O que é arquitetura 5G?
O 5G lidera o movimento em direção à RAN com novas interfaces desagregada, flexível e virtual, criando pontos de acesso a dados adicionais.
A meta principal das gerações anteriores de redes móveis era oferecer serviços de dados móveis rápidos e confiáveis aos usuários das redes. A tecnologia 5G ampliou esse escopo para oferecer um amplo range de serviços sem fio ao usuário final em plataformas de acesso múltiplo e em redes multicamadas.
O 5G cria uma estrutura dinâmica, coerente e flexível de tecnologias avançadas para suportar uma variedade de aplicações. O 5G utiliza uma arquitetura mais inteligente, com redes de acesso via rádio (RANs) sem as restrições devido à proximidade da estação base ou por infraestrutura complexa. O 5G lidera o movimento em direção à RAN com novas interfaces desagregada, flexível e virtual, criando pontos de acesso a dados adicionais.
Os serviços são fornecidos por meio de uma estrutura comum para as funções de rede que podem utilizá-los. A modularidade, capacidade de reutilização e autocontenção dessas funções de rede são considerações adicionais de projeto para uma arquitetura de rede 5G descrita pelas especificações 3GPP.
Espectro e frequência do 5G
Agora, múltiplos ranges de frequência estão sendo dedicados ao novo rádio (NR) de 5G. A fração do espectro de rádio com frequências entre 30 GHz e 300 GHz é conhecida como onda de milímetros, pois o range do comprimento de onda varia entre 1 e 10 mm. Frequências entre 24 GHz e 100 GHz foram alocadas ao 5G em diversas regiões em todo o mundo.
- Além da onda de milímetros, frequências de UHF subutilizadas entre 300 MHz e 3 GHz e frequências da banda C entre 3,7 e 3,98 GHz também foram redirecionadas para 5G.
- A diversidade de frequências empregadas pode ser adaptada à aplicação exclusiva. Frequências mais altas são caracterizadas por maior largura de banda e menor range.
Frequências de ondas de milímetros são ideais para áreas densamente populadas, porém ineficazes para comunicação em longa distância.
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Dentro das várias bandas de frequências dedicadas ao 5G, cada operadora começou a estabelecer suas próprias partes individuais do espectro do 5G.
MEC
Edge Computing de múltiplo acesso (MEC) é um elemento importante da arquitetura 5G. A MEC é um desdobramento da computação em nuvem que traz aplicações de data centers centralizados para a borda da rede, mais perto dos usuários finais e seus dispositivos. Isto basicamente cria um atalho no fornecimento de conteúdo entre o usuário e o host, ignorando o caminho de rede de longa distância que antes os separava. Essa tecnologia não é exclusiva do 5G, porém com certeza é essencial para a sua eficiência.
- Características da MEC incluem baixa latência, alta largura de banda e acesso em tempo real às informações da RAN, que diferencia a arquitetura 5G de suas predecessoras.
- Redes 5G baseadas nas especificações do 3GPP para 5G são um ambiente ideal para a implementação da MEC. Tais especificações definem os habilitadores da edge computing, permitindo que a MEC e o 5G direcionem o tráfego de forma colaborativa.
- Distribuição da capacidade de processamento vai habilitar o alto volume de dispositivos conectados inerentes à implementação do 5G e à Internet das Coisas (IoT), além dos benefícios da latência e da largura de banda.
- Convergência da RAN e das redes core vai exigir que as operadoras utilizem novas abordagens para testar e validar a rede.
NFV e 5G
A virtualização da função de rede (NFV) desacopla o software do hardware, substituindo diversas funções de rede, como firewalls, balanceadores de carga e roteadores com instâncias virtualizadas operando como software. Isto elimina a necessidade de investir em muitos componentes de hardware caros e também pode acelerar os tempos de instalação, proporcionando assim serviços de geração de receitas mais rápidos ao cliente.
A NFV capacita o ecossistema 5G, virtualizando dispositivos dentro da rede 5G. Isto inclui tecnologia de fatiamento de rede, que permite que múltiplas redes virtuais operem simultaneamente. A NFV trata outros desafios do 5G por meio de computação virtualizada, armazenamento e recursos de rede que são personalizados com base nas aplicações e nos segmentos de clientes.
Arquitetura 5G RAN
O conceito de NFV estende-se à RAN por meio da desagregação de rede promovida por alianças como a O-RAN. A arquitetura RAN aberta facilita a implantação de novos recursos e tecnologia RAN para escalar, incentivando interfaces abertas e práticas de desenvolvimento de código aberto. Esta evolução aumenta a flexibilidade e cria novas oportunidades para a concorrência.
O objetivo da O-RAN ALLIANCE é permitir a implementação de múltiplos fornecedores com hardware disponível comercialmente no mercado para melhorar a interoperabilidade. A desagregação da rede também permite que mais componentes sejam virtualizados, fornecendo um meio para crescer gradualmente e melhorar a experiência do usuário mais rápido, conforme a capacidade cresce. A RAN virtualizada é essencial para controlar os custos de hardware e software no ecossistema de aplicações de IoT em rápida expansão.
eCPRI
A desagregação da rede com a divisão das funções também traz outros benefícios de custo, particularmente com a introdução de novas interfaces como eCPRI. As interfaces via RF não são econômicas quando um grande número de portadoras 5G é testado, pois os custos de RF multiplicam-se rapidamente. A interface CPRI original desenvolvida para 4G era específica do fornecedor em muitos casos, o que a tornou problemática para as operadoras. As interfaces eCPRI entregam uma solução mais eficiente, pois menos interfaces podem ser usadas para testar várias operadoras 5G. O eCPRI foi designado como uma interface padrão para elementos de fronthaul O-RAN 5G, como a DU.
Fatiamento da rede
Um ingrediente fundamental que capacita o pleno potencial da arquitetura 5G é o fatiamento da rede.
Esta tecnologia acrescenta uma dimensão extra ao domínio da NFV, permitindo que múltiplas redes lógicas operem simultaneamente em uma infraestrutura de rede física compartilhada. Esta capacidade suporta a arquitetura 5G criando redes virtuais de ponta a ponta que incluem funções de rede e de armazenamento.
- Operadoras podem gerenciar efetivamente diversos use cases de 5G com diferentes throughputs, latência e demandas de disponibilidade, dividindo os recursos da rede para múltiplos usuários ou “locatários”.
- Fatiamento da rede torna-se extremamente útil em aplicações como a IoT, quando a quantidade de usuários pode ser extremamente elevada, mas a demanda por largura de banda geral é baixa.
- Verticais 5G têm seus próprios requisitos, assim, o fatiamento da rede é uma consideração de projeto importante para a arquitetura de uma rede 5G.
- Custos operacionais, flexibilidade das configurações de rede e gerenciamento de recursos podem ser otimizados com o nível de personalização proporcionado pelo fatiamento da rede.
- Testes acelerados para novos serviços 5G em potencial e tempo de lançamento mais rápido também são possibilitados pelo fatiamento da rede.
Beamforming
Outra tecnologia inovadora fundamental para o sucesso do 5G é o beamforming. Estações base convencionais transmitem sinais em várias direções sem considerar a posição dos clientes ou dispositivos visados. Usando matrizes de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) com dezenas de pequenas antenas combinadas em uma única formação, os algoritmos de processamento de sinal são usados para determinar o caminho de transmissão mais eficiente para cada usuário. Pacotes individuais podem ser enviados em várias direções e, em seguida, coreografados para chegar ao usuário final em uma sequência predeterminada.
Com a transmissão de dados 5G ocupando ondas de milímetros, a perda de propagação no espaço livre, proporcional ao menor tamanho de antena, e as perdas por difração, inerentes às frequências mais elevadas e à falta de penetração em paredes, são bem maiores. Por outro lado, a antena menor também permite que matrizes bem maiores ocupem o mesmo espaço físico. Com cada uma dessas antenas menores ajustando ou redirecionando potencialmente a direção do beam diversas vezes por milissegundo, um beamforming massivo é mais viável para suportar os desafios da largura de banda 5G. Com maior densidade de antenas no mesmo espaço físico, podem ser obtidos beams mais estreitos com MIMO massivo, proporcionando alto throughput e rastreamento do usuário mais eficaz.
A arquitetura de rede 5G Core é o cerne da nova especificação 5G e possibilita a maior demanda de throughput que o 5G deve suportar. O novo 5G Core, conforme definido pelo 3GPP, utiliza uma arquitetura alinhada na nuvem e baseada em serviço (SBA) que abrange todas as funções e interações 5G, incluindo autenticação, segurança, gerenciamento de sessão e agregação de tráfego dos dispositivos finais. O 5G Core enfatiza a NFV com funções de software virtualizadas implementadas usando a infraestrutura MEC que é fundamental para os princípios arquitetônicos do 5G.
Diferenças da arquitetura 4G
Mudanças no nível core estão entre a série de mudanças arquitetônicas que acompanham a mudança do 4G para o 5G, incluindo a migração para onda de milímetros, MIMO massivo, fatiamento da rede e, essencialmente, todos os outros elementos do diverso ecossistema de 5G. O 4G Evolved Packet Core (EPC) é significativamente diferente do 5G Core, com o 5G Core alavancando a virtualização e o projeto de software nativo na nuvem em níveis sem precedentes.
Entre outras mudanças que diferenciam o 5G Core do seu predecessor 4G estão a função de planejamento do usuário (UPF) para desacoplar o controle de gateway de pacotes e UPFs, e a função de gerenciamento de acesso e mobilidade (AMF) para segregar funções de gerenciamento de sessão das tarefas de gerenciamento de conexão e de mobilidade.
Opções da arquitetura 5G
Preencher a lacuna entre o 4G e o 5G requer passos gradativos e um plano de trabalho bem orquestrado. Um sinal claro desta mudança é a transição gradual do modo não independente para o modo independente das opções da arquitetura 5G. O padrão 5G não independente foi concluído no final de 2017 e utiliza redes LTE RAN existentes e redes core como uma âncora, com a adição da portadora de componente 5G. A despeito da confiança na arquitetura 4G, o modo não independente aumenta a largura de banda ao utilizar frequências de ondas de milímetros.
O modo 5G independente é essencialmente a implementação 5G a partir do zero, com a nova arquitetura core e plena implementação de todo o hardware, recursos e funcionalidades 5G. À medida que o modo não independente cede caminho para todas as novas implementações de arquitetura de rede móvel 5G, implementação e planejamento cuidadosos vão garantir que essa transição ocorra de forma tranquila para a base de usuários.
A infraestrutura inerente à implementação do 5G requer uma função de ordem mundial na integração 5G de várias regiões geográficas. Regiões líderes em tecnologia como América do Norte, Ásia e Europa estão acelerando a implementação rapidamente e outras nações ao redor do mundo seguem logo atrás. Quase 200 redes 5G ao vivo já estão operando em todo o mundo, e o número de conexões 5G móveis está projetado para exceder 2 bilhões até 2025.
A proximidade de países vizinhos e uma ampla proliferação de operadoras fizeram a implantação mais desafiadora na Europa. Embora a adoção não esteja tão avançada em outras regiões, a Comissão Europeia iniciou uma política conhecida como Digital Compas (bússola digital), que pede acesso 5G em todas as áreas povoadas até 2030.
Nações industriais como China, Japão e Índia já investiram pesado nas implicações práticas e também financeiras da conversão para 5G. Novas antenas, infraestrutura para hardware e tecnologias de software impulsionam fabricantes de equipamentos eletrônicos, desenvolvedores de software e mercados de manufatura em todo o mundo, com a implementação acelerada sendo enfatizada. Os quatro maiores provedores de telecomunicações na Índia estão implementando serviços 5G após um leilão de espectro em agosto de 2022, e a China deve ter 3,64 milhões de estações base 5G instaladas até 2025.
A implementação do 5G traz enormes benefícios de desempenho e diversidade de aplicações por meio do amplo uso de recursos baseados na nuvem, virtualização, fatiamento da rede e outras tecnologias emergentes. Com essas mudanças teremos também novos riscos de segurança e mais “superfícies de ataque” expostas dentro da arquitetura de segurança 5G.
- Práticas de segurança 5G têm como base as gerações passadas de tecnologia móvel, mas o “modelo de confiança” cresceu com mais participantes envolvidos no processo de entrega de serviços.
- IoT e propagação de usuários criam uma quantidade exponencialmente elevada de pontos finais e muitos desses pontos de entrada de tráfego não são mais supervisionados por mãos humanas.
- Recursos de segurança 5G aprimorados detalhados pelos padrões 3GPP incluem autenticação unificada para dissociar a autenticação dos pontos de acesso e esquemas de criptografia baseados em chave pública para reduzir o risco de explorações de metadados.
- Monitoramento contínuo e avaliação da eficácia da segurança são essenciais à medida que os nodes de desempenho crítico 5G tornam-se cada vez mais virtualizados.
- Boas práticas incluem monitorar a segurança de rede 5G de ponta a ponta, abrangendo a arquitetura do sistema, dispositivos e aplicações.
Sem dúvida, o 5G oferece o aumento exponencial de velocidade que os usuários esperam com cada nova geração de redes móveis, mas a velocidade é só o começo. As mudanças em mercados como transporte pessoal, fabricação e agricultura, serão tão significativas que muitos já apelidaram o 5G de próxima Revolução Industrial. No centro desta mudança de paradigma está a arquitetura 5G multifacetada, com MEC, NFV, MIMO massivo e uma arquitetura core baseada em serviços e alinhada na nuvem, trabalhando em conjunto para fornecer uma nova onda de serviços. Soluções de teste para o 5G projetadas para acomodar essa mudança de semente arquitetônica serão as verdadeiras habilitadoras da futura transição para o 5G.
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