Tudo sobre a tecnologia 5G e a revolução que ela promete!

Você já deve ter escutado muitas coisas sobre a tecnologia 5G e todas as maravilhas que ela promete, certo?

Nesse momento o “hype” em torno do 5G está muito aquecido, pois temos grandes fabricantes como Ericsson, Nokia e Huawei empregando grandes esforços para apresentar suas soluções e garantir contratos com as operadoras no intuito de lançar os primeiros pilotos e os primeiros “press releases”. No entanto, as operadoras ainda avaliam o custo/benefício de embarcar nessa onda e serem as pioneiras num cenário de muitas questões não respondidas.

É certo que existem muitos atrativos no 5G: desde velocidades de acesso Gigabit, latência na casa de 1ms, virtualização ou “fatiamento” da infraestrutura de rede para oferecer níveis de serviços diferenciados por aplicação e uso, como também uma infinidade de aplicações não usuais comparado ao modelo básico vigente de Voz + Dados.

Alguns temas que podem soar estranho, mas que estarão cada vez mais ligados ao 5G: densificação de fibra óptica, novos formatos de antena e o já famoso NFV.

 É sobre esses atributos e novas tecnologias que espero ajudar a esclarecer com esse artigo.

 O que esperar do futuro?

Esse é mais um daqueles momentos em que a indústria de Telecom tenta se reinventar. Dessa vez a promessa é de um completo rearranjo da infraestrutura de serviços móveis e banda-larga.

O que chamamos hoje de 5G é uma infinidade crescente de tecnologias que estão sendo agregadas e relacionadas pelo 3GPP (3rd Generation Partnership Project) nas novas versões “Release 15” e “Release 16” de sua padronização.

O objetivo final dessa padronização é permitir que as operadoras móveis utilizem as novas tecnologias para melhorar de forma efetiva os seus produtos, ampliando a cobertura geográfica, as velocidades e funcionalidades disponíveis aos clientes. E mais do que isso, atender uma nova geração de aplicações como IoT, M2M, carros autônomos, entre outros.

As operadoras móveis esperam com essa tecnologia fazer frente ao crescente uso de banda-larga em fibra + WiFi, que vem crescendo de forma acelerada e tomando uma parte do mercado que antes era ocupado por elas.

Novos serviços

As operadoras planejam incluir uma gama de novos serviços nas suas ofertas 5G, tanto para recuperar a margem que vem caindo nos últimos anos, bem como para expandir novos mercados antes inexplorados. Alguns desses serviços:

Ultra Banda-larga: Conexão de banda larga em alta velocidade, com capacidade de 1 Gigabit por segundo ou melhor, utilizando uma nova rede de antenas geograficamente distribuídas bem próximas ao usuário final.

Computação distribuída: Também conhecida como Fog Computing – possibilita distribuir poder computacional para a borda da rede, com alcance bem próximo ao assinante, seja ele um cliente ou uma rede de sensores. Comparado com os serviços de Cloud centralizado, a latência é radicalmente menor.

Serviços M2M: Serviços de conexão entre máquinas, com características de baixa latência e pouco uso de banda, tais como robôs, sensores e carros com direção autônoma.

Requisitos

Como dito anteriormente, o 5G é um conjunto de novas tecnologias e uma nova arquitetura de rede mais eficiente e distribuída. As principais exigências dessas novas tecnologias são:

Eficiência energética: Talvez esse seja o principal gargalo para o crescimento das redes de telecomunicações, tanto fixa como móveis, e os esforços de pesquisa e desenvolvimento da indústria de Telecom prometem grandes evoluções no uso mais eficiente da energia e miram uma redução efetiva dos custos de refrigeração, que hoje é um dos maiores custos operacionais das operadoras.

Eficiência espectral: Fazer uso melhor das frequências atualmente disponíveis e utilizar novas faixas desocupadas, permitindo uma agregação de espectro para maior alcance e velocidade. Nesse quesito os governos tem papel fundamental em avaliar novos leilões e reuso dos espectros.

Fatiamento da rede

Com o 5G, as operadoras podem “fatiar” sua infraestrutura de rede para permitir um nível de serviço diferenciado para cada aplicação, sem que incorram em custos de construir redes distintas, fazendo uso separadamente de cada “fatia” para serviços tais como:

Ultra Banda larga móvel: Também conhecida como eMBB (Enhanced Mobile Broadband), pretende servir uma área metropolitana com altas velocidades, como 1 Gigabit por segundo em regiões de alta densidade e 300 Megabits por segundo ou maior em locais remotos.

Para atender esse requisito, serão instaladas novas antenas de altíssima frequência, conhecidas como mmWave(milimeter-wave), em ambientes como: residências, escritórios, postes de iluminação, topo de prédios, torres e até em ônibus públicos.

Como cada antena dessas cobre uma área muito restrita, serão necessárias dezenas ou centenas delas para cobrir uma região metropolitana densamente povoada. E para regiões rurais ou menos densas, serão utilizadas frequências de maior alcance e cobertura, mas que limitam as velocidades para algo entre 100 – 300 Mbps.

M2M: Uma aplicação pouco difundida hoje mas que tende a crescer é a comunicação Máquina a Máquina (M2M), ou também conhecida como Internet das Coisas (IoT). Essas aplicações demandam um nível de serviço diferenciado, e não tem similaridade com a banda-larga móvel.

Na verdade, aplicações M2M e IoT seriam mais bem atendidas com as tecnologias de segunda geração (2G), mas com o crescimento da banda-larga o foco das operadoras mudou, e serviços que demandam pouca banda não apareciam no seus radares.

Com o 5G, essas aplicações voltam a a ganhar atenção e serão ofertadas como uma “fatia” da infraestrutura com serviços que permitam uma latência abaixo de 10ms e velocidades entre 64 a 128 Kilobits por segundo (comum nos tempos da Internet discada)

Latência Ultra baixa: Conhecida como ULL (Ultra low latency), essa “fatia” pretende atender os serviços que requerem um alto nível de confiabilidade e requerem uma comunicação muito próxima entre os terminais e os centros de processamento. Um exemplo são os carros autônomos, que precisam tomar decisões e reagir em frações de segundos para evitar um acidente.

Soluções para Infraestrutura RAN

Com a aplicação de novas tecnologias e a necessidade de escalar o modelo atual, novos problemas já surgiram e algumas soluções começaram a ser desenvolvidas:

Custo de infraestrutura: Um dos maiores entraves para a expansão da rede das operadoras é o custo de refrigeração e energia elétrica para manter uma extensa infraestrutura de antenas distribuídas.

Para o avanço do 5G, as operadoras precisam de um novo modelo de ampliação de rede, um modelo que permita expandir as antenas sem os altos custos de energia e refrigeração atuais.

O exemplo da operadora China Mobile, com a maior infraestrutura do mundo de antenas 3G, demonstra o alto custo de energia elétrica para manter uma estação no modelo atual.

Fronthaul: Uma nova solução para este custo se chama C-RAN (Cloud Radio Access Network). Consiste em uma nova arquitetura de Fronthaul para redes móveis, proposta em 2010 pela China Mobile, que pretende modificar a maneira como são implantadas as estações base.

Na arquitetura C-RAN são utilizadas tecnologias como CWDM/DWDM, NFV e interface CPRI possibilitando uma transmissão de longa distância do sinal da estação base até as antenas, permitindo com isso, centralizar as estações e permanecer com as antenas de forma distribuída.

Um dos pontos fortes dessa arquitetura é eliminar a pulverização da unidade base (BBU), que tipicamente ficam instaladas na base de torres e antenas, muitas vezes conectadas por cabos de cobre de baixa eficiência.

Na arquitetura proposta, a BBU fica centralizada e consegue atender de um único ponto dezenas de antenas distribuídas, pois com o uso de virtualização (NFV) é possível acelerar a implantação de novas BBU no servidor que pode ficar até 30km de distância das antenas.

Para interconectar esses 30km aparecem as fibras ópticas!

Na futura arquitetura de redes 5G a densificação de fibras ópticas é o principal fator para uma melhor qualidade e cobertura, pois com a fibra é possível atender com baixo custo e economia de energia uma alta capacidade para cada antena. E se necessário, é possível multiplexar vários canais na mesma fibra utilizando tecnologias como CWDM/DWDM ou até GPON.

No enlace entre a BBU e a antena (Fronthaul), é utilizado um protocolo chamado CPRI (Commom Public Radio Interface), que foi idealizado pelos grandes fabricantes de soluções móveis para permitir a comunicação segura, escalável e preferencialmente interoperável.

A vantagem da interoperabilidade é que a operadora pode utilizar fornecedores distintos para as duas funções, com a premissa de que sejam compatíveis com o a padronização CPRI.

 Otimização da Refrigeração: Aplicado o conceito C-RAN, torna-se possível eliminar todos os equipamentos que ficam na base de uma estação móvel. Assim, elimina-se a principal fonte de dissipação de calor, permitindo que os equipamentos restantes sejam refrigerados passivamente – exatamente, refrigerados a céu aberto!

Com o ar condicionado eliminado, o custo com energia elétrica é reduzido drasticamente e mais – a infraestrutura ocupa um espaço menor e com isso os custos com aluguel podem ser cortados.

Computação em Névoa (FOG Computing)

O conceito de Fog Computing ("Computação em Névoa") ou também computação distribuída, define a arquitetura que estende a capacidade computacional e o armazenamento em nuvem para as camadas de acesso da rede.

E o sucesso da tecnologia 5G está definitivamente ligado a essa nova classe de datacenter, pois são neles que ficarão hospedadas as BBU do Fronthaul além do poder computacional distribuído em servidores que podem executar diferentes funções, como cache local de conteúdo e gerenciamento de informações para redes M2M.

As operadoras podem desenvolver uma nova linha de negócios, competindo diretamente com as grandes empresas fornecedoras de Cloud como Amazon AWS e Microsoft Azure, pois terão a disposição uma quantidade grande de poder computacional distribuído e com uma latência infinitamente menor do que os datacenters centralizados na “nuvem”.

Arquiteturas para essa infraestrutura distribuída já começaram a aparecer, como exemplo OpenStack e CORD (Central Office Re-architected as a Datacenter)

Ultra Banda Larga sem fio

Todos os estudos recentes apontam para o crescimento exponencial do consumo de dados nos dispositivos móveis.

E para o 5G a palavra móvel não necessariamente significa o smartphone como conhecemos.

O uso da tecnologia 5G deve se estender para diversos dispositivos e não somente os smartphones. Exemplos como robôs industriais, carros, máquinas e sensores são algumas das possibilidades que já se vislumbra hoje, e cada um desses dispositivos terá um requisito distinto de comunicação.

Alguns exigirão altas velocidades, outros um uso de bateria estendido e alguns baixa latência. Portanto, é evidente que não existe apenas um cenário e as redes deverão se adaptar a essa multiplicidade de dispositivos e requerimentos.

Para atender a demanda por banda larga, o 5G vai utilizar as frequências extremamente altas – conhecidas como mmWave – que atuam na faixa de 24Ghz a 100Ghz

Essas faixas de frequência permitem velocidades 100 vezes maiores que as usadas hoje no 4G LTE, mas com um alcance muito menor. Testes nos Estados Unidos demonstraram velocidades de 1Gigabit por segundo a uma distância de 600 metros da antena.

Um problema a ser resolvido é a “interferência humana”, pois a faixa de frequência 28Ghz é sensível a interferência ou até a bloqueio quando em contato com um rosto, um corpo ou a palma da mão.

Pense em você segurando seu smartphone 5G com a mão e interferindo no sinal a ponto de bloquear o mesmo!

Esse efeito já é conhecido dos pesquisadores, e tecnologias como beam-forming estão sendo estudadas para tornar mais eficiente a transmissão para dispositivos menores.

Ainda não existe aparelho 5G comercialmente disponível, as expectativas mais otimistas apontam para meados de 2019, mas algumas ideias já começaram a aparecer.

O recente vazamento do Moto Z3 Play com um módulo adicional 5G já aparece um pouco diferente do que conhecemos hoje:

(Fonte: XDADevelopers)

Esse formato pode ser apenas um teste, mas com certeza devemos esperar grandes mudanças nos modelos 5G a serem lançados.

A grande chance

Estamos vivendo um momento importante para o mercado de Telecom, onde serão definidos novos vencedores e também, perdedores.

A tecnologia 5G é uma grande aposta da indústria, e essa chance vai demandar uma soma de investimentos muito alta, e somente aumentar a velocidade de sua conexão no smartphone não será justificativa suficiente para essa empreitada.

A verdade é que o aumento de velocidade é um benefício colateral da tecnologia e obviamente será explorado pelas operadoras, mas o real motivo dessa nova onda de investimentos está muito além disso.

Tiago Carrijo Setti

Consultor na NuiTec Consultoria em Tecnologia