Implantação de rede 5G
Supere os desafios da implantação de rede 5G com a ajuda da VIAVI.
Tecnologias inovadoras que são integrais ao 5G, como MIMO massivo, fatiamento de rede , beamforming e virtualização de função de rede (NFV) exigem abordagens em fases para a nova implantação de rede 5G. Também exigem um investimento significativo, com as operadoras de telecomunicações que devem gastar mais de US$ 1 trilhão em novas implantações de rede 5G na próxima década. Essa tarefa monumental é útil para uma ampla variedade de estratégias e opções, cada uma com benefícios e desvantagens inerentes em torno da tecnologia de rede 5G e acesso a maiores velocidades.
A promessa da nova implantação do 5G passou da prancheta para a realidade. A próxima geração de tecnologia wireless, planejada e desenvolvida por quase uma década, começou como um serviço limitado. O sinal 5G continuará a trazer maiores velocidades, latência reduzida e melhorias de serviço. A arquitetura fundamental que torna essa implantação possível é complexa e multicamadas.
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Opções de implantação do 5G
A integração de elementos de virtualização e configurações de rede edge computing,fronthaul e backhaul são considerações adicionais. Estratégias de posicionamento de small cells, aplicação MIMO e alocação de espectro tornam cada instalação 5G NR única. Esse nível de personalização requer soluções de teste escaláveis, precisas e eficientes para suportar os modelos de implantação de rede disponíveis.
Ao longo do ciclo inicial de desenvolvimento do 5G, operadores e especialistas do mercado estudaram as tendências emergentes. Isso levou a uma percepção coletiva de que era necessário acelerar o serviço de implantação de rede 5G e a padronização. Como resultado, 45 grandes participantes no mercado de LTE wireless se reuniram em março de 2017 para criar um plano de implantação 5G intitulado “Way Forward no plano de trabalho geral 5G-NR eMBB”. Essa coalizão concordou em acelerar a adoção do 5G comprometendo-se com testes e implantação de 5G não independentes (NSA).
O 3rd Generation Partnership Project (3GPP) definiu várias opções para implantação de rede 5G autônoma e não autônoma. A versão 15 da especificação 5G foi publicada em dezembro de 2017. Esta versão concentrou-se principalmente nas opções não independentes. A primeira especificação independente seguiu-se em junho de 2018.
A opção 1 de implantação 5G é simplesmente LTE herdada com um core de pacote evoluído (EPC). A opção 2 inclui apenas NR comunicação com a rede core 5G, sem uma âncora LTE. Essa opção “autônoma” requer cobertura NR contínua na área alvo. As opções de implantação 4, 5 e 7 do 3GPP combinam a infraestrutura LTE existente com novos recursos 5G. Essa conectividade dupla é uma maneira eficaz de combinar o melhor do 5G e LTE para acelerar a implantação do 5G.
A especificação da versão 15 do 3GPP também definiu como os sinais 5G são transmitidos e recebidos. A alta largura de banda e a comunicação de baixa latência ultraconfiável (URLLC) eram objetivos importantes. Essas metas foram apoiadas por novos avanços 5G, como espaçamento de subportadora e comutação rápida. As formas de onda de downlink definidas pela versão 15 permaneceram consistentes com a multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM) LTE. As formas de onda de uplink adicionaram a transformação discreta de Fourier (DFT) OFDM para melhor flexibilidade.
A versão 16 da especificação 3GPP 5G foi finalizada em julho de 2020. Novos tópicos dentro do escopo incluíram a implantação de rede 5G em bandas de espectro não licenciadas, IoT industrial e acesso via satélite 5G. Sinal de ativação (WUS), a conectividade eDual e outras inovações combinadas para melhorar o consumo de energia da rede 5G.
A conclusão da Versão 17 em 2022 estabeleceu novos use cases e recursos para fatiamento de rede, operação NR em frequências mais altas (≥ 52,6 GHz) e IoT avançada com URLLC. A versão 17 do 3GPP também melhorou o acesso integrado e backhaul (IAB) e a comunicação de segurança pública, incorporando lições aprendidas com implantações do mundo real.
O 3GPP Versão 18, com conclusão esperada até o verão de 2024, estabelecerá um marco no ciclo de vida do 5G como o lançamento planejado intermediário (4 de 7) e o primeiro lançamento “5G Avançado”. Entre as inovações esperadas estão novos de use cases de inteligência artificial/aprendizado de máquina, evolução MIMO para downlink e uplink e novos recursos para reduzir o consumo de energia.
A opção 3 de implantação não autônoma de 5G é, na verdade, três opções em uma. As variantes 3, 3A e 3X estão contidas no envelope da opção 3. Cada um usa a estação base LTE como âncora de sinalização, mas cada um define protocolos de tráfego entre elementos de forma ligeiramente diferente. Até o momento, a opção de implantação 3X de 5G foi a mais amplamente aceita, uma vez que os dados do usuário fluem diretamente para a parte 5G gNB da estação base. Isso permite que rates de dados elevadas sejam gerenciadas. A opção 3X também fornece cobertura mais robusta em frequências mais altas, com quase nenhum tempo de interrupção inerente na mobilidade LTE para 5G.
Cinco chaves para uma implantação 5G bem-sucedida
As chaves para a implantação bem-sucedida da rede 5G adaptam as melhores práticas tradicionais às novas inovações tecnológicas que diferenciaram o 5G. Esses princípios abrangem várias áreas de arquitetura, tecnologia e desempenho de rede 5G.
- Certifique todas as conexões de fibra e valide a orientação/alinhamento da antena:
A importância de uma boa higiene das fibras foi ampliada pelo aumento do coletor em conexões de antenas inerentes ao MIMO massivo 5G. O compromisso com conexão e validação de alta qualidade também deve estender-se à instalação coaxial para a banda sub-6 GHz FR1. Exceder o orçamento do link pode levar diretamente à degradação do desempenho e atraso na ativação. O alinhamento de antenas, incluindo a verificação de orientação e inclinação, fornece uma linha de base valiosa para o desempenho e a cobertura de rede móvel 5G. - Verifique a frequência de espaçamento da portadora e da SSB e o espaçamento da subportadora:
O bloco de sinalização de sincronização (SSB), que é o equivalente 5G do sinal de referência LTE, é usado para identificar e sincronizar uma célula com equipamento de usuário específico (EU). Cada SSB pode ser identificada por um número exclusivo conhecido como índice SSB. Um EU travará em um beam específico, com base no índice de SSB com a maior intensidade de sinal observada. Verificar a funcionalidade SSB é fundamental durante a implantação e o comissionamento da rede 5G. O desempenho e o espaçamento de cada subportadora também devem ser testados. - Verifique se todas as portadoras estão presentes e o PCI de cada uma delas:
Um plano robusto de implantação de rede 5G deve incluir verificação de sinal para cada portadora e sua respectiva ID de célula física (PCI). A agregação de portadora é uma técnica usada para aumentar a rate de dados por usuário, atribuindo múltiplos blocos de frequência ou portadoras de componentes a cada uma. A melhor utilização por meio da agregação de portadora é um importante facilitador da largura de banda 5G e da diversidade de use case. - Verifique as IDs de beam para cada portadora:em uma implantação LTE, a cobertura pode ser caracterizada de forma geral por setor. Usando a tecnologia 5G NR, cada beam individual comporta-se como uma área de cobertura separada. A filosofia “centrada em beam” do 5G destaca a importância da análise dedicada do índice de beams como parte da implantação da rede 5G.
- Verifique a cobertura do site 5G:
Verificar a saída de cobertura celular projetada na rede 5G requer um mapeamento de cobertura 5G preciso para determinar o índice de beam, potência e relação sinal-ruído para uma determinada área. Essa melhor prática de implantação de 5G pode ser difícil de alcançar de forma confiável, particularmente para áreas de cobertura combinadas de 5G e LTE. O Dynamic Spectrum Sharing (DSS) permite que 5G e LTE operem em conjunto para cobertura perfeita e implantação rápida de 5G. As melhores ferramentas de mapeamento de cobertura 5G agora são provisionadas para avaliação de cobertura simultânea LTE e 5G.
Desafios da implantação do 5G
Com tantas opções para escolher, simplesmente decidir qual abordagem de quinta geração adotar é o primeiro de muitos desafios de implantação. As plataformas inovadoras de tecnologia wireless 5G estão ampliando as capacidades de projeto, fabricação e teste. A virtualização de função de rede (NFV) é um pré-requisito para fatiamento de rede de core, inteligência na borda e outros recursos essenciais de sinal 5G. Essas tecnologias habilitam os serviços baseados em IoT e IA. A padronização, a segurança e o fornecimento da potência de CPU necessária para impulsionar funções virtuais são alguns dos muitos obstáculos enfrentados pelos desenvolvedores de NFV.
A onda milimétrica é outro ingrediente essencial da quinta geração que pode apresentar desafios tecnológicos e logísticos. Devido ao range limitado e à incapacidade de transmitir via objetos sólidos, o grande volume de antenas necessário introduz obstáculos que só podem ser abordados por meio da implantação incremental.
A eficiência espectral, medida em (bit/s)/Hz, é atualmente delimitada pelolimite de Shannon, que define a rate máxima com que os dados podem ser enviados em qualquer meio com erro zero. Esse teto teórico é muito menor do que o esperado e necessário para a implantação do 5G. Apenas MIMO massivo e beam forming, utilizando grandes matrizes de antenas, permite que o 5G ultrapasse efetivamente esse limite de velocidade natural.
A onda milimétrica e o MIMO massivo trabalham juntos em uma implantação de rede 5G bem-sucedida. Embora frequências mais altas exijam maior volume de antena, elas também permitem um fator de forma de antena muito menor, devido ao seu comprimento de onda mais curto. A implantação e o alinhamento correto dessas complexas matrizes de antenas podem apresentar desafios.
Os integradores de antenas 5G, trabalhando no topo da torre de celular, validam a configuração da matriz de antenas em relação às especificações da ferramenta de planejamento de RF. Deixar de concluir essa validação adequadamente pode levar a lacunas de cobertura e degradação do serviço. Isso às vezes é mal interpretado como um nível insuficiente de infraestrutura da rede móvel, o que é um erro de diagnóstico dispendioso.
A alta confiança na implantação de antenas 5G é alcançada por meio de soluções confiáveis de alinhamento de antenas. A ferramenta de alinhamento de antena VIAVI 3Z RF Vision detecta obstruções no caminho de transmissão da antena e verifica as configurações corretas de rotação, inclinação e azimute. Uma câmera integrada e recursos de realidade aumentada podem ser usados para gerar pesquisas automatizadas de linha de visão e detectar obstáculos imprevistos no caminho da antena.
Além da operação de alta frequência, a interface aérea 5G introduz um maior grau de compartilhamento de espectro. Opções flexíveis de espaçamento e numerologia da subportadora são elementos da interface aérea 5G, juntamente com duplexação por divisão de tempo dinâmico (TDD). Esse método usa uma única frequência para transmissão de uplink e downlink, dividida em intervalos de tempo separados. A TDD é semelhante aos métodos de controle de tráfego que abrem ou fecham pistas em cada direção, com base na demanda de hora de pico. Usando TDD, o tráfego de uplink e downlink pode ser equilibrado de forma inteligente para reduzir a latência do sistema.
Inovações de interface aérea 5G também podem levar a desafios adicionais de implantação e teste. As práticas de teste tradicionais, como rotinas de gated sweep, destinam-se a avaliar apenas uma única direção de tráfego. Mais visibilidade é necessária para distinguir sinais reais da interferência, especialmente quando a TDD foi empregada. Os analisadores de espectro em tempo real inovadores da VIAVI utilizam opções avançadas compatíveis com 5G. Isso inclui as características do espectro de persistência e espectrograma que fornecem uma visão mais detalhada da banda de frequência monitorada.
A combinação eficaz de MIMO massivo, beamforming e multiplexação espacial permite que a cobertura 5G seja aprimorada. Exclusiva para implantação de rede 5G, a técnica de beamforming pode ser usada para focar o sinais wireless em um dispositivo receptor específico. A combinação de vários sinais melhora construtivamente a largura de banda e a cobertura. A aplicação adequada de beamforming é essencial para a cobertura 5G, particularmente na banda FR2 (24,25 – 52,6 GHz). O beamforming também introduz desafios únicos para monitoramento, manutenção e validação.
A interferência construtiva é o princípio científico usado para melhorar a cobertura 5G na banda FR2 ao sobrepor estrategicamente os sinais de cada pequena matriz. Quando a infraestrutura de beamforming é implantada, a fase e a amplitude de cada antena são otimizadas para produzir um ganho direcional geral muito maior. Os padrões 3GPP fornecem flexibilidade em relação às políticas de beamforming e localização de SSB. Essa falta de padronização também pode criar desafios para definir práticas de teste de beam forming 5G.
Obtenha a prescrição para configuração precisa de SSB na postagem de blog VIAVI 5G Beamforming Profile Rx.
Onda milimétrica é definida como o espectro entre 30GHz e 300GHz. O espectro de banda baixa reside abaixo de 1GHz. Entre esses dois extremos estão as bandas intermediárias, localizadas entre 1GHz – 2,6 GHz e 3,5 GHz – 6GHz. Apesar da ênfase na onda milimétrica de 5G, os espectros de banda baixa e média também são importantes para a capacidade e confiabilidade de 5G. A onda milimétrica de alta frequência é propensa a distorção e limitada no range. Com um amplo espectro de frequências disponíveis, isso pode ser abordado por meio do DSS e comutação de beam adaptável. Por exemplo, um EU pode ser transferido para uma frequência mais estável e mais baixa, conforme necessário, até que uma conexão estável de alta frequência seja estabelecida.
O longo range e a imunidade à distorção de sinal do espectro de banda baixa forneceram uma base robusta para gerações de infraestrutura wireless. Como a baixa frequência também significa velocidades mais lentas e latência mais alta, a banda baixa encontrou menos utilidade na era do 5G.
Alguns descreveram o espectro de banda média 5G como o espectro “Cachinhos Dourados”, com um comprometimento perfeito entre a velocidade da onda milimétrica e a integridade do sinal e o range de frequências de banda baixa. Isso é especialmente verdadeiro para o range de frequência de banda C, entre 3,7 e 3,98 GHz.
O espectro de banda média para 5G é tão interessante que muitos operadores estão “reorganizando” as bandas 3G em 5G. Além disso, 280 MHz de espectro de banda C foram leiloados para o setor privado pela FCC em 2020. Essas transições ajudam a aliviar o déficit no espectro de banda média disponível necessário para a implantação sustentável do 5G.
Pôster – Arquitetura e especificações de 5G
Um guia visual sobre tecnologias, normas e muito mais
Implantação de rede 5G
Ao contrário das transições históricas passadas na arquitetura wireless, o 5G representa uma evolução contínua das redes existentes, em vez de uma abordagem tipo “substituição” ou “empilhadeira”. Para a implantação de LTE, a abordagem de atacado limitou o retorno financeiro para muitas operadoras. A implantação de rede 5G incremental, com elementos 5G sobrepostos à arquitetura herdada, é comumente vista como uma maneira prudente de reduzir despesas de capital e minimizar o risco financeiro.
A arquitetura 5G baseada em serviço, juntamente com a tecnologia de fatiamento de rede de core, aprimoram os use cases existentes enquanto permitem novos casos. As opções de implantação de rede 5G dependem das necessidades e preferências de negócios da operadora.
Espera-se que a banda larga móvel aprimorada (eMBB) continue sendo o maior use case global de 5G no curto prazo. As operadoras que pretendem aproveitar o grande aumento nas comunicações massivas do tipo máquina (mMTC) ou comunicação de latência ultrabaixa (URLLC) estão adaptando suas estratégias de implantação 5G de acordo. O modelo de implantação também depende da densificação e cobertura necessárias para use cases direcionados e do espectro alocado para cada rede.
Implantação comercial 5G
Espera-se que o número de assinantes de 5G atinja 1 bilhão globalmente até o final de 2022, com mais de 1000 dispositivos comerciais de 5G projetados para estarem disponíveis até aquele momento. Novas implementações de rede 5G continuam a crescer em todo o mundo, juntamente com a porcentagem de conexões móveis feitas em 5G. Esse valor deve exceder 50% na América do Norte até 2023. Esses aumentos anuais são um sinal claro de forte concorrência se desenvolvendo entre os operadores comerciais à medida que eles se esforçam para entrar no mercado de 5G. A conclusão da versão 17 da especificação 3GPP 5G deve acelerar esse ritmo.
Assim como a colaboração em todo o mercado que ocorreu para padronizar a arquitetura 5G, a cooperação contínua entre operadores, chipsets e fabricantes de infraestrutura, fabricantes de dispositivos e reguladores é necessária para uma implantação comercial 5G bem-sucedida. Com o amplo range de use cases de serviços 5G, mercados adicionais como automotivas (incluindo carros autônomos), dispositivos médicos, agricultura e tecnologia aeroespacial fazem parte da crescente coalizão de partes interessadas.
Um caminho para a padronização, evolução e diversidade de use cases de 5G foi introduzido por meio da arquitetura RAN aberta (O-RAN). O conceito de RAN aberta é baseado na interoperabilidade de elementos RAN 5G, incluindo hardware de computação genérico e software de código aberto. A concorrência, a eficiência e a inovação no novo espaço de rádio 5G são aceleradas por essa mudança do modelo RAN de fornecedor único.
A O-RAN ALLIANCE foi fundada em 2018 por um consórcio diversificado de operadores com o objetivo comum de permitir uma infraestrutura de RAN 5G mais aberta. Um princípio orientador da aliança é a inteligência integrada nos níveis de componente e rede. A O-RAN complementa a implantação de 5G, permitindo que as operadoras desenvolvam soluções desagregadas e de vários fornecedores. Isso também reduz a barreira à entrada de novos inovadores 5G NR, reduzindo o tempo de comercialização (TTM).
Um contraponto importante para a expansão da pegada comercial de 5G é a crescente demanda por redes privadas 5G. Chamadas de redes não públicas (NPN) pelo 3GPP, as redes privadas 5G destinam-se ao uso exclusivo de uma empresa privada ou órgão governamental. As redes privadas 5G são essencialmente a próxima geração de redes de área local (LANs).
Com latência abaixo de 1 ms, taxa de transferência ultra-alta e 99,9999% de confiabilidade, a implantação de rede privada 5G fornece vantagens distintas em relação às redes privadas Ethernet LAN ou LTE. Esses benefícios incluem uma melhoria de dez vezes na densidade do dispositivo em relação ao LTE e protocolos de segurança aprimorados. Use cases que são bem adequados para essa combinação de atributos incluem fabricação inteligente (Industry 4.0), IoT de saúde e comunicações de segurança pública.
A implantação de uma rede 5G privada pode ser concluída como uma atividade independente ou em conjunto com RAN e Core de uma rede comercial. As organizações que utilizam redes 5G privadas podem buscar uma ou ambas as opções, dependendo do tamanho e dos recursos da empresa. Muitas implantações corporativas de 5G destinam-se a substituir ou reforçar as redes Wi-Fi privadas existentes.
Implantação e fibra de 5G
A tecnologia wireless recebe a maior parte da atenção quando o 5G é discutido, mas a fibra merece consideração igual. Apesar do avanço da tecnologia IAB para usar partes do espectro de mmWave disponível para backhaul, um alto percentual de backhaul 5G permanecerá baseado em fibra. As conexões entre o core de próxima geração (NGC) e a antena ativa NR também são concluídas usando um caminho de fibra.
Com o alto volume de conexões necessárias para aplicações fronthaul e midhaul 5G, a arquitetura de rede PON provou ser uma opção útil. A rede PON pode ser facilmente dimensionada para atender às demandas de produtividade aumentadas. A validação de todas as conexões de fibra e rede PON deve ser concluída, tornando as soluções de teste de fibra óptica 5G avançadas essenciais para a higiene da fibra durante a implantação de 5G.
Apenas uma partícula de poeira tão pequena quanto 1 mícron pode levar a uma falha na instalação da rede. O rádio pode não obter um sinal adequado. Outros problemas de instalação evitáveis e comuns incluem conexões soltas, falha de rádio e “fibras” enroladas (TX e RX invertidas na instalação). Cada um desses problemas pode levar a “buracos” na cobertura, baixa produtividade e, por fim, clientes insatisfeitos.
Um localizador visual de falhas (VFL) pode identificar facilmente pontos problemáticos quando a continuidade do sinal é perdida. Uma validação completa dos níveis de potência e testes detalhados de perda usando um OTDR podem manter a integração da rede móvel 5G no caminho certo, abordando e resolvendo rapidamente problemas de instalação de fibra 5G.
Ferramentas de implantação 5G
O 5G transformou todos os elementos da infraestrutura de rede wireless. Isso inclui fibra, RAN, transporte e gestão de ativos. Cada fase da implantação do 5G NR agora requer um kit de ferramentas especializado para suportar a implementação. Os operadores desenvolveram seu próprio método de procedimento individual (MOP). A abordagem mais abrangente para testes de fibra, verificação OTA, análise de beam, cobertura e testes de throughput é frequentemente o mais bem-sucedido; apenas uma única rede móvel com baixo desempenho pode atrasar o lançamento de uma implantação completa em grande escala.
Durante a fase de verificação e validação para o novo equipamento de rede 5G, as soluções de teste capazes de simular o core 5G e o comportamento do usuário do mundo real no laboratório podem ajudar a estabelecer a conformidade e a qualidade de serviço do 3GPP antes da ativação dos sinais 5G. O testador de rede TM500 pode avaliar a experiência completa do usuário da rede 5G. Isso inclui interações simuladas com outros usuários e comportamento típico de dispositivos do mundo real, como e-mail e streaming no mundo móvel. O TM500 também suporta um alto número de EUs por célula ou portadora para avaliar a capacidade.
Durante a fase de implantação, ativação e escalonamento da tecnologia, o espectro e a interferência dos sinais 5G na onda milimétrica exigem caracterização de RF precisa e confiável e testes de conformidade. O OneAdvisor 800 portátil combina análise de espectro e interferência em tempo real com recursos de análise de 5G beam. Isso o torna uma solução ideal para validação de beam de antena e MIMO massivo. O OneAdvisor 800 também inclui recursos integrados de teste e inspeção de fibra para maior versatilidade de implantação de 5G.
A importância dos testes continua durante toda a fase de garantia, otimização e monetização. Nesta fase, a Qualidade de Experiência (QoE) torna-se a principal preocupação para redes totalmente operacionais. Aplicações avançadas, como a IoT e veículos autônomos, criaram oportunidades de monetização atraentes com margem muito baixa de erro. Isso torna as plataformas de inteligência escaláveis e em tempo real, como o NITRO Mobile, essenciais para capturar, localizar e analisar eventos móveis para obter insights excepcionais da experiência do usuário.
Alguns consideraram a implantação do 5G uma marca registrada da “sexta revolução tecnológica”. Historicamente, isso coloca a tecnologia de evolução 5G em um nível de importância equivalente à potência de vapor, à linha de montagem ou ao início da era do computador.
Essa distinção histórica concedida à adoção do 5G liderou uma enorme evolução de infraestrutura e mudança de paradigma. Entre os principais participantes dessa transformação estão muitos dos melhores engenheiros e cientistas do mundo. Os especialistas em infraestrutura perceberam que a ampla gama de novos use cases exige padronização e flexibilidade, o que pode ser difícil de alcançar ao mesmo tempo. A adesão às especificações emergentes de infraestrutura e versatilidade funcional fazem das melhores ferramentas de teste 5G componentes essenciais do cenário de implementação 5G em evolução.
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