Arquitetura 5G Introdução a Sistemas de Telecomunicações IFCE-Fortaleza

1. 1
Arquitetura 5G
Introdução a Sistemas de Telecomunicações
IFCE-Fortaleza
Carlos Germano Ferreira Costa
Como vimos anteriormente, a demanda por uma rede capaz de suprir o
crescente consumo de dados bem como a necessidade de conectividade em áreas de
grande densidade urbana tem motivado o desenvolvimento da tecnologia 5G. Neste
tópico, apresentamos uma visão geral das diferentes arquiteturas 5G. Originalmente,
identificamos oito opções de arquitetura, incluindo discussões sobre 3rd Generation
Partnership Project (3GPP), referindo-se a todas as combinações possíveis de
agregação e rede central. Entretanto, como essa tecnologia é um rádio 5G, e se baseia
na infraestrutura de rede 4G LTE atual, temos como objetivo cobrir em maior detalhe a
arquitetura da rede de acesso de rádio na nuvem (Cloud Radio Access Network –C-
RAN) de rede 5G com foco em SDN e NFV (CISCO, 2020). Como muitas também são
as apostas a respeito das tecnologias que serão utilizadas em sua arquitetura. Aqui,
complementamos a discussão dando atenção às seguintes propostas de arquiteturas
para redes 5G: duas camadas, rede CRN, D2D, nuvem. Abordagens específicas de
handover vertical em 5G também são brevemente descritas, considerando as novas
mudanças arquitetônicas impostas por Redes definidas por Software (SDN),
Virtualização de Funções de Rede (NFV) e Computação de Borda Multi-Access (MEC)
(Barakabitze et al., 2020). Incluímos na discussão, a arquitetura de acesso paralelo de
Redes de Acesso de Rádio Múltiplas (Multi-RANs) (denominada SDN-5G) importando
Rede Definida por Software (SDN) –que pode utilizar de forma otimizada os múltiplos
recursos RAN de dispositivos móveis para melhorar a taxa de transmissão de dados (Fu
et al., 2017; Barakabitze et al., 2020). Dessa forma uma visão geral concisa das
tendências em gerenciamento de mobilidade será fornecida considerando as
arquiteturas 5G emergentes e os tipos de serviço (eMBB, mMTC, URLLC) (Akkari e
Dimitriou, 2020).
Arquiteturas e Gerações de Redes Celulares
Durante décadas, diferentes tecnologias de comunicação têm surgido para
melhorar a forma como as pessoas e os dispositivos comunicam-se, transformando o
estilo de vida da sociedade (Figura 1). Redes 5G tem o propósito de ser uma arquitetura
de rede mais heterogênea, permitindo uma evolução nos serviços suportados, como por
exemplo, transporte eficiente e segurança veicular, controle industrial, aplicações de

2. 2
saúde em tempo real, comunicação máquina com máquina, dentre outros desafios
(Bastos e Silva, 2016).
Conforme a evolução das tecnologias sem fio, redes celulares é um tipo de rede
que é composta de uma rede de células, com trasceptores de rádio, chamados de
estação base (Base Station –Bs), no centro de cada célula. A célula é a área de
cobertura de uma única estação base. A célula pode tomar diversas formas, de acordo
com a topografia da região, pois morros e prédios podem afetar, ou mesmo bloquear
sinais. Diante da evolução das redes celulares, a indústria classifica os sistemas de
telefonia celular em gerações, com a primeira geração (1G) analógica, funcionando a
partir de 1979. A Tabela 1 sumariza o desenvolvimento da tecnologia de comunicação
da telefonia móvel celular. Além disso, o Anexo A1, descreve essas informações com
maiores detalhes.
Tabela 1. Gerações e principais características da telefonia móvel celular
Geração Ano Velocidade Tecnologia Característica
Primeira
Geração
–1G
1979-1980 14.4. Kbps AMPS, NMT, TACS serviços apenas de voz
Segunda
Geração
–2G
1990-2000 9.6/14.4 Kbps TDMA, CDMA serviços de voz e dados
Segunda
e meia
Geração
2001-
2004
171.22 Kbps
20-40 Kbps
GPRS
voz, dados, internet móvel e
web, serviços de streaming
de baixa velocidade e
serviços de e-mail
Figura 1. Evolução das tecnologias/arquiteturas sem fio (Bastos e Silva, 2016)

3. 3
- 2.5G-
2.75g
Terceira
Geração
–3G
2004-2005
3.1 Mbps
500-700 Kbps
CDMA200 (1xRTT,
EVDO) UMTS and
EDGE
voz, dados, e multimídia,
suporte para aplicativos de
smartphone, navegação mais
rápida na web, chamadas de
vídeo e streaming de TV
3.5 G
2006-
2010
14.4. Mbps 1-
3 Mbps
HSPA
todos os serviços da rede 3G
com maior velocidade e mais
mobilidade
Quarta
Geração
–4G/4.5G
2010-Em diante
100-300
Mbps.
3-5 Mbps.
100 Mbps
(Wi-Fi)
WiMax e Wi-Fi,
LTE e LTE-
Advanced.
alta velocidade e alta
qualidade de voz sobre IP,
streaming de multimídia HD,
jogos 3D, videoconferência
HD e roaming mundial
Quinta
geração
–5G
2020 1 a +10Gbps
LTE Advanced,
OMA, NOMA,
Cloud.
internet móvel super rápida,
rede de baixa latência para
aplicativos de missão crítica,
Internet of Thing (IoT),
segurança e vigilância,
streaming de multimídia HD,
direção autônoma, aplicativos
smart healtcare, entre outros.
Fonte: Eldorado, (2020).
O 5G é nova proposta que irá fornecer todas as aplicações possíveis, utilizando
apenas um dispositivo universal, interligando as diferentes infraestruturas de
comunicação existentes (Figura 2).
Figura 2. Arquitetura geral de uma rede celular de 5G (Gupta e Jha, 2015; Bastos e Silva, 2016)

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Transformação da Arquitetura –A arquitetura 5G orientada a serviços
A arquitetura de rede móvel existente foi projetada para atender aos requisitos
de voz e serviços MBB convencionais. Contudo, esta organização anterior provou ser
insuficientemente flexível para oferecer suporte diversificado aos serviços 5G devido a
várias versões e atualizações 3GPP, um grande número de NEs, e complexa interfaces.
A arquitetura de rede 5G orientada a serviços, dessa forma, visa atender de forma
flexível e eficiente requisitos de serviço móvel diversificados. Com rede definida por
software (SDN) e Virtualização de funções de rede (NFV) que suporta a infraestrutura
física subjacente (HUAWEI, 2016) (Figura 3).
CloudRAN –Redes definidas por Software (SDN), Virtualização de Funções de
Rede (NFV)
Arquitetura CloudRAN é usada no lado do RAN (Radio Access Network) para
implementar funções RAN em tempo real, implantação sob demanda de recursos de
tempo não real, funções baseadas em componentes, coordenação flexível, e divisão de
RAN. Com Mobile Cloud Engine (MCE), CloudRAN pode implementar orquestração
flexível para RAN Real, funções de tempo e tempo não real com base em diferentes
requisitos de serviço e transmissão configuração de recursos para realizar a turvação
da RAN. A adoção da nuvem permite oferecer melhor suporte para serviços 5G
diversificados e habilita as tecnologias-chave de divisão E2E de rede, e sua implantação
sob demanda de âncoras de serviço e rede baseada em componentes e funções. Como
resultado, o CloudRAN consiste em sites e mecanismos de nuvem móveis. Essa
arquitetura coordena vários serviços, operando em padrões diferentes, em vários tipos
de sites para recursos RAN em tempo real que requerem vários recursos de
computação. A multi-conectividade é introduzida, então, para permitir implantação de
rede sob demanda para recursos RAN em tempo não real. Dessa forma, a rede de
transporte consiste em controladores SDN e encaminhamento subjacente nós. Onde os
controladores SDN geram uma série de caminhos de encaminhamento de dados
específicos com base na rede topologia e requisitos de serviço. A camada superior da
arquitetura de rede implementa o fatiamento automático E2E, e gerenciamento de
recursos de rede (HUAWEI, 2016; Fu et al., 2017; Barakabitze et al., 2020; CISCO,
2020; 3GPP, 2020).
Arquitetura Física e Tecnologias

5. 5
O fatiamento da rede E2E (Slicing) é a base para oferecer suporte a serviços 5G
diversificados, e é a chave para a evolução da arquitetura de rede 5G. Com base em
NFV e SDN, a infraestrutura física da arquitetura de rede 5G consiste em sites e
controladores de domínio de três camadas. Os sites oferecem suporte a vários modos
(como como 5G, LTE e Wi-Fi) na forma de estações base macro, micro e pico para
implementar a Função RAN em tempo real. O DC da nuvem de três camadas consiste
em recursos de computação e armazenamento. A camada inferior é a ponto centro do
DC, que está mais próximo em relativa proximidade do lado da estação base. A segunda
camada é o DC local, e a camada superior é o DC regional, com cada camada de DCs
organizados conectados através de redes de transporte (Figura 4) (HUAWEI, 2016).
Conforme ilustrado na figura 4, eMBB, uRLLC e mMTC são suportados de forma
independente em uma única infraestrutura física. Em eMBB, o fatiamento tem altos
requisitos de largura de banda para implantar cache no mecanismo de nuvem móvel de
um DC local, que fornece serviços de alta velocidade localizado próximo aos usuários,
reduzindo requisitos de largura de banda das redes de backbone. O fatiamento do
uRLLC tem requisitos estritos de latência em cenários de aplicação de direção
autônoma, assistente direção, e gerenciamento remoto. Enquanto, o fatiamento mMTC
envolve uma pequena quantidade de interação de dados de rede e uma baixa
frequência de interação de sinalização em a maioria dos cenários MTC (HUAWEI,
2016).
Figura 3. Arquitetura 5G orientada a serviços (Huawei, 2016)

6. 6
3GPP na arquitetura 5G
O 3rd Generation Partnership Project (3GPP) aborda tecnologias de
telecomunicação, incluindo RAN, rede de transporte core e capacidade de serviços. O
3GPP fornece especificações de sistema completos para a arquitetura da rede 5G, que
é muito mais voltada para serviços do que as gerações anteriores. 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 (3GPP, 2020).
Arquitetura de Duas Camadas
As arquiteturas de duas camadas propostas para a rede 5G baseiam-se no
conceito de uma macro
célula presente na
camada superior
enquanto células menores
trabalham sob sua
supervisão na camada
inferior. A macro célula
engloba todos os tipos de
células menores, de
Figura 5. Tipos de Células (Queiroz et al., 2015)
Figura 4. Infraestrutura Física (Huawei, 2016)

7. 7
diferentes tamanhos Figura 5 (NAE, 2020).
Para identificar os usuários pertencentes a cada célula, a MBS (Macro Base
Station) possui diversas antenas espalhadas pela macro célula que se conectam com a
estação base através de fibra óptica. Em cada edifício ou meio de transporte haveria
uma dessas antenas, para comunicação com a MBS, juntamente com uma SBS (Small
Base Station). Todos os usuários com equipamentos que acessem a rede, chamados
UE (User Equipments), presentes na área de cobertura, poderiam se comunicar através
da SBS ou através de WiFi ou mmWave. Ao realizar essa divisão espacial de usuários
em células, menos carga é imposta à MBS (Figura 6) (Tabela 2, sumariza conceitos).
Figura 6. Arquitetura de múltiplas camadas formada por macro célula, pico-células e femto-células (Queiroz et al., 2015)

8. 8
Tabela 2. Arquitetura de Duas Camadas
Vantagens da utilização de células menores Desafios na utilização da arquitetura em
duas camadas
Arquitetura de duas camadas com auto reconfiguração (self-
healing)
Aumento na taxa de dados: Como a distância física
entre os UEs e a SBS a qual estão conectados é
pequena, a taxa de dados aumenta.
Controle de interferência: Diversos tipos de
interferência são resultantes da utilização de
células
• Interferência inter–camadas: MBS
interferindo em uma SBS; MBS interferindo
no UEs de uma SBS; SBS interferindo no
UEs da MBS.
• Interferência intra–camadas: SBS
interferindo no UEs de outra SBS.
Para o funcionamento eficiente desta arquitetura
é preciso estudar e desenvolver modelos e
algoritmos que lidem com este problema.
A capacidade de detectar e recuperar células defeituosas na rede é
extremamente importante, principalmente ao lidarmos com arquiteturas
densas com múltiplas camadas. Três arquiteturas de auto reconfiguração
já foram propostas, e são descritas a seguir:
• Centralizada: Um servidor dedicado seria responsável por detectar
células defeituosas através da coleta de dados sobre o
comportamento dos usuários. Caso algo fora do comum fosse
percebido em uma célula o servidor a reconfiguraria através das
informações coletas sobre o sistema. Entretanto, esse tipo de
configuração exige um alto nível de comunicação na rede e alto custo
computacional.
• Distribuída: Cada SBS seria responsável por detectar falhas em
células menores em sua vizinhança através da análise dos sinais
recebidos pelas mesmas e das informações coletadas sobre os
usuários ao passarem do domínio de uma célula para outra (handoff).
Caso alguma dessas células próximas falhe, a SBS aumentaria seu
raio e poder de transmissão a fim de englobar os usuários da célula
defeituosa.
• Híbrida: Aproveitando o melhor das abordagens anteriores, a
arquitetura híbrida trabalha em dois passos: gatilho distribuído e
detecção cooperativa. Cada uma das SBS é responsável por coletar
informações sobre os usuários, e caso haja qualquer anormalidade
Utilização eficiente do espectro de
frequências: Como há um menor número de UEs
conectados diretamente à MBS o espectro de
frequências é mais bem utilizado.
Economia de energia: Por não envolver
diretamente a MBS o consumo de energia na rede é
menor. Além disso, os UEs também consomem
menos energia por se comunicarem em distância
menores e com menor sobrecarga no sinal.
Menores custos: A instalação de SBS exige menor
custo, planejamento, e gestão em comparação com
uma MBS.
Transferência de dados de retorno: Quanto
maior a densidade de células menores, maior é a
quantidade de dados a ser transferida para a
rede principal. De modo geral, há três formas de
lidarmos com esse problema:
Menor congestionamento na MBS: As SBS
descarregam o número de UEs conectados à MBS,
melhorando a capacidade do sistema ao diminuir
sua carga e congestionamento.

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Escalabilidade: A característica “plug and play” das
células menores permite que a rede seja configurada
de acordo com a necessidade; ou seja, aumenta a
capacidade de rede sobre demanda.
• Fibra ótica: pode-se conectar a MBS a cada
SBS através de fibra ótica; porém será uma
solução cara e demorada.
• Ponto-a-multiponto (PTMP): pode-se
estabelecer uma conexão wireless “um para
muitos” de forma que a MBS possa se
comunicar com cada uma das SBS.
• Ponto-a-ponto (PTP): pode-se utilizar
antenas bidirecionais, conectando cada SBS
à MBS. Comparando com a utilização de
fibra ótica, além de ser wireless, possui um
custo muito menor.
um sinal é enviado ao servidor dedicado; a isso chamamos gatilho
distribuído. Uma vez acionado, o servidor tomará sua decisão final a
partir das informações recebidas por todas as SBS, na chamada
detecção cooperativa. Dessa forma, temos uma abordagem que não
necessita de comunicação entre as células menores, além de
oferecer alta acurácia e baixa latência em sua execução.
Fonte: Queiroz et al., 2015

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Arquitetura de Redes de Rádio Cognitivo –CRN
Com o grande aumento da utilização de redes sem fio, o espectro de frequências
tem se tornado um recurso escasso, principalmente para as faixas “não-licenciadas”.
Estas faixas, que ocupam a menor parte do espectro, podem ser utilizadas livremente,
sem haver diferença de prioridade em seu uso. Dessa forma apresentam grande fluxo
de dados, principalmente nos centros urbanos, onde há maior densidade de usuários.
Por outro lado, as faixas “licenciadas”, que ocupam a maior fração do espectro, são
restritas àqueles que possuem prioridade em seu acesso, e acabam, muitas vezes,
sendo mal utilizadas.
Uma rede de rádio cognitivo ou CRN (Cognitive Radio Network) é formada por
um conjunto de nós de rádio cognitivo, chamados usuários secundários (SU –Secondary
Users), que exploram o espectro de frequências oportunisticamente, buscando sua
melhor utilização. Os US’s são capazes de analisar diversos canais diferentes buscando
aqueles que não estão sendo utilizadas no momento, ou seja, nos quais seu usuário
licenciado, chamado também de usuário principal (PU –Primary Users), se encontra
ausente. Assim, quando “livres”, estes podem ser utilizados por outros serviços,
otimizando a disponibilidade das faixas de frequência e diminuindo a interferência entre
outros usuários (Figura 7).
Em uma rede 5G, a CRN é utilizada para definir uma arquitetura de múltiplas
camadas, como visto no tópico anterior, reduzindo a interferência entre as células e
minimizando o consumo de energia na rede.
Um tipo de arquitetura baseada em CRN apresentada para redes 5G funcionaria
estabelecendo uma relação na qual células menores atuariam como SU. Dessa forma,
estas se comunicariam com a macro célula utilizando uma faixa licenciada de frequência
enquanto fornecem serviço aos UEs através do acesso oportunístico, interferindo ao
mínimo nas atividades da macro célula (Tabela 3, sumariza elenca sua utilização).
Figura 7. Exemplo de oportunidades de acesso a faixa licenciada (Queiroz et al., 2015)

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Tabela 3. Arquitetura Baseada em Redes de Rádio Cognitivo
Utilização de CRN em redes 5G
Minimizar
interferência
Ao integrarmos técnicas cognitivas à rede 5G podemos evitar a interferência de forma
eficiente ao não selecionar canais idênticos aos canais de células vizinhas. A alocação
de canais às células menores é feita de modo a evitar qualquer tipo de interferência
entre camadas através da análise das faixas de frequência, probabilidade de colisão,
atividades da macro célula e recursos disponíveis.
Aumentar a
capacidade
da rede
Com a possibilidade de explorar os buracos (zonas não utilizadas) no espectro, faixas
temporariamente não ocupadas, aumenta-se a taxa de transferência de dados e
melhora-se utilização da largura de banda.
Fonte: Queiroz et al., 2015
Arquitetura D2D
A comunicação “dispositivo para dispositivo” ou D2D (device to device) permite
que UEs próximos possam se comunicar sem a necessidade de envolver uma MBS. Ou
seja, utilizando uma faixa licenciada para aparelhos celulares, dois usuários próximos
podem trocar mensagens diretamente sem que estas precisem passar por uma estação
base, como uma antena por exemplo. A Tabela 4, sumariza os conceitos e os desafios
dessa arquitetura.

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Tabela 4. Arquitetura com Comunicação D2D
Desafios da comunicação D2D: Vantagens da comunicação D2D
Controle de interferência: Como em qualquer troca de mensagens, UEs envolvidos em
uma comunicação D2D podem sofrer, e gerar, interferência para outros UEs presentes na
mesma célula ou em células vizinhas. Este problema é inevitável, mas pode ser
solucionado de forma simples ao implementarmos CRN em uma comunicação D2D; como
visto descrito anteriormente. UEs são considerados os SUs enquanto os canais paralelos
dentro de uma célula seriam os PUs. Como resultado, todas as formas de remoção de
interferência proporcionadas pela CRN podem ser utilizadas na comunicação D2D.
• Processamento sensível a atraso: Transferência de áudio, vídeo, ou jogos
online, necessitam de processamento em tempo real e são sensíveis à latência
(a atraso). Consequentemente, é preciso considerar estes requisitos ao buscar
soluções através da informação sobre o estado do canal (CSI –Channel State
Information) e QoS.
Com a possibilidade para UEs próximos de se comunicarem aumenta-se a
taxa de dados entre eles, promovendo uma forma de comunicação instantânea e um
modo fácil de transferência de arquivos nó-à-nó (pessoa-a-pessoa). Aumenta-se
também a eficiência do espectro de frequências e diminui o consumo de energia dos
UEs conectados, além de descarregar o tráfego da MBS.
Preço: Algumas vezes um UE utiliza recursos, como bateria e armazenamento de dados,
de outros UEs para transmitir informação. Estes, por sua vez, podem cobrar pelo
fornecimento de tais recursos. Assim, é preciso que um modelo de preços seja
estabelecido, para que não seja cobrado mais do que seria gasto caso a comunicação
fosse realizada através de uma estação de base.

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Alocação de recursos: Para haver uma comunicação D2D é preciso alocar uma certa
quantidade de recursos, como largura de banda e canais. Entretanto, a alocação dos
recursos necessários deve ser feita de forma que outras células não sofram interferência
e que se mantenha uma comunicação eficiente.
• Conexão: Algo similar à uma relação de amizade em redes sociais. Ao sabermos
quais UEs estão conectados e o quão forte é essa ligação podemos alocar
maiores recursos e banda, a fim de evitar congestionamento, interferência e
aumentar a eficiência do espectro de frequências e dados, de outros UEs para
transmitir informação. Estes, por sua vez, podem cobrar pelo fornecimento de tais
recursos. Assim, é preciso que um modelo de preços seja estabelecido, para que
não seja cobrado mais do que seria gasto caso a comunicação fosse realizada
através de uma estação base.
• Comunidade: A alocação de recursos aos UEs presentes em uma comunidade
é feita de modo a diminuir a duplicidade de conteúdo e a aumentar o fluxo de
dados na rede. Seria algo similar a um grupo numa rede social qualquer, por
exemplo.
• Centralidade: A ideia de centralidade diminui o congestionamento e aumenta o
fluxo de dados na rede ao alocarmos maiores recursos ao nó central de uma
comunidade; aquele possui o maior número de conexões.
• Pontes: Uma conexão entre comunidades. Os UEs que formam uma ponte
podem precisar de maior alocação de recursos em comparação aos demais
devido a ligação que possuem.
Fonte: Queiroz et al., 2015

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Sabendo que a comunicação D2D requer proximidade entre os UEs para sua
maior eficiência, uma arquitetura baseada em redes sociais (Social-Aware Architecture)
foi sugerida a fim de facilitar a alocação de recursos. Nela, estariam presentes quatro
componentes principais, como exemplificado na figura 8:
Arquitetura baseada na nuvem – Acesso à Rádio (Radio Access Network –RAN) e
Cloud Radio Access Network (C-RAN)
Atualmente, a arquitetura da rede de acesso à rádio (Radio Access Network –
RAN) consiste em estações formadas pelas antenas, uma unidade de rádio (Remote
Radio Head –RRH), e uma unidade de processamento de banda (BBU), a qual pode
estar localiza a até 40km de distância da RRH (Figura 9).
Figura 9. Responsabilidades da BBU e RRH (Queiroz et al., 2015)
A rede de acesso à rádio na nuvem (C-RAN) é uma arquitetura que quebra com
esse paradigma ao propor que os RRHs não sejam mais servidos cada um por um BBU
dedicado (Tabela 5). No lugar disso, os RRHs são servidos por um cluster de BBUs na
nuvem (Figura 10). Cloud Radio Access Network (C-RAN) é uma arquitetura de rede em
que os recursos de banda base são reunidos de modo que eles possam ser
Figura 8. Arquitetura D2D baseada em rede social (Queiroz et al., 2015)

15. 15
compartilhados entre as estações base (Rost et al., 2014; Checko et al., 2015). Apesar
de não ser a única arquitetura que pode responder às mudanças enfrentadas pelas
operações de redes móveis. Outras soluções incluem small cells, como parte de
HetSNets, Massive MIMO (Multiple-input and multiple-output), mm wave, dentre outras
tecnologias, conforme (Gupta e Jha, 2015).
O conceito de C-RAN foi introduzido inicialmente pela IBM com o nome de
Wireless Network Cloud (WNC) e construído sobre o conceito de Distribuited Wireless
Communications System. C-RAN é o termo que descreve essa arquitetura, onde a letra
C pode ser interpretada como: Cloud, Centralized Processing, Cooperative Radio,
Collaborative ou Clean. Em termos de arquitetura e infrastrutura, o C-RAN apresenta o
potencial de responder aos desafios de implantação de redes de comunicação.
processamento da banda base é centralizado e compartilhado entre os sites virtuais
denominados de BBU Pool. Isto significa que estão adaptados para tráfego não uniforme
e utilização de recursos. Ex.: estações bases mais eficientes. Devido a esse fato que
menos BBUs são necessários em C-RAN em comparação com a arquitetura tradicional,
C-RAN também tem potencial para diminuir o custo de operação de rede, porque o ônus
de consumo de energia é reduzido em comparação com a arquitetura RAN tradicional.
Novas BBUs Pool podem ser adicionadas e atualizadas facilmente, melhorando assim
a escalabilidade e facilidade a manutenção da rede virtualizada (Bastos e Silva, 2016)
Tabela 5. Arquitetura de Rádio na nuvem (C-RAN)
Principais vantagens da arquitetura C-RAN Desafios da arquitetura C-RAN
Facilita a gestão da rede: com o processamento
de banda centralizado, tarefas como
balanceamento de carga, controle de interferência
entre as estações, controle de tráfego são
Segurança: essa arquitetura precisa lidar com os
problemas de segurança das redes wireless e com
computação em nuvem ao mesmo tempo.
Figura 10. Funcionalidades da estação base. Exemplo de processamento de banda na BBU e sub-
módulos do RRH (Queiroz et al., 2015)

16. 16
facilitados. A instalação ou manutenção de
recursos virtuais também são beneficiadas.
Redução de custo: A expansão da rede só
necessita de instalações de novos RRHs com
conexão para o cluster de BBUs. Isso gera redução
no custo operacional com as estações, tanto na
instalação quanto manutenção.
Latência: nesta arquitetura, serviços aos usuários
que seriam executados pela estação base são
enviados para serem processados nuvem e então
retornam. Esse overhead de comunicação impõe
obstáculos para atingir os requisitos de latência do
5G.
Melhor resposta às movimentações sazonais: A
utilização da rede tem uma natureza sazonal.
Durante o horário comercial a rede é utilizada
intensivamente nos centros enquanto redes em
regiões residenciais são subutilizadas. Nos finais
de semana e horários não comerciais esse quadro
se inverte.
Na arquitetura RAN os BBUs precisam ser
dimensionados para suportar o período de maior
tráfego na sua região, ocasionando ociosidade no
período de menor tráfego. Na C-RAN, porém, a
mesma nuvem pode servir tanto regiões
comerciais como residenciais, tornando possível
dimensionar o cluster de BBUs de forma a haver
menos ociosidade.
A decisão de quais funções devem ser
responsabilidades da estação base ou da nuvem
ainda é um problema em aberto.
Compartilhamento de nuvem: Como os clusters
de BBUs vão estar na nuvem, várias operadoras
podem usar o mesmo cluster, permitindo-as alugar
esse serviço.
Fonte: Queiroz et al., 2015
Arquitetura RAN versus C-RAN (na nuvem)
Nas RAN (Radio Access Network) tradicionais cada estação-base dispõe de sua
própria BBU (Base Band Unit) com o rádio integrado ou localizado de maneira remota
no topo da torre. A computação de borda na nuvem reduz o tempo de resposta e as
necessidades de largura de banda, abrindo caminho para novos serviços com valor
agregado que as operadoras podem oferecer aos seus clientes, como uma solução de
segurança e privacidade instantânea sempre ativa. A Tabela 5 sumariza as possíveis
evoluções (AVAST, 2020).

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Tabela 5. Arquitetura de RAN (Radio Access Network) vs. C-RAN (nuvem)
RAN centralizado RAN na nuvem
Trata-se de uma evolução do conceito
estabelecido de estações-base (hosts) onde várias
unidades de rádio remotas (RRUs) se conectam a
uma única BBU, compartilhando recursos de forma
flexível. A BBU pode ser local ou remota. Suas
principais vantagens relacionam-se com a
eficiência tanto em custos como a nível energético.
Consiste em uma arquitetura em que a China
Mobile foi pioneira, a qual estabelece uma
separação funcional entre recursos remotos e
compartilhados. Estes últimos se virtualizam e
implementam como funções de rede virtual (NFV)
em um servidor ou na nuvem. Esta opção, além de
apresentar vantagens quanto a economia de
custos e energia, também pode suportar
economias de rede radicalmente novas e uma
ampla gama de serviços, atuando como um
precursor da segmentação de rede 5G.
Fonte: Queiroz et al., 2015
Ainda assim, a maior parte da carga de tráfego continua a estar nas mãos das
macrocélulas, ou seja, antes de implantarem a infraestrutura de novas tecnologias, as
operadoras deverão ter uma estratégia clara para melhorar suas redes de transporte
atuais, que são as que sustentam as redes macros. Para este feito deverão migrar a um
ambiente SDN e NFV como medida para reduzir as complexidades e custos de suas
redes de transporte. A virtualização de funções de rede, em combinação com a criação
de redes definidas por software (SDN), terá uma influência enorme na criação de redes
5G, que permitirão um maior dinamismo na gestão dos serviços. O resultado será uma
ampliação nos esquemas e modelos de negócio presente e futuros.
Arquitetura Tradicional vs. C-RAN
Em uma arquitetura tradicional, funcionalidades de processamento de rádio e
banda são integrados dentro da estação base. O módulo da antena é geralmente
localizado próximo (poucos metros) ao módulo de rádio, conectado através de um cabo
coaxial que permite perdas elevadas. A interface X2 é utilizada entre as estações base,
e a interface S1 conecta as estações base com o núcleo da rede. Essa arquitetura foi
popular na 1G e 2G de redes móveis. No caso das redes da 3G, as funcionalidades da
arquitetura RRH (Remote Radio Head) e a estação base estão separadas. A unidade
de rádio é chamada de RRH ou Remote Radio Unit (RRU). RRH fornece a interface
para a fibra e executa o processamento digital, conversão digital para analógico,
conversão analógico para digital, amplificação de potência e filtro. A parte do
processamento de sinal de banda base é denominada de BBU ou Data Unit (DU). Essa
arquitetura foi introduzida quando as redes 3G foram implantadas e agora a maioria das

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estações base a utilizam. Uma das limitações dessa arquitetura está relacionado a
distância entre a RRH e a BBU, não podendo ultrapassar 40 Km de distância, devido às
limitações de atraso de processamento e propagação. Como meio de comunicação,
pode-se usar a fibra óptica e ondas de micro-ondas para conectar a RRH e a BBU.
Nessa arquitetura, os equipamentos da BBU podem ser colocados em locais de acesso
mais fácil, diminuindo custos de aluguel e manutenção, comparado com a tradicional
arquitetura RAN, onde a BBU necessita estar próxima a antena. No C-RAN, para
otimizar a utilização da BBU entre as estações base, as BBUs são centralizadas em
uma única entidade que é chamada de BBU/DU Pool. A BBU Pool é compartilhada entre
as células da rede celular e virtualizadas. A BBU Pool é um cluster virtualizado que pode
consistir em um processador de proposta geral (GPP) para executar o processamento
da banda base (PHY/MAC), sendo que a interface X2 é uma nova forma, muitas vezes
referida como X2 + que organiza a comunicação inter-cluster (Figura 11).
No caso de arquitetura de rede móvel C-RAN LTE. A parte fronthaul da rede se
estende a partir dos sites RRHs até os BBUs Pool. O backhaul conecta as BBUs Pool
com o núcleo móvel da rede. Em um local remoto, RRHs são conectadas com as
Figura 11. Arquiteturas de Redes Celulares Tradicionais vs. C-RAN fio (Baldo et al., 2012; Gupta e Jha, 2015; Bastos e
Silva, 2016)

19. 19
antenas. RRHs são conectadas com processadores de alto desempenho na BBU Pool
com baixa latência, alta largura de banda e ligações ópticas (Figura 12). A Tabela 6
sumariza comparativamente as arquitetura tradicional com o C-RAN.
Tabela 6. Comparativo ente Arquitetura Tradicional, as Estações Base com RRH e a Estação Base com
uma Arquitetura C-RAN
Arquitetura Funcionalidades de Rádio e Banda Base
Estação Base
Tradicional
Localizado em uma Estação Base
Estação Base com
RRH
Dividida entre RRH e BBU.
RRH está localizado junto com a antena.
BBU localizado dentro do raio de 20-40 Km.
C-RAN
Dividido entre RRH e BBU.
RRH está localizado próximo à antena.
BBUs localizados em um pool de BBUs numa área entre 20-40 km de raio.
Fonte: Queiroz et al., 2015; Bastos e Silva, 2016
Edge Computing de Múltiplo Acesso (MEC)
Edge Computing de Múltiplo Acesso (MEC) é um elemento importante da
arquitetura 5G. A MEC é uma evolução da evolução 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
Figura 1. Arquitetura C-RAN LTE (Baldo et al., 2012)

20. 20
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 utilizem novas abordagens para testar e validar a rede. As redes 5G
baseadas nas especificações do 3GPP para 5G são um ambiente ideal para
implementação da MEC. Conforme 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
ligados inerentes à implementação do 5G e ao crescimento da Internet das Coisas (IoT).
Inovações em Arquitetura de Rede e Espectro para o 5G
Satisfazer as demandas de qualidade de serviço e experiência de seus usuários
força as operadoras a implantar novos tipos de infraestrutura e tecnologias carrier
grade1
assim como sistemas de antenas MIMO (com a capacidade de emitir em
múltiplas direções no mesmo momento), sistemas distribuídos (DAS) small cells e
cabeças de rádio remotas (RRH), entre outros. As redes 5G dependerão em grande
medida de tecnologias emergentes como SDN (Software Defined Networking) NFV
(Network Function Virtualization) MEC (Mobile Edge Computing) e FC (Fog Computing)
(NAE, 2020; VIAVI, 2021). Nesse sentido, as redes 5G trarão inovações em termos de
arquitetura, já que precisarão se equipar de fortes infraestruturas, as mais notáveis das
quais serão:
Redes ultradensas/small cells
Dada a limitada quantidade de espectro sub-3GHz disponível, a elaboração das
atuais redes 2G, 3G, e 4G será insuficiente para suportar os serviços que se esperam
com o 5G. O espectro de alta frequência carece das propriedades de propagação
necessárias para que o 5G alcance todo seu potencial. Portanto, uma marcada
1
Em telecomunicações um “carrier grade” ou “carrier class” refere-se a um sistema ou um componente
de hardware ou software extremamente fiável e testado. Os sistemas carrier grade são provados e
elaborados para cumprir ou exceder os padrões de alta qualidade de “cinco noves” e proporcionam uma
recuperação de falhas muito rápida (normalmente menos de 50 milissegundos).

21. 21
densificação de small cells2
, ou seja, aproximar a antena do usuário final seja mediante
instalações em mobiliário público, em comércios ou em pontos estratégicos, será vital
para esta nova tecnologia.
Transição à fibra em grande escala
O alto rendimento oferecido pelo 5G desde as localizações móveis aos usuários
finais precisa ser respaldado pela Rede central da operadora. Isto conduzirá à
implementação de fibra na maioria das localizações móveis apesar de o espectro de
mmWave (30-300 Ghz) na banda E (70-80 GHz) também poder ser usado para
proporcionar uma retroalimentação de micro-ondas de capacidade muito alta.
Uso Eficiente de Energia
Para a rede 5G, uma arquitetura de energia eficiente é simplesmente
indispensável. Diferentes propostas que visam reduzir o consumo de energia na
infraestrutura da rede já foram apresentadas por pesquisadores. Muitas delas utilizam-
se das arquiteturas discutidas nos tópicos anteriores e estão listadas na Tabela 7.
Tabela 7. Arquitetura para Uso Eficiente de Energia
As operadoras sempre tiveram uma grande preocupação em utilizar o espectro de frequência de forma
eficiente, enquanto a eficiência energética ficou em segundo plano. Pesquisadores propõe uma
otimização conjunto eficiência energética e espectral.
Desacoplar a sinalização do tráfego de dados para arquiteturas de duas camadas. Para isso, a MBS
seria uma estação base de sinalização enquanto todo tráfego de dados passaria pelas SBS. Assim, caso
uma SBS não tenha cliente ativos ela poderia ser desligada até que a MBS detecte um cliente ativo na
região dessa SBS.
Coletar energia (eólico, solar etc.) e ondas de rádio nas SBS. Isso seria a uma óbvia fonte de energia e
uma forma de minimizar a interferência, visto que ondas de rádio que iriam causar interferência são
transformadas em energia.
Espectro
Tal e como se pode apreciar no gráfico, abaixo de 5GHz encontramos uma boa
banda larga disponível, marcos de licenciamento definidos (na Europa) e um 3GPP
padronizado, mas com capacidade incompleta para o 5G (Figura 13).
2
Operadoras na Espanha estão se concentrando em macro cells, deixando pelo momento as small cells de
lado.

22. 22
Em bandas de espectro de 20-30GHz, mantém-se o foco no desenvolvimento de
equipamento e nos testes e vemos que a banda exata varia por região de 2.45GHz a
2.95GHz. As bandas superiores a 30GHz não são uma prioridade inicial para os padrões
3GPP. Não obstante, existe um crescente interesse da indústria em opções futuras (ex:
405-435GHz). Espera-se que o 5G requeira espectro tanto em bandas de baixa
frequência (sub-1GHz) como de alta frequência (20-40GHz) muito superiores às atuais.
A utilização destas bandas tem a vantagem de uma maior velocidade de transmissão,
mas também um sério problema: um baixo raio de cobertura e uma escassa capacidade
de penetração. Ou seja, uma ligação superior a 60 GHz será efetiva em campo aberto
ou quando vamos andando na rua, mas dificilmente transpassará a parede de um
edifício para nos dar cobertura no interior. Daí a necessidade de utilizar outras bandas
a frequências inferiores e de que o regulador não descarte também as de 36, 38, ou 42
GHz. No leilão brasileiro, serão ofertadas quatro faixas de frequência: 700 MHz; 2,3
GHz; 26 GHz; e 3,5 GHz. As faixas de frequências são espectros usados para a oferta
de telefonia celular e de TV por assinatura (MCTI, 2021).
Figura 23. Espectros de 5G (Viavi, 2020)

23. 23
A tecnologia 5G é a 5ª geração de redes móveis, uma evolução significativa das
redes 4G LTE atuais (EMF, 2020). Enquanto as gerações anteriores de tecnologia de
celular (4G LTE) se concentravam em garantir a conectividade, a 5G busca expandir a
conectividade ao oferecer experiências conectadas desde a nuvem até os clientes
(CISCO, 2020). Nesse aspecto as redes 5G são virtualizadas e baseadas em software
e exploram as tecnologias de nuvem, mudando radicalmente as Tecnologias de
Informação e Comunicação (TIC) para um sistema diretamente adaptado e otimizado
para oferecer suporte a mercados e serviços verticais (Guidotti et al., 2020).
Desse modo, o 5G é considerado uma solução para fornecer aos utilizadores
wireless elevada cobertura e capacidade de rede aumentada, ao permitir a integração
de redes heterogéneas, que podem ter diferentes tecnologias de acesso wireless,
tamanhos de área de cobertura, e topologias (Akkari e Dimitriou, 2020). Tendo em conta
que o 5G foi projetado para atender ao grande crescimento em dados e conectividade
da sociedade moderna de hoje, a Internet das coisas com bilhões de dispositivos
conectados, e as inovações de amanhã, o 5G irá operar inicialmente em conjunto com
as redes 4G existentes antes de evoluir para redes totalmente autônomas em
lançamentos subsequentes, e expansões de cobertura (EMF, 2020). Além de fornecer
conexões mais rápidas e maior capacidade, em conjunto com um tempo de resposta
rápido, conhecido como latência3
. Suportará o crescente consumo de serviços
multimídia e a demanda de serviços de alta qualidade dos clientes, desencadeando uma
mudança fundamental na forma como administramos as redes em termos de abstração,
separação e mapeamento de encaminhamento, controle e aspectos de gerenciamento
de serviços abrindo um novo mundo de aplicativos conectados (Barakabitze et al., 2020;
EMF, 2020).
Conclusão
Desde seu surgimento, a rede de telefonia sofreu diversas transformações na
comunicação e ao longo do tempo obteve modificações que nos permitem hoje,
comunicação entre dispositivos móveis com alto desempenho de interoperabilidade. O
que já foi sinal analógico, hoje é sinal digital, o que antes era um espaço fixo garantido
em um aparelho de comunicação, hoje é um dispositivo móvel com grande capacidade
de armazenamento e funcionalidades que permitem ao usuário uma conexão sem fio
de alta qualidade. Como já comentamos, encontramo-nos em plena corrida tecnológica
3
Latência é o tempo que os dispositivos levam para responder uns aos outros pela rede sem fio. As redes
3G tiveram um tempo de resposta típico de 100 milissegundos, 4G é cerca de 30 milissegundos e 5G será
tão baixo quanto 1 milissegundo. Isso é virtualmente instantâneo (EMF, 2020).

24. 24
para o 5G. Restam uns anos intensos de testes, leilões por espectros, acordos e
padronizações ao redor do mundo, embora se calcule que em 2025 já poderemos
desfrutar de forma generalizada da tecnologia que nos abrirá as portas à internet das
coisas.
O propósito do 5G é unificar o que há de melhor nas tecnologias anteriores. A
expectativa é que o 5G satisfaça o crescimento acelerado de dispositivos na rede,
principalmente todos os dispositivos da IoT (Internet das Coisas), apesar de que tudo
que se diz são apenas especulações. Apesar de se tratar de especulações, as
ambiciosas exigências trazidas pela implementação do 5G já estão desencadeando
muitos pensamentos criativos e um sentido de urgência em trazer tecnologias
inovadoras para realidade dos usuários.
Referências
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25. 25
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Guidotti, A.; Cioni, S.; Colavolpe, G.; Conti, M.; Foggi, T.; Mengali, A.; Montorsi, G.;
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em:<https://www.3gpp.org/technologies/presentations-white-papers>.

26. 26
ANEXOS
Anexo A1. Gerações da telefonia móvel celular, com as características detalhadas
Geração Ano Característica
Primeira
Geração –
1G
1979 velocidades muito baixas, cerca de 9,6 Kbps. O sistema tinha
uma série de desvantagens como funcionar abaixo da
capacidade nominal, sujeito a interferências, inseguro e projetado
para trafegar somente voz. Esses sistemas eram analógicos e
utilizavam a técnica de acesso Frequency Division Multiple
Access (FDMA), onde cada usuário era alocado em uma
frequência distinta, permitindo uma boa cobertura, mas um
número limitado de usuários.
Segunda
Geração –
2G
1990 impulsionado pelo avanço dos circuitos integrados que
permitiram a efetivação da tecnologia digital. Global Systems for
Mobile communications (GSM), utilizado principalmente para
comunicação de voz, tendo uma taxa de dados de até 64 Kbps,
provendo serviços como Short Message Service (SMS) e e-mail.
Comparado com os sistemas analógicos, os sistemas de
segunda geração, além de possibilitarem uma maior capacidade,
ofereciam como vantagens: técnicas de codificação digital de voz
mais poderosas, maior eficiência espectral, melhor qualidade nas
ligações, tráfego de dados na rede e criptografia da informação
transmitida. Algumas tecnologias da segunda geração: GSM,
Code Division Multiple Access (CDMA) e IS-95.
Segunda
e meia
Geração
- 2.5G
2000 A geração (2.5G) utiliza a estrutura da 2G, mas introduzindo a
comutação de pacotes, juntamente com a comutação de
circuitos. Com as tecnologias High Speed Circuit Switched Data
(HSCSD), Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE) e o
General Purpose Radio Services (GPRS), muitos problemas
relacionados a capacidade dos sistemas anteriores foram
resolvidos. Permitia uma taxa de dados de aproximadamente 144
Kbps. Algumas tecnologias da 2.5 são: GSM/GPRS e Code
Division Multiple Access (CDMA).
Terceira
Geração –
3G
final de 2000 taxa de transmissão de até 2 Mbps, maior imunidade a
interferências e permite acesso móvel de alta velocidade para
serviços baseados no protocolo IP (Internet Protocol - IP). Além
da melhora na taxa de transmissão, os serviços da terceira
geração permitem oferecer qualidade de servico (Quality of
Service –QoS). Uma das desvantagens dessa geração, é o fato
que os aparelhos precisam de mais energia em comparação as
gerações anteriores. Os principais padrões desenvolvidos para a
terceira geração foram: Wideband Code Division Multiple Access
(WCDMA), Universal Mobile Telecommunications Systems
(UMTS) e a tecnologia Code Division Multiple Access (CDMA)

27. 27
2000, que envolve tecnologias como High Speed Uplink/Downlink
Packet Access (HSUPA/HSDPA) e Evolution-Data Optimized
(EVDO).
3.5 G 2010 Geração intermediária entre a 3G e a 4G, que provê uma taxa de
dados entre 5 e 30 Mbps. A tecnologia Long-Term Evolution
Technology (LTE) tem o potencial para complementar a
capacidade da rede e fornecer um número maior de usuários,
acessando uma ampla gama de serviços de alta velocidade como
vídeo sob demanda, compartilhamento de arquivos e serviços
ponto a ponto.
Quarta
Geração –
4G/4.5G
Geralmente referida como descedente dos padrões de 2G e 3G.
O 3rd Generation Partnership Project (3GPP) padronizou a
tecnologia Long-Term Evolution Advanced (LTE-A) sendo o
padrão de 4G. Um sistema de 4G melhora as redes de
comunicação transmitindo uma solução completa e confiável com
base em pacotes IP. Serviços como voz, dados e multimídia tem
como propósito transmitir aos assinantes em qualquer lugar a
qualquer momento a taxas de dados muito mais elevadas em
relação as gerações anteriores. Para a 4G, algumas aplicações
como Multimedia Messaging Service Digital Video Broadcasting
(DVB) e bate-papo de vídeo, conteúdo de TV em alta definição e
TV móvel são fornecidos.
Quinta
geração –
5G
2020 O 5G propõe a próxima fase para os padrões de
telecomunicações móveis, onde as redes 5G também satisfaçam
as necessidades dos novos casos de uso, como a Internet das
Coisas, os serviços de radiodifusão e comunicação em situações
de desastres naturais. O leilão das frequências da 5G ocorrerá
no Brasil em 2021 (caso não ocorra qualquer tipo de adiamento)
e podemos esperar as primeiras redes operacionais já no começo
de 2022, ainda que de forma conservadora.
Fonte: Bastos e Silva, 2016

28. 28
Glossário de termos
Preparamos esse glossário para facilitar o seu entendimento sobre assuntos
ligados à tecnologia 5G:
5G: a última renovação dos padrões de redes celulares, que inclui o alcance das
frequências de rádio abaixo de 6 GHz.
NFV: é o processo de migração das funções de rede do hardware tradicional
para um software virtualizado, permitindo com que a rede escale na medida em que sua
arquitetura se torna virtual.
VNF: são contêineres de software executados em uma infraestrutura NFV que
contam com diversos serviços, como: balanceamento de carga, firewalls ou segurança
e controle parental.
Computação de borda na nuvem: computação feita remotamente na borda da
rede. Por estarem mais próximos à localização dos dispositivos em uso, o tempo de
resposta é menor, assim como as necessidades de largura de banda.
Telco/ISP: A empresa que é dona e provedora de redes privadas 5G para que
usuários conectem seus dispositivos.