🧒 👘 💪🏻 Por que e como o 5G mudará tudo: tecnologia, implementação em fases e base de elementos para equipamentos de assinantes 🖖🏼 🏹 👩🏻‍✈️

O 5G não é apenas um novo padrão para comunicações móveis, a introdução de redes de 5ª geração a longo prazo transformará nossa percepção do mundo e levará à transformação social da sociedade. Ao mesmo tempo, a economia das redes mudará: a velocidade média de transmissão aumentará 40 vezes e o custo de entrega, pelo contrário, diminuirá 30 vezes. Até 2024, de acordo com analistas, até 30% do tráfego móvel passará por dispositivos com suporte a 5G. A tecnologia 5G representará 15% do setor global de telefonia móvel até 2025 (previsão da GSMA, www.gsma.com ); na Europa e na China, esse número será de 30% e nos EUA, de 50%.

Este artigo tentará abrir o tópico da aplicabilidade das comunicações móveis de 5ª geração (daqui em diante - 5G) em nosso futuro, não muito distante. O material do artigo, sem pretender ser a natureza acadêmica da história, mostrará o que é interessante para o 5G e como os desenvolvedores de equipamentos de usuário (Equipamento de Usuário ou UE) podem começar a formar hoje o mercado de dispositivos 5G. O acesso do UE às redes 5G pode ser alcançado através de módulos celulares apropriados; No final do artigo, consideramos brevemente a faixa de nomenclatura das soluções SIMCom Wireless Module de 5G , suas principais características e a diferença entre elas.

Longrid

Principais benchmarks e tecnologia 5G

5G (da quinta geração inglesa - quinta geração) - uma geração de comunicações móveis que funciona de acordo com os padrões de telecomunicações que seguem a tecnologia existente LTE (4G).

O consórcio 3GPP começou a formular a especificação 5G-NR (NR - New Radio, tecnologia de acesso via rádio para redes móveis de 5ª geração) em 2015. Em seguida, os planos para a preparação das especificações foram anunciados. De acordo com esses planos, a primeira fase das especificações deveria ser concluída até o segundo semestre de 2018 (como parte do 3GPP release 15) e a segunda fase até dezembro de 2019 (como parte do 3GPP release 16). No momento, a primeira fase é concluída com um atraso de um ano e a segunda é transferida para o terceiro trimestre de 2020.

Plano de Liberação de Especificação 3GPP (fonte: https://www.3gpp.org )

Os padrões e especificações 3GPP foram criados pelos participantes do mercado e levam em consideração uma variedade de tarefas de negócios, cada uma das quais, é claro, possui seus próprios requisitos específicos. Portanto, a recomendação 3GPP TR 38.913 identificou os seguintes indicadores-chave das redes de nova geração:

Taxa de dados de pico de downlink (Downlink) 20 Gbit / s (eficiência espectral 30 bit / s / Hz);
Taxa de dados de pico de ligação ascendente (ligação ascendente) 10 Gb / s (eficiência espectral 15 bit / s / Hz);
o atraso mínimo no subsistema de acesso via rádio para serviços URLLC é de 0,5 ms, para serviços eMBB - 4 ms;
a densidade máxima de dispositivos do mundo da IoT conectados à rede em condições urbanas é de 1'000'000 dispositivos / km²;
Operação autônoma de dispositivos do mundo da IoT sem recarregar a bateria por 10 anos;
suporte de mobilidade a uma velocidade máxima de movimento de objetos de 500 km / h.

E agora, brevemente, sobre algumas tecnologias através das quais a implementação real de redes de quinta geração se torna possível.

Frequência e largura de banda

A especificação 3GPP TS 38.211 V1.2.0 (2017-11) definiu novas bandas de radiofrequência para 5G (consulte a tabela 1) e as dividiu em dois blocos de frequência: FR1 (frequências de até 6 GHz ou sub6G) e FR2 (frequências acima de 6 GHz ou mmWave) . Trabalhar em faixas de frequência mais altas permite eliminar várias interferências na rede que distorcem a transmissão de dados. Além disso, maior frequência - maior largura de banda e largura de banda do canal depende diretamente disso. Portanto, para o bloco FR1, dependendo do SCS (espaçamento de subportadoras, variante da separação de frequências de rádio de subportadoras) usada, a largura de um canal de rádio é permitida até 100 MHz, para o bloco FR2 - de 50 a 400 MHz! Diferentemente das redes LTE, que permitem canais com largura de apenas 1,4, 3, 5, 10, 15 e 20 MHz. E se você combinar a largura do canal com a agregação de frequência (CA), em uma conexão poderá obter um espectro de 2 GHz ou mais.

*Intervalos de frequência para redes 5G*
Unidade de radiofrequência	Faixa de freqüência de rádio
FR1	450 MHz - 6 000 MHz
FR2	24'250 MHz - 52'600 MHz

Formação maciça de MIMO e vigas

A formação de feixes usando antenas MIMO não é um conceito novo e já existe no mercado celular como AAS (Active Antenna System, sistema de antenas ativas). A antena AAS MIMO montada na torre permite dividir a área de cobertura em células estáticas, aumentando assim a eficiência do uso do espectro e, portanto, aumentando o número de canais. Porém, as redes congestionadas modernas precisam de formação de feixe digital dinâmica para maximizar a eficiência do espectro.

Antena 2D MIMO (esquerda) e antena massiva MIMO (direita)

A aplicação do conceito de antenas MIMO na faixa milimétrica do FR2 se torna ainda mais interessante, pois ondas de rádio de ondas milimétricas têm boa diretividade devido ao aumento no número de elementos de antena por antena. Uma matriz desses elementos de antena (256 ou mais) pode ser combinada em um chamado. Antena MIMO maciça. Ao controlar a fase e a amplitude dos sinais, essa antena é capaz de gerar dinamicamente muitos raios fortes e agudos nas direções de usuários específicos. Então, com o Massive MIMO, obtemos:

sinal de saída poderoso em direção ao UE;
sinal forte ao nível de ruído do UE;
falta de interferência entre células;
um aumento significativo no número de canais de comunicação por célula.

Portanto, a tecnologia MIMO assume diferentes significados nas faixas sub6G e mmWave, conforme mostrado na tabela abaixo:

*MIMO nas bandas sub6G e mmWave*
	Sub6G	mmWave
MIMO	88	22

	, . , .	. .

SRS (Sounding Reference Signal, )

A tecnologia, conhecida desde o 14º lançamento do 3GPP, é uma adição importante ao Beamforming. Permite à estação base aprender sobre a qualidade do canal através de um pacote especial enviado do UE. Normalmente, a maioria dos UEs suporta apenas o envio de SRS através de sua antena de transmissão primária. Portanto, a estação base pode receber informações do canal apenas para esta antena. No entanto, usando a tecnologia de seleção de uma antena transmissora, você pode obter informações completas sobre os canais de todas as antenas do UE. Portanto, a estação base pode gerar o feixe na direção do UE da melhor maneira. Como resultado, a taxa de transferência do UE aumentará significativamente, especialmente em pontos nas distâncias médias e distantes da estação base (até + 40%).

Corte de rede ou Corte de rede

De acordo com a lógica desse conceito, as operadoras móveis poderão implantar redes isoladas umas das outras, cada uma das quais pode ser alocada / atribuída um conjunto de indicadores-chave - para a Internet das coisas, ampla cobertura, para transporte urbano - uma banda larga e baixa resposta. O trabalho dessa tecnologia será possível ao mudar para o núcleo de uma rede de nova geração.

Cenários e exemplos de prestação de serviços móveis em redes 5G

Se você observar, alguns dos indicadores listados anteriormente, como por exemplo, taxa de pico de transferência de dados e autonomia, são simplesmente incompatíveis e até mutuamente exclusivos. Mas todos esses indicadores de uma só vez não devem ser executados por um dispositivo de cada vez ou, em princípio, devem ser suportados por toda a lista. A idéia é distinguir entre diferentes tipos de cenários para a prestação de serviços móveis, dependendo do grau de importância (alto, médio, baixo) de um indicador específico. No conceito Network Slicing, a arquitetura física 5G será dividida em várias redes ou camadas virtuais, cada uma delas projetada para seu próprio caso de uso. Cada um dos cenários satisfaz um ou outro conjunto de indicadores previamente indicados e, portanto, é voltado para o seu próprio segmento de mercado.
A especificação define apenas três cenários:

eMBB (enhanced Mobile Broadband), ;
URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communication), ;
mMTC (Massive Machine-Type Communications), .

NB-IoT eMTC mMTC

O mMTC é um cenário de interação entre máquinas, quando o envolvimento humano é mínimo e todos os processos são automatizados. Os dispositivos MMTC incluem: medidores de água, gás, eletricidade; controladores de iluminação pública; sensores de estacionamento; Marcadores GPS / GLONASS; vários sensores de fumaça / fogo; sensores de hackers; Latas de lixo "inteligentes" e outros dispositivos de IoT. Como você pode ver, latências de alta velocidade e ultra-baixa não são importantes aqui, mas a autonomia e um grande número de conexões de rede são muito importantes. Este é o chamado Dispositivos LPWA (Low Power Wide Area) - sobre dispositivos em massa, simples e baratos com consumo ultrabaixo, capazes de funcionar com uma única bateria por até 10 anos.

Os padrões e especificações para redes LPWA foram estabelecidos nas versões 13 (Cat.NB1 e Cat.M1) e 14 (Cat.NB2 e Cat.M2) 3GPP e atualmente nas redes NB-IoT (também conhecidas como LTE Cat.NB1 / NB2) e eMTC (LTE Cat.M1 / M2) já estão em uso comercial. As redes para esses dispositivos são caracterizadas por baixas velocidades de transmissão (até 150 kbit / s no LTE Cat.NB2 e até 1 Mbps no LTE Cat.M1), cobertura ampla e "profunda". Deve-se notar que o charme do NB-IoT e do eMTC é que a implantação de redes pelas operadoras móveis não exige grandes investimentos e a alocação de faixas de frequência separadas - essas redes LPWA podem funcionar nas faixas de frequência existentes e nos equipamentos de rede existentes, enquanto um a estação pode atender a um território maior em comparação com as redes 2G, 3G ou LTE existentes.

Você pode ler sobre como acessar redes NB-IoT usando os módulos celulares SIMCom Wireless Solutions em nossos artigos.

5G para URLLC e eMBB

Formalmente, as redes NB-IoT e eMTC podem ser atribuídas a redes da 5ª geração, mas neste artigo, falando sobre 5G, falaremos sobre tecnologia de alta velocidade. Portanto, os cenários URRLC (serão incluídos no 3GPP release 16) e eMBB (já definido no 3GPP release 15) estão na área 5G de responsabilidade. O script URRLC, por seu nome, significa comunicações ultra confiáveis com baixa latência. E o eMBB é de banda ultralarga, o que significa comunicações de alta velocidade.

Parece que a velocidade e o tempo de atraso nas redes LTE existentes satisfazem a maioria dos usuários modernos. Por que um consumidor de 5G e para que serve?

Vejamos o infograma da Figura 4, que reflete o escopo dos serviços, dependendo dos requisitos de largura de banda e dos atrasos. À parte clara, vemos áreas de aplicação modernas que se tornaram cotidianas para nós - como: jogos online, visualização e download de vídeos, telemetria remota, objetos de monitoramento, sensores, etc. Todas essas aplicações possuem conteúdo com um canal de até 100 Mbit / se atrasos superiores a 10 ms.

Aplicativos dependendo dos requisitos de largura de banda e atrasos na rede móvel

E agora vamos prestar atenção na parte azul do infograma - esta é a área que se abre com o 5G. Pode-se observar que, em geral, o 5G pode melhorar os aplicativos existentes e gerar novos. Vamos considerar algumas das aplicações mais interessantes separadamente. Eles nos ajudarão a entender o quão importante é realmente implementar redes 5G. Vamos começar com a coisa simples - streaming de vídeo.

Transmissão de vídeo

Os participantes do mercado estão prevendo a mudança de um aplicativo clássico como "streaming de vídeo" para a direita, no sentido de aumentar as velocidades de transferência de dados sem requisitos especiais para atrasos. O principal driver para isso será a necessidade de vídeo 8K de alta qualidade.

Hoje, existem TVs com suporte para vídeo 4K e alguns provedores fornecem conteúdo de vídeo dessa qualidade. Porém, o acesso confiável a esse conteúdo pode ser obtido apenas se eles estiverem conectados à Internet de fibra óptica, cujo acesso não está disponível em todos os assentamentos. Com o advento de 5G 4K e até 8K, o vídeo se tornará a norma para todos os moradores da cidade e dos subúrbios, e no campo da produção de filmes / fotos, qualidade e detalhes receberão ainda mais atenção.

Requisitos de largura de banda de rede para vários formatos de vídeo

O consumo de conteúdo de vídeo em uma TV widescreen define os requisitos de largura de banda para o download. No entanto, o 5G abre velocidades mais altas para descarregar. Isso abrirá as portas para a implementação de sistemas de vigilância por vídeo urbano com reconhecimento facial inteligente em todos os continentes. Nesses sistemas, toda a parte da computação com inteligência artificial está localizada na rede, tudo o que é exigido das câmeras de vigilância é poder transmitir vídeo da resolução adequada ao servidor. No mundo, existem exemplos da introdução de tais sistemas.

O governo de Xangai (China) utiliza esse sistema desde 2015. Mais de 170 milhões de câmeras de vídeo "inteligentes" estão conectadas a ela. Por exemplo [2], esse sistema ajudou a encontrar um criminoso na multidão de milésimos milionários a caminho de um concerto de um cantor popular. Ele veio ao show com a esposa e, segundo o detento, esperava se perder na multidão.

Na prática, esses sistemas trazem à cidade não apenas economias em medidas de segurança e busca operacional, mas também geram um efeito socioeconômico positivo - cidadãos e turistas não têm medo de comprar coisas caras, visitar locais públicos a qualquer hora do dia e os negócios não têm medo de segurança e propriedade do cliente, agora é a tarefa da cidade.

Com o advento do 5G, esse sistema se tornou mais eficiente e menos dispendioso para implantar e manter e, portanto, mais acessível.

O trabalho de um sistema inteligente de reconhecimento de rosto ao transmitir vídeo de câmeras de rua

Escritório do céu

Nos estágios iniciais da implantação comercial do 5G, com exceção dos smartphones, espera-se que o laptop com a conexão do Sky Office seja o principal produto 5G. O Sky Office é um conceito de transferência de energia da computação do laptop para a nuvem ao equipar um laptop com um modem 5G integrado. Portanto, na nuvem, podem ser colocados não apenas arquivos do usuário (Cloud Drive), mas também softwares, como o MS Office 365 (Cloud Office) ou produtos de software para jogos (Cloud Games). Nesse conceito, um laptop se torna, simplesmente, uma tela com teclado e câmera.

Conceito de escritório do céu

Se as redes celulares atrasarem alguns milissegundos e fornecerem um canal de comunicação confiável e ilimitado (Network Slice), trabalhar com o Sky Office no futuro poderá se tornar uma maneira popular de usar um laptop. Ao mesmo tempo, o consumidor receberá várias qualidades interessantes, inatingíveis em laptops comuns:

baixo consumo no nível do tablet com uma duração de bateria de 14 horas ou mais;
“Sempre pronto”, o laptop não perde tempo baixando software, ele já funciona - na nuvem;
“Pronto em qualquer lugar”, a perda de um laptop não significa mais a perda de dados e licenças;
corpo fino e leve, a composição e a estrutura do laptop são simplificadas e isso leva a uma redução no tamanho e no peso;
refrigeração passiva, o laptop não executa mais computação intensiva em energia e é levemente aquecido;
A comunicação é mais segura que o Wi-Fi, porque 5G é quase impossível de decifrar, o canal de comunicação é protegido pelos mais recentes algoritmos de criptografia.

Obviamente, traduzir o conceito do Sky Office em realidade requer a construção de um ecossistema inteiro com a participação de players de vários setores de uma só vez, como fabricantes de sistemas operacionais e software, fabricantes de laptops, operadoras móveis, provedores de serviços em nuvem, fabricantes de chipsets, fabricantes de eSIM e módulos 5G. Mas, apesar da complexidade da implementação, em um futuro próximo, espera-se que o Sky Office tenha um rápido crescimento na China e em muitos outros países.

Realidade virtual e aumentada

A indústria do entretenimento sempre foi uma locomotiva no desenvolvimento de eletrônicos de consumo. Os mais altos requisitos de desempenho vêm dos consumidores de consoles de jogos. As tecnologias mais avançadas, mas menos comuns no mundo dos jogos, são realidade virtual (VR) e realidade aumentada (AR).

As empresas bem conhecidas Sony e Microsoft oferecem vários acessórios VR e jogos 3D relacionados há vários anos.

VR da Sony PlayStation, fonte: www.playstation.com

VR da Microsoft, fonte: www.microsoft.com

Gradualmente, VR e AR vão além da estrutura da indústria de jogos e inevitavelmente se espalharão para a educação, medicina, indústria - é difícil superestimar o potencial. As Figuras 10–13 mostram alguns exemplos de uso de RA dos materiais de apresentação do Microsoft Hololens 2. O próximo passo nesta indústria será a combinação de AR e VR com 5G. Tecnicamente, isso já é possível graças ao novo chipset Qualcomm Snapdragon XR2, combinando um modem 5G e um processador XR (de VR + AR) especializado com suporte à inteligência artificial, que responde às expressões faciais do piloto.

É claro que com os jogos online 5G só será possível. Com a transferência do poder de computação para a nuvem (Cloud Gaming), os consoles de jogos ficarão menos ocupados, esse vídeo ficará mais suave, mais detalhado e mais dinâmico. Tendo superado a barreira tecnológica com o 5G, o mercado de jogos de AR / VR se tornará mais popular. Muitos vão descobrir viagens virtuais para outras cidades, mergulhos no fundo do oceano e até vôos no espaço. É um fato bem conhecido que a percepção de uma pessoa do mundo depende fortemente do que ela vê; com XR + 5G, os horizontes do leigo médio se expandirão significativamente, mudarão as abordagens da sociedade para estudar o mundo e atividades construtivas em todas as áreas.

Os alunos estudam a estrutura dos microrganismos.Um

trabalhador médico analisa os resultados da ressonância magnética.Um

engenheiro realiza o ajuste do equipamento

Motor de montagem do operário

Continuando o tema de XR e inteligência artificial, devo dizer separadamente sobre a direção derivada, como a Internet tátil. Internet tátil (doravante denominada TI) - a transferência de sensações táteis, toca a qualquer distância com um atraso mínimo, quase imperceptível. O nome da tecnologia foi proposto na Universidade Técnica de Dresden, onde começou o trabalho em 2012 para criar sistemas robóticos que podem transmitir remotamente sensações.

Agora, os cientistas estão trabalhando na criação de um toque artificial, introduzindo sensores em estruturas robóticas suaves e nos sensores de toque mais sensíveis. Agora, os sensores já são capazes de reproduzir a força e a natureza do toque, distinguir entre diferentes materiais: metal, madeira, têxteis etc.

A TI apresenta requisitos que as redes 5G serão capazes de:

atrasos inferiores a 1 ms;
confiabilidade - para executar tarefas críticas (por exemplo, operação remota), perdas de rede, falha do equipamento, etc;
alta taxa de transferência de dados - mais de 10 Gb / s;
alta densidade de rede - suporte para conectar mais de 100 dispositivos por 1 km².

Para reproduzir as sensações, supõe-se que existam dispositivos em contato com o destinatário, por exemplo, roupas (camisetas, blusas, calças), acessórios (luvas), sapatos, chapéus, exoesqueletos ou dispositivos especiais, que são displays táteis com unidades minúsculas, que movem os elementos móveis (agulhas, alfinetes).

Com a ajuda da TI, é possível aprender a desenhar, tocar instrumentos musicais, realizar operações cirúrgicas remotas, ou seja, tudo o que requer as habilidades das habilidades motoras finas. No comércio eletrônico, você pode aplicar essa tecnologia para tocar ou experimentar um produto antes de comprá-lo. As exposições do museu podem ser tocadas e até sentidas na mão o peso de artefatos antigos. Os jogos de tiro multiplayer online com XR + TI se tornarão mais realistas, você pode sentir a dor, empurrões, solavancos, calor e frio.

Os primeiros exemplos práticos do uso da TI na cirurgia já estão lá hoje. Nos Estados Unidos, estão em andamento testes para introduzir o chamado "Telesurgery" quando o cirurgião executa uma operação cirúrgica remotamente através de uma rede 5G. A telecirurgia é muito diferente da telemedicina clássica - não se trata de simples transmissão de vídeo no modo de conferência, mas da "presença" do cirurgião durante a operação. Seus movimentos, precisão, habilidades pessoais, reação instantânea aos eventos - tudo será transmitido através de redes 5G sem presença física e sem comprometer a qualidade da operação. Assim, os serviços de especialistas raros se tornarão mais acessíveis e os pacientes poderão escolher um cirurgião, independentemente do país de residência.

UAV (drones)

A telecirurgia exige muito da latência e confiabilidade das comunicações, mas há mais uma área que exige tudo o mais e conectividade em massa - UAVs (veículos aéreos não tripulados ou "drones"). Hoje você não surpreenderá ninguém com drones leves e não tripulados de vários propósitos - desde entretenimento a drones militares especializados. Com a ajuda deles, eles gravam vídeos espetaculares, realizam o reconhecimento da área, salvam pessoas, transportam mercadorias etc. Mas quase todos eles são controlados diretamente por uma pessoa que possui contato confiável sem fio direto a uma frequência não licenciada.

Com relação à implementação do 5G, nos países progressistas, as autoridades reguladoras já prestaram muita atenção a esse tópico hoje, em conexão com a qual a padronização e segurança nessa área estão sendo realizadas. Por exemplo, na Europa, existe um grupo de especialistas especial 5G PPP (Parceria público-privada de infraestrutura 5G, www.5g-ppp.eu/5gdrones), com base na Comissão Europeia e representantes do setor de tecnologia da informação e comunicação (operadores, provedores, instituições, pequenas e médias empresas) da Grã-Bretanha, França, Suíça, Áustria, Finlândia, Grécia, Polônia e Estônia. A parceria público-privada 5G PPP oferecerá soluções, arquiteturas, tecnologias e padrões para UAVs. Por meio dessa iniciativa estatal, a União Européia vê uma das maneiras de fortalecer sua liderança tecnológica no cenário mundial.

Com os padrões que governam a rotatividade em massa de drones, sistemas de inteligência artificial, um canal de comunicação sem fio 5G confiável, constante e rápido para toda uma colmeia de drones, novos mercados e serviços podem ser abertos em diversas áreas. Imagine: mensageiros de drones entregando comida de lojas ou remédios importantes para lugares de difícil acesso; drones de resgate procurando pessoas perdidas em uma floresta ou no mar dia e noite; zangões de fogo, extinguindo incêndios na fase inicial; agrocopters pulverizando culturas - e tudo em escala global, e não em casos especiais.

Swiss Post Drone Swiss Post da Matternet

Transportando pessoas para locais de difícil acesso em um drone de

carga.A Agrocopter realiza o processamento de terras agrícolas

O zangão de incêndio Predator-100 (China) apaga um

zangão de resgate e busca da organização suíça de resgate de aviação Rega, procurando independentemente pessoas

O drone DJI Matrice 600 Pro entrega os rins de uma pessoa falecida (EUA)

Infraestrutura C-V2X

Vamos passar de UAVs para veículos não tripulados. Muitos viram a apresentação em vídeo da Tesla (www.tesla.com), onde um veículo elétrico movido por inteligência artificial se move pela cidade com o mínimo envolvimento do motorista. Ou outro exemplo - o serviço Waymo (www.waymo.com), que permite ligar para um táxi usando o aplicativo móvel e chegar ao ponto selecionado sem que o motorista esteja dirigindo.

Piloto automático da Tesla trabalhando em movimento com um motorista dirigindo

Waymo trabalhando em movimento sem um motorista dirigindo

Ambos os serviços são construídos com princípios operacionais diferentes, sob o controle de uma poderosa inteligência artificial incorporada ao carro. Auto toma uma decisão situacional baseada em informações visuais e dados do lidar (Waymo). Um carro “inteligente” é cercado por carros “não inteligentes” e imprevisíveis que estão sob controle humano.

Existe uma abordagem de infraestrutura para direção não tripulada, consagrada na 14ª versão do 3GPP - C-V2X. A abreviatura C-V2X significa Veículo celular para tudo, é o conceito de transmissão de informações de um veículo para qualquer objeto que possa afetar o veículo e vice-versa. Essa abordagem permite que o veículo se "comunique" com outros carros (V2V), infraestrutura (V2I), rede LTE (V2N), rede elétrica (V2G), pedestres (V2P) e até casas (V2H). O 15º lançamento do 3GPP também introduziu a capacidade de se comunicar com o carro e a rede 5G, o que tornou o C-V2X mais atraente graças ao serviço URLLC.

Assim, os veículos conectados ao sistema C-V2X poderão “ver” toda a situação da estrada, “saber” sobre a posição relativa, obstáculos, áreas perigosas e a inteligência artificial localizada na rede não formarão apenas uma trajetória separada para eles. , e fará isso levando em consideração a influência mútua no sistema de transporte. Tais sistemas resolverão o problema do transporte melhor e mais seguro do que qualquer motorista, reduzirão o tempo de viagem de cada participante do movimento, tornarão o movimento previsível, seguro e energeticamente eficiente.

A PricewaterhouseCoopers (PwC), uma empresa de consultoria internacional, prevê que os primeiros carros sem motoristas aparecerão nas vias públicas em 2021, e até 2040 todas as megalópoles do mundo não serão tripuladas. No entanto, a princípio, esse transporte exigirá atenção do motorista em determinadas situações ao longo do caminho. Durante esse período, também serão abordadas questões legais relacionadas a veículos não tripulados e elétricos. Em particular, aspectos legais e de seguros. Uma certa quantidade de tempo será gasta na criação de uma rede de estações de carregamento para carros elétricos.

Na Rússia, esse serviço já está em fase de pesquisa e prototipagem. Em 2018, a operadora russa Megafon, em parceria com a KAMAZ, realizou uma simulação do serviço V2X na área piloto com base no barramento elétrico não tripulado ShATL.

Modelando o V2X na zona piloto do ônibus de passageiros não tripulado ShATL de 12 lugares da KAMAZ (Kazan, 12 de junho de 2018)

Agora, listando muitos exemplos em que o 5G será mais útil do que nunca, descobriremos qual é o estado das redes 5G hoje e quais barreiras precisam ser superadas no caminho para um futuro fantástico.

O estado das redes 5G no mundo e na Rússia

O processo de introdução de redes 5G em operação comercial já começou em 2019, no entanto, enquanto a cobertura dessas redes é muito modesta. No início de 2020, as redes 5G foram colocadas em operação por 47 operadoras em 22 países do mundo e, juntamente com as que planejavam iniciar ou realizar testes, existiriam 279 operadoras em 109 países.

Número de estações base 5G-NR em uso comercial [3]

Redes comerciais, planejadas e piloto 5G

Quanto aos equipamentos de assinantes, já existem muitos smartphones, roteadores e modelos CPE 5G à venda.

Modelos de smartphones 5G

Os primeiros usuários já apreciaram um aumento significativo na velocidade de transmissão no modo 5G. Os resultados dos testes da Qualcomm (maio de 2019) mostram um aumento de 3,3 vezes na velocidade de download para dispositivos 5G em comparação com dispositivos LTE. No futuro, esse número será maior devido à cobertura mais densa e à transição do núcleo LTE EPC para uma rede principal de pacotes 5G.

Na Rússia, as operadoras “Big Four” de agosto a setembro de 2019 já realizaram os primeiros testes e o lançamento de segmentos piloto de redes 5G. De acordo com os resultados dos testes nesta fase, os atrasos na rede no tráfego foram inferiores a 10 ms e as velocidades atingiram 2 Gbit / s para download. As zonas piloto 5G podem ser encontradas nas ruas de Moscou (Park Zaryadye, cidade de Moscou, Vorobyovy Gory, VDNH, Skolkovo, GMS-Hospital, SK Luzhniki, estação de metrô Gorky), Kazan, Kronshtadt e nos laboratórios dos operadores móveis.

(1.3 /) Huawei “Mate X” ()

5G ( NSA, LTE FDD 1800 FR1 mmWave n257)

De acordo com o programa de economia digital da Rússia, a cobertura sustentável da rede 5G deve ser fornecida até 2024 em todas as grandes cidades com uma população de mais de 1 milhão de pessoas. No momento, o modelo de desenvolvimento de redes 5G russas não está totalmente definido. O problema, como em outros países, é a escolha de bandas de frequência de rádio. Os operadores consideram a banda de 3,4-3,8 GHz (n78 e n79) a mais atraente para o 5G; no entanto, é ocupada por outros usuários, principalmente serviços militares e especiais, e requer trabalho de liberação. Mais clareza com as faixas de frequência aparecerá no 4º trimestre de 2020 após a licitação aberta, na qual Roskomnadzor deverá distribuir frequências de rádio em um formato de leilão.

O caminho do LTE para 5G

Como foi dito, as redes 4G atuais não suportam os requisitos propostos por novos cenários de aplicativos. Além da densidade de conexões, da largura de banda da parte do rádio etc., os atrasos nas redes 4G são bastante grandes. Atrasos consistem em atrasos na parte do rádio e na parte da infra-estrutura e hoje são de dezenas de milissegundos. A longo prazo, para redes 5G de pleno direito, incluindo suporte para Network Slicing e URLLC, serão necessárias a nova infraestrutura de rede NGCN (Next Converged Network) e a modernização da rede de acesso por rádio. É claro que é impossível fazer um volume de trabalho ao mesmo tempo.

Atrasos na rede 4G

O consórcio 3GPP inicialmente considerou a complexidade da implantação de novas redes e adotou os cenários de transição da configuração padrão das redes LTE (# 1) para 5G. A introdução do 5G é proposta para ser realizada primeiro em cima da infraestrutura LTE EPC existente no modo NSA (não autônomo, nº 3), como as operadoras móveis fizeram em 2019. Nesta configuração, os atrasos nos componentes de rádio serão reduzidos, mas, considerando as limitações do núcleo LTE do EPC, a taxa de atraso geral estará longe dos requisitos de URLLC. O ponto principal dessa configuração é diferente - na parte do rádio, obteremos um aumento significativo na largura de banda suficiente para a maioria das aplicações existentes de eMBB, bem como a estabilidade da conexão com um grande número de assinantes conectados a uma estação base.

Cenários para a construção de uma rede 5G de períodos iniciais e intermediários

Modelo inicial da NSA ( # 3) visa melhorar a qualidade da Internet de banda larga móvel para aumentar a confiabilidade e o volume de dados transmitidos usando a conexão no modo EN-DC (novo rádio E-UTRAN - conectividade dupla). Os terminais do usuário que suportam EN-DC podem se conectar simultaneamente às estações base LTE e 5G, enquanto a estação base LTE está ancorada (atualização para ng-eNb, ou é necessário o eNB de nova geração). O terminal do usuário (UE) é inicialmente registrado na rede via E-UTRAN em baixas frequências (<2 GHz) e começa a transmitir à rede os resultados das medições realizadas na rede de acesso por rádio 5G-NR. Com "qualidade de sinal de rádio 5G" satisfatória, a estação base LTE ng-eNb inicia uma solicitação à estação base 5G gNB para alocar recursos de rede ao UE.Após a conclusão do procedimento, o UE se conecta simultaneamente às estações base LTE ng-eNB e 5G gNB. Obviamente, a área de cobertura da estação base 5G será significativamente mais estreita que a LTE, pois o sinal de onda milimétrica de alta frequência possui um coeficiente de atenuação mais alto.

Conexão do UE ao LTE ng-eNB e 5G gNB no modo EN-DC

Em seguida, usando as estações base combinadas LTE + 5G-NR, é possível expandir a área de cobertura 5G usando a tecnologia DSS (Dynamic Spectrum Sharing, Dynamic Spectrum Separation) quando a faixa mais baixa A frequência E-UTRAN (<2 GHz) é compartilhada dinamicamente com 5G-NR. Antes das operadoras introduzirem o núcleo 5G, as redes poderão funcionar dessa maneira.

Expandindo a cobertura 5G com LTE de baixa frequência (DSS)

Em seguida, a partir da etapa 3 , quando as operadoras móveis integram o núcleo 5G NGCN, elas podem mudar para os modos SA alvo e final (opções 2 e 5) quando uma tecnologia de acesso via rádio é usada - E-UTRAN ou 5G-NR. Abaixo está a visão final de uma rede 5G capaz de fornecer serviços URLLC.

A visão final da rede 5G

Para atender à crescente necessidade de eMBB, você pode usar as frequências médias (2 GHz-7 GHz), aumentando assim as velocidades de transferência de dados, inclusive devido à agregação de frequência. Frequência mais baixa - mais cobertura, mas menos largura do canal. No entanto, existe uma maneira de aumentar a cobertura enquanto mantém uma alta taxa de descarga usando um canal de uplink opcional (SUL, uplink suplementar). Como funciona? A figura abaixo mostra como um recurso de rádio de médio alcance "emparelhado" (UL / DL) é atribuído ao UE um canal adicional de uplink não emparelhado (SUL) a partir de baixas frequências. Então, em uma célula, o UE recebe 1xDL (frequências médias) e 2xUL (frequências baixas e médias) do canal, cuja utilização será controlada pela rede. Nesse caso, no limite da célula no canal DL, um sinal de média frequência com potência aumentada da faixa “emparelhada” é usado,e no canal UL - um sinal de baixa frequência na faixa SUL não emparelhada. Como resultado, a estação base “vê” o UE a distâncias mais longas e a velocidade de download é mantida usando frequências médias.

A expansão da área de cobertura das frequências médias devido ao canal não emparelhado

Previsão de cobertura 5G e última milha

A partir dos cenários de implantação de redes 5G e das bandas de frequência aplicadas, segue a lógica da alocação de bandas de frequência para diferentes cenários, conforme mostrado na Tabela 3. Esse conceito obedece à tecnologia de fatiamento de rede definida pela especificação 3GPP; Isso permitirá que as operadoras móveis implantem redes isoladas umas das outras, e cada uma delas pode ser alocada para necessidades específicas (para a Internet das Coisas, transmissão de vídeo por streaming etc.).

*Cenários de aplicação em diferentes faixas de frequência 5G*
Frequências	A largura da linha	Cenários	Característica
acima de 7 GHz (FR2)	800 MHz	eMBB	Ultra alta velocidade, baixa cobertura e apenas nas ruas
2 GHz ... 7 GHz (FR1)	100 MHz	eMBB, URLLC, mMTC	, ,
< 2 (FR1)	20	eMBB, URLLC, mMTC	,

Considerando a viabilidade desses cenários em megacidades, pequenas cidades e vilas, é possível elaborar um esquema generalizado de cobertura de rede, como na Figura 34. Como você sabe, no mundo as redes 3G foram abandonadas ou os planos de desconectar já foram anunciados. Portanto, na figura 3G é mostrada uma linha tracejada. De acordo com os planos das operadoras europeias, em vez de 3G lento, o LTE rápido (cenário 5 ) chegará às aldeias , economizando 2G para o tráfego de voz. A cobertura nos subúrbios será caracterizada por velocidades mais altas e atrasos mais baixos, e as megalópoles, além disso, terão um grande número de conexões e Internet ultrarrápida em locais onde a faixa de frequência do FR2 é coberta. Como você pode ver, nos próximos anos, as redes 5G não substituirão as redes 4G, mas gradualmente se integrarão às redes 4G, melhorando significativamente a situação geral.

Um esquema generalizado de cobertura com redes 2G, LTE e 5G até 2025.

Deve-se notar separadamente que essa distribuição de redes dará origem a um forte crescimento no mercado de FWA (acesso sem fio fixo, veja abaixo). Os fabricantes de CPE (equipamento nas instalações do cliente, equipamento de telecomunicações interno ou de parede localizado nas instalações do assinante) poderão fornecer Internet de alta velocidade aos residentes de territórios onde a cobertura 5G de alta velocidade e confiável não "alcançou" por algum motivo.

Normalmente, os provedores de Internet com fio e de fibra óptica chegam a esses lugares. Mas o 5G FWA representará uma séria ameaça para esse setor de negócios. De fato, com o 5G na FWA, a qualidade da Internet de banda larga não será inferior à Internet de fibra ótica e o custo da conexão estará completamente fora de competição, uma vez que a eliminação de fibra / cabo, o trabalho de instalação e a configuração de cada assinante são excluídos. Instalar um CPE é tão simples quanto instalar um roteador Wi-Fi e quase não requer manutenção.

FWA e conexões com fio / fibra no Last Mile

CPE Indoor (CPE interno) e Wall (CPE externo)

Talvez, como resultado, o mercado da Internet com fio / fibra seja fortemente transformado, encontre sua aplicação específica, mas nunca será tão difundido como é hoje. Por outro lado, de acordo com a previsão dos especialistas da SNS Telecom (www.snstelecom.com), até 2030, 345 milhões de assinantes serão conectados via 5W via serviço FWA, e mais de 90 milhões de unidades serão vendidas para unidades de assinantes da CPE. Na Rússia, esse serviço devido ao comprimento do território pode ser muito popular, mesmo no estágio inicial da implantação da rede 5G.

Número de conexões FWA usando 5G (fonte: SNS Telecom)

Módulos de assinante 5G SIMCom Wireless Solutions

Como dito, os smartphones e tablets 5G já estão à venda. A SIMCom Wireless Solutions (www.simcom.com), especializada no desenvolvimento e produção de módulos de comunicação celular para o mercado M2M desde 2002, anunciou planos para expandir a linha de produtos com módulos 5G em 2019. Hoje, o portfólio de módulos é reabastecido com 4 modelos: SIM8200G, SIM8200EA-M2, SIM8300NA (enquanto a versão para a América do Norte) e SIM8300G-M2.

A linha 5G dos módulos sub6G da SIMCom Wireless Solutions ("a" e "b") e sub6G + mmWave ("c" e "d")

Todos os quatro módulos são construídos na plataforma SoC Snapdragon X55 (ou SDX55) da Qualcomm, fabricada com a tecnologia 7 nm. Os módulos estão em conformidade com a 15ª versão da especificação 3GPP. O fallback é suportado nos modos LTE-FDD / LTE-TDD / 3G, EN-DC, MIMO massivo e um conjunto global de faixas de frequência (consulte a tabela abaixo). O equipamento de assinante baseado em módulos de melão poderá funcionar tanto em redes 5G de transição no modo NSA quanto em redes 5G finais no modo SA, ou seja, onde houver cobertura E-UTRAN ou 5G-NR. Os módulos da 82ª série suportam operação na faixa sub6G, enquanto a série 83 também suporta a faixa milimétrica (mmWave). Os módulos são executados em dois fatores de forma - na carcaça de solda LGA e na forma de uma placa M2. O primeiro é interessante,quando o módulo requer um conjunto extenso de interfaces e / ou um método de instalação mecânica é contra-indicado nas condições de operação do produto final. As placas M2 têm um tamanho e interfaces padrão (PCIe 3.0, USB 3.1, USIM ...), o que possibilita a comunicação celular como opcional no produto. Em alguns casos, um cartão LTE pode até ser alterado para um cartão 5G.

*5G SIMCom Wireless Solutions*
		SIM8200G	SIM8200EA-M2	SIM8300G-M2
3GPP		Rel.15
NSA/SA		+
	mmWave			7 / (), 3 / ()
	sub-6G	4 / (), 450 /	4 / (), 300 /	4 / (), 600 / ()
	LTE	2 / (), 150 / ()	2.4 / (), 200 / ()
	HSPA+	42 / (), 5.76 / ()
	5G NR mmWave	-	-	n257/n258/n260/n261
	5G NR Sub6G	n1/n2/n3/n5/n7/n8/n12/n20/n25/n28/n40/n41/n66/n71/n77/n78 (n79 SIM8200G SIM8300G-M2)
	LTE-FDD	B1/B2/B3/B4/B5/B7/B8/B12/B13/B14/B17/B18/B19/B20/B25/B26/B28/B29/B30/B32/B66/B71
	LTE-TDD	B34/B38/B39/B40/B41/B42/B43/B48 (B46 SIM8300G-M2)
	WCDMA	B1/B2/B3/B4/B5/B8
GNSS		, GPS, Beidou, Galileo, QZSS
		USB2.0, USB3.1, UART, PCIe Gen3.0, USIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO, SPI, ADC, RGMII, SDIO3.0, PMI, WiFi	USB2.0, USB3.1, PCIe Gen3.0, 2xUIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO	USB2.0, USB3.1, PCIe Gen3.0,USIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO
		8	6	14
		NDIS/RNDIS/PPP/TCP/IPv4/IPv6/Multi-PDP/FTPS/HTTPS/DNS/SSL/TLS
		VoNR, VoLTE, CSFB
		USB FOTA
		41.0 43.6	30.0 52.0	30.0 52.0
		3.3…4.3
		-30…+85 C

No momento, já existem vários exemplos de projetos baseados em módulos 5G, como CPE, roteadores, um avião drone e modems USB e assim por diante. De acordo com a experiência da empresa, devo dizer que o desenvolvedor precisa ter alta competência no campo do design de equipamentos de alta frequência dessa classe, especialmente no caso dos módulos da 83ª série, eles requerem conexão de 2 a 4 módulos de antena externa QTM525-2 ou QTM527-2 para operação na faixa de milímetros (mmWave), que devem atender a determinadas condições de posicionamento relativo.

Dongle 5G-USB UM80 baseado nos módulos de antena SIM8200EA-M2

da faixa milimétrica QTM525-2 (a) e QTM527-2 (b)

Os módulos de antena dentro da caixa combinam uma estrutura de antena em camadas, uma fonte de alimentação, filtros, amplificadores e um circuito de conversão de frequência. O módulo da antena é conectado ao módulo 5G por meio de um cabo flexível e um par de cabos de RF (linhas azuis na figura abaixo), através dos quais os sinais de polarização vertical e horizontal (IF-V e IF-H) se propagam. Para operar os módulos de antena, são necessárias duas fontes de energia, uma delas é fornecida diretamente do módulo (1,9V, a linha amarela na figura abaixo) e a outra de uma fonte externa (3,3V, a linha vermelha na figura abaixo). Nesse caso, o módulo controla a ativação e desativação dos módulos da antena com um sinal digital separado.

Conecte 4 antenas sub6G e 4 antenas modulares ao módulo 5G na placa do dispositivo

Para testar os módulos 5G, os desenvolvedores recebem kits de depuração, com os quais você pode avaliar inicialmente o trabalho nas faixas sub6G e mmWave sem muito tempo.

Na Rússia, os módulos 5G foram apresentados pela primeira vez em janeiro de 2020 na conferência especializada “5G: da tecnologia à implementação” na Universidade Estadual de Telecomunicações de São Petersburgo. prof. M.A. Bonch-Bruevich. No âmbito da conferência, participantes do mercado interessados, como: Qualcomm, Huawei, Megafon, SIMCom Wireless Solutions e outros, discutiram o estado atual das redes 5G na Rússia e no mundo, soluções técnicas, problemas de implementação e muitas outras questões, incluindo o espectro de frequências para redes quinta geração. As faixas de frequência da rede 5G na Rússia ainda não foram totalmente determinadas; as operadoras móveis ainda não realizaram muitos testes, incluindo módulos de comunicação celular de vários fabricantes, para determinar a escolha de bandas em determinadas regiões. No entanto, nos módulos 5G apresentados, a lista de bandas suportadas é extensa,o que significa que quase todas as combinações de faixa selecionadas pelos operadores e módulos serão suportadas.

Como uma conclusão

É muito cedo para dizer que as redes 5G adquiriram sua aparência final madura. Temos que aguardar o 16º lançamento, que, de acordo com a intenção do consórcio, fechará a 2ª fase de especificações e determinará o início da implementação em massa das redes principais de 5ª geração. No entanto, isso não nos impede de começar o trabalho de estudo de novas tecnologias hoje, o que servirá de base para projetos futuros, porque as redes de acesso por rádio 5G-NR já estão disponíveis ao público, embora de forma limitada. Devemos entender que as redes 5G se tornarão mais cedo ou mais tarde nossa rotina diária e a transição do modo NSA para o SA será suave e discreta, e as conquistas feitas hoje não serão desperdiçadas.

Materiais utilizados

Batuev B.B. SIM7000E / SIM7000E-N: Aplicando modos PSM e eDRX com economia de energia em redes NB-IoT. Tecnologia sem fio. 2017. No2.
www.youtube.com/channel/UCWAK-dRtTEjnQnD96L6UMsQ - vídeo do canal do RosBusinessConsulting no YouTube.
www.speedtest.net/ookla-5g-map - Serviço Ookla.

Por que e como o 5G mudará tudo: tecnologia, implementação em fases e base de elementos para equipamentos de assinantes