Whitepaper: Conectividade em Massa na Era 5G

A quinta geração de redes móveis (5G) está prestes a permitir um mundo totalmente conectado. Com o aumento dramático das taxas de dados e a quantidade de dispositivos conectados, em breve poderemos desfrutar da comunicação expandida entre dispositivos (Figura 1) e não mais nos limitarmos à comunicação usuário-usuário e usuário-dispositivo. Até 2025, espera-se que 25 bilhões de dispositivos sejam conectados sob o 5G.¹

O 5G, que pode ser considerado como uma sobreposição à rede 4G existente, representa não apenas uma mudança nas redes celulares, mas também uma integração com redes de comunicação como Wi-Fi e telemetria (Tabela 1). De acordo com a Next Generation Mobile Networks (NGMN) Alliance, "o 5G é um ecossistema completo para permitir uma sociedade totalmente móvel e conectada. Ele capacita a criação de valor para clientes e parceiros, por meio de casos de uso existentes e emergentes, entregues com experiência consistente e permite modelos de negócios sustentáveis."² Em um futuro próximo, podemos ver grandes
benefícios da incorporação da conectividade 5G em quase tudo: você poderá virtualmente experimentar roupas e fazer compras em casa usando fones de ouvido de realidade virtual (VR); seu veículo autônomo poderá navegar automaticamente e levá-lo ao seu restaurante favorito para o jantar; seu termostato poderá pré-aquecer/pré-resfriar a uma temperatura desejada reconhecendo o tempo de chegada do seu carro, bem como as condições meteorológicas atuais e previstas. 

A conectividade avançada e confiável é um dos drivers mais críticos para habilitar casos de uso alimentados por 5G que podem ser resumidos em três categorias familiares (Figura 2). 

eMBB (Banda larga móvel aprimorada) foca na prestação de serviços que representam altos requisitos de largura de banda, com base na demanda do usuário por um estilo de vida cada vez mais digital. Os aplicativos típicos incluem Realidade Virtual(VR) e Realidade Aumentada (AR), vídeo 8K e vídeo 3D. espera-se que os casos de uso da eMBB cresçam rapidamente, liderados por países da Ásia-Pacífico, particularmente os anfitriões olímpicos Coreia do Sul e Japão. Os recentes Jogos Olímpicos de Inverno de Pyeongchang de 2018 se classificam como um dos primeiros ambientes sem teste da indústria de uma rede 5G. O projeto piloto continha cobertura VR ao vivo ou sob demanda para 30 eventos, alimentada pela cobertura onipresente do 5G em todos os locais, bem como baixa latência para permitir o controle em tempo real.

uRLLC (Comunicação Ultraconfiável e de Baixa latência) visa atender à exigente indústria digital e se concentra em serviços sensíveis à latência. Aplicações típicas

incluem veículos autônomos, sistemas de transporte público e de massa, drones, controle remoto da saúde, monitoramento e controle de redes inteligentes. A latência também pode ser fundamental para casos de uso de VR na nuvem, em que latências inferiores a milissegundos são importantes para garantir uma experiência de usuário atrativa. 

mMTC (Comunicações do Tipo de Máquina em Massa) tem o objetivo é atender às demandas de uma sociedade digital mais desenvolvida e foca em serviços que apresentam altos requisitos na densidade de conexão, pois a expansão do escopo de serviços para redes móveis também enriquece a rede de telecomunicações. Aplicações típicas incluem cidades inteligentes, automação industrial e agricultura.

Espera-se que o 5G forneça uma ordem de melhoria de magnitude no desempenho nas áreas de maior capacidade, menor latência, mais mobilidade, mais precisão da localização do terminal, maior confiabilidade e disponibilidade. ⁸ Como um recurso essencial, mas escasso na era 5G, o espectro em três faixas de frequência principais, cada uma com características únicas, deverá fornecer cobertura generalizada e suportar todos os casos de uso 5G: sub-1 GHz, 1-6 GHz e acima de 6 GHz. Os dois primeiros são frequentemente referenciados como sub-6 GHz. 

Isso é importante à medida que o tráfego de dados celulares continua a subir, e a eMBB está definida para se tornar a principal proposta de valor do consumidor. Esperamos que os Estados Unidos e a China liderem a primeira onda de implantações 5G com diferentes abordagens. A China, em nossa opinião, concentrará implantações iniciais na banda C (3-5 GHz) visando casos de uso de IoT. Os EUA, por outro lado, concentrarão implantações iniciais no acesso sem fio fixo através do espectro de frequências de mmWave (acima de 24 GHz), bem como implantações em bandas baixas (600 MHz).

A longo prazo, acreditamos que o espectro de banda C pode ser desafiado a fornecer banda larga móvel aprimorada devido à eficiência espectral limitada e melhorias na capacidade do sistema, bem como à latência menor de 10 ms. Para suportar os requisitos para larguras de banda contíguas amplas, as bandas de mmWave podem precisar ser consideradas.

Essas bandas podem suportar grandes aumentos de capacidade para aplicações de alta largura de banda. Além disso, com técnicas como a formação de feixes, sinais sem fio poderiam ser altamente direcionais sem causar muita interferência, permitindo maior eficiência espectral. No entanto, com o aumento da frequência das portadoras, tanto a perda de caminho quanto a perda de difração tornam-se mais graves, e os efeitos atmosféricos devem ser considerados.

Atualmente, há um grande número de testes preliminares de 5G em todo o mundo que estão usando várias bandas de espectro, particularmente 3,5 GHz e 26/28 GHz. Em mais de 30 regiões, há planos de atribuir espectro em duas bandas nos próximos dois anos. (Figura 3).

Grandes quantidades de espectro são necessárias para proporcionar aumentos maciços na capacidade para alcançar velocidades mais altas e menor latência.  Assim, espera-se que arquiteturas atualizadas e novos avanços nas tecnologias de conexão auxiliem na realização de todo o potencial do 5G (Figura 4). Existem três mudanças arquitetônicas importantes que impactam a conectividade 5G.

1. Adoção de sistemas de antenas ativas MIMO (Multi-Input Multi-Output – Multientrada e multissaída). Espera-se que o ecossistema 5G suporte redes de alta densidade adicionando novos recursos aos rádios e ao layout geral do sistema. A combinação tradicional em redes 3G/4G de uma unidade de rádio remota conectada a uma antena externa será estendida por sistemas de antenas ativas (AAS) ou antenas de matriz em fases ativas com elementos maciços de antena (APAAs maciças) (Figura 5), em que os componentes eletrônicos serão incorporados ao sistema de antenas e irão operar em uma ampla faixa de frequência (600 MHz a 28 GHz e acima) GHz. Este sistema primário será suportado por sistemas complementares em áreas densas (Figura 6). Esses sistemas complementares terão um elevado número de antenas para suportar MIMO multiusuários (MU-MIMO). Esses elementos de antena contarão com seus próprios componentes eletrônicos de controle, exigindo novas soluções de conectividade.  Frequências acima de 6 GHz serão predominantemente suportadas por sistemas altamente integrados. Esses RFICs (Radio Frequency Integrated – Circuits Circuitos integrados de radiofrequência) geralmente apresentam antenas integradas na superfície superior do chipset.

Prevê-se que sistemas de antenas ativas massivas 5G aumentem a complexidade do sistema, exijam maior miniaturização das antenas e maior integração de antenas com filtros e amplificadores de energia. Sendo um fornecedor de soluções de antena embutida personalizada, a TE oferece uma grande variedade de soluções de antenas personalizadas que podem acomodar as restrições mecânicas de sua aplicação e projetar e fabricar antenas que estão em conformidade com as exigências operacionais mais rigorosas. Além disso, as soluções de conectores e cabeamento internos, de entrada/saída de alta velocidade (E/S), as soluções coaxiais RF econômicas e os módulos de antena da TE são todos adequados para a última geração de sistemas de antena.

2. Adoção de Nova Tecnologia de Transmissão em Fronthaul. O 5G proporcionará uma capacidade muito alta. Por essa razão, o fronthaul para a BBU (Base Band Unit – Unidade de banda base), o backhaul e a rede de transporte provavelmente precisarão ser atualizados para suportar o aumento das necessidades de tráfego. Esperamos ver maior conectividade óptica de alta velocidade na rede geral, com o portfólio de E/S de alta velocidade da TE, incluindo conectores SFP28, QSFP28 e FullAXS como possíveis soluções de conectividade densa e de alta velocidade. As células pequenas serão um componente-chave na era 5G. Eles aumentarão a densidade da rede e trarão soluções de curto alcance, potencialmente utilizando tanto a tecnologia sub-6 GHz quanto a mmWave. Para implantações sub-6 GHz, a TE tem um extenso portfólio de antenas e produtos que protegem contra interferência eletromagnética (EMI). Uma penetração mais profunda de fibras (mais próxima da localização de pequenas células) também pode ser necessária para o tráfego de backhaul de pequenas células aproveitando nosso portfólio de produtos de alta velocidade.

3. A Adoção de C-RAN. Em redes 5G, esperamos ver maior utilização de conceitos semelhantes à nuvem aplicados a ambas

rede de acesso a rádio e rede principal. O C-RAN (Cloud RAN) se concentrará tanto na centralização das BBUs quanto na adoção de tecnologias em nuvem, como a virtualização. A fase de centralização consiste em transferir a BBU para um local comum que atende a várias torres, o que reduz amplamente o custo de terreno, energia, refrigeração e despesas operacionais. A fase de nuvem virtualiza BBUs baseadas em hardware, permitindo que elas sejam executadas em servidores comerciais prontos para uso. O agrupamento de BBUs, bem como a adoção de tecnologias em nuvem, por exemplo, SDN (Software-Defined Network – Rede definida por software), NFV (Network Functions Virtualization – Virtualização de funções de rede), fatiamento e virtualização de rede, ainda exigirão alta velocidade, alta taxa de dados, alta densidade e soluções de conectividade confiáveis e robustas. 

As soluções de conectividade da TE, que são úteis para estações base e transporte óptico, ampliam os limites de velocidade e largura de banda nas arquiteturas atuais e atendem aos requisitos desafiadores de taxas de dados, sinal e energia de redes móveis 5G emergentes. Além de nossa experiência em antenas, nossas soluções cabeadas e de placa a placa de alta velocidade oferecem maior largura de banda para blackplanes e midplanes. Podemos aproveitar nossa experiência em data center e tecnologia em nuvem para fornecer soluções de E/S de alta velocidade, soluções cabeadas de alta velocidade, soluções de alta velocidade de placa a placa e soluções de energia.

Em meio ao cenário de debate e ramificações desconhecidas para a indústria em geral, espera-se que a indústria móvel alcance vários marcos antes do ano de 2025, incluindo grandes avanços no 5G com lançamentos comerciais previstos para acontecer nos Estados Unidos em 2018 e nos principais mercados da Ásia, América do Norte e Europa nos próximos três anos (Tabela 2). A aprovação oficial das especificações não autônomas de rádio 5G (NSA 5G NR) em dezembro de 2017, bem como a estreia comercial do 5G nos Jogos Olímpicos de Inverno de Pyeongchang de 2018, ambos definem o desejo de um futuro alimentado pelo 5G. 

O 5G foi o centro das atenções no Mobile World Congress (MWC) 2018 como uma nova tecnologia empolgante e iminente. Os principais equipamentos fabricam dezenas de produtos inovadores: a Huawei revelou seu primeiro equipamento comercial de instalações para clientes 5G (CPE), um dispositivo terminal que suporta padrões 3GPP 5G com um chipset Balong 5G01 desenvolvido pela Huawei, como parte de sua solução 5G completa; a Ericsson apresentou latência super baixa de 5G (apenas 6 milissegundos); a Intel apresentou o primeiro circuito impresso conceito 2 em 1 habilitado para 5G; a Samsung anunciou que sua solução 5G de FWA (Fixed-Wireless Access – Acesso fixo/sem fio) comercial completa tornou-se a primeira solução global a receber aprovação da FCC (United States Federal Communications Commission, Comissão Federal de Comunicações dos Estados Unidos).