Perspectivas para o 5G

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1 REDES MÓVEIS Perspectivas para o 5G 42 RTI JAN 2015 Guilherme Pedro Aquino, do Inatel A conexão entre os usuários nas redes móveis precisa ser cada vez mais eficiente. Isso não diz respeito apenas a ampliar a taxa de transmissão, mas também a uma série de desafios que surgem com a crescente demanda. O artigo levanta os principais tópicos que estão por vir no cenário da telefonia móvel, exaltando os pré-requisitos para a próxima geração da rede celular, as organizações que estão envolvidas no estudo para a padronização do 5G e as tecnologias usadas para atingir as suas exigências. Aevolução dos sistemas de telecomunicações é cada vez mais notável. Os usuários utilizam, cada vez mais, diversas aplicações em seus dispositivos móveis, unindo o acesso à Internet banda larga com streaming de áudio e vídeo, download de arquivos, serviços de localização, jogos em tempo real e multimídia em geral. Isso, inevitavelmente, exige uma maior taxa de transmissão de dados e de QoS da rede telefonia móvel. Desde a segunda geração de telefonia móvel celular, onde houve a digitalização do serviço de voz, grandes evoluções aconteceram na rede, tanto no acesso do canal rádio móvel, quanto no núcleo. Os sistemas 3G proporcionaram a primeira grande experiência de banda larga móvel, aumentando consideravelmente a taxa de transmissão de dados. Hoje, as operadoras de telefonia celular estão fazendo investimentos na estrutura da quarta geração da telefonia móvel (4G). O padrão adotado foi o LTE - Long Term Evolution e sua evolução, LTE-Advanced. O LTE é definido pelo 3GPP e segue a linha de evolução do GSM, que compreende os padrões GPRS, EDGE, WCDMA, HSPA. A conexão entre os usuários nas redes móveis precisa ser cada vez mais eficiente. Isso não diz respeito apenas a elevar a taxa de transmissão, mas também a uma série de requisitos e desafios que surgem com a crescente demanda. Pode ser citada a criação de uma rede onipresente, proporcionando uma interoperabilidade entre padrões e dispositivos com uma baixa latência, alta confiabilidade e segurança da informação, visando o menor consumo de energia possível. Sistemas de transmissão que proporcionam a utilização eficiente do espectro, como por exemplo as redes de rádios cognitivos, são soluções para contornar os problemas de congestionamento do espectro. O advento da Internet das coisas e ainda a possibilidade de processamento na nuvem (cloud computing) são algumas das projeções que podem ser entrelaçadas com a quinta geração de telefonia móvel celular. Muitas especulações e opiniões giram em torno do que será o 5G. Pesquisadores, engenheiros e presidentes de indústrias do segmento dividem opiniões. Alguns apontam para a necessidade das redes serem conscientes, autocuráveis e com maior disponibilidade em qualquer lugar. Outros mencionam a questão de uma maior taxa transmissão de dados e melhor utilização do espectro de rádio e aproveitamento de energia do sistema.

2 43 RTI JAN 2015 Evolução dos sistemas celulares, do GSM ao LTE Os sistemas 2G foram introduzidos no início da década de 1990 em um processo de evolução dos sistemas analógicos de primeira geração (1G). O GSM se tornou o padrão 2G mais difundido no mundo e introduziu um sistema digital combinado com o acesso múltiplo por divisão no tempo (TDMA Time Division Multiple Access) para oferecer tráfego de voz e serviço de troca de mensagens curtas (SMS) através de uma rede de telefonia móvel. Os sistemas 2G evoluíram para suportar o tráfego baseado em pacotes, permitindo que os dispositivos móveis tivessem acesso à Internet. Essa revolução ficou conhecida como a segunda e meia geração (2,5 G) das redes móveis. Dentre os sistemas 2,5G, destacam-se o GPRS e o EDGE, ambos evoluções do GSM. No GPRS, o sistema pode alcançar uma taxa de transmissão de pico de 140 kbit/s quando todos os slots de tempo de uma determinada portadora estão alocados para esse fim. A tecnologia EDGE aumenta a taxa de pico para 384 kbit/s. Esse aumento é conseguido usando um esquema de modulação e codificação adaptativa, onde a melhor modulação e codificação de canal são escolhidas de acordo com a relação sinal-ruído instantânea do usuário móvel. Os avanços tecnológicos culminaram na terceira geração da rede de telefonia móvel. Após essa grande revolução, deu-se início as melhorias que levaram o sistema celular até sua quarta geração. A figura 1 ilustra a linha de tempo de evolução do sistema 3G até o 4G. O sistema de comunicações móvel universal (UMTS) foi apresentado na Release-99 (R99) do 3GPP, publicada em O UMTS é considerado um sistema de terceira geração (3G), tem como base o acesso múltiplo em banda larga por divisão no código (WCDMA) e é a evolução das redes GPRS e EDGE. A portadora do sistema ocupa uma largura de faixa de 5 MHz. É possível atingir uma taxa de transmissão de pico, no downlink, da ordem de 384 kbit/s, Fig. 1 - Linha de evolução das tecnologias 3GPP em ambientes externos, e até 2 Mbit/s, em ambientes internos. Com a rápida aceitação do UMTS, iniciou-se a próxima fase, que foi chamada de R5. Essa versão oferece um aumento na taxa de transmissão para serviços de dados no downlink. Dessa forma, o sistema ficou conhecido como HSDPA, onde a modulação e a codificação são adaptadas de acordo com a condição de canal. A taxa de pico do HSDPA é de 14,4 Mbit/s e é compartilhada entre os usuários HSDPA que estão utilizando o sistema no mesmo momento. A próxima versão do 3G é conhecida como HSUPA e foi introduzida na R6 da evolução da família 3GPP. Ela provê uma melhoria no UL do UMTS, que consiste em uma maior taxa de transferência de dados, baixa latência, e aumento da capacidade do sistema. Juntos, o HSDPA e o HSUPA são comumente referidos como HSPA - High Speed Packet Access. As tecnologias chave para o HSPA é o agendamento rápido e HARQ - Hybrid Automatic Repeat Request com combinação suave (soft combining). Uma alta ordem de modulação para UL somente foi introduzida na Release 7 (R7), da evolução das tecnologias da família 3GPP, que ficou conhecida como HSPA+ (HSPA plus). O HSPA+ também introduz novos recursos tecnológicos como, MIMO - Multiple-Input Multiple-Output e muitas outras pequenas melhorias na estrutura existente. De modo geral, o MIMO denota o uso de múltiplas antenas de transmissão (Multiple-Input) e múltiplas antenas de recepção (Multiple-Output). Pode ser usado para obter um ganho de diversidade e, assim, aumentar o desempenho do sistema de recepção. Contudo, o termo MIMO pode ser usado para denotar a transmissão de múltiplos quadros de dados de um único usuário, aumentando a sua taxa de transmissão. O LTE foi introduzido nas especificações da R8, onde também foi inserido o EPC - Evolved Packet Core, um núcleo de rede todo baseado no protocolo IP. Essa versão também apresenta uma nova rede de acesso, chamada de E-UTRAN - Evolved Universal Terrestrial Radio Access, para a família de tecnologias 3GPP. Entre outras coisas, essa nova rede tem como base o uso do múltiplo acesso por divisão em frequências ortogonais (OFDMA) para o downlink, enquanto que, para o uplink, o acesso múltiplo é baseado no SC-FDMA - Single Carrier Frequency Division Multiple Access. Juntos, o EPC e o E-UTRAN, formam o EPS - Evolved Packet System. A taxa de transmissão de pico é de 100 Mbit/s para downlink e 50 Mbit/s para uplink, quando o sistema opera com uma alocação de espectro de 20 MHz com uso da técnica MIMO. As características de um sistema de quarta geração foram definidas pelo IMT-Advanced - International Mobile Telecommunications - Advanced. Dentre vários requerimentos, os sistemas 4G devem apresentar uma interface de transferência de dados com taxa de 1 Gbit/s para usuários que estiverem relativamente estáticos. Portanto, o 3GPP trabalhou em um estudo chamado de LTE-Advanced, que define a maior parte do conteúdo da R10 das tecnologias 3GPP. A tabela I é uma tentativa de resumir os principais aspectos de cada tecnologia da evolução das redes 3GPP. Principais projetos e grupos de pesquisas para o 5G O desenvolvimento do 5G exigirá vários progressos, entre eles,

3 REDES MÓVEIS 44 RTI JAN 2015 Fig. 2 Sistema Massive MIMO desenvolvido pela NTT Docomo novos avanços tecnológicos de acessos múltiplos e de formas de ondas combinadas com algoritmos na codificação e modulação para que se tenha uma grande melhoria em eficiência espectral. Isso ajudará a suportar as conexões em massa da Internet das coisas e reduzirá drasticamente a latência de acesso. As redes 5G devem ser construídas para atender uma série de necessidades de usuários individuais e empresariais, como: Pelo menos 1 Gbit/s de taxa de dados para suportar aplicações de vídeo em alta definição. Taxa de dados de 10 Gbit/s para apoiar o serviço móvel em nuvem. Latência e tempo de resposta de 1 milissegundo para apoiar as aplicações em tempo real. Máximo de 10 ms de comutação entre diferentes tecnologias de acesso de rádio para assegurar uma perfeita prestação de serviço em redes heterogêneas (HetNet). Grande capacidade de rede para suportar a quantidade de usuários e os vários milhões de aplicações referente a comunicação M2M (machine-to-machine). O consumo de energia deverá ser reduzido por um fator de 1000 vezes para diminuir a emissão de CO 2 das redes celulares. Os primeiros passos para abrir o caminho para uma possível tecnologia de quinta geração de redes móveis foram dados pela operadora de telefonia japonesa NTT Docomo. A empresa conseguiu desenvolver um sistema capaz de alcançar uma taxa de transmissão de 10 Gbit/s na interface aérea. Foi a primeira vez que se alcançou tal taxa em um ambiente móvel sem fio. Para tanto, foi utilizado um sistema com uma largura de banda de 400 MHz na faixa de frequência de 11 GHz. A transmissão foi feita por uma estação móvel se movendo a aproximadamente 9 km/h. A utilização da tecnologia MIMO foi necessária para proporcionar a multiplexação espacial dos diferentes fluxos de dados. Foram utilizadas 24 antenas, sendo oito para transmissão e 16 na recepção. A modulação digital foi a 64-QAM. A NTT Docomo espera alcançar taxas mais velozes utilizando frequências ainda maiores. No entanto, operar sistemas móveis com altas frequências é um grande desafio devido às características de propagação, que apresentam alta atenuação para sinais com maiores frequências. Isso explica o fato das operadoras de telefonia móvel priorizarem as faixas de frequências mais baixas para operação. É importante relatar que, na visão da NTT Docomo, esse experimento

4 45 RTI JAN 2015 apenas realiza uma projeção e incentiva os estudos para as redes 5G. Ela não tem intenção, pelo menos por enquanto, de implementar um sistema 5G antes de A Samsung anunciou, em 2013, seus testes para uma tecnologia 5G, utilizando a faixa de micro-ondas em uma frequência de 28 GHz. Foram alcançadas taxas de 1 Gbit/s em uma distância de 2 km entre o transmissor e o receptor. Os testes foram realizados utilizando um sistema MIMO com 64 antenas. A Samsung afirma que sua tecnologia poderá oferecer uma rede onipresente com uma taxa na ordem de unidades de Gbit/s em um ambiente móvel. A Huawei já está trabalhando em pesquisas e desenvolvendo componentes tecnológicos fundamentais para a interface área, assim como suporte para um conjunto cada vez mais diversificado de serviços e uso de espectro eficiente Fig. 3 Diagrama em blocos de um transmissor GFDM para o 5G. Para que se tenha uma taxa de transmissão de dados de 10 Gbit/s para um usuário, a empresa realizou dentro do seu laboratório um protótipo com uma nova arquitetura de transmissor em frequências de 70 a 90 GHz. Tecnologias como MIMO e OFDM também foram utilizadas no projeto, em conjunto com esquemas de redução da PAPR, que melhoram a eficiência energética e permitem uma duração maior de bateria do usuário. Um dos grupos de pesquisas mais importantes sobre o 5G surgiu em 2012, na Alemanha, denominado 5GNOW - 5th Generation Non-Orthogonal Waveforms for Asynchronous Signalling. Ele envolve universidades e empresas do âmbito tecnológico e tem como objetivo realizar pesquisas para a evolução da camada física de redes móveis que vão além do que o LTE-Advanced pode oferecer.

5 REDES MÓVEIS 46 RTI JAN 2015 Tab. I Principais características dos padrões 3GPP Padrão Técnica de Taxa de Release múltiplo Modulação Taxa transmissão 3GPP acesso (uplink) (downlink) Banda GSM TDMA GMSK 34 kbit/s 34 kbit/s por canal por canal 200 KHz GPRS R-97 TDMA GMSK 140 kbit/s 140 kbit/s 200 KHz EDGE R-98 TDMA 8-PSK 384 kbit/s 384 kbit/s 200 KHz W-CDMA R-99 DS-CDMA BPSK (UL) QPSK (DL) 384 kbit/s 2 Mbit/s 5 MHz HSDPA R-5 DS-CDMA QPSK16-QAM 14,4 Mbit/s 5 MHz HSUPA R-6 DS-CDMA QPSK 5,76 Mbit/s 5 MHz QPSK HSPA+ R-7 DS-CDMA 16-QAM 11 Mbit/s 42 Mbit/s 5 MHz 64-QAM (DL) LTE R-8 QPSK OFDMA (DL) 16-QAM SC-FDMA (UL) 64-QAM 50 Mbit/s 100 Mbit/s 1.4/3/5/10/15/20 QPSK LTE R-10 OFDMA (DL) 16-QAM Advanced SC-FDMA (UL) 64-QAM 500 Mbit/s 1 Gbit/s 1.4/3/5/10/15/20 Para realizar um trabalho que contribua com o desenvolvimento do 5G, o grupo aponta os principais pontos chave que necessitam evoluir. O fato das comunicações com máquinas (MTC Machine Type Communication) estarem crescendo rapidamente contribui com o advento da Internet das coisas, exigindo cada vez mais a presença de redes móveis heterogêneas. Portanto, o grupo cita as comunicações M2M, CoMP - Coordinated Multipoint e HetNet como indicadores de desempenho para um novo conceito para as redes móveis. Mudanças nas camadas PHY - Physical Layer e MAC - Medium Access Control Layer para permitir elevadas taxas de transmissões em um espectro fragmentado é alvo de estudo do grupo. A técnica para detectar ociosidades no espectro, utilizando rádios cognitivos, permite explorar canais vagos para a comunicação da rede móvel em um espectro dinâmico, diminuindo os gastos com aquisição de licença de espectro. O uso do OFDM nesse cenário não se mostra muito interessante devido a duas características da técnica: a alta emissão fora da faixa e a alta PAPR dos símbolos OFDM. Em substituição ao OFDM, o 5GNOW cita o GFDM - Generalized Frequency Division Multiplexing, UFMC - Universal Filtered Multicarrier, FBMC - Filter Bank Multicarrier e BFDM Bi-orthogonal Frequency Division Multiplexing como possíveis candidatos. No entanto, o grupo considera o GFDM como sua principal aposta. Outro grupo de pesquisas na Europa iniciou os trabalhos de pesquisas para a nova geração das redes móveis, a Comissão Europeia anunciou que nos próximos 7 anos irá gastar cerca de 700 milhões de euros em pesquisas envolvendo o 5G. O 5GPPP - Fifth Generation Public Private Partnership é um dos principais projetos financiados pelas empresas de telecomunicações. Fundado pela Alcatel-Lucent, Ericsson, Nokia, Orange e SES, ele tem o desafio de garantir a liderança da Europa nas áreas específicas onde há potencial para a criação de novos mercados, como cidades inteligentes, e-saúde, transporte inteligente, educação, entretenimento e mídia. O 5GPPP pretende entregar soluções, arquiteturas, tecnologias e padrões para a próxima geração de infraestruturas de comunicação da próxima década. Uma característica imposta pelo 5GPPP é o aumento da capacidade da interface aérea em 1000 vezes em relação a 2010, conectando mais de 7 bilhões de dispositivos e abrindo espaço para a Internet das coisas. A economia de energia é outro ponto relevante em discussão, a meta do 5GPPP é fazer com que a rede 5G economize 90% de gastos com energia elétrica por serviço prestado, se comparada com as redes atuais. Outra organização, a METIS Mobile and Wireless Communications Enablers for Twenty-Twenty Information Society é uma sociedade de pesquisa co-financiada pela União Europeia composta por parceiros que incluem fabricantes, operadores de telecomunicações, instituições acadêmicas, indústria automotiva e centros de pesquisa coordenados pela Ericsson. Pesquisas da METIS 2020 apontam que o número de dispositivos conectados deverá crescer entre dez e 100 vezes no 5G. Para um ambiente urbano denso, a taxa de dados deverá atingir picos de 10 Gbit/s e latência menor que 5 milissegundos, além de redução no consumo de energia da ordem de dez vezes para usuário e sistema. As principais linhas de pesquisa se concentram em novas formas de onda como o GFDM, transmissão usando sistemas Massive MIMO, comunicação por múltiplos saltos, usando relays de rede, entre outras. Principais tecnologias consideradas para a quinta geração das redes móveis Algumas empresas usaram a tecnologia MIMO com uma grande quantidade de antenas, bem maior que a usada pelos padrões de terceira e quarta geração, HSPA+, LTE e LTE-Advanced. Essa técnica é conhecida como Massive MIMO. Ela pode oferecer maior capacidade de transmissão de dados, melhor confiabilidade na recepção da informação e minimização da potência de transmissão do sistema. A figura 2 mostra um diagrama ilustrativo do sistema desenvolvido pela NTT Docomo. A técnica MIMO pode ser vista como uma técnica de diversidade de transmissão e recepção, onde várias antenas são usadas para transmitir e receber uma mesma informação. O ganho de diversidade fornecido pelo Massive MIMO é capaz de diminuir a taxa de erro de bit de um sistema sem a necessidade de aumentar a potência nos transmissores ou sem utilizar códigos corretores de erros com alta taxa de codificação. Assim, o Massive MIMO viabiliza a transmissão de dados em altas taxas por canais com

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7 REDES MÓVEIS 48 RTI JAN 2015 desvanecimento, diminuindo o gasto com energia elétrica e aumentando a eficiência espectral do sistema. Portanto, nesse modo de funcionamento o Massive MIMO prioriza a eficiência energética e espectral do sistema. Ele pode ser usado também para priorizar a vazão de dados do sistema. Nesse caso, utiliza-se a técnica MIMO como multiplexação de dados e várias informações de um único usuário poderão ser transmitidas de maneira paralela, usando cada antena do sistema para transmitir uma informação diferente. A figura 2 ilustra um sistema MIMO para multiplexação. Essa mesma ideia pode ser estendida para uma configuração com múltiplos usuários, conhecida como MU-MIMO - Multiple User MIMO. Outro modo de operação do sistema MIMO, chamado de beam forming, pode ser usado para prover múltiplo acesso por divisão no espaço (SDMA) em redes celulares. Aqui, o arranjo de antena é configurado para transmitir os dados de um usuário por um feixe direcional, como se fosse uma configuração ponto a ponto. Apesar das vantagens oferecidas pelo Massive MIMO, deve-se ficar atento para algumas características críticas. Como exemplo, pode-se citar a questão da limitação no espaço físico para a implantação de um sistema com múltiplos dispositivos e equipamentos cada vez mais compactos e, também, a questão da complexidade computacional no desenvolvimento de algoritmos de processamento e sincronização das unidades das antenas. Além da preocupação com esquemas MIMO, outra questão importante é a modulação empregada em sistemas de transmissão de dados em banda larga. Sistemas atuais utilizam a técnica OFDM para realizarem essa transmissão. Como exemplo, pode-se citar o LTE, o Wimax e os padrões de TV Digital terrestre DVB e ISDB-T. A ortogonalidade entre as múltiplas portadoras proporcionam uma alta eficiência em canais com desvanecimento aliada a um simples sistema de equalização no receptor. Entretanto, o OFDM apresenta algumas desvantagens, como a alta PAPR dos símbolos de transmissão e a exigência de um sincronismo crítico entre o transmissor e o receptor para garantir a ortogonalidade entre as portadoras. Em especial, uma característica negativa se mostra como barreira para considerar a utilização da técnica na próxima geração de redes móveis, que é o fato do sinal apresentar uma alta emissão de energia fora da faixa de operação de canal. É um fator crítico que torna o OFDM uma técnica inadequada para a transmissão em canais ociosos explorados por rádios cognitivos em um espectro fragmentado. Sendo assim, justifica-se os trabalhos de pesquisa por novas técnicas de transmissão digital. Alguns grupos realizam pesquisas acadêmicas e testes de um novo formato de onda, denominado GFDM, um novo conceito para formato de onda que pode ser considerado um caso generalizado do OFDM. Trata-se de uma técnica de transmissão por múltiplas portadoras não ortogonais. Ela apresenta algumas características atrativas para um cenário onde o espectro é, ao mesmo tempo, congestionado e fragmentado por diversos serviços. Existem duas barreiras que devem ser vencidas para atender uma relação de compromisso. A primeira é a geração do sinal assegurar uma baixa emissão fora de sua largura de faixa, evitando a interferência nos canais adjacentes. Por outro lado, os receptores devem possuir uma alta sensibilidade para possibilitar a recepção nos canais vagos.

8 49 RTI JAN 2015 O esquema de transmissão do GFDM é muito parecido com o OFDM, exceto pelo fato das subportadoras não serem ortogonais e de existirem filtros de formatação de pulso na transmissão. Basicamente, a informação digital é mapeada em um símbolo serial digital M-QAM. Em seguida, o fluxo serial é paralelizado e superamostrado (upsample). Esse trem de pulsos passa através de um filtro, normalmente raiz de cosseno elevado com fator de decaimento ±. Na saída do filtro é realizada modulação de uma portadora complexa, onde o símbolo será transladado na frequência e serializado novamente para a formação do símbolo GFDM. A figura 3 ilustra o esquema conceitual de transmissão do GFDM. Uma das principais vantagens do GFDM está justamente em uma das principais desvantagens do OFDM: a alta PAPR. Inúmeras pesquisas são realizadas para minimizar essa característica em sistemas que utilizam múltiplas portadoras. A redução da PAPR impacta positivamente no ponto de vista mercadológico, uma vez que o consumo de energia e a complexidade de implementação em termos de hardware no sistema podem ser minimizados. Pesquisas mostram que o desempenho da taxa de erro de bits do GFDM foi semelhante ao do OFDM. Sendo assim, o GFDM pode proporcionar um esquema de transmissão de alta eficiência, como o OFDM, porém com uma melhor adaptabilidade às redes de rádio cognitivo, imprescindíveis nas redes móveis de quinta geração. Conclusões Ainda acontecerão muitos estudos e experiências para a consolidação de um novo padrão 5G. No entanto, é importante relatar que o lançamento de um novo padrão no cenário de comunicação móvel digital não pode ser tardio a ponto de se tornar rapidamente obsoleto. Isso se deve a um possível desenvolvimento de outro padrão com uso de uma tecnologia superior. Por outro lado, também não se deve lançar um novo padrão no mercado antes das conclusões dos estudos. Nesse ponto, percebe-se o quanto é crítica a definição de um novo padrão para os sistemas móveis celulares. Enquanto as operadoras de telecomunicações implantam o 4G, projeções para o 5G já se iniciaram. É bem provável que no início da próxima década pesquisas para uma tecnologia 6G serão desenvolvidas. Agradecimentos: Ao Inatel Instituto Nacional de Telecomunicações e aos engenheiros Cássio Gama, Leandro Ribeiro, Luan Claudino e Lucas Barbosa pelo apoio.