar células discretamente em postes de luz e em cima de prédios.

O conceito Small Cell é extremamente útil para suportar a cobertura ininterrupta da rede, onde os sinais são bloqueados por muitos obstáculos, como edifícios, árvores ou o próprio terreno. É uma das implementações mais adequadas para as cidades devido à densidade de edifícios e à topografia.

Além disso, essa estrutura de rede deve fornecer um uso mais direcionado e eficiente do espectro. Ter mais estações significa que as frequências que uma estação usa para se conectar com dispositivos em sua pequena área de transmissão podem ser reutilizadas por outra estação em uma área diferente para atender a outro cliente.

O dispositivo móvel detectará automaticamente os sinais e alternará de uma célula para outra sem nenhuma interrupção, através do processo de Handover ou Cell Reselection. Como essas small cells cobrem uma pequena área geográfica, elas usam transmissores de baixa potência.

Descrição da rede 5G

Descrição de uma rede 5G, com small cells, MIMO e Wifi

4.3. Massive MIMO

O limite superior para informações que podem ser enviadas através de um canal é definido por sua largura de banda (medida em hertz) e sua relação sinal-ruído. Portanto, para obter mais dados para cada usuário, pode-se aumentar qualquer combinação do número de canais, da largura de banda de cada canal e da relação sinal-ruído.

O teorema de Shannon-Hartley define isso conforme abaixo:

Capacidade = # Canais * BW * log2 (1 + S / N)

As redes 5G usam estratégias MIMO (multiple-input, multiple-output) para criar múltiplos caminhos físicos entre o transmissor e o receptor para fornecer mais fluxos de dados dentro do mesmo bloco de recursos de tempo e frequência. Também é possível melhorar as relações sinal-ruído de cada canal usando antenas altamente direcionais.

Uma das vantagens do MIMO é sua flexibilidade. Pode ser usado para melhorar a confiabilidade de múltiplas conexões, sua capacidade e / ou sua eficiência espectral (bits por segundo por hertz).

5G - Antenas em MIMO

Descrição de uma conformação de antenas em MIMO

O MIMO já está em uso nas redes 4G atuais:

  • O Release 8 do 3GPP definiu o uso de duas antenas de transmissão e duas de recepção, e muitas redes LTE já suportam MIMO 2×2;
  • O LTE-Advanced (Release 10) suporta oito fluxos de download MIMO;
  • O LTE-A Pro (Release 13) suporta MIMO Full Dimension, sistema de antenas que pode formar feixes na direção horizontal e vertical, de modo que possa iluminar qualquer lugar dos espaços/3D.

Há vários estudos em andamento para a utilização do MIMO Full Dimension também nas redes 5G, com ganhos expressivos em comparação aos sistemas convencionais. Um estudo recente mostrou que, com o uso dessas novas tecnologias FD-MIMO, pode-se obter ganhos de 3 a 5 vezes, tanto na capacidade da célula quanto na taxa de transferência.

A figura abaixo mostra graficamente o funcionamento de sistemas de antenas FD-MIMO, também ilustrando o conceito de beamforming, descrito no item a seguir.

5G - Antena FD MIMO

Exemplo de antena FD-MIMO suportando beamforming de azimute e de elevação

4.4. Beamforming

Como no 5G haverá o uso das chamadas mmWave (altas frequências), a propagação limitada de tais sinais também exigirá o uso da tecnologia conhecida como beamforming.

Beamforming é uma técnica usada em estações base para direcionar a energia de transmissão para os dispositivos móveis (ver Fig 7 acima). Estações base convencionais transmitem sinais em todas as direções, o que contribui com a distorção em outros dispositivos e também em outras bandas de operação. Na tecnologia beamforming, baseado no feedback dos dispositivos móveis conectados, a estação base será capaz de detectar e localizar o usuário e transmitirá apenas para essa direção. O beamforming ajudará a rede a suportar mais dispositivos e tráfego com transmissão direcionada para usuários específicos localizados em uma direção específica.

O uso de beamforming em redes móveis oferece várias vantagens sobre os padrões de antena setorizada usados em gerações anteriores. Nessas redes, as estações base transmitem os recursos de canal designados para um usuário específico em todo o setor, de modo que apenas uma porcentagem muito pequena da energia é irradiada na direção do usuário pretendido. Com o beamforming, o uso de um feixe direcionado concentra a intensidade do sinal transmitido na direção do link em uso no momento pelo dispositivo, aumentando o alcance desse link e a taxa de transferência disponível.

Outro benefício significativo é que o uso de um feixe de antena direcionada reduz a interferência em outros usuários, minimizando a radiação em outras direções. Isso permite que os mesmos recursos sejam usados para vários links simultâneos dentro de um setor com níveis de interferência gerenciáveis.

4.5. Network Slicing

Outra tecnologia fundamental para a implantação dos diferentes tipos de serviços e aplicações nas redes 5G é o chamado network slicing. Essa é uma tecnologia que permite que uma operadora forneça redes virtuais dedicadas, com alocação dos recursos necessários para funcionalidades específicas, em uma infraestrutura de rede comum. Funções como velocidade, capacidade, conectividade e cobertura serão alocadas para atender às demandas específicas de cada caso de uso – de modo isolado para que nenhuma fatia interfira no tráfego de outra fatia.

5G - Network slicing

Tecnologia de network slicing, provendo redes virtuais para cada serviço requerido

O fatiamento de rede pode ser classificado em dois tipos: fatiamento de rede vertical e fatiamento de rede horizontal.

O fatiamento de rede vertical permite o compartilhamento de recursos entre diferentes serviços e aplicativos para aprimorar a QoS. No fatiamento vertical da rede, cada nó da rede implementa funções similares dentro de uma fatia de rede específica. O fatiamento de rede vertical separará o tráfego por aplicativo, fornecendo aos usuários largura de banda sob demanda. O tráfego de ponta a ponta com fatiamento de rede vertical geralmente transita entre a rede principal e o dispositivo final.

O fatiamento de rede horizontal permite o compartilhamento de recursos entre diferentes nós de rede para aprimorar os recursos de nós de rede com menos capacidade. Assim, o fatiamento de rede horizontal precisa de compartilhamento de recursos entre os nós da rede. No fatiamento de rede horizontal, novas funções podem ser adicionadas para um nó de rede ao suportar uma fatia de rede específica. O tráfego de ponta a ponta com fatiamento de rede horizontal geralmente transita entre a rede de acesso local e o dispositivo final.

5. Implantação

A implantação do 5G e de seus diversos serviços depende da instalação da infraestrutura de rede das operadoras, do lançamento de novos smartphones compatíveis, bem como de seus principais componentes internos, como o chipset. Segue abaixo o status da implantação nos principais mercados e fabricantes.

5.1. Infraestrutura de redes

Os principais fornecedores de infraestrutura de redes atualmente são os fabricantes Ericsson, Nokia e Huawei. Juntos eles possuem 80% de market share.

Todos estão investindo bilhões de dólares no desenvolvimento de seus equipamentos de redes 5G, sem que haja garantia de quando esse investimento começará a dar o retorno desejado. As operadoras estão bem mais cautelosas, depois das centenas de bilhões de dólares investidos nas diversas redes 4G ao redor do mundo. Muitas ainda estão deficitárias em relação aos valores investidos ao longo dos anos.

A Huawei domina o mercado chinês, mas com problemas para vender nos EUA, devido a objeções legais. Já os fabricantes europeus lutam com as finanças, após anos de maus resultados.

De qualquer modo a introdução das redes 5G, já a partir do final de 2018 e início de 2019, trará oportunidades previstas em US$225 bilhões a esses fabricantes nos próximos 5 anos.

5.2. Chipsets

Os fabricantes de dispositivos móveis estão trabalhando para equipar os smartphones com rádios 5G integrados, para conectar-se às novas redes em implantação ao redor do mundo. O principal componente desses novos smartphones é o chipset de modem 5G. Nesse momento temos alguns fabricantes de chipset desenvolvendo modems 5G: Qualcomm, Samsung, Huawei, MediaTek e Intel.

  • A Qualcomm é a principal fabricante de modems 5G, sendo a primeira empresa a lançar um chipset – o Snapdragon X50 – que oferece velocidades de download de até 5 Gbps. Em sua versão atual, o chip precisa ser emparelhado com um modem e processador LTE para funcionar no modo
    NSA 5G/4G. Versões futuras dos processadores Qualcomm deverão ter um modem 5G integrado.
  • A Samsung lançou seu próprio modem 5G, Exynos 5100, o qual oferecerá velocidades de download de até 6 Gbps e inclui modem, RF IC, rastreamento de envelopes e IC de gerenciamento de energia. O Exynos 5100 também afirma ser o primeiro modem multimodo do setor que suporta 5G NR juntamente com os modos legados de 2G a 4G LTE, enquanto o X50 da QC precisaria ser emparelhado com o modem 4G LTE para suportar os modos 2G a 4G LTE.
  • O modem Balong 5G01 5G da Huawei oferece velocidades de download de 2,3 Gbps. A empresa espera lançar seus smartphones 5G com o modem no segundo semestre de 2019 e decidiu não licenciar seu modem para fabricantes de celulares concorrentes.
  • A MediaTek lançou seu modem 5G, o Helio M70. O mercado para o Helio M70 será provavelmente o das empresas que não optem pelo chip da Qualcomm por vários motivos, como alto custo e problemas de licenciamento. Ele suporta não só o 5G como também alcança o padrão 3GPP Release 15 mais moderno, podendo alcançar velocidades de navegação de até 5Gbps.
  • A Intel também lançou seu modem 5G, o XMM 8060. Embora seu modem 5G seja adequado para várias aplicações o XMM 8060 pode ter uma participação de mercado maior em aplicativos de PC e carro conectado, do que em smartphones.
Chip 5G

Módulos Qualcomm para smartphones 5G

5.3. Devices

Os fabricantes estão projetando e preparando os lançamentos de smartphones 5G para o final de 2018 e para 2019. A corrida tem se intensificado, porém as notícias são por vezes não confirmadas e as datas postergadas devido a questões técnicas e de mercado. Segue abaixo um breve resumo do status dos principais fabricantes, destacando a Motorola/Lenovo com seu Moto Z3 e módulo 5G associado.

A Motorola/Lenovo lançou em Agosto de 2018 seu smartphone Moto Z3, o qual é 5G ready – o primeiro do mundo – com processador Snapdragon 855. O Moto Z3 poderá ser conectado a um módulo externo 5G chamado de 5G Moto Mod, a ser lançado no início de 2019. Quando o módulo 5G é conectado à parte traseira do telefone, ele tem a capacidade de acessar o 5G – usando o modem Snapdragon X50 5G, e também o 4G LTE – com o modem Snapdragon X24 LTE. O módulo 5G também tem uma bateria adicional de 2000 mAh, que pode ser usada como uma bateria externa para carregar o telefone. Quando o 5G Moto Mod estiver conectado ao Moto Z3, os aplicativos de dados no telefone usarão o link de dados móveis 5G, se disponível. Chamadas e mensagens continuam a ser tratadas pelo telefone, através da conexão 4G LTE.

dispositivo 5G

Primeiro smartphone 5G do mundo – Moto Z3

  • Outros fabricantes como Huawei, Samsung e Xiaomi também estão em competição para lançar seus primeiros smartphones 5G. Huawei prometeu seu primeiro telefone 5G para o segundo semestre de 2019. Já a Samsung deverá ter seu primeiro aparelho no final do primeiro semestre de 2019. A Xiaomi revelou seu Mi Mix 3 supostamente suportando 5G e com 10GB RAM. A LG planeja lançar um telefone 5G integrado, sem necessidade de complementos, no segundo semestre de 2019.

5.4. Redes

5.4.1. Arquitetura de Referência de Redes 5G

A arquitetura básica das redes 5G é descrita na Figura 11 abaixo:

arquitetura redes 5G

Arquitetura de Rede 5G

Segue abaixo a descrição dos principais componentes dessa rede:

  • User Equipment (UE)
  • Next Gen Node Base station (gNB)
  • Core Access and Mobility Management Function (AMF)
  • User plane Function (UPF)
  • Session Management Control Function (SMF)
  • Data Network (DN)
  • Authentication Server Function (AUSF)
  • Unified Data Management (UDM)
  • Policy Control Function (PCF)

Seguem abaixo os nomes das diversas Interfaces:

  • NG1: Ponto de referência entre o UE e o Access e Mobility Management function
  • NG2: Ponto de referência entre o gNB e o Access e Mobility Management function
  • NG3: Ponto de referência entre o gNB e o User plane function (UPF)
  • NG4: Ponto de referência entre o Session Management function (SMF) e o User plane function (UPF)
  • NG5: Ponto de referência entre o Policy Function (PCF) e an Application Function (AF)
  • NG6: Ponto de referência entre o User Plane function (UPF) e a Data Network (DN)
  • NG7: Ponto de referência entre o Session Management function (SMF) e o Policy Control function (PCF)
  • NG8: Ponto de referência entre o Unified Data Management e AMF
  • NG9: Ponto de referência entre os dois Core User plane functions (UPFs)
  • NG10: Ponto de referência entre UDM e SMF
  • NG11: Ponto de referência entre Access e Mobility Management function (AMF) e Session Management function (SMF)
  • NG12: Ponto de referência entre Access e Mobility Management function (AMF) e Authentication Server function (AUSF)
  • NG13: Ponto de referência entre UDM e Authentication Server function (AUSF)
  • NG14: Ponto de referência entre 2 Access e Mobility Management function (AMF)
  • NG15: Ponto de referência entre o PCF e o  AMF no caso de roaming

5.4.2. Opções de Implantação de Rede

Como nas gerações anteriores, o 3GPP definiu tanto uma nova rede de núcleo 5G, conhecida como 5GC, bem como uma nova tecnologia de acesso por rádio chamada 5G “New Radio” (NR). Ao contrário das gerações anteriores que exigiam que tanto o acesso quanto a rede básica fossem da mesma geração (por exemplo, Evolved Packet Core e LTE juntos formando um sistema 4G), com 5G é possível integrar elementos de diferentes gerações em configurações diferentes, a saber:

  • Standalone (SA), usando apenas uma tecnologia de acesso rádio e
  • Non-standalone (NSA), combinando várias tecnologias de acesso rádio.

1) Em um cenário SA, o 5G NR e a rede principal são operados sozinhos. Isso significa que o NR é usado para ambos o control e o user plane. A opção SA é uma solução mais simples para as operadoras gerenciarem, além de ser implantado como uma rede independente, usando handover entre 4G e 5G para continuidade de serviço. Três variações de SA estão sendo definidas no 3GPP:

  • Opção 1 – usando o acesso EPC e LTE eNB (isto é, de acordo com as redes 4G LTE atuais);
  • Opção 2 – usando acesso 5GC e NR gNB;
  • Opção 5 – usando o acesso 5GC e LTE ng-eNB.

2) No cenário NSA, as células NR são combinadas com células LTE usando dualconnectivity (operação onde um dispositivo móvel consome recursos de rádio fornecidos por pelo menos dois pontos de rede diferentes) para fornecer acesso de rádio. O núcleo da rede será EPC ou 5GC, dependendo da a escolha do operador.

Este cenário pode ser escolhido pelos operadores que desejam potencializar as atuais implantações 4G, combinando rádio LTE e NR com EPC existente e / ou que desejam um novo core de rede (5GC) para fornecer serviços móveis 5G. Esta solução exigirá um trabalho colaborativo com o LTE RAN. A experiência do usuário final dependerá da(s) tecnologia(s) de acesso rádio utilizada(s).

Três variações de NSA são definidas no 3GPP:

  • Opção 3 usando EPC e um LTE eNB atuando como mestre e NR en-gNB agindo como secundário;
  • Opção 4 usando 5GC e um NR gNB agindo como mestre e LTE ng-eNB atuando como secundário;
  • Opção 7 usando 5GC e um LTE ng-eNB atuando como mestre e um NN gNB como secundário.

Ver na Fig 12 essas opções descritas acima:

5G - opções de implantação

Opções de Implantação de redes 5G

5.4.3. Operadoras

Em dezembro de 2017, o 3GPP fechou o primeiro padrão para 5G. Agora operadoras e provedores de infraestrutura estão construindo redes para 5G. O Japão declarou sua intenção de ter a rede 5G implantada parcialmente para o uso nos Jogos Olímpicos de Tóquio em 2020. Alemanha e o Reino Unido prometeram implantar o 5G em 2019/2020. A Finlândia já está construindo uma rede de testes 5G na cidade de Oulu.

Como não houve padronização na implantação do 4G LTE espera-se problemas agora com a nova tecnologia. As bandas usadas ​​foram diferentes: em 4G LTE operadoras europeias usaram 2,6 GHz, enquanto a China usou 2,5 GHz e o Japão 2,1 GHz. O sudeste asiático está usando 1,8 GHz. 3GPP e 4G Americas estão trabalhando na padronização dos espectros e padrões facilitar o acesso global.

As primeiras implantações 5G serão para wireless fixo. A Intel mostrou essa funcionalidade nas Olimpíadas de Inverno na Coréia do Sul, além de anunciar no Mobile World Congress que fará parceria com a NTT Docomo para transformar Tóquio em uma cidade inteligente para as Olimpíadas de 2020.

Em outubro de 2018 a Verizon divulgou seus planos para o serviço de banda larga de 5G, chamado Verizon 5G Home, em partes de Houston, Indianápolis, Los Angeles e Sacramento. Porém essa implantação inicialmente não usará tecnologia padrão da indústria (3GPP).

A AT&T anunciou que lançará o serviço sem fio 5G em 12 cidades até o final de 2018 (Houston, Jacksonville, Louisville, Nova Orleans, San Antonio, Atlanta, Charlotte, Dallas, Indianápolis, Oklahoma City, Raleigh e Waco).

A Sprint está planejando 5G para o início de 2019 com uso de mmWave. Atualmente a Sprint está aumentando as velocidades LTE com MIMO massivo. Isso servirá de base para a implantação do 5G em 2019. A Sprint lançará o 5G em nove mercados, incluindo Atlanta, Chicago, Dallas, Houston, Kansas City, Los Angeles, Nova York, Phoenix e Washington DC, no primeiro semestre de 2019.

A T-Mobile também está objetivando o lançamento de 2019, seguido pela cobertura nacional de 5G em 2020, depois de vencer um leilão para o espectro de 600 MHz no verão passado. T-Mobile está instalando equipamentos para 5G em 30 cidades em 2018, começando por Nova York.

6. Referências

6.1. Documentação

https://www.rfpage.com/evolution-of-wireless-technologies-1g-to-5g-in-mobile-communication/

http://www.3gpp.org/technologies/tutorials-tools

https://www.tomsguide.com/us/5g-networking-faq,news-20629.html

https://www.qualcomm.com/media/documents/files/spectrum-for-4g-and-5g.pdf

https://www.qualcomm.com/invention/5g/5g-nr/mmwave

https://www.mwrf.com/systems/defining-massive-mimo-5g-world

https://www.lightreading.com/mobile/5g/mimo-in-5g-networks-engineering-and-test-challenges/a/d-id/737055

http://www.techplayon.com/deployments-scenarios-for-5g-nr/

https://www.gsma.com/futurenetworks/wp-content/uploads/2018/04/Road-to-5G-Introduction-and-Migration_FINAL.pdf

https://builders.intel.com/docs/networkbuilders/the-evolution-of-network-slicing.pdf

http://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_MassiveMIMO_FD_MIMO.html

6.2. Índice de Figuras

Fig #1: https://www.rfpage.com/wp-content/uploads/2018/05/1G-to-5G-Comparison.jpg

Fig #2: ftp://ftp.ni.com/pub/branches/us/2018/TLF/Slides/201-Road_to_Realizing_5G_Technologies.pdf

Fig #3: https://www.gsmaintelligence.com/research/?file=141208-5g.pdf&download

Fig #4: https://www.gsma.com/futurenetworks/wp-content/uploads/2018/04/Road-to-5G-Introduction-and-Migration_FINAL.pdf

Fig #5: https://phys.org/news/2015-06-multiplexing-millimeter-wave-5g-technology.html

Fig #6: https://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/lte-long-term-evolution/lte-mimo.php

Fig #7: https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_261770.pdf

Fig #8: https://babeltechreviews.com/9945-2/

Fig #9: https://www.qualcomm.com/sites/ember/files/uploads/qualcomm_qtm052_antenna_module_and_qualcomm_snapdragon_x50_5g_modem.jpg

Fig #10: https://www.gizmotimes.com/wp-content/uploads/2018/08/Motorola-Moto-Z3-with-5G-Moto-Mod.jpg

Fig #11: https://www.techradar.com/news/what-is-5g-everything-you-need-to-know

Fig #12: https://www.gsma.com/futurenetworks/wp-content/uploads/2018/04/Road-to-5G-Introduction-and-Migration_FINAL.pdf