Inovações em arquitetura de rede e espectro para o 5G

Espera-se que o 5G requeira espectro tanto em bandas de baixa frequência (sub-1GHz) como de alta frequência (20-40GHz) muito superiores às atuais.

Depois de introduzirmos as características da tecnologia 5G, analisarmos a estratégia dos principais players e aprofundarmos as oportunidades para a indústria, fechamos este monográfico sobre esta tecnologia tratando a arquitetura de rede e o espectro.

As redes 5G trarão inovações em termos de arquitetura, já que precisarão se equipar de fortes infraestruturas, as mais notáveis das quais serão:

Redes ultradensas / small cells

Dada a limitada quantidade de espectro sub-3GHz disponível, a elaboração das atuais redes 2G, 3G e 4G será insuficiente para suportar os serviços que se esperam com o 5G. O espectro de alta frequência carece das propriedades de propagação necessárias para que o 5G alcance todo seu potencial. Portanto, uma marcada densificação de small cells, ou seja, aproximar a antena do usuário final seja mediante instalações em mobiliário público, em comércios ou em pontos estratégicos, será vital para esta nova tecnologia. Não obstante, é interessante salientar que as operadoras na Espanha estão se concentrando em macro cells, deixando pelo momento as small cells de lado.

Transição a fibra em grande escala

O alto rendimento oferecido pelo 5G desde as localizações móveis aos usuários finais precisa ser respaldado pela Rede central da operadora. Isto conduzirá à implementação de fibra na maioria das localizações móveis apesar de o espectro de mmWave (30-300 Ghz) na banda E (70-80 GHz) também poder ser usado para proporcionar uma retroalimentação de micro-ondas de capacidade muito alta.

RAN na nuvem

Nas RAN (Radio Access Network) tradicionais cada estação-base dispõe de sua própria BBU (Base Band Unit) com o rádio integrado ou localizado de maneira remota no topo da torre. Aqui se formulam as possíveis evoluções:

–       RAN centralizado: Trata-se de uma evolução do conceito estabelecido de estações-base (“hotéis”) onde várias unidades de rádio remotas (RRUs) se conectam a uma única BBU, compartilhando recursos de forma flexível. A BBU pode ser local ou remota. Suas principais vantagens relacionam-se com a eficiência tanto em custos como a nível energético.

–       RAN na nuvem: Consiste em uma arquitetura em que a China Mobile foi pioneira, a qual estabelece uma separação funcional entre recursos remotos e compartilhados. Estes últimos se virtualizam e implementam como funções de rede virtual (NFV) em um servidor ou na nuvem. Esta opção, além de apresentar vantagens quanto a economia de custos e energia, também pode suportar economias de rede radicalmente novas e uma ampla gama de serviços, atuando como um precursor da segmentação de rede 5G.

As redes 5G dependerão em grande medida de tecnologias emergentes como SDN (Software Defined Networking) NFV (Network Function Virtualization) MEC (Mobile Edge Computing) e FC (Fog Computing).

Em telecomunicações um “carrier grade” ou “carrier class” refere-se a um sistema ou um componente de hardware ou software extremamente fiável e testado. Os sistemas carrier grade são provados e elaborados para cumprir ou exceder os padrões de alta qualidade de “cinco noves” e proporcionam uma recuperação de falhas muito rápida (normalmente menos de 50 milissegundos).

Satisfazer as demandas de qualidade de serviço e experiência de seus usuários força as operadoras a implantar novos tipos de infraestrutura e tecnologias carrier grade assim como sistemas de antenas MIMO (com a capacidade de emitir em múltiplas direções no mesmo momento) sistemas distribuídos (DAS) small cells e cabeças de rádio remotas (RRH), entre outros.

Ainda assim, a maior parte da carga do tráfego continua a estar nas mãos das macrocélulas, ou seja, antes de implantarem a infraestrutura de novas tecnologias, as operadoras deverão ter uma estratégia clara para melhorar suas redes de transporte atuais, que são as que sustentam as redes macros. Para este feito deverão migrar a um ambiente SDN e NFV como medida para reduzir as complexidades e custos de suas redes de transporte.

A virtualização de funções de rede, em combinação com a criação de redes definidas por software (SDN), terá uma influência enorme na criação de redes 5G, que permitirão um maior dinamismo na gestão dos serviços. O resultado será uma ampliação nos esquemas e modelos de negócio presente e futuros.

Problemática e potencial solução

Os custos do investimento necessário para implantar o 5G supõem um sério problema frente às expectativas que despertou na população.

As operadoras estão procurando as fórmulas de reduzir esse investimento ao mesmo tempo que esperam que os casos de uso consigam monetizar a tecnologia de forma muito mais tangível do que o 4G e a fibra fizeram.

Uma potencial solução encontra-se no exemplo de uma operadora espanhola que decidiu dar outro foco à implantação maciça de antenas para o 5G usando casas como parte substancial da rede móvel. A visão da operadora, que tem quase 6 milhões de clientes de banda larga fixa na Espanha (cada um deles com um roteador), é usar seus roteadores como plataforma para a rede móvel. Ao se acrescentar um pequeno nó radioelétrico ao roteador e uma pequena antena (denominada picocélula ou femtocélula), solucionam-se muitos dos problemas relacionados com pôr antenas no mobiliário público. Com uma femtocélula integrada no roteador, é o cliente quem fornece ao operador uma conexão com fibra. O principal problema desta opção é o custo de substituir os roteadores atuais por outros com o equipamento de rádio para telefonia móvel incorporado, que terão um custo mais elevado. Se um roteador atual de fibra custa ao redor de 50 euros, um com antena móvel poderia custar 500 euros embora diversos especialistas consultados apontem que, ao industrializar sua produção, poderia acabar em 200 euros. A realidade é que não é necessário substituir todos os roteadores atuais, já que previsivelmente só se mudarão nas casas ou locais que ofereçam boa cobertura nas vias públicas.

O problema é que o 5G requer uma implantação muito capilar, custosa e complexa de construir e manter; e ao mesmo tempo a indústria não consegue faturar mais e está se demonstrando que o 4G e a fibra não conseguem monetizar-se como se esperava. O esforço investido nestes já disparou a relação capex/vendas e não parece possível continuar mantendo estas proporções. O investimento requerido unido a um contexto de estancamento no crescimento das rendas dificulta em grande medida a implantação do 5G.

Espectro

Quanto ao espectro, a seguir apresentaremos diferentes bandas com valor comercial e suas características:

Tal e como se pode apreciar no gráfico, abaixo de 5GHz encontramos uma boa banda larga disponível, marcos de licenciamento definidos (na Europa) e um 3GPP padronizado mas com capacidade incompleta para o 5G.

Em bandas de espectro de 20-30GHz, mantém-se o foco no desenvolvimento de equipamento e nos testes e vemos que a banda exata varia por região de 245GHz a 295GHz. As bandas superiores a 30GHz não são uma prioridade inicial para os padrões 3GPP. Não obstante, existe um crescente interesse da indústria em opções futuras (ex: 405-435GHz).

Espera-se que o 5G requeira espectro tanto em bandas de baixa frequência (sub-1GHz) como de alta frequência (20-40GHz) muito superiores às atuais. A utilização destas bandas tem a vantagem de uma maior velocidade de transmissão mas também um sério problema: um baixo raio de cobertura e uma escassa capacidade de penetração.

Ou seja, uma ligação superior a 60 GHz será efetiva em campo aberto ou quando vamos andando na rua, mas dificilmente transpassará a parede de um edifício para nos dar cobertura no interior. Daí a necessidade de utilizar outras bandas a frequências inferiores e de que o regulador não descarte também as de 36 38 ou 42 GHz.

Como já comentamos , encontramo-nos em plena corrida tecnológica para o 5G. Restam uns anos intensos de testes, leilões por espectros, acordos e padronizações ao redor do mundo, embora se calcule que em 2025 já poderemos desfrutar de forma generalizada da tecnologia que nos abrirá as portas à internet das coisas.

Gregorio Recio
gregorio.recio@nae.es

Gorka Riocerezo
gorka.riocerezo@nae.es

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