Introdução ao 5G NR

Aprenda os fundamentos do 5G NR, incluindo suas bandas de frequência, aplicativos e tecnologias que o tornam possível.

5G, a próxima (quinta) geração em comunicações sem fio de smartphones, foi fortemente promovido no mundo do consumidor como um nível superior para dispositivos móveis. Mas o que o 5G representa aos olhos dos engenheiros que desenvolvem esses dispositivos?

Neste artigo, vamos nos aprofundar no 5G NR (Novo Rádio) e explorar os modelos de uso múltiplo e as bandas de frequência múltiplas cobertas por esse padrão emergente. Também daremos uma olhada em algumas das tecnologias avançadas associadas ao 5G NR.

Padrões 5G

Os padrões para 5G estão sendo desenvolvidos pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP), que consiste em parceiros de sete organizações de padrões globais diferentes. Os padrões para 5G começaram com a “Versão 15” em dezembro de 2017 e estão sendo expandidos em versões subsequentes conforme novos recursos, funcionalidades e requisitos são adicionados.

Dentro do 3GPP estão os Grupos de Especificação Técnica (TSGs) que trabalham para definir os sistemas 5G NR em níveis crescentes de abstração. Os níveis de exemplo incluem, mas não estão limitados a:

• Rede de acesso de rádio (RAN): Responsável por definir os níveis inferiores (1-3) das especificações de desempenho do rádio, que incluem:
  • A camada física
  • Modulação
  • Duplex por divisão de frequência (FDD)
  • Duplex por divisão de tempo (TDD)
  • Beamforming
  • Detecção de erros
  • Correção
• Aspectos de serviços e sistemas (SA): Supervisiona a arquitetura geral e os recursos de serviço que incluem cobrança, contabilidade, gerenciamento de rede e segurança
• Rede principal e terminal (CT): Define as especificações para o equipamento do usuário, transferência entre redes, mapeamento de qualidade de serviço, etc.

Três bandas de frequência de serviço 5G em camadas

À medida que as tecnologias de telecomunicações sem fio avançam, as frequências e a largura de banda aumentam constantemente. Conforme ilustrado na Figura 1, as gerações mais novas mantêm alguma compatibilidade com as redes existentes, mas se expandem para mais bandas de frequência.

Figura 1. Evolução das alocações de espectro de frequência para redes 2G, 3G, 4G e 5G. Imagem usada cortesia de Ericsson

Essa tendência está dando um grande salto com o 5G, à medida que sobe para as frequências de ondas milimétricas (mmWave) acima de 30GHz. Isso permite que o 5G NR suporte larguras de banda ultralargas de até 100 MHz em frequências abaixo de 6 GHz e até 400 MHz em frequências mais altas.

5G geralmente pode ser dividido em três bandas:

• FR1
  • Freqüências mais baixas: MHz – 1 GHz
  • Freqüências médias:1–7 GHz
• FR2
  • Frequências mais altas: 24–48 GHz

Conforme ilustra a Figura 2, as três bandas são projetadas para trabalhar juntas para atender às diferentes necessidades de largura de banda, latência e cobertura.

Figura 2. Relações entre largura de banda, latência e cobertura para as 3 bandas de 5G NR. Imagem usada cortesia da Advantech

As implantações iniciais de 5G estão na faixa de frequência inferior (FR1), com duas bandas (chamadas de baixa e média) que abrangem as frequências mais tradicionais usadas para smartphones de 450 MHz a 6 GHz. Essas frequências mais baixas fornecem a maior faixa de cobertura.

A faixa de frequência mais alta (FR2) sobe em direção à região mmWave com frequências de 24 a 100 GHz para suportar velocidades de download mais rápidas e permitir novos aplicativos que requerem latência ultrabaixa.

Multiplexação por divisão de frequência ortogonal para 5G NR

A transmissão 5G para as conexões de uplink e downlink é baseada em OFDM (multiplexação por divisão ortogonal de frequência). OFDM combina modulação de amplitude em quadratura (QAM) e multiplexação por divisão de frequência (FDM) para permitir comunicações de alta taxa de dados.

Como as frequências das subportadoras são ortogonais entre si, os picos individuais se alinham com os nulos das outras subportadoras (Figura 3).

Figura 3. O espectro de frequência da multiplexação por divisão de frequência ortogonal. Imagem usada cortesia da Keysight

Isso minimiza a interferência e permite que o receptor recupere o sinal de maneira eficiente. Essas subportadoras moduladas podem ser usadas para suportar muitos sinais independentes (como canais de rádio FM), mas em aplicativos 5G são normalmente combinados para aumentar a taxa de dados para um único canal.

A especificação NR suporta um espaçamento de portadora ajustável de 15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120 kHz, 240 kHz ou 480 kHz com um máximo de 3300 subportadoras. Além disso, a modulação de subportadora pode ser QPSK (modulação de fase quádrupla) ou 16-, 64- ou 256-QAM. Essas opções fornecem versatilidade que permite aos operadores otimizar o esquema de comunicação para atender aos ambientes e aplicações.

Desempenho 5G em comparação com 4G

Como esperamos de cada nova geração de tecnologia de smartphone, o 5G é mais rápido e oferece mais capacidade do que seu antecessor 4G. Espera-se que o 5G suporte taxas de transferência de dados de pico de até 10-20 Gb / se taxas de dados médias acima de 100 Mb / s. O 5G também foi projetado para suportar um aumento de 100x na capacidade por meio de melhorias na eficiência da rede e uma diminuição de 10x na latência para até 1 ms.

Além dessas melhorias básicas, o 5G está sendo projetado como um padrão de telecomunicações mais diversificado do que o 4G para oferecer suporte a aplicativos além da banda larga móvel padrão, incluindo:

• Comunicações de missão crítica com baixa latência
• Conectividade massiva para Internet das coisas (IoT)
• Suporte para todos os tipos de espectro (licenciado, compartilhado, não licenciado)
• Modelos de implantação expandida, incluindo pontos de acesso
• Novos modelos de comunicação, como dispositivo a dispositivo e malha multi-hop.

Modelos de uso 5G

Normalmente, quando ouvimos falar do 5G, imediatamente pensamos em smartphones melhores, e esse é, de fato, um aspecto das especificações do 5G NR. No entanto, os padrões estão sendo desenvolvidos para suportar muito mais do que apenas smartphones melhores. Especificamente, existem três modelos de uso principais, conforme ilustrado na Figura 4:

• eMBB (Banda larga móvel aprimorada):smartphones e aplicativos de consumidor vagamente melhores
• URLLC (Comunicações ultraconfiáveis ​​e de baixa latência):serviços de missão crítica
• mMTC (Massive Machine Type Communications):pense na Internet das Coisas

Figura 4. Exemplos de aplicações dos três modelos de uso 5G NR. Imagem [modificada] usada por cortesia de 3GPP

eMBB (banda larga móvel aprimorada)

O foco inicial do desenvolvimento da rede 5G NR está focado no eMBB para as velocidades de download e upload aprimoradas e latência reduzida. Espera-se que o eMBB melhore o streaming de vídeo móvel e habilite aplicativos que incluem realidade virtual e aumentada móvel (AR e VR). Prevê-se que a emBB forneça acesso aprimorado à banda larga sem fio em áreas urbanas densamente povoadas, salas de esportes ou concertos e escritórios inteligentes.

URLLC (Ultra Reliable Low-Latency Communications)

Como o nome sugere, o URLLC foi projetado para fornecer comunicações de latência muito baixa para aplicativos de “tempo real”, incluindo veículos autônomos, automação industrial e cirurgia remota. Claramente, cada um desses aplicativos exigirá conexões de rede robustas com baixas taxas de erro e latência imperceptível (teoricamente tão baixo quanto 1 ms). Esses requisitos são muito diferentes de uma chamada de voz ou streaming de seu novo programa favorito.

mMTC (Massive Machine Type Communications)

mMTC é o terceiro modelo de uso e também é um pouco diferente dos dois primeiros. O mMTC aproveitará a vantagem da ampla largura de banda disponível com 5G NR para oferecer suporte à comunicação com um número “massivo” de dispositivos de baixa taxa de dados. Os aplicativos incluirão a Internet das Coisas e Cidades Inteligentes, onde um grande número de nós exigirá larguras de banda estreitas para sensoriamento remoto, monitoramento, gerenciamento de tráfego e estacionamento, gerenciamento de logística e frota e painéis eletrônicos.

Tecnologias que permitem 5G

Muitos avanços tecnológicos estão surgindo para permitir as comunicações 5G. Esta seção abordará algumas tecnologias-chave que provavelmente são do interesse dos engenheiros elétricos que trabalham com hardware.

Tecnologia avançada de transistor

A marcha contínua da tecnologia CMOS de silício para geometrias mais finas é obviamente importante para aumentar a capacidade de processamento necessária em aparelhos, estações base e backbone de rede. Além disso, à medida que o 5G se expande para a região de onda milimétrica do espectro de frequência, as melhorias na tecnologia avançada de transistor estão tomando o centro do palco.

Como a Figura 5 ilustra, silício germânio (SiGe), arsenieto de gálio (GaAs), nitreto de gálio (GaN) e carboneto de silício (SiC) são todos adequados para operação nas bandas FR2 de alta frequência acima de 6 GHz. Em particular, os dispositivos GaN e SiC são amplamente usados ​​nas estações base onde tanto as altas frequências quanto as altas potências são necessárias.

Figura 5. Potência vs. frequência de materiais de largura de banda larga (WBG). Imagem usada cortesia de Analog Devices

Além dos próprios transistores, as conexões externas do chip à placa de circuito impresso (PCB) exigem avanços tecnológicos em embalagens e técnicas de design avançadas. Algo tão simples como um fio de ligação de 1 mm dentro de um pacote torna-se uma antena potencial em frequências de ondas milimétricas e pode ter uma impedância complexa que torna difícil atingir uma impedância de 50 Ω compatível com o PCB. Mudar para a montagem do flip-chip usando bolas de solda pode ajudar, mas o desafio da combinação de impedância ainda pode permanecer.

Antenas de múltiplas entradas e saídas enormes

Por causa dos comprimentos de onda muito curtos, as antenas de phased array tornam-se viáveis ​​para as frequências de ondas milimétricas de 5G. Por exemplo, o protótipo do aparelho de ondas milimétricas demonstrado pela Qualcomm na Figura 6 parece ter três seções de antenas com phased array 4x2. As antenas phased array podem suportar beamforming para melhor ganho da antena.

Figura 6. Protótipo de aparelho 5G NR mmWave. Imagem [modificada] usada por cortesia da Qualcomm

Nas estações base, espera-se que o uso de matrizes em fases chegue ao que é conhecido como sistemas massivos de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO). Usando um grande número de antenas e algoritmos complexos, um sistema MIMO massivo pode empregar beamforming adaptativo e diversidade espacial para:

• Eficiência espectral por meio do foco de feixes estreitos em direção a cada usuário
• Eficiência energética por meio de ganho de antena para redução da potência total irradiada
• Taxas de dados e capacidade aprimoradas por meio de ganho e diversidade espacial
• Rastreamento de usuários de celular por meio de beamforming adaptável

Uma combinação de processamento digital e analógico na estação base cria canais de transmissão exclusivos para usuários individuais. Os usuários individuais também podem empregar várias antenas para melhorar a comunicação na presença de desvanecimento, multipercurso e interferência.

Figura 7. Comunicação massiva de múltiplas entradas e múltiplas saídas para 5G de ondas milimétricas. Imagem usada cortesia de Alemaishat et al

Resumo

5G NR é muito mais do que simplesmente uma rede aprimorada para smartphones móveis. Os três principais modelos de uso de banda larga móvel aprimorada, comunicações ultraconfiáveis ​​de baixa latência e comunicações massivas do tipo máquina provavelmente resultarão em muitas novas aplicações nos próximos anos.