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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMUNICAÇÕES BACHARELADO EM ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES Trabalho de Conclusão de Curso: Estudo preliminar para implementação da rede de acesso 5G no bairro de Petrópolis em Natal/RN Natal/RN 02 de Novembro de 2020 JÚLIA DA LUZ ANDRADE SILVA ESTUDO PRELIMINAR PARA IMPLEMENTAÇÃO DA REDE DE ACESSO 5G NO BAIRRO DE PETRÓPOLIS EM NATAL/RN Trabalho de Conclusão de Curso na modalidade Monografia, submetido ao Departamento de Engenharia de Comunicações da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Telecomunicações. Orientador: Prof. Dr. Fred Sizenando Rossiter Pinheiro Coorientador: Prof. Dr. Luiz Gonzaga Queiroz Silveira Júnior Natal/RN 02 de Novembro de 2020 JÚLIA DA LUZ ANDRADE SILVA ESTUDO PRELIMINAR PARA IMPLEMENTAÇÃO DA REDE DE ACESSO 5G NO BAIRRO DE PETRÓPOLIS EM NATAL/RN. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Telecomunicações BANCA EXAMINADORA ______________________________________________________ Prof. Dr. Gutembergue Soares da Silva Universidade Federal do Rio Grande do Norte ______________________________________________________ Prof. Prof. Dr. Luiz Gonzaga Queiroz Silveira Júnior - Coorientador Universidade Federal do Rio Grande do Norte ________________________________________________________ Prof. Dr. Fred Sizenando Rossiter Pinheiro – Orientador Universidade Federal do Rio Grande do Norte ESTUDO PRELIMINAR PARA IMPLEMENTAÇÃO DA REDE DE ACESSO 5G NO BAIRRO DE PETRÓPOLIS EM NATAL/RN. RESUMO A quinta geração de tecnologia móvel (5G) está prevista para suportar diversos cenários: eMBB (Enhanced mobile broadband), URLLC (Ultra-reliable and low latency communications) e mMTC (Massive machine type communications) e, portanto, deve ser flexível o suficiente para atender aos requisitos de conectividade de serviços existentes e futuros para ser implementado com eficiência em um único bloco contínuo de espectro. Diante da sua complexidade, os desafios para evolução e efetiva implementação da tecnologia 5G no Brasil são diversos, os quais envolvem questões regulatórias e políticas, estímulo à inovação tecnológica nacional em telecomunicações e a necessidade de ampliação e adequação da infraestrutura de rede existente. Sendo assim, o estudo discutirá os possíveis desafios e resultados de performance através da simulação, em MATLAB, do cenário hipotético de implementação do 5G no bairro de Petrópolis, localizado na cidade do Natal/RN. Para isso, foi considerada uma rede formada por 4 macrocélulas operando em 700 MHz e uma segunda rede formada, além das mesmas 4 macrocélulas, de 39 microcélulas operando em 3.5 GHz. Sendo então, comparados os resultados obtidos de cobertura, SINR e capacidade de ambas as redes, destacando os desafios de transição da atual para a próxima geração de tecnologia móvel diante da infraestrutura de rede de acesso sem fio já existente e reforçando, assim, a necessidade da implementação da densa rede 5G formada por macrocélulas e microcélulas, merecendo destaque o bom desempenho, principalmente em capacidade, por atingir em torno de 100 a 200 Mbps em quase toda a região. Palavras-chave: 5G. IMT-2020. Comunicações móveis. Comunicações sem fio. Small cells. Microcélulas. Rede 5G. LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS 3G Terceira geração de tecnologia móvel 4G Quarta geração de tecnologia móvel 5G Quinta geração de tecnologia móvel BS Estação base (do inglês, Base Station) CI Close-in DL Downlink DSS Compartilhamento dinâmico de espectro (do inglês, Dynamic Spectrum Sharing) eMBB Banda larga móvel aprimorada (do inlgês, Enhanced mobile broadband) IoT Internet das coisas (do inglês, Internet of Things) ISD Distância entre células (do inglês, Inter-site distance) ITU União Internacional de Telecomunicações (do inglês, International Telecommunication Union) LTE Long Term Evolution M2M Máquina a máquina (do inglês, Machine-to-machine) MIMO Multiple Input Multiple Output mMTC Comunicações massivas do tipo máquina (do inglês, Massive machine type communications) mmWave Ondas milimétricas MNO Operador de Redes Móveis (do inglês, Mobile Network Operator) RF Radiofrequência SINR Relação Sinal-interferência-mais-ruído UL Uplink URLLC Comunicações ultra confiáveis e de baixa latência (do ingles, Ultra-reliable and low latency communications) LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Requisitos mínimos relacionados a desempenho técnico para IMT-2020. FONTE: elaborado pela autora. .............................................................................................................. 10 Tabela 2 - Área, população e densidade demográfica do bairro de Petrópolis. FONTE: SEMURB ................................................................................................................................. 13 Tabela 3 - Endereço das quatro BSs responsáveis pela cobertura do bairro de Petrópolis. FONTE: ANATEL................................................................................................................... 18 Tabela 4 - Coordenadas das microcélulas distribuídas no bairro de Petrópolis. ..................... 19 Tabela 5 - Definição dos parâmetros da rede usados para a simulação. .................................. 20 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Curva do comportamento do espectro considerando os parâmetros e capacidade e cobertura. FONTE: elaborado pela autora. .............................................................................. 11 Figura 2 – Principais passos para o desenvolvimento do trabalho. ......................................... 12 Figura 3 - Imagem do bairro de Petrópolis. FONTE: SEMURB ............................................. 13 Figura 4 - Visão parcial do Bairro Petrópolis, aparecendo o Colégio Atheneu, os inúmeros edifícios residenciais e o Oceano Atlântico ao fundo. FONTE: SEMURB ............................ 14 Figura 5 - BS localizada na rua Desembargador Dionísio Figueira, em Petrópolis. ............... 15 Figura 6 - Cobertura outdoor a uma taxa de 64 Mbps. FONTE: (Wisely et al., 2018) ........... 16 Figura 7 - Cobertura outdoor a uma taxa de 100 Mbps. FONTE: (Wisely et al., 2018) ......... 16 Figura 8 - Aumento da capacidade outdoor. FONTE: (Wisely et al., 2018) ........................... 17 Figura 9 - Layout da rede 5G adotado no estudo. .................................................................... 17 Figura 10 - Mapa do bairro de Petrópolis e indicação da localização das quatro BSs responsáveis pela cobertura da região. ..................................................................................... 18 Figura 11 – Indicação da localização das microcélulas distribuídas em Petrópolis. ............... 19 Figura 12 – Telas da ferramenta Site Viewer, no MATLAB. FONTE: MATLAB ................. 21 Figura 13 - Mapa de cobertura, considerando as BSs presentes atualmente no bairro de Petrópolis. ................................................................................................................................ 22 Figura 14 - Mapa de cobertura, no bairro de Petrópolis, considerando uma rede hipotética formada por macrocélulas e microcélulas. ............................................................................... 22 Figura 15 – Comparativo dos resultados obtidos de cobertura: a) Rede macro; b) Rede macroe micro. .................................................................................................................................... 23 Figura 16 - Mapa de SINR, considerando as BSs presentes atualmente no bairro de Petrópolis. .................................................................................................................................................. 23 Figura 17 - Mapa de SINR no bairro de Petrópolis, considerando uma rede hipotética formada por macrocélulas e microcélulas. ............................................................................................. 24 Figura 18 - Comparativo dos resultados obtidos de SINR: a) Rede macro; b) Rede macro e micro. ....................................................................................................................................... 24 Figura 19 - Mapa de capacidade da rede, considerando as BSs presentes atualmente no bairro de Petrópolis............................................................................................................................. 25 Figura 20 - Mapa de capacidade da rede no bairro de Petrópolis, considerando uma rede hipotética formada por macrocélulas e microcélulas. .............................................................. 25 Figura 21 - Comparativo dos resultados obtidos de capacidade: a) Rede macro; b) Rede macro e micro ..................................................................................................................................... 26 Figura 22 - Poste elétrico localizado na esquina da Av. Afonso Pena com a Rua Potengi, em Petrópolis. ................................................................................................................................ 28 Figura 23 – Microcélula 5G implantada em poste elétrico, localizando na Córeia do Sul. ..... 29 SUMÁRIO I. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 9 II. METODOLOGIA ......................................................................................................... 11 Caracterização da Região Estudada ..................................................................................... 12 Caracterização da Rede 5G .................................................................................................. 15 Simulação ............................................................................................................................. 21 III. RESULTADOS............................................................................................................. 21 IV. DISCUSSÕES............................................................................................................... 26 V. CONCLUSÃO .............................................................................................................. 29 VI. REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 30 9 I. INTRODUÇÃO Atualmente, o mundo está presenciando uma grande evolução e popularização dos serviços e das tecnologias de telecomunicações, sobretudo, no campo das comunicações sem fio. A Cisco (Forecast, 2019) estimou que o tráfego mobile global atingirá 1 zettabyte ao final de 2022, o que significa 1 trilhão de gigabytes em dados circulando pela rede. Segundo esse estudo, o tráfego móvel cresceu 17 vezes nos últimos cinco anos, e as projeções são de que esse tipo de navegação será responsável por 20% do tráfego em 2022, contra 5% em 2010. A Cisco (Forecast, 2019) prevê também que quase 79% do tráfego de dados móveis do mundo será de vídeo em 2022. Esse crescimento de dados ao longo dos últimos anos, representado principalmente por vídeo, inviabiliza a utilização dos sistemas atuais (3G e 4G), pois não suportariam tal demanda de dados. Consequentemente, há uma necessidade de se desenvolver uma nova geração para as redes de comunicações sem fio (MACCARTNEY e RAPPAPORT, 2017). Nesse contexto, a quinta geração de tecnologia móvel (5G) promete revolucionar a sociedade de maneira sem precedentes, principalmente devido à popularização de conceitos como Internet das Coisas (IoT) e Machine-to-Machine (M2M). Além disso, os usuários tornam- se cada vez mais exigentes em relação ao nível de conectividade, latência e velocidade em serviços como streaming, compartilhamento de imagens e vídeos, os quais não suportam falhas, interrupção ou ausência de sinal. Como mostra Shafi at al. (2017), os padrões de uso de 5G (IMT- 2020) estão previstos para suportar diversos cenários: ● Banda larga móvel aprimorada (Enhanced mobile broadband - eMBB): este cenário de uso atenderá à crescente demanda por maiores velocidades de dados e maiores volumes de dados móveis, o qual cobre uma variedade de casos, incluindo cobertura de área ampla e hotspots. Para o caso de área ampla, é desejável uma cobertura contínua e alta mobilidade, com taxas de dados do usuário muito melhores em comparação com as oferecidas atualmente, na ordem do Gbps. Para hotspots, é necessário um suporte de alta densidade de usuários e elevada capacidade de tráfego, mas o requisito para a mobilidade ocorre apenas na velocidade de pedestres. ● Comunicações ultra confiáveis e de baixa latência (Ultra-reliable and low latency communications - URLLC): aqui, temos requisitos rigorosos de confiabilidade, latência e disponibilidade. Alguns exemplos são aplicativos de internet tátil, sistemas de transporte inteligentes, segurança de transporte, cirurgia médica remota, redes 10 inteligentes, proteção pública, controle sem fio de manufatura industrial, etc. ● Comunicações massivas do tipo máquina (Massive machine type communications - mMTC): esse cenário suporta um grande número de dispositivos IoT, que são apenas ativados esporadicamente e necessitam enviar pequenos pacotes de dados. Então, sabemos que uma implantação de mMTC pode consistir em um número muito grande de dispositivos com um volume relativamente baixo (ou relativamente alto) de dados não sensíveis a atrasos. Os requisitos mínimos de desempenho para 5G foram definidos pelo ITU (2017) e os valores são fornecidos na Tabela 1, juntamente com o caso de uso para o qual eles são relevantes. Tabela 1 - Requisitos mínimos relacionados a desempenho técnico para IMT-2020. FONTE: elaborado pela autora. A capacidade e a taxa de transmissão de uma rede de telecomunicações são associadas à frequência da portadora a ser modulada, em que o aumento na frequência da portadora (e consequente aumento da largura de banda disponível) acarreta em uma expansão de capacidade da rede. Contudo, grandes desafios técnicos para a geração, transmissão, propagação e recepção do sinal de RF podem surgir com esse aumento (S Jr, 2018). A banda de ondas milimétricas (mmWave) é capaz de transportar a grande quantidade de dados que é exigida pelo 5G, mas são facilmente bloqueadas por obstruções, portanto, não conseguem atingir grandes distâncias, ver 11 Figura 1. Figura 1 - Curva do comportamento do espectro considerando os parâmetros e capacidade e cobertura. FONTE: elaborado pela autora. Além disso, nas redes 5G, as antenas massive MIMO serão integradas à BS (Base Station), onde centenas de antenas são utilizadas para transmitir tráfego sem fio a nível dos Gbits. Quando a potência de transmissão da BS 5G é restringida ao mesmo nível da potência de transmissão da BS 4G, cada potência de transmissão da antena da BS 5G deve ser diminuída 10- 20 vezes em comparação com a potência de transmissão de cada antena na BS 4G. Como consequência, o raio da BS 5G deve ser diminuído, considerando a redução da potência de transmissão em todas as antenas (GE, 2016). Motivadas pelas tecnologias de comunicação citadas acima (massive MIMO e mmWave), as redes de microcélulas (smallcells) foram apresentadas para as redes celulares 5G. Para satisfazer a cobertura contínua, é esperado que a densidade de BS seja em torno de dezenas e até centenas por km² e, portanto, a futura rede celular 5G é considerada uma rede celular ultradensa. Os desafios para evolução e efetiva implementação da tecnologia 5G no Brasil são diversos, indo desde questões regulatórias e políticas, passando pelo necessário estímulo à inovação tecnológica nacional em telecomunicações e chegando naturalmente à necessidade de ampliação e adequação da infraestrutura de rede existente. Focando nas necessidades de adequação da infraestrutura na rede de acesso rádio é que foi desenvolvido o presente trabalho, tomando como base a estrutura da rede de acesso sem fio na cidade do Natal, no Rio Grande do Norte. II. METODOLOGIA A metodologia de pesquisa para realização foi um estudo de caso sendo caracterizado pela simulação da implantação de uma rede 5G no bairro de Petrópolis, localizado em Natal/RN, 12 para discutir os possíveis desafios de adequação e resultados de performance na transição da atual para a próxima geração de tecnologia móvel diante da infraestrutura de rede de acesso sem fio já existente. Com a simulação será possível observar os resultados de cobertura, SINR e capacidade da rede, comparando a estrutura de rede atual (formada somente por macrocélulas) e a estrutura densa da rede 5G (formada por macrocélulas e microcélulas). Sendo assim, o desenvolvimento do estudo pode ser dividido em 3 fases, como mostra a Figura 2 e é descrito no decorrer do trabalho. Figura 2 – Principais passos para o desenvolvimento do trabalho. Caracterização da Região Estudada Petrópolis é um bairro nobre localizado na Zona Leste da cidade de Natal, ver Figura 3, o qual concentra uma das maiores rendas médias da cidade. Por esse motivo, os primeiros usuários do 5G na cidade podem estar nessa região. A Tabela 2 mostra mais informações sobre o bairro. https://pt.wikipedia.org/wiki/Bairro_nobre https://pt.wikipedia.org/wiki/Zona_Leste_de_Natal https://pt.wikipedia.org/wiki/Natal_(Rio_Grande_do_Norte) 13 Figura 3 - Imagem do bairro de Petrópolis. FONTE: SEMURB Tabela 2 - Área, população e densidade demográfica do bairro de Petrópolis. FONTE: SEMURB *Conforme estimativa da população do Rio Grande do Norte (IBGE, 2017). Petrópolis se caracteriza por uma alta densidade de edifícios predominantemente residenciais e ruas medianamente arborizadas, ver Figura 4. Duas das principais avenidas da cidade (Prudente de Morais e Hermes da Fonseca) cruzam o bairro, no qual se localizam unidades importantes como: a Maternidade Januário Cicco, o Hospital Universitário Onofre Lopes, o Hospital Municipal, Hospital Infantil Varela Santiago, Faculdade de Medicina da UFRN, Faculdade UNP, faculdade FACEX, Mercado de Petrópolis, colégios tradicionais como o Atheneu e o Maria Auxiliadora, diversas boutiques e clínicas, além das praças Pedro Velho e das Flores. 14 Figura 4 - Visão parcial do Bairro Petrópolis, aparecendo o Colégio Atheneu, os inúmeros edifícios residenciais e o Oceano Atlântico ao fundo. FONTE: SEMURB A Av. Getúlio Vargas fica num patamar um pouco mais elevado de altitude, região antigamente denominada “Monte Petrópolis”, com esplêndido visual para as praias do Meio, do Forte e Areia Preta, os edifícios mais luxuosos da cidade lá estão localizados, juntamente com o Tribunal de Contas do estado. Em Petrópolis, as Operadoras de celular instalaram suas estações predominantemente em topos de edifícios, ver Figura 5. O ambiente de perda de propagação, em boa parte do bairro, se enquadra, na situação descrita feita por Bertoni (2000): “Por causa da perda significativa na passagem através dos obstáculos, a propagação ocorre predominantemente com muitos trajetos envolvendo difração”. 15 Figura 5 - BS localizada na rua Desembargador Dionísio Figueira, em Petrópolis. Caracterização da Rede 5G A transição celular para o 5G ainda apresenta incertezas de ordem tecnológica, econômica e até comportamental, pois as estratégias de implementação de MNOs (Mobile Network Operator) e a demanda do consumidor por serviços 5G são desconhecidas. Sendo assim, a abordagem adotada consiste em tomar como base as características de LTE e LTE- Advanced e incluir as bandas de frequência identificadas que podem ser usadas para implantação do 5G, já que esse padrão ainda não é bem definido no país. Portanto, a estratégia é integrar o espectro de 700 e 3500 MHz para atuar na cobertura outdoor, uma vez que essas serão possíveis novas bandas de frequência disponíveis para MNOs no Brasil. Segundo Wisely et al. (2018), redes de 3.5 GHz com cobertura sobreposta de 700 MHz podem oferecer cobertura de 100 Mbps que suportam serviços de latência ultrabaixa. Em seu estudo, no bairro de Londres chamado “Marylebone”, o qual tem uma densidade populacional residente de 11.500 hab/km² e que alcança (aproximadamente) 20.000 hab/km² em um dia útil (equivalente a 5.000 usuários por operadora), foi demonstrado que 64-100 Mbps podem ser fornecidos em uma parte significativa de um ambiente urbano denso usando mmWave. A tecnologia de 3.5 GHz, com largura de banda equivalente a 100 MHz, pode fornecer cobertura outdoor a 100 Mbps, ver figura 7, e consegue fornecer uma cobertura de 66% a 64 Mbps (a cobertura é 100% a 32 Mbps), ver figura 6. Foi observado também que 700 MHz pode fornecer quase 100% de cobertura com taxas de dados mais baixas (normalmente 30 Mbps). 16 Figura 6 - Cobertura outdoor a uma taxa de 64 Mbps. FONTE: (Wisely et al., 2018) Figura 7 - Cobertura outdoor a uma taxa de 100 Mbps. FONTE: (Wisely et al., 2018) O estudo de Wisely et al. (2018) comprovou também que macrocélulas de 700 MHz não fornecem algo significativo como capacidade (devido à largura de banda muito limitada). Densidades de 32/km², a capacidade é calculada em 0,83 Gbps/km². O estudo demonstra também que microcélulas de 3.5 GHz podem fornecer uma capacidade total de 30 Gbps/km² de capacidade com uma densidade de microcélulas de 256/km², ver Figura 8. Demonstrando assim, a eficiência de uma rede mista. 17 Figura 8 - Aumento da capacidade outdoor. FONTE: (Wisely et al., 2018) Para a simulação no bairro de Petrópolis foi considerada, portanto, a arquitetura de rede outdoor proposta por Wisely et al. (2018), como mostra a Figura 9, a qual macrocélulas de 700 MHz fornecem cobertura e sinalização, enquanto as microcélulas de 3.5 GHz desempenham a função de pontos de acesso para atender usuários com alta demanda de taxa de dados. Para o dimensionamento da rede, diante da realidade do nosso estudo de caso, o número de macrocélulas será equivalente ao número de BSs já existentes atualmente, diante do que representa uma opção econômica de densidade de macrocélulas urbanas. Há muito pouca perspectiva de novas macrocélulas urbanas já que estão cada vez mais caras e não fornecerão ganhos de capacidade que as small cells proporcionarão. Já as microcélulas, serão implantadas em postes elétricos e distribuídas com um ISD (Inter-Site Distance) correspondente a 200 metros (SUN et al., 2016). Figura 9 - Layout da rede 5G adotado no estudo. FONTE: ilustração de (Busari, 2018) e modificada pela autora. 18 Foi necessário escolher uma das MNOs que operam na região para identificar as BSs atuando na cobertura do bairro atualmente. Feito isso, foram localizadas 4 sites LTE atuais na região, como mostra a Figura 10, e seus endereços são especificados na Tabela 3. Figura 10 - Mapa do bairro de Petrópolis e indicação da localização das quatro BSs responsáveis pela cobertura da região. Tabela 3 - Endereço das quatro BSs responsáveis pela cobertura do bairro de Petrópolis. FONTE: ANATEL Quanto a distribuição das microcélulas, foram necessárias 39 microcélulasa um ISD equivalente a 200 metros para cobrir o bairro, implantadas em postes elétricos. Sendo assim, foi necessário o auxílio do Google Earth para identificar os pontos onde haviam a presença de postes 19 e para respeitar a distância definida entre as células. A Figura 11 indica as localizações das microcélulas distribuídas no bairro e a Tabela 4 mostra as localizações em coordenadas. Figura 11 – Indicação da localização das microcélulas distribuídas em Petrópolis. Tabela 4 - Coordenadas das microcélulas distribuídas no bairro de Petrópolis. As medições de nível de potência recebida e SINR são baseadas no modelo de 20 propagação Longley-Rice ou modelo de terreno irregular (Irregular Terrain Model), como também é conhecido, para 700 MHz. Esse modelo toma como base dados coletados na faixa de frequência entre 40 MHz a 100 GHz e é usado para calcular a perda de caminho ponto a ponto entre locais em um terreno irregular, incluindo edifícios. A perda de caminho é calculada a partir da perda de espaço livre, difração do terreno, reflexão do solo, refração por meio da atmosfera, dispersão troposférica e absorção atmosférica (Hufford, 1982). Já para 3.5 GHz, foi considerado o modelo Close-In, o qual é usado para frequências na ordem dos GHz e implementa um modelo estatístico de perda de caminho que pode ser configurado para diferentes cenários. Como o 5G prevê células de tamanhos menores, as antenas das estações tendem a estar mais próximas de obstruções e, portanto, a distância de referência do modelo CI é sugerida como 1 metro por padrão (SUN et al., 2016). Além disso, foi determinada uma largura de banda de 20 MHz para 700 MHz e largura de banda de 100 MHz para 3.5 GHz. As antenas de ambos os tipos de células foram definidas como setorizadas e diretivas, com arranjos MIMO de 8x8 e 4x4 para macrocélulas e microcélulas, respectivamente. Os demais parâmetros de rede foram definidos como em (Busari, 2018) e são apresentados na Tabela 5. Tabela 5 - Definição dos parâmetros da rede usados para a simulação. 21 Simulação A simulação foi realizada no software MATLAB®️. Esse software é uma ferramenta interessante para auxiliar na modelagem de problemas de telecomunicações pois integra análise numérica, cálculo com matrizes, processamento de sinais e construção de gráficos em um ambiente simplificado onde problemas e soluções, ao oposto da programação tradicional, são expressos somente como eles são representados matematicamente. Dentre a grande diversidade de ferramentas disponível no software, para o presente estudo foi utilizado o Site Viewer. A ferramenta permite criar transmissores e receptores, posicioná-los em qualquer lugar do mapa e, assim, realizar diversas simulações envolvendo propagação, apresentando resultados visuais, como em mapa de cores, ver Figura 12. Figura 12 – Telas da ferramenta Site Viewer, no MATLAB. FONTE: MATLAB III. RESULTADOS A seguir serão apresentados os resultados obtidos na simulação em MATLAB®️, através de mapa de cores. As antenas são representadas no mapa pelas marcações em vermelho. Nota- se que foi levado em consideração as projeções dos edifícios presentes no bairro, cedido pelo OpenStreetMap, que por sua vez, também são representados no mapa. A Figura 13 e a Figura 14 demonstra a potência recebida em cada ponto para a rede atual formada somente por macrocélulas e para uma rede hipotética formada por macrocélulas e microcélulas, respectivamente. Os resultados demonstram que em ambos os cenários, a potência recebida em toda região varia entre -50 a -20 dBm, como indica a Figura 15. 22 Figura 13 - Mapa de cobertura, considerando as BSs presentes atualmente no bairro de Petrópolis. Figura 14 - Mapa de cobertura, no bairro de Petrópolis, considerando uma rede hipotética formada por macrocélulas e microcélulas. 23 Figura 15 – Comparativo dos resultados obtidos de cobertura: a) Rede macro; b) Rede macro e micro. Nesse segundo momento, a simulação ocorre considerando a medição de SINR para uma rede com macrocélulas e uma rede com macrocélulas e microcélulas, como mostra a Figura 16 e a Figura 17, respectivamente. As figuras mostram que, ao incluir as microcélulas na rede, houve algumas pequenas melhoras de SINR principalmente nas áreas próximas as microcélulas, onde antes apresentavam valores abaixo de 0 dB, ver Figura 18. Figura 16 - Mapa de SINR, considerando as BSs presentes atualmente no bairro de Petrópolis. 24 Figura 17 - Mapa de SINR no bairro de Petrópolis, considerando uma rede hipotética formada por macrocélulas e microcélulas. Figura 18 - Comparativo dos resultados obtidos de SINR: a) Rede macro; b) Rede macro e micro. Por fim, foram obtidos os resultados considerando os níveis de capacidade da rede somente com macrocélulas e com macrocélulas e microcélulas, como podemos observar na Figura 19 e Figura 20, respectivamente. Os níveis de capacidade da rede que variava de 11 a 322 Mbps e na maior parte da área predominava taxas de até 70 Mbps, com a implementação das microcélulas, passa a atingir em torno de 100 a 200 Mbps predominantemente e chega a atingir uma capacidade máxima de 945 Mbps, como demonstra a Figura 21. 25 Figura 19 - Mapa de capacidade da rede, considerando as BSs presentes atualmente no bairro de Petrópolis. Figura 20 - Mapa de capacidade da rede no bairro de Petrópolis, considerando uma rede hipotética formada por macrocélulas e microcélulas. 26 Figura 21 - Comparativo dos resultados obtidos de capacidade: a) Rede macro; b) Rede macro e micro IV. DISCUSSÕES Atualmente, algumas operadoras de rede móvel brasileiras estão realizando testes de implementação do 5G, mas o serviço ainda é bem limitado. Isso porque o país ainda se prepara para o leilão do espaço do espectro exclusivo da rede, que deve ocorrer em 2021. Ainda assim, tudo está encaminhando para que inicialmente a rede funcione por meio de DSS (compartilhamento dinâmico de espectro), compartilhando as faixas de frequência dos sistemas 3G e 4G, o que implica em uma velocidade menor do que o prometido pelo 5G (Trindade, 2020). Como Oughton (2018) afirma, as estratégias de espectro podem ter um bom desempenho na maioria dos cenários até 2025 e, portanto, terão um papel importante no atendimento da demanda a curto prazo. No entanto, para altas demandas, essa técnica de compartilhamento de espectro se torna ineficiente. Isso contrasta com a implantação de small cells, que proporciona enormes aumentos de capacidade. Apesar do custo de implementação ser mais elevado, a capacidade das redes de telecomunicações deve atender a demanda exigida, o que significa que é altamente provável que as prestadoras desse serviço investirão nas implantações de microcélulas 5G em locais urbanos e suburbano o quanto antes. A escolha das duas bandas de frequência em estudo para expansão de capacidade das redes 4G atuais para redes 5G, 700 e 3500 MHz, se justifica pelo aproveitamento das características de propagação que a banda de 700 MHz, com seu grande potencial em expandir a área de cobertura atual. E embora 3.5 GHz tenha características de propagação mais pobres, a banda fornece maior largura de banda, permitindo capacidade adicional, especialmente se combinada com implantações de microcélulas. Como já foi mostrado, Wisely et al. (2018) 27 comprovou a eficiência de uma rede mista que faz uso das macrocélulas e microcélulas nessas bandas para o 5G. Analisando os resultados da simulação realizada, é notável que a implantação das microcélulas nessa faixa de frequência não apresenta grande performance no quesito cobertura, reforçando assim a necessidade do desempenho coexistente das macrocélulas na banda de 700 MHz. Shafi et al. (2017) mostra também que implementações de alta densidade de microcélulas pode descarregaro tráfego de plano do usuário, mas ainda assim, é necessário a atuação das macrocélulas na cobertura (na banda de microondas) para transportar o tráfego de plano de controle. Sabe-se, ainda, que o aumento da densidade celular também pode resultar no aumento de interferências celulares que, por sua vez, afetarão quaisquer ganhos de capacidade. Isso pode estar diretamente ligado a escolha do ISD das small cells, o qual não deve ser tão pequeno a ponto de gerar alta interferência a rede e nem tão grande que ultrapasse o raio de alcance da célula. No entanto, na simulação é visto que a variação dos níveis de SINR não parecem ser tão significante com a inclusão das macrocélulas a um ISD equivalente a 200 metros. Isso se dá também pelo fato dos arranjos de antenas 5G possuir largura de feixe muito mais estreita do que as antenas setoriais existentes e, por isso, os níveis de interferência podem ser reduzidos. Além disso, há técnicas de mitigação de interferência (Shafi et al., 2017), que estão em uso em sistemas IMT-Advanced, as quais combatem interferência de outra célula e, portanto, contribuem para a melhoria da eficiência do espectro, especialmente para as taxas de borda da célula. De acordo com a simulação, os níveis de capacidade da rede foram altamente favorecidos com a implantação das microcélulas, os quais caracterizam-se por atingir em torno de 100 a 200 Mbps na maior parte da área e chega a atingir uma capacidade máxima de quase 1 Gbps. O resultado era esperado pois, como já foi dito, a expansão de capacidade da rede é dada pelo aumento da largura de banda. Quanto a regulamentação, a Lei Geral das Antenas dispensa licenças para infraestruturas de pequeno porte, como microcélulas, o que deve facilitar a construção das redes 5G. É interessante destacar aqui também que a Lei das Antenas foi regulamentada recentemente após Decreto nº 10.480, de 1º de Setembro de 2020, e essa mudança regulatória oficializa o princípio do silêncio positivo, que dá autorização automática para instalação de infraestrutura de telecomunicações em até 60 dias caso não haja manifestação por parte de órgãos ou entidades municipais. Sendo assim, operadoras ficam liberadas para instalar novas antenas caso o pedido de autorização siga em conformidade com a legislação e com as condições do requerimento 28 apresentado. Esse é um ponto positivo para a nossa cidade em estudo, isso porque no ranking Cidades Amigas da Internet do SindiTelebrasil - sindicato que representa as operadoras como Claro, Oi, TIM e Vivo - onde aponta os municípios com melhores condições regulatórias para que empresas de telefonia móvel ofereçam conectividade para a população, a cidade do Natal aparece na 20ª colocação, considerando o ranking das capitais. Espera-se, então, acelerar o processo do licenciamento para infraestrutura. Assim como grande parte das áreas urbanas do Brasil, a cidade do Natal enfrenta um dos principais problemas que causam poluição visual e problemas de queda de serviço: a quantidade de cabos de telecomunicações nos postes elétricos, como mostra a Figura 22. Com a chegada do 5G, os postes também serão utilizados para suportar antenas e, portanto, a infraestrutura de postes está diretamente relacionada à expansão das redes de telecomunicações, ver Figura 23. Sendo assim, é essencial que ocorra a revisão das normas técnicas para facilitar a organização dos cabos nos postes, no sentido de racionalizar o uso e o acesso a eles. Figura 22 - Poste elétrico localizado na esquina da Av. Afonso Pena com a Rua Potengi, em Petrópolis. https://tecnoblog.net/sobre/vivo/ 29 Figura 23 – Microcélula 5G implantada em poste elétrico, localizando na Córeia do Sul. Desse modo, a evolução e efetiva implementação da tecnologia 5G, não só a cidade do Natal, mas como o Brasil enfrenta dois principais desafios: a distribuição do espectro para que as empresas possam operar e o acesso à infraestrutura. Enquanto esses critérios não são esclarecidos, o 5G vem sendo efetivado por meio do DSS. V. CONCLUSÃO A análise realizada sob o bairro de Petrópolis em Natal/RN demonstra a alta densidade de BSs característica da rede 5G. A rede sugerida, representada por 39 microcélulas operando em 3.5 GHz e 4 macrocélulas operando em 700 MHz, apresentou bom desempenho para atender o bairro de Petrópolis, em quesitos de cobertura, SINR e, principalmente, capacidade. Capacidade essa que se caracteriza por atingir em torno de 100 a 200 Mbps em quase toda a região do bairro e chega a alcançar uma capacidade máxima de quase 1 Gbps em regiões pontuais. Diante dos resultados, foi reforçado a importância do desempenho simultâneo das duas bandas, em que a banda de 700 MHz fornece a cobertura e a sinalização da rede e a banda de 3.5 GHz desempenha a função de ponto de acesso para atender aqueles usuários que demandam alta taxa de dados. Foi discutido também que, com o objetivo de agilizar e facilitar a instalação de infraestrutura para telecomunicações, a Lei das Antenas foi regulamentada recentemente após Decreto nº 10.480, de 1º de Setembro de 2020, oficializando o princípio do silêncio positivo, que estabelece 30 um prazo para que órgãos ou entidades municipais respondam aos pedidos de autorização para instalação dos equipamentos, permitindo que a antena seja instalada mesmo sem o sinal verde do município, decorrido o prazo. Contudo, não só na cidade do Natal, mas como no Brasil, a concretização do 5G enfrenta dois principais desafios: a distribuição do espectro para que as empresas possam operar e o acesso à infraestrutura, o que pode atrasar sua efetiva implementação mas, enquanto isso, o país adiantará a sua execução por meio do DSS, compartilhando as faixas de frequência com os sistemas atuais, o que atenderá a demanda a curto prazo. No entanto, para altas demandas, essa técnica se torna ineficiente. Sendo, nesse contexto, necessária a implantação de microcélulas. Com a importância do estudo, sugere-se, como trabalhos futuros, aplicá-lo para os demais bairros na cidade do Natal/RN. Além disso, pode ser possível expandir o trabalho dimensionando a rede backhaul e, assim, possibilitando realizar previsões de custos de expansão da rede. VI. REFERÊNCIAS Bertoni, Henry L.; Radio Propagation for Modern Wireless Systems, Edit. Prentice Hall, p.176, 2000. BRASIL. Lei nº 13.116, de 20 de Abril de 2015. Estabelece normas gerais para implantação e compartilhamento da infraestrutura de telecomunicações e altera as Leis n º 9.472, de 16 de julho de 1997, 11.934, de 5 de maio de 2009, e 10.257, de 10 de julho de 2001. Diário Oficial da União, Brasília, DF, 22 abril 2015. Busari, Sherif Adeshina et al. 5G millimeter-wave mobile broadband: Performance and challenges. IEEE Communications Magazine, v. 56, n. 6, p. 137-143, 2018. Forecast, G. M. D. T. (2019). Cisco visual networking index: global mobile data traffic forecast update, 2017–2022. Update, 2017, 2022. Ge, Xiaohu et al. 5G ultra-dense cellular networks. IEEE Wireless Communications, v. 23, n. 1, p. 72-79, 2016. Hufford, George Allen et al. A guide to the use of the ITS irregular terrain model in the area prediction mode. US Department of Commerce, National Telecommunications and Information Administration, 1982. ITU (2017). ITU-R Rep. M.2410-0: Minimum requirements related to technical performance for 31 IMT-2020 radio interface(s). ITU (2017). ITU-R Rep. M.2412-0: Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-2020. MacCartney, G. R. e Rappaport, T. S. (2017). Rural Macrocell Path Loss Models for Millimeter Wave Wireless Communications. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. OpenStreetMap. Disponível em: <https://www.openstreetmap.org>. Acesso em: 11 nov. 2020. Oughton, Edward et al. Towards 5G: Scenario-based assessment of the future supply and demand for mobile telecommunicationsinfrastructure. Technological Forecasting and Social Change, v. 133, p. 141-155, 2018. Shafi, M., Molisch, A. F., Smith, P. J., Haustein, T., Zhu, P., De Silva, P., ... & Wunder, G. (2017). 5G: A tutorial overview of standards, trials, challenges, deployment, and practice. IEEE journal on selected areas in communications, 35(6), 1201-1221. S Jr, A. C. (2018). Redes Celulares 5G e Desenvolvimento Nacional. Revista de Tecnologia da Informação e Comunicação, 8(2), 35-42. Sun, Shu et al. Investigation of prediction accuracy, sensitivity, and parameter stability of large- scale propagation path loss models for 5G wireless communications. IEEE Transactions on Vehicular Technology, v. 65, n. 5, p. 2843-2860, 2016. Sun, S., Rapport, T.S., Thomas, T., Ghosh, A., Nguyen, H., Kovacs, I., Rodriguez, I., Koymen, O.,and Prartyka, A. "Investigation of prediction accuracy, sensitivity, and parameter stability of large-scale propagation path loss models for 5G wireless communications." IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol 65, No.5, pp.2843-2860, May 2016. Trindade, Rodrigo. Prévia do 5G chega ao Brasil como DSS; entenda transição para 5ª geração. UOL, São Paulo, 03 de jul. de 2020. Disponível em: <https://www.uol.com.br/tilt/noticias/redacao/2020/07/08/claro-5g-dss-no-brasil.htm>. Acesso em: 04 nov. 2020. Wisely, D., Wang, N., & Tafazolli, R. (2018). Capacity and costs for 5G networks in dense urban areas. IET Communications, 12(19), 2502-2510. https://www.openstreetmap.org/
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