Desenvolvimento e Evolução do 5G

Desenvolvimento e Evolução do 5G

• O 5G foi amplamente implementado a partir de 2020, impulsionando o aumento rápido de sites.
• O curso explora as novas características e tecnologias do 5G, suas aplicações em diversas indústrias e como impulsiona a digitalização industrial.

Fundamentos das Comunicações Móveis

• 5G significa quinta geração, referindo-se ao sistema de comunicações móveis de quinta geração e é uma extensão do 4G
• A comunicação é a troca de informações entre pessoas ou entre pessoas e natureza.
• Métodos comuns de comunicação incluem chamadas telefônicas, SMS, WeChat e mídias sociais.
• Sinal de comunicação é o quinto fator necessário na vida moderna, após ar, água, comida e eletricidade.

Evolução Histórica das Comunicações

• Na China antiga, sinais de fumaça em torres alertavam sobre ataques inimigos; tambores ordenavam avanço ou retirada.
• Além de sinais de fumaça e tambores, informações eram transmitidas por cartas, entregues por postos a cavalo ou pombos-correio.
• Durante a Segunda Guerra Mundial, pombos eram mais seguros que rádios para enviar mensagens.
• Faróis no Egito antigo guiavam navios; sinais de bandeira em navios de guerra eram usados desde a antiguidade.
• Na Grécia antiga, a maratona surgiu para anunciar a vitória na batalha de Maratona.

Inovações Modernas em Comunicação

• Em 1837, Samuel Morse inventou o telégrafo, o primeiro dispositivo para transmitir informações rapidamente.
• Em 1875, Alexander Graham Bell inventou o telefone, inicialmente sem discagem direta, necessitando operadores.
• Telefones com discagem rotativa surgiram nos anos 1920 e telefones com botões nos anos 1970/80.
• Pagers foram inventados como ferramenta de comunicação mais conveniente, mostrando o número de quem ligava.
• Em 1973, Dr. Martin Cooper da Motorola inventou o primeiro telefone celular portátil.

Meios de Transmissão

• A transmissão de dados requer um meio, que pode ser com ou sem fio.
• Meios com fio incluem linhas telefônicas, cabos de rede, fibras ópticas e cabos coaxiais.
• Comunicações sem fio utilizam ondas eletromagnéticas, como em redes móveis, Wi-Fi, GPS, micro-ondas e satélites.

Relação entre Comprimento de Onda e Frequência

• A velocidade da luz (c) é o produto do comprimento de onda (λ) pela frequência (f): c = λ x f.
• Frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda; maior frequência implica menor comprimento de onda.

Espectro Eletromagnético

• As frequências das ondas podem ser resumidas como um espectro, uma quantidade física que não pode ser aumentada ou diminuída.
• Ondas de baixa frequência (comprimentos de onda longos) têm menor perda de propagação, maior alcance e forte capacidade de difração.
• Ondas de alta frequência (comprimentos de onda curtos) têm maior perda de propagação, menor alcance e fraca capacidade de difração.
• ITU define a faixa utilizável de ondas eletromagnéticas de 3 kHz a 300 GHz.

Unidades de Frequência

• Hertz (Hz) é a unidade básica de frequência, nomeada em homenagem a Heinrich Rudolf Hertz.
• Frequência refere-se ao número de repetições de pulsos elétricos, correntes alternadas, ondas eletromagnéticas, ondas sonoras e vibrações mecânicas por segundo.
• Humanos ouvem sons entre 20 Hz e 20.000 Hz; abaixo de 20 Hz são infrassons e acima de 20.000 Hz são ultrassons.

Segmentos de Frequência Utilizáveis

• A faixa de 3 kHz a 300 GHz é dividida em LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF, EHF e THF.
• VLF e LF (3 kHz a 300 kHz) têm comprimentos de onda de dezenas de quilômetros e foram inicialmente usados para navegação aérea e marítima.
• MF tornou-se a faixa preferida para estações de rádio regionais após a descoberta da capacidade de transmitir som por ondas de rádio.
• HF, ou ondas curtas, permitiu a primeira estação de transmissão global devido à transmissão de longa distância via reflexão ionosférica.
• RFID e NFC operam nesta faixa de frequência, com NFC a 13,56 MHz e RFID usando adicionalmente 27,12 MHz.

Desenvolvimento do VHF e Uso do UHF

• VHF foi desenvolvido permitir comunicação visual e bidirecional como rádios FM, walkie-talkies e TVs sem fio.
• Tecnologias sem fio digitais como GSM (2G), WCDMA (3G), LTE (4G) e certos serviços 5G operam em UHF.
• Devido ao uso massivo, a faixa de frequência UHF é licenciada na maioria dos casos e países.

Avanços Tecnológicos e 5G

• A faixa não licenciada de 5 GHz é usada desde 802.11n para velocidades Wi-Fi acima de Gigabit.
• O padrão de comunicações 5G utiliza a banda mmWave de 28 GHz, alcançando taxas de transmissão ultra-altas.
• No padrão Wi-Fi de próxima geração IEEE 802.11ad, a banda de frequência de 60 GHz é usada para atingir uma taxa de transmissão máxima de 7 Gbps.
• A faixa EHF é um caminho para comunicações sem fio, embora sujeita a muitas restrições.

Frequência e Largura de Banda

• Shannon postula que uma banda de frequência mais alta suporta uma largura de banda maior: C = B x log2(1 + S/N).
• Na equação, C é a velocidade de conexão disponível, B é a largura de banda, S é a potência média do sinal, N é a potência média do ruído e S/N é a relação sinal-ruído.

Evolução das Gerações de Redes Móveis

• A primeira geração (1G) surgiu em 1986 em Chicago, EUA, com o popular telefone móvel da Motorola.
• A segunda geração (2G) usa tecnologia de modulação digital, incluindo CDMA (Motorola) e GSM (Nokia).
• A terceira geração (3G) aumentou a taxa de transmissão, com padrões como WCDMA (China Unicom), CDMA2000 (China Telecom) e TD-SCDMA (China Mobile).
• Com o iPhone habilitado para 3G, os usuários podiam navegar na web, enviar e-mails, fazer chamadas de vídeo e assistir a vídeos ao vivo.

Tecnologias de Acesso Múltiplo

• Tecnologias comuns de acesso múltiplo incluem FDMA, TDMA, CDMA, SDMA e OFDMA.
• FDMA foi usado no sistema inicial de comunicações móveis analógicas (1G).
• No GSM, TDMA domina e FDMA é usado como suplemento.
• CDMA foi introduzido no 3G para distinguir os usuários por sequência ortogonal (código).
• O 4G usa OFDMA ou SC-OFDMA em vez de CDMA para diferenciar os usuários pelo tempo-frequência.
• O 5G permite a utilização plena da tecnologia F-OFDMA para otimização adicional.

Componentes da Rede 5G

• A rede consiste em terminal, estação base, rede de transporte, rede central e serviço de aplicação.
• Um terminal pode ser um celular, CPE ou drone.
• Os terminais estão conectados a antenas em estações base, localizadas em telhados, postes de luz e torres.
• A rede de transporte envia informações para a rede central, que processa a solicitação e a envia ao aplicativo relevante.

Aplicações Industriais das Comunicações Móveis

• Visulizar um vídeo TikTok como exemplo de rede em funcionamento:
  • Uma vez que o usuário liga o celular, uma estação rádio base permite o acesso à rede, obtendo autenticação, endereço IP e registo do utilizador.
  • Uma vez o aplicativo iniciado, um pedido de serviço é enviado pelo utilizador
  • A plataforma envia pacotes com dados de video com base num algoritmo interno do servidor. Os pacotes são enviados para o celular, descompactados e o vídeo reproduzido.

Aplicações 5G em Indústrias

• Em transporte, ferrovias de alta velocidade e metrôs usam condução autônoma controlada por GSM-R e LTE-R.
• Tecnologias mais recentes como 5G DIS/AirFlash e 5G@60 GHz estão sendo adotadas para coleta de informações de veículos e transmissão ultrarrápida em trens.
• Na indústria de energia elétrica, Huawei eLTE-DSA são utilizados para automação da distribuição, coleta de informações de consumo e inspeções com drones.

Impulsores para o Desenvolvimento do 5G

• O 5G não só muda a vida das pessoas, mas possibilita a digitalização em todos os setores.
• Aplicações como Realidade Aumentada (RA), Realidade Virtual (RV), Cloud Gaming e Cloud Office serão possíveis.

Cenários de Aplicação do 5G

• A União Internacional de Telecomunicações (UIT-R) definiu três cenários de aplicação do 5G: banda larga móvel aprimorada (eMBB), comunicação de baixa latência ultraconfiável (URLLC) e comunicações massivas do tipo máquina (mMTC).
• A RA e a RV são considerados aplicações disruptivas do 5G devido à sua flexibilidade.
• O 5G pode reduzir a latência, melhorar as taxas de upload e download dando ao cliente usabilidade e conveniência.

Necessidades de Banda Larga e Latência

• O Cloud VR requer uploads e downloads contínuos de grandes quantidades de dados para melhorar a sensação de realidade.
• Serviços como controle de energia elétrica, direção autônoma e cirurgia remota exigem baixa latência.
• O mínimo atual de latência fornecido pelo 4G é de 30 ms e a direção autônoma requer apenas 1 ms
• Com uma latência de 1 ms em 5G, um carro se movendo a 100 km/h viaja apenas 3,3 cm, garantindo a segurança no trânsito.

Conexões Massivas

• Tecnologias de IoT estão bem estabelecidas
• Tecnologias futuras do tipo Internet das Coisas vão se espalhar desde casas, veículos, cidades, até aplicações na indústria, agricultura, saúde, transporte, energia e meio ambiente.

Capacidades Necessárias do 5G

• O 5G precisa suportar serviços que requerem largura de banda altíssima como RA/RV, vídeo ao vivo e vídeo 8K.
• Precisa também de serviços que exijam resposta mais rápida e latência mais baixa, como direção autônoma e fabricação inteligente.
• Finalmente, precisa atender a serviços semelhantes à Internet das Coisas que requerem conexões massivas.
• O 5G usa tecnologias NFV e FlexE para orquestrar e implantar automaticamente serviços na rede central.

Progresso da Padronização do 5G

• Um padrão qualificado, como ISO9001, deve ser formulado antes que um produto qualificado possa ser produzido.
• O ITU e o 3GPP são as organizações relacionadas aos padrões de comunicações móveis.
• O 3GPP foi inicialmente criado para desenvolver as especificações globais do sistema de telefonia móvel de terceira geração (3G).

Evolução dos Padrões 5G

• O LTE foi introduzido desde o 3GPP Release 8, LTE-A desde o Release 10 e 4.5G (LTE Advanced Pro) desde o Release 12.
• 5G começou a partir do 3GPP Release 15.
• O 5G será cumprido em dois lançamentos, 3GPP Release 15 e Release 16.

Processo de Desenvolvimento do Padrão 5G

• Originalmente, o 3GPP Release 15 deveria ser formulado de 2017 até meados de 2018 para concluir a fase 1 do 5G.
• A OTSA, dominada pela Verizon, é frequentemente referida como V5G.
• A organização 3GPP acelerou o processo de padronização e dividiu o 3GPP Release 15 original em fases.
• A fase 1 foi concluída em meados de 2018 e implementa serviços eMBB e URLLC básicos.

Cadeia e Ecossistema Industrial do 5G

• O uso comercial do 5G excederá em muito o do 3G e 4G.
• Segundo a GSM Association, espera-se que o 5G atraia 500 milhões de usuários em apenas 3 anos.
• Um chip simplificado é usado para suportar 2G, 3G, 4G e 5G.
• Uma rede simplificada adota os modos co-localização, co-antena e núcleo único.

Soluções da Huawei

• A Huawei fornece soluções de produtos 5G ponta a ponta.
• Lançou também estações base 5G que consistem em unidades de banda base, que suportam todas as RATs, e várias unidades de RF.
• A Huawei fornece CPEs para uso doméstico ou no escritório, bem como muitos telefones móveis 5G.

Desenvolvimento de Terminais 5G

• Atualmente, existe um grande número de terminais capacitados para 5G no mercado.
• Além de telefones móveis, os terminais 5G também incluem CPEs e MiFi.

Alocação de Espectro 5G

• Os recursos de espectro 5G podem ser divididos em duas faixas de frequência, a banda C de 3 GHz a 6 GHz e mmWave acima de 6 GHz.
• A banda C é a faixa de frequência primária para o 5G de modo a fornecer cobertura e capacidade.

Alocação de Espectro na China

• Os recursos de espectro do 5G foram alocados ao China Mobile, China Unicom e China Telecom.
• A China Mobile possui 260 MHz de recursos de espectro, enquanto China Telecom e China Unicom possuem 100 MHz.

Evolução da Rede 5G

• A evolução da rede 5G é promovida primeiro com base em serviços.
• A Huawei oferece redes híbridas com macro estações rádio base, sítios de rádio polo e sistemas de distribuição interiores para garantir vasta cobertura 5G.

Utilização Comercial Global do 5G

• Atualmente, existem um grande número de sites comerciais 5G em todo o mundo.
• A utilização comercial na fase inicial foca-se nos serviços eMBB para os quais a cadeia industrial, produtos e serviços são maduros e o modelo de negócio é claro.
• AR/VR, vídeo 4K/8K HD ao vivo e backhaul de vídeo orientado para UAVs estão entre os serviços incluídos.

Aplicações da Indústria 5G

• Os serviços de vídeo em eMBB são basicamente usados na fase inicial, como monitoramento de dispositivos, inspeção de campus, inspeção baseada em UAV, vídeo ao vivo e vídeo móvel.
• Serviços de controle básico baseados em vídeo dominam na segunda fase, como reconhecimento facial, direção remota, automação da distribuição de energia, inspeção remota B-scan e serviços de AR e VR industrial.
• A terceira fase envolve controle avançado e conexões massivas, como equipamentos vestíveis inteligentes pessoais, casa inteligente, direção autônoma, postes de holofotes inteligentes e controle de movimento.
• O objetivo do 5G é impulsionar a transformação digital das indústrias.