Arquitetura 5G

A meta principal das gerações anteriores de redes móveis era simplesmente oferecer serviços de dados móveis rápidos e confiáveis aos usuários das redes. A tecnologia 5G ampliou esse escopo e passou a oferecer um amplo range de serviços sem fio ao usuário final em plataformas de acesso múltiplo e em redes de múltiplas camadas.

O 5G é efetivamente uma estrutura dinâmica, coerente e flexível de múltiplas tecnologias avançadas que suportam uma variedade de aplicações. Ele utiliza uma arquitetura mais inteligente, com redes de acesso via rádio (RANs) sem as restrições devido a 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.

4G & 5G Network Architecture
 

3GPP na arquitetura 5G 

O projeto de parceria para a 3.ª geração (3GPP) aborda tecnologias de telecomunicação, incluindo acesso via rádio, rede de transporte core e capacidade de serviços. O 3GPP forneceu especificações de sistema completos para a arquitetura da rede 5G, que é muito mais voltada para serviços do que as gerações anteriores
3GPP

Os serviços são fornecidos por meio de uma estrutura comum para as funções de rede que podem utilizar tais serviços. Modularidade, capacidade de reutilização e autocontenção das 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 dedicadas ao novo rádio (NR) de 5G. A fração do espectro de rádio com frequências entre 30 GHz e 300 GHz é conhecida como onda milimétrica, pois o range do comprimento de onda varia entre 1 e 10 mm. Atualmente, frequências entre 24 GHz e 100 GHz estão sendo alocadas ao 5G em diversas regiões em todo o mundo. 

Além da onda milimétrica, frequências de UHF subutilizadas entre 300 MHz e 3 GHz também estão sendo redirecionadas para 5G. A diversidade de frequências empregadas pode ser customizada para aplicações exclusivas, considerando que as frequências mais elevadas são caracterizadas por maior largura de banda, embora com range mais curto. As frequências de ondas milimétricas são ideais para áreas densamente populadas, porém ineficazes para comunicação em longa distância. Dentro dessas bandas de frequências altas e mais baixas, dedicadas ao 5G, cada operadora começou a estabelecer suas próprias partes individuais discretas do espectro do 5G.

MEC
Edge Computing de múltiplo acesso (MEC) é um elemento importante da arquitetura 5G. A MEC é uma evolução da computação na nuvem que leva as aplicações de data centers centralizados para a periferia da rede e, portanto, para mais perto dos usuários finais e de seus dispositivos. Isto cria essencialmente um atalho no fornecimento de conteúdo entre o usuário, o host e o longo caminho da rede que antes separava as duas partes. 

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 das suas predecessoras. Essa convergência da RAN e das redes core vai exigir que as operadoras alavanquem novas abordagens para testar e validar a rede.

As redes 5G baseadas nas especificações do 3GPP para 5G são um ambiente ideal para a implementação da MEC. As especificações 5G definem os habilitadores da edge computing, permitindo que a MEC e o 5G direcionem o tráfego de forma colaborativa. Além dos benefícios da latência e da largura de banda da arquitetura MEC, a distribuição da capacidade de processamento vai habilitar melhor o alto volume de dispositivos conectados inerentes à implementação do 5G e ao crescimento da Internet das Coisas (IoT).  

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 reduzir os tempos de instalação, proporcionando assim serviços de geração de receitas mais rápidos ao cliente. 

A NFV capacita a infraestrutura 5G, virtualizando dispositivos dentro da rede 5G. Isto inclui tecnologia de fatiamento de rede, permitindo que múltiplas redes virtuais operem simultaneamente. A NFV pode tratar 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 da NFV estende-se à rede de acesso via rádio (RAN) por meio de, por exemplo, desagregação da rede promovida por alianças como a O-RAN. Isto promove flexibilidade e cria novas oportunidades para concorrência, proporciona interfaces abertas e o desenvolvimento de fonte aberta, facilitando finalmente a implementação de novos recursos e tecnologia com escala. O objetivo da aliança O-RAN é permitir a implementação de múltiplos fornecedores com hardware disponível comercialmente no mercado, com a finalidade de interoperabilidade mais fácil e mais rápida. A desagregação da rede também permite que seus componentes sejam virtualizados, fornecendo um meio para crescer gradualmente e melhorar a experiência do usuário conforme a capacidade cresce.  Os benefícios de virtualizar os componentes da RAN fornecem um meio para reduzir custo do ponto de hardware e software, especialmente em aplicações da IoT nas quais a quantidade de dispositivos é da ordem de milhões.

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 aumentam rapidamente. A introdução de interfaces eCPRI representa uma solução mais econômica, pois menos interfaces podem ser utilizadas para testar múltiplas portadoras de 5G. A eCPRI destina-se a ser uma interface padronizada para 5G usada, por exemplo, na interface do fronthaul de O-RAN, como a DU. A CPRI, em contraste com a eCPRI, foi desenvolvida para 4G e, em muitos casos, era específica do fornecedor, tornando o seu uso problemático para as operadoras. 

Fatiamento de rede
Possivelmente o ingrediente fundamental que capacita a realização do pleno potencial da arquitetura 5G é o fatiamento da rede. Essa tecnologia acrescenta uma dimensão extra ao domínio da NFV, permitindo que múltiplas redes lógicas operem simultaneamente em uma infraestrutura de rede física compartilhada. Dessa forma, torna-se parte integral da arquitetura 5G, criando redes virtuais de ponta a ponta que incluem funções de rede e de armazenamento. 

As operadoras podem gerenciar efetivamente diversos use cases de 5G com diferentes throughput, latência e demandas de disponibilidade, dividindo os recursos da rede para múltiplos usuários ou “locatários”.

O 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. Cada 5G vertical terá seus próprios requisitos, assim, o fatiamento da rede torna-se uma consideração de projeto importante para a arquitetura de uma rede 5G. Custos, gestão dos recursos e flexibilidade das configurações da rede também podem ser otimizados com o nível de personalização que é possível no momento. Além disto, o fatiamento da rede permite realizar testes para novos serviços 5G em potencial com mais rapidez e agilizar a comercialização. 

Beamforming
Outra tecnologia inovadora fundamental para o sucesso do 5G é o beamforming. Estações base convencionais contam com sinais transmitidos em várias direções sem considerar a posição dos clientes ou dispositivos visados. Por meio do uso de  matrizes de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) com dezenas de pequenas antenas combinadas em uma única formação, algoritmos de processamento de sinal podem ser utilizados para determinar o caminho de transmissão mais eficiente para cada usuário final enquanto pacotes individuais podem ser enviados em múltiplas direções e, em seguida, coreografados para atingir o usuário final em uma sequência predeterminada. 

5G Beamforming

Com a transmissão de dados 5G ocupando ondas milimétricas, 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 significativamente maiores. Por outro lado, a antena menor também permite que matrizes bem maiores ocupem o mesmo espaço físico. Com cada uma dessas antenas menores redirecionando potencialmente o 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 assim um meio para se obter alto throughput, com rastreamento do usuário mais eficaz.

Arquitetura 5G Core

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 mais ainda a NFV como um conceito de projeto integral com funções de software virtualizadas, capazes de serem implementadas usando a infraestrutura MEC que é fundamental para os princípios arquitetônicos do 5G.

5G Core Architecture  


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 milimétrica, MIMO massivo, fatiamento da rede e, essencialmente, todos os outros elementos discretos 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 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 as 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
Para preencher a lacuna entre o 4G e o 5G serão necessários passos gradativos e um plano de trabalho bem orquestrado. Um sinal claro desta mudança será a transição gradual do modo independente para o modo não independente das opções da arquitetura 5G. O padrão 5G não independente foi finalizado no final de 2017 e utiliza redes de acesso via rádio LTE existentes e redes core como uma âncora, com a adição da portadora de componente 5G. Mesmo a despeito da confiança na arquitetura existente, o modo não independente aumentará a largura de banda ao utilizar frequências de ondas milimétricas. 

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 non-standalone cede caminho para 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.

5G Architecture Options
 

Adoção da arquitetura 5G geográfica

A infraestrutura inerente à implementação do 5G precisará de uma função de ordem mundial na integração 5G de várias regiões geográficas. Regiões líderes em tecnologia como a América do Norte, Ásia e Europa já estão iniciando uma implementação limitada e outras nações ao redor do mundo estão seguindo essas regiões bem de perto. Espera-se um total de 55 redes ativas em operação por volta do final de 2019. A proximidade de países vizinhos e uma ampla proliferação de operadoras tornarão a implantação particularmente desafiadora na Europa. Para resolver esse desafio, a Comissão Europeia criou um plano de ação 5G para a Europa no intuito de acelerar o progresso e criar um plano de ação para implementação em todos os estados-membros da UE até o final de 2020.

The State of 5G Deployments

Nações industriais como China, Japão e Índia já investiram pesado nas implicações práticas e também financeiras da conversão para 5G. Novas antenas, tecnologias para hardware e software de infraestrutura impulsionam fabricantes de equipamentos eletrônicos, desenvolvedores de software e mercados de manufatura em todo o mundo, portanto a implementação acelerada foi enfatizada. Um dos maiores fornecedores de telecomunicação na Índia já atualizou sua rede inteira para compatibilidade com 5G e a empresa China Mobile deve criar cerca de 10000 estações base 5G até 2020.

Segurança na arquitetura 5G

5G Security

A implementação do 5G produzirá muitos 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.

O 5G tem como base as práticas de segurança das gerações passadas da tecnologia móvel; entretanto, o modelo de confiança tornou-se muito mais abrangente, com mais participantes envolvidos no processo de fornecimento de serviços. A IoT e a 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. 

Entre os detalhes da segurança aprimorada para o 5G, especificados pelas normas do 3GPP, estão autenticação unificada para desacoplar a autenticação dos pontos de acesso, protocolos de autenticação expansíveis para acomodar transações seguras, políticas de segurança flexíveis para tratar mais use cases e identificadores permanentes de assinantes (SUPI) para garantir a privacidade na rede. 

Conforme a implementação do 5G avança e nodes de desempenho crítico tornam-se cada vez mais virtualizados, as operadoras vão precisar monitorar e avaliar continuamente o desempenho da segurança. Seguir boas práticas significa monitorar a segurança de rede de ponta a ponta em toda a arquitetura, nos dispositivos e nas aplicações do sistema.

Sem dúvida, o 5G vai gerar a melhoria de velocidade exponencial que os usuários já se acostumaram a ter em cada nova geração de redes móveis – mas a velocidade é só o começo. As mudanças previstas 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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