O que é arquitetura de rede 5G?

A primeira pergunta que você pode estar fazendo é: o que exatamente é 5G? A segunda questão pode ser: Como é arquitetado de forma diferente para oferecer velocidade, baixa latência, capacidade e vários outros benefícios?

Neste artigo, abordaremos a questão da arquitetura 5G. Veremos alguns dos recursos possibilitados pela arquitetura de rede 5G e como os aplicativos conectados podem se beneficiar dela. Você pode encontrar mais recursos nos links deste artigo e nos recursos relacionados no rodapé. Para uma boa introdução básica ao 5G, consulte o artigo O que é 5G, Parte 1. Nossa visão geral do 5G continua na Parte 2, Quem adotará o 5G Equipar, e quando?

Uma coisa é certa: nosso mundo conectado está mudando. O 5G, com sua arquitetura de rede de última geração, tem potencial para oferecer suporte a milhares de novos aplicativos nos segmentos de consumo e industrial. As possibilidades para 5G parecem quase ilimitadas quando a velocidade e o rendimento são exponencialmente maiores do que as redes atuais.

Esses recursos avançados permitirão aplicações em mercados verticais, como manufatura, saúde e transporte, onde o 5G terá um papel importante em tudo, desde a automação de fabricação avançada até veículos totalmente autônomos. Para desenvolver casos de uso de negócios lucrativos e aplicativos para 5G, é útil ter pelo menos uma compreensão geral da arquitetura de rede 5G que está no centro de todos esses novos aplicativos.

5G tem recebido uma enorme atenção e mais do que um pequeno exagero. Embora o potencial seja enorme, é importante saber que o setor ainda está em seus estágios iniciais de adoção. O processo de implantação da rede 5G começou há muitos anos e envolveu a construção da nova infraestrutura, a maior parte da qual é financiada pelas principais operadoras sem fio.

A implantação completa do 5G levará tempo, ocorrendo nas principais cidades muito antes de atingir áreas menos povoadas. A Digi apóia nossos clientes na preparação para 5G, com comunicações sobre planejamento de migração e produtos de próxima geração. Embora a Digi não esteja diretamente envolvida no desenvolvimento do novo núcleo de rádio 5G (NR) e da rede de acesso de rádio 5G (RAN), os dispositivos Digi serão parte integrante da visão 5G e seu uso em uma miríade de aplicações 5G.

Arquitetura de rede 5G

Então - o que exatamente é 5G e como a arquitetura de tecnologia de rede 5G difere dos “Gs” anteriores?

Os padrões 3GPP por trás da arquitetura de rede 5G foram introduzidos pelo Projeto de Parceria de 3ª Geração (3GPP), a organização que desenvolve padrões internacionais para todas as comunicações móveis. A União Internacional de Telecomunicações (UIT) e seus parceiros definem os requisitos e o cronograma para os sistemas de comunicação móvel, definindo uma nova geração aproximadamente a cada década. O 3GPP desenvolve especificações para esses requisitos em uma série de versões.

O "G" em 5G significa "geração". A arquitetura da tecnologia 5G apresenta avanços significativos além da tecnologia 4G LTE (evolução de longo prazo), que vem na esteira do 3G e 2G. Conforme descrevemos em nosso recurso relacionado, The Journey to 5G, sempre há um período de tempo durante o qual existem várias gerações de rede ao mesmo tempo. Como seus predecessores, o 5G deve coexistir com as redes anteriores por dois motivos importantes:

O desenvolvimento e a implantação de novas tecnologias de rede requerem uma enorme quantidade de tempo, investimento e colaboração de grandes entidades e operadoras.
Os primeiros a adotar sempre vão querer colocar as mãos em novas tecnologias o mais rápido possível, enquanto aqueles que fizeram grandes investimentos em grandes implementações com tecnologias de rede existentes, como 2G, 3G e 4G LTE, querem fazer uso desses investimentos por pelo menos tanto quanto possível, e certamente até que a nova rede seja totalmente viável. (Observe que as redes 2G e 3G estão sendo desativadas para abrir espaço para a implantação 5G. Consulte nossa postagem no blog 2G, 3G, 4G Network Shutdown Updates.)

A arquitetura de rede da tecnologia móvel 5g melhora muito em relação às arquiteturas anteriores. Redes com grande densidade de células permitem grandes saltos de desempenho. E, além disso, a arquitetura das redes 5G oferece melhor segurança em comparação com as redes 4G LTE atuais.

Em resumo, a tecnologia 5G oferece três vantagens principais:

Velocidade de transmissão de dados mais rápida, até velocidades multi-Gigabit / s.
Maior capacidade, alimentando uma grande quantidade de dispositivos IoT por quilômetro quadrado.
Latência mais baixa, até milissegundos de um dígito, o que é extremamente importante em aplicativos como veículos conectados em aplicativos ITS e veículos autônomos, onde uma resposta quase instantânea é necessária.

Isso significa que o 5G está totalmente pronto hoje? E isso significa que a arquitetura 5G é adequada para todos os aplicativos? Continue lendo para ver como a nova tecnologia oferece suporte aos principais aplicativos e quais aplicativos são mais adequados para 4G LTE.

Projeto 5G e considerações de planejamento

As considerações de design para uma arquitetura de rede 5G que oferece suporte a aplicativos altamente exigentes são complexas. Por exemplo, não existe uma abordagem única para todos; a variedade de aplicativos requer dados para percorrer distâncias, grandes volumes de dados ou alguma combinação. Portanto, a arquitetura 5G deve oferecer suporte ao espectro de banda baixa, média e alta - de fontes licenciadas, compartilhadas e privadas - para fornecer a visão 5G completa.

Por esse motivo, o 5G foi projetado para funcionar em frequências de rádio que variam de sub 1 GHz a frequências extremamente altas, chamadas de “onda milimétrica” (ou mmWave). Quanto mais baixa a frequência, mais longe o sinal pode viajar. Quanto mais alta a frequência, mais dados ele pode transportar.

Existem três bandas de frequência no núcleo das redes 5G:

A banda alta de 5G (mmWave) oferece as frequências mais altas de 5G. Eles variam de 24 GHz a aproximadamente 100 GHz. Como as frequências altas não podem se mover facilmente através de obstáculos, o 5G de banda alta é de curto alcance por natureza. Além disso, a cobertura do mmWave é limitada e requer mais infraestrutura celular.
A banda média 5G opera na faixa de 2 a 6 GHz e fornece uma camada de capacidade para áreas urbanas e suburbanas. Essa banda de frequência tem taxas de pico na casa das centenas de Mbps.
A banda baixa de 5G opera abaixo de 2 GHz e fornece uma ampla cobertura. Esta banda usa o espectro que está disponível e em uso hoje para 4G LTE, essencialmente fornecendo uma arquitetura LTE 5g para dispositivos 5G que já estão prontos. O desempenho do 5G de banda baixa é, portanto, semelhante ao 4G LTE e suporta o uso de dispositivos 5G no mercado hoje.

Além da disponibilidade de espectro e requisitos de aplicação para considerações de distância vs. largura de banda, as operadoras devem considerar os requisitos de energia de 5G, já que o projeto típico de estação base 5G exige mais do dobro da quantidade de energia de uma estação base 4G.

Considerações para planejamento e implantação de aplicativos 5G

Os integradores de sistemas e aqueles que desenvolvem e implantam aplicativos 5G para as verticais que discutimos descobrirão que é importante considerar as compensações. (Nosso vídeo, 5 fatores para orientar sua preparação para 5G, é um ótimo recurso.)

Por exemplo, aqui estão alguns exemplos de algumas das principais considerações:

Onde seu aplicativo será implantado? Os aplicativos otimizados para mmWave não funcionarão como esperado dentro de edifícios e quando o alcance estendido for necessário. Os casos de uso ideais incluem telecomunicações celulares 5G nas faixas de 24 a 39 GHz, radar policial na banda Ka (33.4 a 36.0 GHz), scanners na segurança de aeroportos, radar de curto alcance em veículos militares e armas automatizadas na marinha navios para detectar e derrubar mísseis.
Que tipo de taxa de transferência será necessária? Para veículos autônomos e aplicativos de sistemas de transporte inteligentes (ITS), os dispositivos e a conectividade devem ser otimizados para velocidade. Comunicações quase em tempo real - medidas em milionésimos de segundo - são críticas para veículos e dispositivos “tomarem decisões” ao virar, acelerar e frear, e a latência mais baixa possível é essencial para essas aplicações.
Os aplicativos de vídeo e VR, por outro lado, devem ser otimizados para rendimento. Os aplicativos de vídeo, como imagens médicas, podem tirar o máximo proveito das enormes quantidades de dados que as redes 5G podem suportar.

Para que o 5G forneça sua visão completa, a infraestrutura de rede também precisa evoluir. O diagrama a seguir ilustra a migração ao longo do tempo, bem como os planos de produtos 5G da Digi.

Os primeiros usos da tecnologia 5G não serão exclusivamente 5G, mas aparecerão em aplicativos onde a conectividade é compartilhada com o 4G LTE existente no que é chamado de modo não autônomo (NSA). Ao operar neste modo, um dispositivo se conectará primeiro à rede 4G LTE e, se 5G estiver disponível, o dispositivo será capaz de usá-lo para largura de banda adicional. Por exemplo, um dispositivo conectado no modo 5G NSA poderia obter 200 Mbps de velocidade de downlink em 4G LTE e outros 600 Mbps em 5G ao mesmo tempo, para uma velocidade agregada de 800 Mbps.

À medida que cada vez mais a infraestrutura de rede 5G fica online nos próximos anos, ela evoluirá para habilitar o modo autônomo (SA) apenas 5G. Isso trará a baixa latência e a capacidade de se conectar a um grande número de dispositivos IoT que estão entre as principais vantagens do 5G.

Rede Principal

Nesta seção, forneceremos uma visão geral da arquitetura do núcleo 5G e descreveremos os componentes principais do 5G. Também mostraremos como a arquitetura 5G se compara à arquitetura 4G atual.

A rede principal 5G, que permite a funcionalidade avançada de redes 5G, é um dos três componentes principais do Sistema 5G, também conhecido como 5GS (fonte). Os outros dois componentes são a rede de acesso 5G (5G-AN) e o equipamento do usuário (UE). O núcleo 5G usa uma arquitetura baseada em serviço alinhada à nuvem (SBA) para oferecer suporte à autenticação, segurança, gerenciamento de sessão e agregação de tráfego de dispositivos conectados, o que requer a complexa interconexão de funções de rede, conforme mostrado no diagrama principal 5G.

Os componentes da arquitetura principal 5G incluem:

Função de plano do usuário (UPF)
Rede de dados (DN), por exemplo, serviços de operadora, acesso à Internet ou serviços de terceiros
Função central de gerenciamento de mobilidade e acesso (AMF)
Função de servidor de autenticação (AUSF)
Função de gerenciamento de sessão (SMF)
Função de seleção de fatia de rede (NSSF)
Função de exposição de rede (NEF)
Função de repositório NF (NRF)
Função de controle de política (PCF)
Gerenciamento Unificado de Dados (UDM)
Função de Aplicação (AF)

O diagrama da arquitetura de rede 5G abaixo ilustra como esses componentes estão associados.

Diagrama de Arquitetura 4G

Quando o 4G evoluiu de seu predecessor 3G, apenas pequenas mudanças incrementais foram feitas na arquitetura da rede. O seguinte diagrama de arquitetura de rede 4G mostra os principais componentes de uma rede principal 4G:

Fonte: 3GPP

Na arquitetura de rede 4G, o Equipamento do Usuário (UE), como smartphones ou dispositivos celulares, se conecta pela Rede de Acesso de Rádio LTE (E-UTRAN) ao Núcleo de Pacote Evoluído (EPC) e posteriormente a Redes Externas, como a Internet. O Evolved NodeB (eNodeB) separa o tráfego de dados do usuário (plano do usuário) do tráfego de dados de gerenciamento da rede (plano de controle) e alimenta ambos separadamente no EPC.

Diagrama de Arquitetura 5G

O 5G foi projetado desde o início e as funções de rede são divididas por serviço. É por isso que essa arquitetura também é chamada de 5G core Service-Based Architecture (SBA). O seguinte diagrama de topologia de rede 5G mostra os principais componentes de uma rede principal 5G:

Fonte: Techplayon

Veja como funciona:

Equipamentos de usuário (UE), como smartphones 5G ou dispositivos celulares 5G, se conectam pela Nova Rede de Acesso de Rádio 5G ao núcleo 5G e posteriormente a Redes de Dados (DN), como a Internet.
A função de gerenciamento de acesso e mobilidade (AMF) atua como um ponto de entrada único para a conexão UE.
Com base no serviço solicitado pelo UE, o AMF seleciona a respectiva função de gerenciamento de sessão (SMF) para gerenciar a sessão do usuário.
A função de plano do usuário (UPF) transporta o tráfego de dados IP (plano do usuário) entre o equipamento do usuário (UE) e as redes externas.
A função de servidor de autenticação (AUSF) permite que o AMF autentique o UE e acesse os serviços do núcleo 5G.
Outras funções, como a função de gerenciamento de sessão (SMF), a função de controle de política (PCF), a função de aplicativo (AF) e a função de gerenciamento unificado de dados (UDM), fornecem a estrutura de controle de política, aplicando decisões de política e acessando informações de assinatura para governar o comportamento da rede.

Como você pode ver, a arquitetura de rede 5G é mais complexa nos bastidores, mas essa complexidade é necessária para fornecer um serviço melhor que pode ser adaptado para a ampla gama de casos de uso 5G.

Diferença entre arquitetura de rede 4G e 5G

Nesta seção, discutiremos como as arquiteturas 4G e 5G diferem. Em uma arquitetura de rede 4G LTE, o LTE RAN e o eNodeB estão normalmente próximos, geralmente na base ou perto da torre de celular em execução em hardware especializado. O EPC monolítico, por outro lado, é frequentemente centralizado e mais distante do eNodeB. Essa arquitetura torna a comunicação ponta a ponta de alta velocidade e baixa latência difícil ou impossível.

Conforme os organismos de padrões como 3GPP e fornecedores de infraestrutura como Nokia e Ericsson arquitetaram o núcleo do 5G New Radio (5G-NR), eles separaram o EPC monolítico e implementaram cada função para que possam ser executados independentemente uns dos outros em hardware de servidor de prateleira. Isso permite que o núcleo 5G se torne nós 5G descentralizados e muito flexíveis. Por exemplo, as funções principais 5G agora podem ser colocadas junto com os aplicativos em um datacenter de ponta, tornando os caminhos de comunicação mais curtos e, assim, melhorando a velocidade e a latência de ponta a ponta.

Fonte: Techmania

Outro benefício desses componentes centrais 5G menores e mais especializados em execução em hardware comum é que as redes agora podem ser personalizadas por meio de divisão de rede. A divisão de rede permite que você tenha várias “fatias” lógicas de funcionalidade otimizadas para casos de uso específicos, todas operando em um único núcleo físico dentro da infraestrutura de rede 5G.

Uma operadora de rede 5G pode oferecer uma fatia que é otimizada para aplicativos de alta largura de banda, outra fatia que é mais otimizada para baixa latência e uma terceira que é otimizada para um grande número de dispositivos IoT. Dependendo dessa otimização, algumas das funções principais do 5G podem não estar disponíveis. Por exemplo, se você estiver prestando serviços apenas a dispositivos IoT, não precisará da função de voz necessária para telefones celulares. E como nem todo slice deve ter exatamente os mesmos recursos, o poder de computação disponível é usado com mais eficiência.

Fonte: SDX Central

A evolução do 5G

Cada geração ou “G” de comunicação sem fio leva aproximadamente uma década para amadurecer. A mudança de uma geração para a próxima é impulsionada principalmente pela necessidade das operadoras de reutilizar ou redirecionar a quantidade limitada de espectro disponível. Cada nova geração tem mais eficiência espectral, o que possibilita a transmissão de dados de forma mais rápida e eficaz pela rede.

A primeira geração de comunicação sem fio, ou 1G, começou na década de 1980 com a tecnologia analógica. Isso foi seguido rapidamente por 2G, a primeira geração de rede a usar tecnologia digital. O crescimento de 1G e 2G foi inicialmente impulsionado pelo mercado de aparelhos de telefonia móvel. 2G também oferece comunicação de dados, mas em velocidades muito baixas.

A próxima geração, 3G, começou a crescer no início dos anos 2000. O crescimento do 3G foi impulsionado novamente pelos aparelhos, mas foi a primeira tecnologia a oferecer velocidades de dados na faixa de 1 Megabit por segundo (Mbps), adequadas para uma variedade de novas aplicações tanto em smartphones quanto para a emergente Internet das Coisas (IoT) ecossistema. Nossa geração atual de tecnologia sem fio 4G LTE começou a crescer em 2010.

É importante notar que 4G LTE (Long Term Evolution) tem uma longa vida pela frente; é uma tecnologia muito bem-sucedida e madura e espera-se que seja amplamente utilizada por pelo menos mais uma década.

Arquitetura 5G e a nuvem e a borda

Vamos falar sobre computação de ponta na arquitetura de rede 5G.

Mais um conceito que distingue a arquitetura de rede 5G de seu antecessor 4G é o de computação de borda ou computação móvel de borda. Nesse cenário, você pode ter pequenos data centers posicionados na borda da rede, perto de onde estão as torres de celular. Isso é muito importante para latência muito baixa e para aplicativos de alta largura de banda que transportam o mesmo conteúdo.

Para um exemplo de alta largura de banda, pense em serviços de streaming de vídeo. O conteúdo se origina em um servidor que está localizado em algum lugar da nuvem. Se as pessoas estão conectadas a uma torre de celular e, digamos, 100 pessoas estão transmitindo um programa de TV popular, é mais eficiente ter esse conteúdo o mais próximo possível do consumidor, bem na borda, de preferência na torre de celular.

O usuário transmite esse conteúdo de uma mídia de armazenamento que está no limite, em vez de ter que transmitir e transferir essas informações e fazer backhaul para 100 pessoas do local central na nuvem. Em vez disso, usando a estrutura 5G, você pode trazer conteúdo para a torre apenas uma vez e distribuí-lo para seus 100 assinantes.

O mesmo princípio se aplica a aplicativos que requerem comunicação bidirecional, onde baixa latência é necessária. Se um usuário tiver um aplicativo em execução na extremidade, o tempo de retorno será muito mais rápido porque os dados não precisam atravessar a rede.

Na estrutura de rede 5G, essas redes de borda também podem ser usadas para serviços fornecidos na borda. Uma vez que é possível virtualizar essas funções principais 5G, você pode executá-las em um servidor padrão ou hardware de data center e ter fibra em execução para o rádio que envia o sinal. Portanto, o rádio é especializado, mas todo o resto é bastante normal.

Hoje, o 4G LTE ainda está crescendo. Ele fornece velocidade excelente e largura de banda suficiente para suportar a maioria dos aplicativos IoT hoje. As redes 4G LTE e 5G coexistirão na próxima década, à medida que os aplicativos começarem a migrar e, então, as redes e aplicativos 5G eventualmente substituirão o 4G LTE.

Dispositivos usando 5G

O 5G evoluirá com o tempo e os dispositivos 5G seguirão o exemplo. Os primeiros produtos estarão “prontos para 5G”, o que significa que esses produtos terão o poder de processamento e as portas Gigabit Ethernet necessárias para suportar os modems 5G de maior largura de banda e os extensores 5G que estão agora no horizonte.

Os produtos 5G posteriores terão modems 5G diretamente integrados e um processador multi-core mais rápido, interfaces Ethernet de 2.5 ou até 10 Gigabit e Wi-Fi Rádios 6/6E. Essas mudanças nos produtos aumentarão o custo dos produtos 5G, mas são necessárias para lidar com a velocidade adicional e a menor latência que as redes 5G oferecerão.