Explicado: Os Cinco Pilares de Apoio do 5G

A próxima grande novidade na Internet é sobre a própria Internet, bem, mais ou menos. O 5G ou quinta geração é a próxima geração de telecomunicações sem fio, sucessora da quarta geração (4G) ou LTE. Na verdade, esta não é a primeira vez que as pessoas notarão tal evolução na indústria de telecomunicações. Aparentemente, o mesmo tem acontecido quase a cada década, seguindo a primeira geração (1G) – que deu origem a um sistema analógico para transmissão de voz, segunda geração (2G) – que adicionou a capacidade de enviar voz e dados juntos, terceira geração (3G) – que introduziu velocidades de internet em megabits e chamadas de vídeo, e quarta geração (4G) – que proporcionou uma verdadeira experiência de banda larga móvel com streaming de conteúdo em HD.

Com a quinta geração (5G) prevista para chegar por volta do ano 2020, acredita-se que irá melhorar significativamente as taxas de dados, aumentar a densidade de conexão, reduzir a latência e fornecer velocidades de internet em gigabits. Embora ainda esteja em desenvolvimento e não esteja disponível para uso tão cedo, empresas como Nokia, Qualcomm, Ericsson, Samsung e Intel estão gastando grandes quantias de dinheiro em pesquisa e desenvolvimento do 5G. Até agora, em certo nível, essas pesquisas e desenvolvimentos já deram frutos, com a Nokia planejando lançar sua plataforma “5G first” destinada a fornecer serviço 5G de ponta a ponta, a Intel afirmando que entregará laptops com 5G no ano de 2019, e a Qualcomm planejando entregar seus dispositivos Snapdragon X50 habilitados para 5G em 2019 também.

Com todo esse potencial, espera-se que o 5G abra oportunidades drásticas para AR (Realidade Aumentada), VR (Realidade Virtual) e IoT (Internet das Coisas). A razão pela qual esses serviços poderão aproveitar ao máximo o 5G é que uma conexão 5G deve fornecer velocidades de internet realmente altas e muito pouca latência (atraso entre o momento em que uma mensagem é enviada e quando é recebida) – que é tudo o que é necessário para que serviços como AR, VR e IoT funcionem adequadamente.

Aparentemente, fornecer internet de alta velocidade com baixa latência requer mudanças na forma como os sinais são transmitidos e transportados por longas distâncias. Por essa razão, pesquisas têm desenvolvido várias tecnologias para melhorar o 5G. Entre essas tecnologias, as mais importantes que são consideradas os cinco pilares de uma rede 5G são-

1. Ondas Milimétricas

A maioria dos dispositivos eletrônicos em nossas casas opera em ondas de radiofrequência (RF), que estão abaixo de 6GHz. Com mais dispositivos se conectando à internet a cada dia, essa faixa de frequência está começando a ficar superlotada, levando a problemas como velocidades de internet lentas, alta latência e mais desconexões. Para resolver esses problemas, os pesquisadores estão experimentando o uso de ondas RF milimétricas mais curtas que normalmente caem na faixa de 30-300GHz. A razão para usar essa faixa do espectro RF é que nunca foi usada antes, o que significa que ela tem uma largura de banda muito grande a oferecer para os numerosos dispositivos que temos na internet.

2. Célula Pequena

Embora o uso de ondas milimétricas possa resolver problemas de baixa largura de banda ou outros problemas relacionados, ele tem seu próprio conjunto de problemas que as pesquisas precisam encontrar uma solução. Para entender como as células pequenas funcionam, vamos considerar um problema existente com o uso de ondas RF de frequências mais altas – muitos de nós podemos estar cientes de que o Wi-Fi que usamos para conectar à internet usa duas faixas de frequência, 2.4 GHz e 5 GHz. Na maioria dos casos, usamos a faixa de frequência de 2.4 GHz em nossas conexões (ativada por padrão), já que ondas de frequência mais baixa tendem a ter mais alcance do que ondas de frequência mais alta. O problema com as ondas milimétricas é semelhante a esse problema, uma vez que estamos usando ondas RF de alta frequência que são fracas (têm curto alcance) e não possuem potencial suficiente para viajar por longas distâncias sem se atenuar.

No entanto, as pesquisas encontraram uma solução para isso, que envolve a instalação de milhares de mini estações base de baixa potência próximas umas das outras em comparação com estações sem fio tradicionais, criando uma rede de retransmissão e saltando os sinais para cobrir longas distâncias. Assim como as ondas milimétricas não conseguem viajar por longas distâncias, elas também falham em penetrar objetos como edifícios, árvores, nuvens, etc., o que faz com que os sinais ricocheteiem nesses objetos e se percam. Para resolver esse problema, antenas de células pequenas localizadas em proximidades próximas seriam realmente úteis, pois elas mudariam as estações base dos usuários quando encontrassem um objeto obstrutivo para fornecer uma experiência contínua e ininterrupta.

3. Massive MIMO (Entrada Massiva, Saída Massiva)

A atual rede 4G usa estações base com uma dúzia de portas para antenas, das quais possui oito portas para transmissão e quatro portas para recepção. Por outro lado, o novo padrão 5G pode suportar cerca de cem portas para acomodar mais antenas em um único array, o que aumentaria a capacidade da rede ao permitir que ela envie e receba sinais com mais usuários.

Em resumo, MIMO ou múltipla entrada múltipla saída refere-se a redes sem fio que utilizam dois ou mais transmissores ou receptores para enviar e receber dados. Com numerosas estações base próximas e muito tráfego entrando e saindo das estações base, há uma grande possibilidade de interferência de sinal, o que pode levar a muita atenuação e distorção.

4. Formação de Feixe

Para combater o problema de atenuação e distorção de sinal causado pela transmissão de sinal omnidirecional por centenas de portas usadas nas estações base alimentadas por MIMO, os pesquisadores desenvolveram outra tecnologia, chamada formação de feixe. Semelhante aos sinais de trânsito que impedem as pessoas de colidirem umas com as outras, permitindo que elas se revezem para atravessar a rua, a formação de feixe faz a mesma coisa, mas com sinais e pacotes de rede. Ela foca um feixe de sinal diretamente em um usuário em vez de transmiti-lo em todas as direções, enquanto simultaneamente cria um padrão de transmissão de sinais para que um maior número de usuários possa ser atendido ao mesmo tempo sem perda de sinal. Para isso, utiliza algoritmos nas estações base para enviar múltiplos pacotes pela região, refletindo-os nos objetos ao redor para fornecer a melhor rota de sinal e, assim, atender a muitos usuários usando a tecnologia MIMO sem atenuação e distorção.

5. Duplex Completo

As estações base atuais usadas em redes 4G são capazes de se comunicar em meio-duplex, que é um tipo de comunicação em que as partes conectadas se revezam para se comunicar entre si. O problema com esse tipo de comunicação é que ele não permite comunicação simultânea entre as partes conectadas (comunicação em duplex completo). Devido a isso, a estação base envia ou recebe sinais em um determinado momento para evitar interferência. Até agora, houve duas soluções para combater esse problema: “usar diferentes frequências” e “operação em turnos”.

No entanto, com a nova rede 5G que utiliza ondas milimétricas, os pesquisadores precisam encontrar uma maneira de direcionar os sinais de entrada e saída para que não colidam entre si. Para isso, os pesquisadores desenvolveram interruptores (feitos de transistores) que momentaneamente redirecionam um sinal para evitar colisões e interferências. E assim como outras tecnologias que têm algumas desvantagens, o duplex completo não é diferente e tem sua própria desvantagem – enviar e receber sinais usando a mesma antena pode levar ao que é chamado de eco incômodo, e para superar esse problema, deve haver alguma maneira de criar uma rede livre de eco incômodo.

Com a conexão 5G, tecnologias como AR, VR e IoT devem crescer e se tornar mais comuns e fáceis de usar, o que de outra forma não seria plausível. Para entender o caso de uso do 5G no avanço dessas tecnologias, vamos considerar um cenário em que um médico precisa realizar uma operação em um paciente localizado a meio caminho ao redor do mundo. Para isso, ele usa dispositivos VR e um assistente robótico localizado perto do paciente. Para que essa operação seja bem-sucedida, há uma necessidade absoluta de ter uma rede sem atraso, para que não haja latência entre o momento em que o médico envia um comando ou operação e o momento em que os robôs interceptam e realizam a operação no paciente.

Além dos avanços em AR, VR e IoT, as outras principais vantagens que se pode esperar imediatamente com uma rede 5G em relação à conexão de rede existente são-

1. Internet de alta velocidade
2. Interface de baixa latência
3. Comunicação de máquina aprimorada

Atualmente, o 5G está sendo desenvolvido e testado para lançamento até o ano de 2020, com dispositivos compatíveis esperados para começar a chegar no final do mesmo ano, e a rede sendo amplamente disponível em todo o mundo até 2025.