Seção: Tutoriais

Nas seções seguintes serão enfatizados os pontos degradantes que precisam ser melhorados para haver uma grande ampliação da capacidade de transmissão da rede móvel atual, tais como os primeiros passos a serem executados, o espectro de rádio disponível, as tecnologias de antenas a serem pesquisadas e as técnicas de acesso para a interface de RF.

Primeiros Passos para Alcançar a 5° Geração

Inicialmente o progresso das redes 3G apresentaram uma inovação de tecnologia móvel de banda larga para a indústria e para a sociedade. Se o 5G tornar-se uma nova geração em tecnologia móvel, será uma transformação de alto nível, principalmente em termos de espectro e topologia da rede (WARREN; DEWAR, 2014).

A forma de sincronismo rigoroso e ortogonalidade usada pelo LTE e o LTE-Advanced para transportar o sinal de informação, apresentaram algumas deficiências devido algumas tendências que estão crescendo rapidamente como o MTC, que apresentam procedimentos volumosos necessários para garantir um sincronismo rigoroso. Também por causa das redes que estão se tornando cada vez mais heterogêneas, necessitando de um sistema que colete os ganhos dos sinais e faça um gerenciamento deles com a rede (WUNDER, 2014).

Os estudos para o espectro de rádio de quinta geração, estão acima dos 6GHz, ou seja, pretendem utilizar altas bandas de frequências que diminuem o alcance das ondas, portanto, diminuindo o tamanho das células. Para alcançar uma cobertura mais ampla, terá que mexer na topologia da rede atual (WARREN; DEWAR, 2014).

É altamente considerada a forma de onda que foca na interface de rádio dentro da propagação na qual ela será usada sobre grandes distâncias, que é chamada de “beamforming”, tem uma função importante em definições de interface de rádio que utilizarão 6GHz ou bandas de frequências mais altas. Para atender os requisitos do 5G, essa forma de onda deverá seguir o dispositivo que estiver sendo conectado, sendo que cada célula terá que suportar centenas de ondas individuais (WARREN; DEWAR, 2014).

Outro estudo que está sendo realizado como solução em bandas de alta frequência, é a utilização em ampla escala de MIMO, chamada de “Massive MIMO”. Com o aumento da frequência, os elementos que formam a antena podem ser minituarizados, aumentando-se assim o número de antenas utilizadas que formaram propagações estreitas (DOCOMO, 2014).

Entre os fatores determinantes para a evolução da rede móvel celular 5G estão, o espectro de rádio disponível, o tipo de tecnologia de antena assumido, a arquitetura da rede, o RAT e o hardware do rádio (CARDOSO, 2015).

Lembrando-se que uma taxa muito alta de dados, baixa latência, alta confiabilidade e uma possibilidade de manter extrema massa volumar entre os dispositivos, será realizada com a continuidade do desenvolvimento do LTE em combinação com as novas tecnologias de acesso de rádio desenvolvidas para a quinta geração (ERICSSON, 2015).

Espectro de Rádio Disponível

Muitos países consideram o espectro de RF como uma propriedade exclusiva do estado, assim como a água, terra, etc. A interferência entre ondas de rádio, prejudicam a forma da onda original dificultando a sua leitura no destino, por isso o espectro de rádio tem regulamentação onde faixas de frequência são separadas para o uso em determinados equipamentos. Pelo fato de ser uma fonte que pode ser reutilizada, tem um gerenciamento que visa resolver os problemas com interferência, projetar curtas e longas alocações de frequência, avançar tecnologicamente para a introdução de novas tecnologias wireless, etc (MANIKKOTH, 2014).

Quanto mais afastado o aparelho móvel encontra-se da rede wireless, mais base station são exigidas e por consequência, mais espectro. Isso ocorre devido a atenuação do espectro, que é um dos primeiros problemas encontrados quando tentaram lançar novos serviços wireless como os sensores do IoT, comunicação M2M, vigilância wireless, etc. A escassez de espectro disponível, limita o avanço para novos tipos de serviços com alta mobilidade e velocidade de transmissão. Sendo mantido sobre o regime e controle do governo, mantenedores do desenvolvimento de novos serviços wireless e interessados começaram a considerar possíveis mudanças nas restrições do acesso ao espectro (MANIKKOTH, 2014).

Desde o início as comunicações móveis dependeram de espectros licenciados para oferecer serviços a operadores de uma determinada área. Este princípio será mantido no 5G, com a adição de espectros não licenciados que poderão ser usados pelos operadores principalmente em frequências acima de 10GHz. Como o foco em altas frequências será a transmissão em banda larga e devido o ambiente denso com condições de tráfego variadas, o espectro licenciado terá que ser dividido entre os usuários, diminuindo assim a capacidade de transmissão. Por isso, com esse caminho dinâmico para espectros não licenciados, poderá aumentar a eficiência na utilização do mesmo (ERICSSON, 2015).

Por volta de 2020 algumas tecnologias de interface aérea assim como a evolução do WiFi, possivelmente serão usadas em espectros sem licença. Todavia será necessário considerar como estas tecnologias irão coexistir e compartilhar acesso ao espectro quando operando em espectros não licenciados. O papel do gerenciamento do tráfego de dados pode continuar o mesmo, porém com a limitação no gerenciamento do serviço, cobertura da célula e na sustentação do tráfego, fazendo com que esses tipos de serviços sejam melhorados e inseridos gradativamente na plataforma do 5G. A ideia principal seria garantir qualidade de serviço quando estiver acessando espectros compartilhados (HATTACHI; ERFANIAN, 2015).

Como um resultado na flexibilidade dos ganhos de eficiência espectral, os espectros licenciados continuarão em desenvolvimento assim como a coexistência entre os diversos tipos de RATs (HATTACHI; ERFANIAN, 2015).

Com a ênfase em ondas milimétricas (mmW) que não são esperadas para ser compatíveis com o LTE, mas usadas como backhaul para comunicação entre as estações base, mantendo as ligações para melhorar a cobertura dentro das células, assim como na comunicação entre base station e o usuário terminal. Poderá trabalhar em bandas de frequência licenciada ou não licenciada, sendo em sua maioria em frequência licenciada. Terá que competir com tecnologias como o ADSL, VDSL e a fibra nas comunicações de backhaul, onde apresenta vantagem em relação a facilidade de ser desenvolvida, mas também terá o desafio em relação ao preço que dependerá da quantidade de link distribuído por localidade (TARDY; HAKEGARD, 2014).

O padrão desenvolvido para comunicações de mmW é aplicado em ambiente indoor, onde é usado em bandas de frequências licenciadas de 57Hz - 66GHz, sendo desenvolvidas para a alta definição de transmissão. Porém, em cenários outdoor na comunicação de celularesa propagação de mmW é considerada um risco devido a atenuação do sinal em espaço livre, que reduz o alcance da transmissão de altas frequências (TARDY; HAKEGARD, 2014).

Espera-se que o 5G seja integrado embaixo da cobertura do IMT que é desenvolvido dentro do quadro de trabalho da ITU. O uso de alocações de espectros adicionais deve ser identificado pela Regulação de Rádio ITU, mas primeiramente decidido no WRC-15 quais bandas de frequência estarão disponíveis para o IMT. O espectro abaixo de 1GHz é essencial para uma entrega econômica de dados, sendo utilizado em ambientes indoor e áreas rurais. Já o espectro acima dos 6GHz, permite o suporte para uma alta taxa de dados com conectividade a curto alcance. Dependendo do resultado do WRC-15, poderá ter outra conferencia para mais espectros de banda-larga que melhorem a cobertura e capacidade (HATTACHI; ERFANIAN, 2015).

Medidas revelaram que na maior parte do tempo, espectros licenciados são subutilizados. Novas tecnologias oferecem o método de gerenciamento dinâmico, onde um sistema de computadores faz o acesso dinâmico ao espectro organizando-os de forma eficiente. É o CR quem faz a seleção de um canal que não está sendo usado, ou seja, ele alcança bandas de frequência que não estão sendo usadas, mudando os parâmetros de frequências de transmissão e recepção durante o carregamento de dados pesados, permitindo assim um uso mais eficiente do espectro. O CR também pode ser útil para calcular uma forma de reduzir as interferências em canais ocupados, disponibilizando para que sejam utilizados por mais pessoas. Já o DSM ou DAS, é um conjunto de técnicas baseado em pesquisas e desenvolvimentos teóricos, para melhorar a performance da rede por completo. O seu conceito envolve a otimização para o cruzamento entre camadas, inteligência artificial, etc. Cobrindo diferentes áreas com coexistência de espectro, atribuições de frequências, alocação de canais dinamicamente, acesso a bandas de frequência licenciadas e não licenciadas (MANIKKOTH, 2014).

Um CR é um rádio inteligente que pode ser programado ou configurado dinamicamente. Com seus transmissores projetados para utilizar o melhor canal wireless da vizinhança, também pode utilizar temporariamente uma porção do espectro que está sendo utilizado, sem interferir na transmissão dos outros usuários. Tem como principais funções a flexibilidade de mudar a forma de onda, agilidade para mudar a banda de operação do espectro e os níveis de potência, sensibilidade para observar o estado do sistema tendo uma rede com alta capacidade para comunicar-se com múltiplos nós. Portanto, o CR é desenvolvido como um rádio transceiver que pode utilizar os canais de espectro oportunisticamente. Porém existe uma rede que aprende com as consequências de suas decisões e utiliza-se desse aprendizado para tomar decisões futuras, sendo chamada de CN. Podendo utilizar o espectro de rádio e os recursos de estações base, o CN é uma rede que pode organizar CR’s (MANIKKOTH, 2014).

Ainda não é certo quais bandas de alta frequência estarão disponíveis para a comunicação móvel, chegando aproximadamente à 100GHz os níveis de frequência que estão sendo considerados. As frequências abaixo dos 30GHz, são preferíveis no ponto de vista de propagação, mas a possibilidade de ampla transmissão em banda-larga na ordem de 1GHz ou mais, só vai estar disponível em bandas de frequência acima de 30GHz (ERICSSON, 2015).

Observa-se na figura 7 o alcance de espectro que está sendo estudado para o uso no 5G.

Figura 7: Espectro Relevante para Acesso Wireless do 5G

Fonte: ERICSSON, 2015 (Editado pelo autor)

Lembrando que as faixas de frequência acima de 10GHz, servem apenas como um complemento que fornece a capacidade adicional ao sistema e uma ampla transmissão de banda-larga, para a extrema taxa de dados quando em desenvolvimento em ambientes densos. As baixas frequências, permanecerão nas redes de comunicação móvel durante a fase do 5G, fornecendo conectividade entre ambas as áreas (ERICSSON, 2015).

A evolução do projeto de rádio e antena que possuem uma sensibilidade alta, permite que cada vez mais possa carregar mais dados dentro de espectros menores com menos potência. Tornando-se possível criar tecnologias wireless que mesmo sendo sensíveis a outras transmissões de rádio, possam trabalhar em ambientes com ruído através de técnicas como o uso de beamforming com múltiplas antenas, polarização, etc (MANIKKOTH, 2014).

Devido ao controle e centralização do espectro por parte do governo e de organizações reguladoras envolvidas, obteve-se uma escassez do espectro livre, onde procurava-se promover uma harmonia entre ondas aéreas e acabou-se criando uma ineficiência no espectro utilizado. Mas com a implementação de rádios com aplicações inteligentes, pode-se obter ultra banda larga ou transmissão de propagação de espectro de uma maneira mais fácil, porque possuem uma infraestrutura wireless baseada em nuvem e que pode ser acessada em qualquer lugar. A proximidade entre os dispositivos pode ser um diferencial também, pois como estão próximos podem obter um ganho maior utilizando-se de um mesmo espectro, com uma baixa potência em uma rede de alta potência e através de técnicas de antenas inteligentes, reduzindo a interferência entre os dispositivos. Entretanto, com o aumento no número de rádios fazendo o uso do espectro, torna-se mais difícil conseguir ondas aéreas para a sua operação (MANIKKOTH, 2014).

Possíveis Tecnologias de Antenas Assumidas

O conceito por transmissão em multiantenas, realiza um papel importante nas redes de comunicação móvel de quarta geração e serão ainda mais importantes nas redes móveis de quinta geração. Poderá ser usado especialmente em altas frequências, utilizando-se do beamforming para transmissão ou recepção local, mas com um determinado problema de propagação para altas frequências. Entretanto, o beamforming será também de extrema importância em baixas frequências, para o caso da ampliação de cobertura e no fornecimento de altas taxas de dados para equipamentos dispersos (ERICSSON, 2015).

O conceito de Phantom Cell é uma das opções que podem ser usadas nas redes de tecnologia 5G. Dividindo-se o controle C-Plane dos dados do usuário U-Plane entre Macro Cell e Small Cells, com bandas de frequência diferentes onde as Small Cells suportam um tráfego com alta taxa de transmissão de dados, enquanto a Macro Cell mantém a sinalização de controle como RRC por exemplo (NTT DOCOMO, 2014).

Na figura 8 apresenta-se a configuração Phantom Cell.

Figura 8: Arquitetura Phantom Cell com divisão de C/U Plane

Fonte: NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)

Em altas frequências, pode-se reduzir os elementos da antena e também colocá-las mais próximas formando uma matriz de antenas (beamforming) onde os feixes se tornam mais estreitos. Essa técnica é conhecida como Massive MIMO e poderá ser um forte aliado em Small Cells, cobrindo toda a célula e podendo fornecer altas velocidades de transmissão em cenários com alta densidade de tráfego (NTT DOCOMO, 2014).

Outra característica que garante o tamanho reduzido da antena é o uso de mmW, porém na implementação de uma matriz de antenas fornecendo o máximo de adaptação, deve-se separar a cadeia de RF do conversor A/D em cada elemento de antena, conduzindo para uma alta complexidade e consumo de potência. É o algoritmo do beamforming que deve fazer o balanceamento entre a performance, complexidade e consumo de potência. Modelos de antena beamforming analógicas oferecem grandes ganhos de um jeito simples, enquanto antenas beamforming digitais fornecem alto grau de liberdade com performance melhor para tratar o aumento de complexidade, custo e potência de consumo (TARDY; HAKEGARD, 2014).

Apresenta-se na figura 9 o benefício da utilização do beamforming que dá origem ao Massive MIMO.

Figura 9: Massive MIMO usando um número muito grande de elementos de antenas em Small Cells para bandas de alta frequência

Fonte: NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)

Todavia, questões técnicas como o contorno a prejuízos causados a rádio frequência, como alcançar o beamforming exato e como fornecer a sinalização de controle para a mobilidade e conectividade sobre altas direções de links devido o ganho do beamforming pelo Massive MIMO, são alguns dos problemas encontrados no uso do Massive MIMO em Small Cell. O uso de beamforming juntamente com a Phantom Cell seria uma solução, onde a Macro Cell envia os sinais de controle em baixas frequências como um broadcast, enquanto a Small Cell opera em altas frequências fornecendo os planos do usuário (NTT DOCOMO, 2014).

Demonstra-se na figura 10 a utilização do Massive MIMO em conjunto à Phantom Cell.

Figura 10: Massive MIMO e Phantom Cell combinado

Fonte: NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)

Técnicas de Acesso para a Interface de RF

Com o surgimento do 5G, virá um novo modelo de RAT que deverá coexistir com o modelo do LTE. Lembrando que o LTE continuará em desenvolvimento, enquanto o 5G é desenvolvido, deste modo, servindo como interligação entre as bandas de frequência já utilizadas, com as novas bandas adotadas (ERICSSON, 2015).

Representa-se na figura 11 o método de interligação entre as tecnologias de espectro existente com os novos que irão surgir.

Figura 11: A completa solução de acesso wireless do 5G consistindo da evolução do LTE e da nova tecnologia

Fonte: ERICSSON, 2015 (Editado pelo autor)

Com um RAT simples e unificado, ou seja, uma interface aérea comum, permitirá otimizar as frequências e os casos de uso, a implementação dos dispositivos serão simples e os operadores poderão evitar o gerenciamento de múltiplos acessos de redes. Entretanto, será um desafio manter a performance e eficiência da cobertura de uma área ampla, com o desenvolvimento de uma nova interface aérea, necessitando de reformas em espectros já existentes usados por tecnologias como o LTE-Advanced (HATTACHI; ERFANIAN, 2015).

A agregação de uma nova RAT juntamente com a evolução do LTE e LTE-Advanced, será fundamental para migração em boa performance com a nova tecnologia mantendo a motivação nos operadores pelo uso de um serviço com ampla cobertura (HATTACHI; ERFANIAN, 2015).

Apresenta-se na figura 12 o trajeto da evolução RAT ao 5G.

Figura 12: Caminhos da Evolução para o 5G

Fonte: NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)

Devido a limitação de espaço na infraestrutura de rede existente, que dificulta o desenvolvimento de bandas de alta frequência para a ampliação da largura de espectro, o sistema de acesso à rádio do 5G prevê uma estrutura com duas camadas que são a camada de cobertura e a camada de capacidade. Enquanto utiliza-se das bandas de baixa frequência com um LTE RAT melhorado para o fornecimento de uma cobertura básica e mobilidade, a camada de capacidade usa as bandas de alta frequência e a nova RAT para o fornecimento das altas taxas de dados (NTT DOCOMO, 2014).

Na figura 13 é possível visualizar os benefícios da coexistência entre o espectro LTE melhorado e a nova RAT.

Figura 13: Conceito de acesso a rádio

Fonte:(NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)

Outro modo seria ter múltiplas RATs na interface aérea, onde uma complementa a outra, funcionando como uma única unidade. Nesse caso, poderá desenvolver RATs de usos específicos dependendo da sua categoria, como para altas frequências cobrindo lugares urbanos com alta densidade ou ambientes indoors em baixas frequências para fornecer cobertura onde a alta frequência é limitada, para o fornecimento de latência extremamente baixa ou alta confiabilidade. Assim, é notório que com o aumento do número de RATs, pode-se estender as possibilidades de cobertura, mas a ideia do 5G é reduzir o número de RATs para uma, alcançando assim a escala de economia (HATTACHI; ERFANIAN, 2015).

No quadro 2 representa-se as opções de comunicação entre as tecnologias RAT.

Quadro 2: Opções de interface de acesso à tecnologia

Fonte: HATTACHI; ERFANIAN, 2015 (Editado pelo autor)

Compreendendo múltiplas RATs, a família do 5G RAT é otimizada devido a categoria dos casos de uso e espectro. Na opção 1 é necessária a evolução do EPC, pois os componentes do 5G RAT são fornecidos através deles. O EPC deverá dar suporte para a diversidade de casos do 5GF, tornando-o limitado, podendo ser ineficiente e caro. Na opção 2 permite que a tecnologia de virtualização possa ser realizada ao mesmo tempo, minimizando o impacto na RAN. Mas só pode ser realizada nas áreas de cobertura da nova RAT, precisando de uma interface entre o 5GF e EPC para suportar a mobilidade do novo RAT e da evolução do 4G. Finalmente a opção 3, que é a preferida pelo NGMN, facilita a migração entre o 5G e a evolução do 4G para todos os tipos de RATs, sendo mantida apenas pelos 5GFs. Mesmo assim, a terceira opção exige uma reforma no 4G RAN, para suportar a conexão do EPC com os 5GFs (HATTACHI; ERFANIAN, 2015).

A transmissão ortogonal de acesso evita interferências e conduz um sistema de alta capacidade, sendo esta a forma de onda utilizada para acesso de rádio 4G, tanto no DL (Downlink) quanto no UL (Uplink). Mas para atribuir está forma de sinal para vários usuários, requer uma sinalização ampla que conduz para um tempo de latência adicional. Assim as formas de ondas não ortogonais estão sendo estudadas para o uso no 5G, que incluem o NOMA e SCMA (4G Americas, 2014).

A multiplexação da taxa de dados do usuário pode ser melhorada no downlink através do uso de MU-MIMO, onde várias propagações são formadas sobre as matrizes de antenas para um TP que fornecerá múltiplos usuários distribuídos dentro da célula. Apresenta uma simplicidade na detecção do usuário onde os precoders selecionam os canais que estão sendo utilizados, mas tem dificuldade no feedback do CSI para um determinado TP. Isso pode causar interferência nas camadas cruzadas das antenas, diminuindo a performance do ganho de MU-MIMO (NIKOPOUR et all, 2014).

O NOMA é um esquema de multiplexação para multiusuários entre células que se utiliza de um novo domínio referente a potência, sendo a não ortogonalidade introduzida intencionalmente no downlink através do domínio de potência na multiplexação tanto para o tempo, frequência ou código. A de-multiplexação é obtida no lado da transmissão através da ampla diferença de potência entre usuários pareados, enquanto o lado do receptor faz o uso do SIC. A superposição dos sinais transmitidos de múltiplos usuários, permite compartilhar a potência reduzindo a potência alocada por cada usuário, onde os usuários com baixo e alto ganho de canal podem ser conectados mais frequentemente com o uso de mais banda-larga. Portanto, o NOMA melhora o uso da multiplexação sem depender do conhecimento CSI do transmissor de cada usuário, tornando a performance da rede mais robusta em cenários de alta mobilidade e no uso de backhauling para redes móveis. Podendo suportar mais conexões simultâneas, é adequado para os desafios relacionados a massiva conectividade (NTT DOCOMO, 2014).

Na figura 14 é apresentado as características da utilização não ortogonal na multiplexação NOMA.

Figura 14: NOMA com a intenção da não ortogonalidade entre as células

Fonte: NTT DOCOMO, 2014 (Editado pelo autor)

O SCMA é uma biblioteca de códigos não ortogonal baseada na técnica de acesso múltiplo com uma ótima eficiência de espectro, onde seus bits de entrada são diretamente mapeados para códigos complexos e em seguida são selecionados para códigos de parametrização predefinidos. Através da multiplexação pode fazer a alocação de camadas de domínio de código para diferentes usuários sem precisar conhecer o CSI dos usuários. Como as camadas não são completamente separadas no sistema de acesso múltiplo não-ortogonal, um receptor não linear é necessário para detectar a camada pretendida por cada usuário. A complexidade na detecção deve-se a não-ortogonalidade e especialmente quando o sistema está sobrecarregado com várias camadas multiplexadas, utilizando-se do MPA que apresenta baixa complexidade e boa performance quando o sistema encontra-se sobrecarregado (NIKOPOUR et all, 2014).

O SCMA pode ser considerado como uma generalização do LDS que é uma aproximação do CDMA. Tanto o LDS quanto o SCMA, apresentam um codeword escasso, pois os bits de entrada são diretamente direcionados para ele, ou seja, no SCMA o mapa QAM e o propagador CDMA ou LDS, são fundidos juntos para mapearem um conjunto de bits no complexo vetor escasso. A modulação QAM e a propagação LDS é substituída no SCMA por codebooks, que beneficiam na formação de códigos ou ganhos de códigos de constelações multidimensionais (TAHERZADEH et all, 2014).

A F-OFDM também está sendo considerada, devido a diversificação em suportar diferentes formas de ondas, múltiplos esquemas de acesso e estruturas de quadros baseados nas aplicações simultâneas dos cenários e requisições de serviços (HUAWEI, 2015).

Oferece boa eficiência de espectro e resistência à interferência causada pelos vários caminhos. A figura 15 apresenta subportadoras nulas aos picos das subportadoras adjacentes, o que garante interferência zero entre as portadoras (JUE, SHIN, 2015).

Figura 15: Os benefícios oferecidos pelo OFDM na eficiência do espectro, resistência de multi-caminhos e interferência zero entre portadoras

Fonte: JUE; SHIN, 2015 (Editado pelo autor)