5G: uma revolução arquitetônica e tecnológica

Fiquei dez anos longe da minha profissão original e, ao retornar para o segmento, fui surpreendido por algo que jamais poderia ter imaginado que ocorreria nos meus 50 anos de vida profissional. Esse algo me deixou tão impressionado que comecei a escrever sobre ele, não como especialista no assunto, mas como um repórter especializado que decide desenvolver uma nova matéria. Falo do 5G. Conheci bem o WiMAX, mas o 5G superou todas as minhas expectativas, não só pelos avanços tecnológicos, mas principalmente pela quebra de paradigmas.

José Luiz Frauendorf, engenheiro

O que mais me impressionou, logo de início, é que o 5G não é apenas um sistema celular móvel. Trata-se de um sistema que além de atender a demanda de serviços celulares, deverá também servir como rede de sustentação para todos os novos serviços e aplicações trazidos pela indústria 4.0 e pelo IoT, como aplicativos de realidade virtual, realidade aumentada, robôs, ultrahigh definition videos, cirurgias virtuais, só para citar algumas das novas aplicações, que não poderiam operar adequadamente usando as atuais estruturas de comunicação. Esta observação se aplica também aos veículos autônomos, gestão de drones ou até mesmo aplicações de segurança baseadas no reconhecimento facial, leituras de hidrômetros e medidores de energia elétrica. Ou seja, o 5G terá que operar com eficiência e performance até então inexistentes.

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O problema principal é que muitos dos sistemas 5G irão operar em faixas elevadas de frequências que, se não impedem a penetração dos sinais ao atravessarem paredes e janelas espelhadas – como seria o caso do 26 GHz, ao menos dificultam. Mas muitas das aplicações não serão externas, mas internas, podendo concorrer com o WiFi6. Caberia a pergunta, qual a demanda, ao menos imediata, do 5G para os usuários que já são servidos pela fibra óptica em residências e escritórios? Só o tempo irá responder.

Com a evolução rumo ao 5G, muitos paradigmas foram quebrados, sendo o principal a abolição das soluções proprietárias, que mantinham o fornecimento das tecnologias celulares por décadas nas mãos de um grupo muito restrito de fabricantes. Operadores e fabricantes independentes criaram a Open RAN Alliance. O estabelecimento de standards de interfaces e funções, que podem ser processadas por hardware e softwares abertos, padronizados e interoperáveis, permitiu o ingresso de um número crescente de fornecedores ao ecossistema.

Essa nova arquitetura permite um ganho adicional: poder rodar todo o sistema de gestão e roteamento de conteúdo de forma totalmente virtual. A arquitetura dos enormes data centers, que é onde hoje se processam os serviços oferecidos pela rede, ganhou uma nova dimensão que deverá evoluir para o conceito de micro e mini data centers, que serão instalados nas bordas das células, permitindo um processamento e o acesso a conteúdos de forma muito mais rápida e diminuindo a latência do sistema, o que é mais seguro e confiável, além de reduzir substancialmente o tráfego de dados nas redes de transportes. Muitas novas oportunidades serão geradas no âmbito dessa nova arquitetura.

Ganhos das operadoras

Os próprios operadores terão ganhos potenciais extraordinários. Após verem sua maior fonte de receita derreter com os aplicativos que permitem comunicação de voz e vídeo sem custo, e assistirem de mãos atadas às operadoras de serviços de vídeo utilizando o meio de acesso disponibilizado por eles sem poder participar dos resultados, ganham com o 5G uma nova oportunidade. Graças ao fatiamento do tráfego nas redes, permitindo a disponibilização de categorias distintas de serviços, que passam a contar com garantia de velocidades, maior segurança e confiabilidade das conexões, finalmente as operadoras de telefonia móvel poderão incrementar suas receitas. Mas a possibilidade de virtualizarem suas redes, que só está sendo possível graças a transformação de hardware em software, ou seja, a "softwarerização" da operação das redes, somada à possibilidade de terceirizar grande parte dos serviços que atualmente são prestados por suas próprias equipes. Isso poderá resultar numa total "desverticalização" das suas estruturas, tornando-as mais leve, focadas e rentáveis.

O ganho das operadoras pode ser muito grande, a depender somente de uma mudança radical do modelo de negócio. Essa mudança pode ser interessante para os operadores e para os consumidores, graças à evolução tecnológica.

Primeiramente porque o 5G permite uma nova abordagem do gerenciamento de redes e serviços, abrindo novas possibilidades de negócios e novas soluções como o compartilhamento e otimização do uso da infraestrutura e recursos de rede, com vantagens para todos. As redes 5G são dotadas de inovações que permitem que se auto organizem, se autoconfigurem e se autorregenerem em caso de falha, o que é obtido graças aos enormes investimentos em softwares de inteligência artificial, e machine learning. As operadoras poderão compartilhar as vias de acesso, com sistema de gestão de rede seja totalmente independente. O sistema de gestão de rede se tornará muito mais eficiente permitindo visualizar as conexões ponta a ponta e controlar todos as comunicações de forma muito mais eficiente.

Praticamente todo o espectro de frequências disponível será utilizado, melhor explorado e direcionado para aplicações específicas, de forma que o ganho em eficiência do uso do espectro será marcante.

Eficiência e economia

Num recente estudo feito por uma empresa de consultoria inglesa, a COLEAGO Consulting, encomendado pelo GSMA (Global System for Mobile Communications), mostra que uma rede operando com 100 MHz de largura de faixa custa cerca de 18% a mais que a mesma rede operando com 20 MHz. Mas o custo por bit disponível numa rede com 100 MHz de largura de faixa custa apenas 30% do custo por bit de uma rede com 20 MHz, o que é mais ou menos óbvio, visto que seria o mesmo que forçar um carro de Fórmula 1 a percorrer as ruas no centro de uma grande cidade. Estamos citando apenas o custo do investimento, sem considerar os ganhos operacionais.

A novidade não para aí. O 5G New Radio também ganha muita inteligência, a ponto de poderem aceitar tráfego das redes legadas, 2G e 3G, sem falar do 4G. Com isso, enquanto houver usuários com aparelhos antigos, as redes poderão suportar essas tecnologias antigas. Com o tempo estas faixas de frequências poderão ser realocadas para permitir o tráfego do 4G ou 5G, de forma que os usuários possam usufruir dos novos serviços. Incrível!

Responsável pelo espectro nos EUA, o FCC (Federal Communications Commission) prevê que em pouco tempo só haverá tráfego de 4G e 5G em todo o espectro de frequência. É claro que o operador de uma rede de distribuição de tráfego deve dispor de diversas frequências para prestar serviços a todos os usuários de uma área geográfica, seja numa zona rural, suburbana ou urbana densamente povoada. Cada parte do espectro deve ser utilizada adequadamente, de acordo com a característica do mercado consumidor e sua localização geográfica. Nenhum espectro tem a capacidade de atender a todas as condições.

Como engenheiro, não poderia terminar este artigo sem falar dos quase milagres tecnológicos. Os sistemas de radiofrequência do 5G podem trabalhar com mais de 4.000 portadoras operando no sistema OFDMA. O 4G e o WiMAX só admitiam cerca de 2.000 portadoras. Os níveis de modulação podem chegar a até 256 QAM, enquanto os sistemas anteriores admitiam somente o 64 QAM (4 vezes mais). Mas a maior façanha fica por conta das antenas MIMO, Massive MIMO e Beamforming, que permitem, literalmente, focar no aparelho utilizado pelo usuário, contornar obstáculos por meio de feixes combinados, e até mesmo utilizar a mesma frequência, num mesmo setor, atendendo a diversos usuários, devido à capacidade seletiva dessas incríveis antenas, que podem operar com 64 elementos, mas cujo número pode chegar a 256 em sistemas operando nas faixas de ondas milimétricas. Graças a esses recursos, será possível alcançar a marca de 20 Gbps, enquanto o 4G permite uma velocidade máxima de 1 Gbps.

Sejam todos benvindos ao mundo do 5G. Esse é apenas um resumo do que o leitor poderá encontrar no livro que deve ser lançado, com o mesmo título deste artigo, no final de 2021.

* Sobre o autor – José Luiz Frauendorf é engenheiro de telecomunicações há 50 anos. Trabalhou na Telefunken da Alemanha e Brasil, na Elebra, na Digital Equipment Corporation, TVA e NEOTEC. Participou ativamente do WiMAX Forum e da WCA – Wireless Communications Association, tendo sido co-chairman do grupo WiMAX/4G Global Development Committee (GDC). Ficou dez anos longe do segmento, ao qual retornou recentemente. Tem se dedicado a elaboração de um livro sobre a tecnologia 5G.

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