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Vem Aí a 5G – NI Trend Watch 2015 (ART2487)

Em evento anual realizado no Expocenter Norte em São Paulo – SP em 2015, a National Instruments apresentou as novas tendências tecnológicas que devem acelerar a produtividade das empresas e pessoas nos próximos anos. Diversas tecnologias tiveram destaque como a IoT (Internet das Coisas), o Movimento Maker e muito mais. Dentre essas tecnologias destacamos a 5G e reproduzimo0s documentação distribuída na ocasião neste artigo.

5G: a lnternet para tudo e para todos

Com o advento do smartphone, os dados sem fio se tomaram parte indispensável de nosso cotidiano Mas nem todos compreenderam todo o impacto da “internet móvel", dos dispositivos inteligentes altamente funcionais da Apple e de outras empresas. Para alguns, os dispositivos móveis trazem novidades e utilidades divertidas; para muitos, dados sem fio e Internet móvel são ótimos para se assistir vídeos do YouTube. Mas eles trouxeram uma mudança muito maior em nossas vidas.

As redes 4G atuais incorporam as tecnologias mais recentes e oferecem acesso a dados mais rápido, mas ainda não está claro o que virá após o LTE e LTE-A. O aumento no consumo de dados sem fio ultrapassa em muito a capacidade da indústria de atender a demanda.

Mas isso não é tudo. A Internet móvel levou a um cenário de inovação contínua que vai além de dados mais rápidos e maior capacidade. Essas novas redes, conhecidas como de quinta geração ou 5G, podem novamente transformar nossas vidas e desencadear um enorme potencial econômico.

 

O que é o 5G?

As redes 5G precisam comportar muito mais usuários e dispositivos, entregando mais dados a cada usuário a qualquer momento. Desde o surgimento das comunicações digitais na década de 90, a estratégia da tecnologia celular foi baseada no aumento da capacidade e das taxas de dados. Agora que a Internet móvel é uma realidade, surgiu uma nova visão.

Pesquisadores preveem não apenas uma rede 5G com taxas de dados e acesso móvel sem precedentes, mas também uma rede totalmente nova, com a introdução de uma ampla variedade de novos dispositivos conectados. O SG impõe também aos pesquisadores o desafio de resolver questões mais comuns, mas não menos importantes, como a uniformidade de cobertura em uma determinada região e redes com consumo de energia mais eficiente.

 

Taxas de dados 1.000 vezes mais rápidas

O 5G tem como objetivo fornecer taxas de dados de pico na faixa de 10 Gb/s (10oox as taxas do 4G). Dessa forma, um usuário que hoje baixa um vídeo em HD em 40 minutos por uma rede de alta velocidade poderia baixar esse mesmo vídeo em questão de segundos com o 5G.

É óbvio que o acesso a dados mais rápido é atrativo, mas há desafios para se chegar lá. O espectro, que custou bilhões de dólares às operadoras de serviço, simplesmente se esgotou. As redes atuais usam espectros em torno de 700 MHz a quase 3 GHz, e várias entidades públicas e privadas já reivindicam esse espectro. É possível vencer esse desafio de duas formas: (1) explorar um novo espectro ou (2) desenvolver novas tecnologias para enviar mais bits aos usuários no espectro alocado atualmente.

Analistas da indústria preveem que, em 2020 ~50 bilhões de dispositivos estarão conectados a redes móveis no mundo inteiro, e não serão apenas dispositivos móveis de usuários.

 

Bilhões de dispositivos conectados

Analistas da indústria preveem que, em 2020, 50 bilhões de dispositivos estarão conectados a redes móveis no mundo inteiro, e não serão apenas dispositivos móveis de usuários. Dispositivos embarcados que enviam informações a outros dispositivos, servidores ou à nuvem representarão um grande percentual desse total.

Essa explosão de dispositivos conectados à Internet foi intitulada a Internet das Coisas (IoT). Esses dispositivos podem incorporar sensores para diversas medições, e talvez atuadores para ligar e desligar dispositivos ou fazer ajustes em tempo reaI.

Um exemplo são os sinais de trânsito, que além de sincronizados, são conectados e controlados remotamente, para que os congestionamentos sejam imediatamente detectados e desobstruídos. Se os veículos fossem conectados diretamente a um controlador de tráfego, talvez os sinais de trânsito nem mesmo seriam necessários.

Edifícios, pontes e estradas poderiam ter sua integridade estrutural monitorada continuamente. Empresas e governos poderiam usar dados de monitoramento da poluição do ar para regular as emissões e aplicar ações corretivas. Os dados dos sinais vitais dos pacientes poderiam ser conectados, monitorados e analisados. As possibilidades são infinitas.

Os sistemas 5G necessários para transformar essas possibilidades em realidade utilizam dispositivos heterogêneos com diferentes larguras de banda, o que impõe grandes desafios. Para aproveitar todo o potencial da IoT, o 5G precisa resolver os tempos de resposta de rede (latência). Essas tecnologias exigem tempos de resposta determinísticos. Estima-se que a latência nas redes atuais esteja, em média, na faixa de dezenas de milissegundos, com um desvio padrão muito amplo. Se os pesquisadores conseguirem reduzir a latência e melhorar o determinismo, as aplicações de controle poderão ser controladas e operadas de forma remota ou autônoma na nuvem.

 

5G no horizonte

Com alocações fixas de espectro abaixo de 3 GHz, os pesquisadores estão investigando formas de onda que aproveitem melhor o espectro existente, para aumentar o número de bits enviados em uma determinada faixa. Os padrões baseados na multiplexação por divisão ortogonal de frequência exigem maior frequência para transmitir e receber dados com eficiência. As novas formas de onda de 5G lidam com a frequência de espectro usando a infraestrutura de rede existente para comportar mais usuários e dispositivos, enviando mais bits por hertz. A Technical University de Dresden criou o protótipo de uma dessas novas formas de onda, a multiplexação por divisão ortogonal de frequência generalizada, e criou o protótipo de um Iink completo. Seus pesquisadores observaram uma melhora de 30% nas taxas de dados em comparação com o 4G.

Outra opção é a densificaçã0, que significa aumentar o número de pontos de acesso (por exemplo, macrocélulas e microcélulas) implementados em uma região. A densificação é baseada na ideia de que incluir mais pontos de acesso em uma área divide o espectro pela geografia, não pela frequência. Além da densificação, novas topologias de rede como Cloud RAN ou C-RAN permitem que as operadoras de serviço localizem seus equipamentos na nuvem, o que reduz drasticamente os custos de resfriamento dos equipamentos e o consumo de energia da rede Um grande desafio do controle distribuído da rede é a latência. Pesquisadores envolvidos nos projetos de rede Connectivity management for energy Optimísed Wireless Dense (CROWD), financiados pela União Europeia, apresentarem protótipos bem-sucedidos com essas novas arquiteturas. Isso indica que o controle distribuído em uma rede densa é viável.

Novas tecnologias usadas em estações radiobase, como o MIMO massivo, prometem maior largura de banda e eficiência energética. As estações radiobase com MIMO massivo incorporam centenas de elementos de antena com foco na potência por usuário, o que aumenta as taxas de dados e melhora a qualidade dos links de comunicação, particularmente nas bordas das células. Experimentos recentes na Lund University, na Suécia, indicam que a tecnologia de MIMO massivo pode aumentar as taxas de dados em até 100 vezes ou mais.

Novas fronteiras do espectro, na faixa de ondas milimétricas (mmWave), estão sendo exploradas em torno de 28 GHz, 38 GHz, e no intervalo de 71 GHz a 76 GHz. Essas bandas de frequência contam com regulações menos rígidas e oferecem um farto espectro de alta largura de banda. Antigamente, pensava-se que a comunicação nessas frequências seria impossível, pelas características de propagação das ondas eletromagnéticas e pelo custo de desenvolvimento e implementação das redes nessas bandas. Mas a NYU WIRELESS realizou medições que indicaram que as comunicações em ondas milimétricas podem ser viáveis. A Nokia Networks criou o protótipo de um Iink de comunicação mmWave e está atingindo taxas de dados 100 vezes maiores que as taxas atuais do 4G, com latência determinística.

 

Transformando a visão em realidade

O 5G virá, e seu impacto será transformador, mas os pesquisadores precisam de ferramentas e tecnologias para projetar e prototipar seus conceitos com maior rapidez, para acelerar o lançamento e a implementação dos sistemas. Novas formas de onda, densificação de rede, MIMO massivo e comunicações em ondas milimétricas podem ser implementados de forma incremental e complementar. Essas tecnologias 5G estão avançando, e a visão da Internet para todos e para tudo está mais próxima da realidade, dia após dia.

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