O que é o 5G?

O significado do termo 5g ainda hoje está a ser formado. Aguardando que a GSMA se pronuncie e dependendo do parceiro que consultamos, podemos obter abordagens muito distintas, tais como aquelas que se aplicam a diferentes partes de uma rede. No entanto, o ponto de consenso sobre o que é 5G está cada vez mais perto de ser alcançado. Talvez em alguns meses já podemos dizer com certeza o que é de 5G.

Em relação à rede de acesso, o 5G vai proporcionar novas melhorias na tecnologia anterior: por exemplo, parece que o novo tipo de nó (evolução do eNodeB) usará novas tecnologias como FBMC – Filter Bank Multicarrier  (divisão do espectro em muitos canais muito estreitos), NOMA – Non-Orthogonal Multiple Access (sobreposição de vários utilizadores no domínio da potência apesar de forma de onda do sinal ser a mesmo), ou novos esquemas de modulação, como GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing) ou UFMC (Universal Filtered MultiCarrier). Seja qual for, parece que todas aparentam ser uma versão avançada do OFDM utilizada no LTE.

Há algumas semanas, o 3GPP terminou sua última versão do LTE (R13), conhecido como LTE-A Pro – vai depender do mercado se mantêm essa marca. Esta nova versão acrescenta mais capacidade – mais velocidade de download e upload e mais utilizadores – com os seguintes esquemas:

  1. Carrier aggregation. As versões R8 e R9 do LTE tinham uma largura de banda suportado de 20MHz. A agregação das portadoras (tecnología denominada “component carriers”) possibilita em R10 e R11 uma largura de banda até 100 MHz. A contribuição da R13 é neste sentido de permitir até 32 “component carriers” (32 x 20MHz = 640 MHz).
  1. Técnicas multi-antenna(MIMO): Até ao dia de hoje, com as bandas de frequência atuais estão a conseguir incorporar até 4 antenas num terminal. Teremos muito em breve, com o LTE-Advanced, tecnologias 8 × 8 (8 antenas transmissoras e 8 antenas receptoras).Como é obvio, isto só faz sentido para altas frequências, onde o tamanho das antenas é menor e elas podem ser acomodadas num terminal. A R13, no entanto, vai mais longe e vê até 32. Algo que talvez podemos ver dentro de 2 anos. 
  1. Modulações mais altascomo 256QAM. Estas modulações só fazem sentido para células de tamanho reduzido (inferiores a dezenas de metros)
  1. Bandas de alta frequência(6 GHz e superiores): utilizar bandas de frequência livre para somar novas componentes (ponto 1) e a necessidade de utilizar antenas mais pequenas como indicado no ponto 2, conduzem necessariamente às bandas de alta frequência.

Os 4 pontos anteriores que refere o 3GPP na R13 conduzem a velocidades de 1Gbps de upload e download, justamente o que alguns teóricos procuravam no 5G. Será uma versão da tecnologia LTE a que permitirá alcançar os requisitos de 5G?

Outros conceitos associados ao 5G, são por exemplo, a “tecnologias cooperantes”. Selecionar dinamicamente tecnologias de rádio (novas e antigas) e juntá-las em “constelações”. Por exemplo, juntar Evolved LTE-A Pro com a nova versão do 3G (Evolved HSPA ou eHSPA) juntamente com WiFi (Evolved WiFi) e talvez outras novas tecnologias de rádio que poderão entretanto aparecer.

logos 5g-800

 

Para centrar o foco neste artigo, destacamos dois de nível europeu:

  • O nome pode levar a confusão, porque não é uma variante de 3GPP para padronização de 5G. 5GPPP (5G Infrastructure Public Private Partnership) é mais focado na rede core e, entre os seus objetivos, apontamos os seguintes:

 

  • Conseguir capacidades radio 1000 vezes maiores (tomando como referência LTE em 2010).
  • Otimizar a energia em 90%para cada serviço, pondo o foco na rede de acesso rádio que é onde existe mais consumo.
  • Criar redes sem fios suficientemente densas para se ligarem 7 biliões de dispositivos para 7000 milhões de pessoas (prever que teremos 1000 dispositivos por pessoa).
  • Projeto METIS(Mobile and Wireless communication Enablers for the 2020 Information Society), Por outro lado, põe o foco mais na rede radio para atingir os seguintes objetivos:
    • Suportar 1000 vezes mais o volume de dados por área.
    • Obter um número de dispositivos ligados entre 10 a 100 vezes superior.
    • Obter taxas típicas de dados de utilizador entre 10 a 100 vezes superior.
    • Conseguir vidas de baterias 10 vezes maiores
    • Reduzir 5 vezes a latênciaextremo a extremo.

O emaranhado das agências piora com a continuação do projeto METIS II, agora incluído no 5GPPP.

Fora da Europa, há também grupos a trabalharem no 5G. Por exemplo, de notar “Chinese initiative: IMT-2020”, South Korea 5G Forum”, “Japan 5GMF”, “5G Americas”, ou a nível internacional, NGMN.

 

Requisitos para o 5G

De todos os projetos anteriores aparece um denominador comum de requisitos desejáveis para considerar numa tecnologia 5G. Esta seria essa lista:

  • Taxas de pico maiores que 10Gbps.
  • Taxas mínimas de 100 Mbps garantidasem qualquer lugar.
  • Latência ultra baixamenor que 5ms.
  • Eficiência energética extrema: baterías con duração maior que 10 anospara M2M
  • Redes superdensas comTerabits por segundo por Km2.
  • Densidades de ligação altas na ordem de milhões de utilizadores por Km2.
  • Terminais M2M a custos muito baixos
  • Operações ultra fiáveis
  • Conectividade de tudo com tudo.
  • Virtualização e Network slicing.

Garantir 100 Mbps em todos os lugares, provavelmente envolve a necessidade de grandes células (provavelmente envolvendo tecnologias por satélite). Por outro lado, com milhões de usuários por Km2 aponta-se para os dispositivos autônomos (máquinas).

 

Para quando o 5G?

Olhando para trás na história, deteta-se um certo padrão periódico de tecnologias a cada 10 anos. Por exemplo, GSM (2G) em 1990, UMTS (3G) em 2000 e recentemente o LTE em 2009 (3.9G) para chegar a LTE-A (o que seria propriamente o 4G) em 2011. Seguindo esta tendência, poderia-se dizer que 2020 é talvez o ano de 5G.

Na mesma linha temporal poderíamos traçar as diferentes releases de 3GPP com o recente R13 em março deste ano, R14 planeada para junho de 2017 e, hipoteticamente, talvez duas fases de 5G: a primeira vez em junho de 2018 (R15) e a segunda em dezembro de 2019 (R16).

Porquê Dezembro de 2019? Porque provavelmente para essa data a ITU atribuí uma nova faixa de frequências que mencionamos acima e que são necessárias para atingir os requisitos.

Precisamente a ITU começou em setembro de 2015 o que seria um rascunho das especificações para 5G (camuflado sob o nome de ” IMT for 2020 and beyond “) com o objetivo de finalizá-lo em 2018. E também, a casualidade da Coreia do Sul ter fixado como objetivo fornecer 5G por ocasião dos Jogos Olímpicos. Chegará a tempo?

 

Soluções 5G

Detalhemos agora que soluções e tecnologias permitem alcançar os requisitos que listamos em seções anteriores:

  • Rede virtual.

 

estructura red virtual

Este ponto realmente não deve ser mencionado como um ponto para o futuro, porque a realidade é que atualmente já existe tecnologia que permite a virtualização dos elementos ou conjunto de elementos de rede; desde uma rede de acesso completa que agrega os nós de radio (RRH) até redes completas de core ou IMS. O que parece claro é que para o tempo de implantação de 5G a maioria das redes estará nos últimos passos do seu processo de virtualização.

  • Novas bandas de frequências.

O LTE-A inclui extensões dos blocos de frequência de 100 MHz e usando faixas existentes até frequências de 6 a 10 GHz. Nas seções anteriores, avançamos que as novas tecnologias de modulação preveem uso bandas de frequências acima de 10 GHz em diante (até 30 GHz) conseguindo até 1 GHz de largura de banda.

A pergunta que surge é se, tentando superar a largura de banda de 1 GHz, o5G virá para fazer uso do espectro entre 30 e 100GHz e com que tecnologia: será ou não baseado em OFDM.

OFDM

Massive MIMO:

Adiantámos anteriormente a tendência do crescimento do número de antenas recetoras e transmissoras. Na release R13 ou R14, como se confirma pela imagem em baixo, veremos uma maior densidade de antenas. Isto significa que veremos arrays de antenas tipo “árvore de Natal” no cimo dos edifícios que, tal como mencionado antes, só se aplicará a frequências altas e células pequenas (hotspots) pelo que o tamanho dessas antenas será reduzido.

MIMO

 

MIMO 3D: 

Algo que pode ser muito interessante no 5G é a chegada da sectorização das células (sobre a mesma portadora de rádio) na elevação. Ou seja, usar os lóbulos de radiação para criar células diferentes, dependendo da distância para a estação ou, por exemplo, dependendo da altura do target:

 

sectorizacion

Levar este conceito ao extremo poderia permitir a criação de lóbulos individuais para cada terminal:

 

BEAM-PERFORMING-5G

ESQUEMAS DUPLEX:

No LTE, as tramas definem slots ou sub-tramas de 1ms que segundo a estratégia:

  • Em FDD deparam-se as frequências (uma para UL e outra para DL) conseguindo-se um esquema full-duplex.
  • Em TDD, alguns slots são sempre UL, outros sempre DL e outros podem variar segundo as necessidades; o terminal não pode receber e transmitir ao mesmo tempo mas não reserva duas bandas, uma para cada finalidade.

O resultado mais eficiente consegue-se combinando os benefícios das duas estratégias; utilizar cada sub-trama para transmitir e receber ao mesmo tempo. Este é no entanto, um desafio complexo uma vez que a potência recebida por um terminal é várias ordens de grandeza inferior à potência transmitida e a interferência é difícil de gerir.

 

Isto é o que se pretende enfrentar no 5G através de recetores avançados:

Advanced SIC receivers (Sequential Interference Cancellation).

advanced-sic-receiver

 

NOVO ACESSO MULTIPLO ORTOGONAL: NOMA

O acesso “ortogonal ao meio” consiste em que cada utilizador utiliza o seu bloco da banda com diferentes potências e sem sobreposição.

ortogonal-access2

O que está a ser proposto com o NOMA é “empilhar” no mesmo bloco de frequências a atividade de vários terminais até completar a potência máxima. Obviamente, que a sobreposição produziria interferência entre os utilizadores, mas, como se comentou no ponto acima, isto podia resolver-se com os recetores avançados SIC

non-ortogonal-access-5g

Assim, antes de atribuir recursos, uma estação base poderia avaliar as prioridades de cada utilizador de acordo com a relação sinal/ruído de cada um. Emitiria na mesma banda  informação para um conjunto deles e, informando-os de sua ordem de prioridade, eles poderiam descodificar  a parte que lhes corresponde.

 


receptor SIC

OPÇÔES DE LIGAÇÃO

Finalmente retomemos o ponto do artigo onde mencionámos que o 5G pode ser o marco que irá precipitar a interconexão total através das tecnologias de rádio existentes:

 

  • Malhas de células ultra densas de tamanho mínimo (hotspots) coexistindo com as células tradicionais macro.
  • Células que serão usadas para links de transmissão
  • Largura de banda maior graças à agregação das portadoras de diferentes tecnologias
  • Células ligadas a várias estações simultaneamente
  • Acesso a 5G em bandas sem licenciamento
  • Comunicações terminal para terminal sem passar pelas estações base ou terminais que operam como estações para alcançar outros terminais sem cobertura

O interessante é que todos os pontos acima não fazem parte de um futuro hipotético, mas fazem parte das já existentes especificações do LTE.

Para fechar este artigo, gostaríamos de deixar claro que na eNGN Technologies estamos a preparar os nossos especialistas e incluiremos seguramente as melhores soluções de teste e medida e monitorização para este futuro 5G que parece iminente mais cedo ou mais tarde.