Aula 10 SMC - Tecnólogo 1s2020 - FASE 2

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Serviço Móvel Celular
Evolução para a 5G 
Prof. Dr. Anthone Mateus
5G da Telefonia Móvel Celular
• O padrão IMT-2020 (International Mobile Telecommunications – 2020)
emitido pelo ITU (International Telecommunication Union), define que
o acesso à informação e ao compartilhamento de dados deverá ser
possível em qualquer lugar, a qualquer hora, por qualquer pessoa ou
qualquer coisa.
• São previstas taxas de transmissão de até 1Gbps para DL e 500 Mbps
para UL em um cenário de alta vazão em ambiente fechado.
• Outra característica importante é a baixa latência, da ordem de 1ms
para utilização em aplicações de atuação em tempo real.
• De acordo com o ITU-R e o IMT, o objetivo do 5G é viabilizar uma
sociedade conectada de forma integrada a partir de 2020,
possibilitando reunir pessoas e coisas, dados, aplicações, sistemas de
transporte e cidades em um ambiente de comunicações em rede
inteligente. 2
Expectativas para a 5G em 
relação a 4G
Fonte: INATEL (2019).
• A grande expectativa da Quinta Geração, é desenvolver um sistema
que seja altamente flexível, de capacidade elevada e que permita
abrigar aplicações inovadoras, como por exemplo, Internet Táctil,
Internet das Coisas (IoT, Internet of Things) e M2M (Machine to
Machine).
3
Requisitos de capacidade para a 
5G em comparação com a 4G
Fonte: INATEL (2019).
4
Alguns cenários de utilização da 
5G
1. Alta vazão em ambiente aberto;
2. Alta vazão em ambiente fechado;
3. Alta vazão em ambiente denso;
4. Baixa latência aplicada a internet táctil;
5. Baixa latência aplicada a comunicação ultra-confiável;
6. Acesso em áreas remotas em WRAN (Wireless Regional Area
Network).
5
Alguns cenários de utilização da 
5G
• O cenário de alta vazão suprirá as demandas por elevada taxa de dados, cujo
grande volume de dados advém do produto entre a diversidade de usuários
conectados e vazão necessária para o envio e recebimento de conteúdo.
• Os exemplos de aplicações poderão ser oferta de vídeo (como IPTV e transmissão
de vídeo em 4K), compartilhamento de imagens, vídeos em alta definição,
coberturas de eventos abertos ou fechados, com grande aglomeração de pessoas.
.
6
Alguns cenários de utilização da 
5G
Fonte: INATEL (2019).
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Alguns cenários de utilização da 
5G
Fonte: INATEL (2019).
• O cenário de alta vazão também se aplica em ambientes fechados, como por
exemplo, condomínios verticais, shopping centers, aeroportos, etc., onde será
possível transmitir e receber dados.
• Nestes casos existe a possibilidade de instalação de Hotspots (pontos de conexão WI-
FI).
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Alguns cenários de utilização da 
5G
Fonte: INATEL (2019). 9
Alguns cenários de utilização da 
5G
Fonte: INATEL (2019). 10
Alguns cenários de utilização da 
5G
Fonte: INATEL (2019). 11
Alguns cenários de utilização da 
5G
Fonte: INATEL (2019).
• Por fim, o cenário acesso em áreas remotas visa atender regiões rurais e de
baixa densidade populacional, promovendo uma cobertura satisfatória e com
acesso à rede Internet, com baixo custo de implantação e com células de alcance
superior a 50 km de cobertura. Um exemplo de aplicação é em WRAN (Wireless
Regional Area Network).
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Caminhos para implantação da 
5G
• A 5G será inicialmente disponibilizada através de melhorias
na tecnologia LTE Advanced-Pro (Release 13).
• Estas melhorias foram propostas no Release 14, que teve
início em março de 2016 e foi finalizado em junho de 2017.
• Em paralelo ao Release 14, o 3GPP deu início, em junho de
2017, as especificações do Release 15, que traz um grande
avanço através da introdução de uma nova interface aérea
chamada NR (New Radio).
• O padrão definido pelo 3GPP é considerado pela maioria do
mercado como o maior candidato a definir um padrão global
de quinta geração, visto que os padrões anteriores da
organização deram origem as redes legadas, 2G, 3G e 4G,
na maior parte do mundo.
13
Caminhos para implantação da 
5G
• Após o lançamento da versão não-autônoma (Non-Standalone – NSA) da nova
rede 5G em 2017, a versão autônoma (Standalone – SA) foi concluída em junho
de 2018 na reunião plenária do 3GPP TSG#80.
• O sistema 5G proposto pelo 3GPP apresenta uma ampla gama de possibilidades
de implementação, tanto do ponto de vista da arquitetura do sistema, quanto
dos recursos de camada física.
• Do ponto de vista da arquitetura, permite a interação (não mandatória) com
a rede 4G, podendo manter conexão com acesso e/ou core.
• Do ponto de vista de camada física, novas frequências de operação, bandas e
técnicas podem ser esperadas, bem como uma grande variedade de
configurações possíveis para os parâmetros dessa camada.
• As possibilidades de implementação citadas tornarão o sistema capaz de atender
os mais diversos casos de uso previstos para o IMT-2020, conforme discutimos
nos slides iniciais da aula. 14
Composição básica dos sistemas 
5G
Fonte: INATEL (2019). 15
Composição básica dos sistemas 
5G
• Assim como ocorreu com o IMT-Advanced, no qual o 3GPP definiu as redes de
acesso LTE e core (SAE - System Architecture Evolution) da tecnologia de quarta
geração (EPS – Evolved Packet System), para o IMT-2020 também houve
definições equivalentes.
• Para a 5G, a rede de acesso é denominada NG-RAN (Next Generation Radio
Access Network), a rede core (núcleo da rede) é chamada 5GC (5G Core) e o
dispositivo do usuário continua sendo chamado de UE (User Equipment).
• O 3GPP propõe para a quinta geração uma estrutura de acesso denominada NR.
A rede de acesso de quinta geração, NG-RAN, pode ser composta de NR, LTE ou
a combinação de ambas.
• No núcleo da rede 5G é possível implementar o NGC (Next Generation Core), que
é o core de quinta geração, ou mesmo utilizar o EPC do 4G, que é uma
alternativa com grande chance de ser utilizada num momento
inicial.
• A rede core foi projetada para fornecer conexão com as redes externas (ex.:
internet, IMS – IP Multimedia Subsystem) e dentre suas principais
responsabilidades pode-se destacar autenticação dos usuários, segurança,
gerência dos assinantes e gerência de sessão. 16
Arquitetura NG-RAN
• A rede de acesso de quinta geração permite implementação de maneira
heterogênea em termos de tecnologia de acesso.
• A NG-RAN pode ser composta de rádio bases de quinta geração, gNBs (Next
Generation NodeBs), que são os elementos de acesso do NR, ou por rádio bases
de quarta geração, ng-eNBs (Next Generation eNodeBs), que são eNodeBs
(Evolved NodeBs) com propósito de atender o 5G.
• Tanto gNBs quanto ng-eNBs podem ser conectados uns aos outros através da
interface Xn, semelhante ao que se tinha no LTE com a interface X2 entre duas
eNBs.
Fonte: INATEL (2019).
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Opções de implementação do 
NG-RAN
• Para atender as direções do IMT-2020 (eMBB – Enhanced Mobile Broadband,
URLLC – Ultra Reliable Low Latency Communications e mMTC – Massive Machine
Type Communications) e as várias possibilidades de casos de uso, o 3GPP definiu
7 opções de implementação de acesso à rede core.
• Dentre elas, é possível encontrar implementações independentes, ou seja, que
utilizam apenas uma RAT (Radio Access Technology), e outras que dependem da
interação com acesso e core de quarta geração, LTE e EPC (Evolved Packet
Core).
Fonte: INATEL (2019). 18
Opções de implementação do 
NG-RAN
• A migração independente das redes de acesso e core é um facilitador essencial
do 5G para o mercado, pois permite que os operadores escolham o caminho que
melhor se adapte aos seus objetivos.
• Esses fatores resultaram nas várias opções de implementação que estão
resumidas na Tabela 1 a seguir.
Fonte: INATEL (2019).
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Rede Core / Núcleo da Rede 5G
• A rede 5G está sendo projetada para permitir a implantação, por parte da
indústria, de novas técnicas como NFV (Virtualização de Funções de Redes) e
SDN (Redes Definidas por Software).
• A necessidade de implementação dessas novas técnicas é dada a diversidade de
perfis de usuário (casos de uso com diferentes requisitos) e diversidade nos
serviços oferecidos pela quinta geração.
•Tendo em vista essas características, o 3GPP manteve a ideia de arquitetura
plana, em que as funções de plano de controle (Control Plane – CP) são
separadas do plano de usuário (User Plane – UP) a fim de torná-las
independentes, permitindo que os operadores dimensionem as redes de acordo
com suas necessidades.
• Para prover os diferentes serviços de dados, os elementos do NGC, também
chamados de funções de rede, Network Functions – NF, foram ainda mais
simplificados se comparados as redes legadas, sendo a maioria deles baseados
em software.
• A arquitetura do core é definida como baseada em serviço (Service Based
Architecture – SBA) e a interação entre os NFs é representada de duas
maneiras: baseada em ponto de referência e baseada em serviço. 20
Rede Core / Núcleo da Rede 5G
Fonte: INATEL (2019). 21
Características do Equipamento 
de Usuário (UE) na 5G
• O dispositivo do usuário é o elemento que através da rede de acesso se conecta
com o core. Dentre suas características podem-se destacar:
• Suporte ao New Radio: O UE deve ser capaz de operar com as bandas de
operação, técnicas de múltiplo acesso, modulações, modos de transmissão,
MIMO massivo entre outras técnicas definidas para o New Radio. Os
primeiros dispositivos 5G podem não suportar toda a gama de tecnologias e
técnicas em sua totalidade, sendo assim, o gNB pode solicitar ao UE
informações relacionadas às capacidades deste aparelho (ex.: frequências
de operação, esquemas de modulação e ordens de MIMO suportadas).
• Identificação: Assim como nas redes legadas, o 5G utilizará identificadores
diferentes para o equipamento físico e para o assinante. Estes
identificadores são o IMEI (International Mobile Equipment Identity) e o
IMSI (International Mobile Subscriber Identity), respectivamente.
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Características do Equipamento 
de Usuário (UE) na 5G
• O dispositivo do usuário é o elemento que através da rede de acesso se conecta
com o core. Dentre suas características podem-se destacar (continuação):
• Segurança: O UE deve permitir o armazenamento seguro da chave
permanente de segurança e também ser capaz de gerar novas chaves como
parte do processo AKA (Authentication and Key Agreement) de quinta
geração. Tanto a verificação de integridade quanto a criptografia da
sinalização e do tráfego do usuário são de responsabilidade do UE.
• Dupla conectividade: O UE deve ser capaz de manter conectividade com dois
nós de rede simultaneamente, o nó principal (Master RAN Node) e o nó
secundário (Secondary RAN Node). Esse modo de operação é um importante
facilitador para o serviço 5G, e o UE pode se beneficiar de uma taxa de
dados mais elevada.
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Camada Física: Espectro de 
Frequências
• Para a 5G foi definida inicialmente uma faixa de frequências conhecida como
“sub-6 GHz”, que engloba frequências inferiores a 6 GHz.
• Todavia, mesmo com a faixa sub-6 GHz, as metas de vazão para fases
posteriores do 5G, que visam taxas de transferência de pelo menos 50 Gbps,
não poderiam ser atingidas com a eficiência espectral planejada para o IMT-
2020 (em torno de 30 bps/Hz).
• Diante disso, uma nova faixa de frequência (nunca utilizada anteriormente para
sistemas celulares) precisou ser considerada.
• Esta nova faixa é conhecida como ondas milimétricas, mmWave (embora
tecnicamente as ondas milimétricas estejam a partir de 30 GHz).
• Com ela deverá ser possível atingir as taxas idealizadas, aproveitando-se de uma
largura de banda muito superior. 24
Camada Física: Espectro de 
Frequências
• Sub-6 GHz
• Em 2015, no evento WRC-15 ocorrido em Genebra na Suíça, foram definidas
bandas inferiores a 6 GHz como possíveis candidatas a receber o 5G.
• Dentre elas pode-se destacar a banda L (1427-1518 MHz), parte da banda C
(3,4 – 3,6 GHz), além de um espectro adicional para alguns países (470-
694/698 MHz; 3,3-3,4 GHz; 3,6-3,7 GHz e 4,8-4,99 GHz).
• Algumas dessas faixas são consideradas por muitas operadoras, as maiores
candidatas a receberem a tecnologia. A região do espectro abrangida que
vai de 3300 a 5000 MHz, é considerada a mais adequada para a implantação
do 5G, em termos técnicos, para a faixa Sub-6 GHz.
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Camada Física: Espectro de 
Frequências
• mmWave
• O próximo evento, WRC-19, deverá analisar as seguintes faixas de
frequência demonstradas na Tabela 2.
Fonte: INATEL (2019).
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Camada Física: Espectro de 
Frequências
• mmWave
• Devido à complexidade de definir frequências que sejam utilizadas por
todos, alguns países podem realizar implementações em bandas que não
foram harmonizadas globalmente, como é o caso da banda de 28 GHz, a
qual os EUA, Coréia e Japão pretendem utilizar, embora não sejam
planejadas pelo ITU.
• Além destes, outros países também planejam operar em outras faixas não
globais. A Tabela 3 demonstra tais faixas e os países/continentes que devem
utilizá-las.
Fonte: INATEL (2019).
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Camada Física: Espectro de 
Frequências
• A utilização dessas frequências promove uma cobertura reduzida se comparada a
frequências inferiores, por exemplo, as utilizadas nas redes legadas.
• Como o Path Loss é diretamente proporcional à frequência de operação, a utilização
dessas frequências promove uma cobertura reduzida se comparada a frequências
inferiores.
• Portanto, pode-se concluir que uma combinação de frequências mais baixas e mais
altas é fundamental para a operação 5G.
• Sendo assim, faixas mais baixas podem ser destinadas à cobertura e controle,
enquanto que faixas mais altas podem ser dedicadas a fornecer uma maior
capacidade e taxas de dados mais elevadas.
• Para ambas as faixas, o sistema deverá ser capaz de operar no modo agregação de
portadoras (Carrier Aggregation) e dupla conectividade (Dual Connectivity).
• Obs.: Path Loss: Perda no percurso da onda eletromagnética entre transmissor e receptor.
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Camada Física: Espectro de 
Frequências
• O 3GPP especificou para o NR duas grandes bandas de operação, FR1
(Frequency Range 1) correspondente à faixa sub-6 GHz e FR2 (Frequency Range
2) correspondente à faixa mmWave.
• A FR1 abrange o intervalo de 450 a 6000 MHz, e a FR2 abrange o intervalo
de 24250 a 52600 MHz.
• Para cada faixa descrita, existe uma largura de banda máxima suportada, sendo
100 MHz para FR1 e 400 MHz para FR2. A Tabela 4 resume os limites em
frequência e as bandas máximas suportadas.
Fonte: INATEL (2019). 29
Camada Física: Espectro de 
Frequências
• As faixas FR1 e FR2 abrangem diversas bandas de operação. A Tabela 5 e a
Tabela 6 a seguir definem quais são as bandas de operação do NR dentro dessas
faixas, bem como os modos de duplexação possíveis para operar em cada uma.
Fonte: INATEL (2019).
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Camada Física: Espectro de 
Frequências
Fonte: INATEL (2019).
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Camada Física: Espectro de 
Frequências
• Dentre as bandas apresentadas para FR1, na Tabela 5, é possível notar que
estão disponíveis diversas faixas de frequência.
• É possível notar também que, além das bandas para os modos de duplexação
TDD e FDD, o 3GPP apresenta bandas suplementares para uplink, SUL
(Supplementary Uplink) em frequências mais baixas para permitir a coexistência
com o LTE.
Fonte: INATEL (2019).
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Camada Física: Espectro de 
Frequências
• Para o downlink também foram propostas bandas suplementares, SDL
(Supplementary Downlink), com a finalidade de permitir a agregação de uma
portadora de espectro não pareado com as portadoras FDD.
• A agregação de portadoras melhora significativamente a capacidade de downlink
das redes e a experiência do usuário, além de permitir uma utilização mais
eficiente do espectro, visto que o consumo de dados na maioria das vezes é
assimétrico (há mais tráfego na direção de downlink).
• As regiões que são consideradas maiores candidatas a receberem o NR são as
bandas consecutivas n77, n78 e n79, que abrangem o intervalo que vai de 3300
a 5000 MHz, conforme citado anteriormente.
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Camada Física: Espectro de 
Frequências
• Nas bandas apresentadas para FR2, ainda há divergências sobre qual será
adotada, e muito possivelmente serão faixasdiferentes em cada país.
• Além disso, ao utilizar frequências mais altas, o link budget geralmente é
limitado pelo uplink, visto que o móvel pode não possuir potência de
transmissão suficiente para “alcançar” a rede de acesso, se ela possuir um raio
de cobertura muito elevado.
• Por conta disso, é possível observar que para FR2 todas as faixas operam com
TDD, aproveitando a reciprocidade do canal.
• Obs.: Link budget: Cálculo realizado para definir quais serão as características
de transmissão do sistema com objetivo de superar o Path Loss.
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Operações com múltiplas 
antenas
• No LTE, as redes evoluíram do MIMO 2x2 para o 4x4 e tem-se a intenção de
implementar ainda mais antenas.
• Entretanto, na prática existe uma limitação física intrínseca ao dispositivo móvel
que o impede de possuir um número muito elevado de elementos irradiantes,
principalmente em frequências mais baixas, onde o comprimento de onda é
maior, aumentando assim o tamanho do elemento irradiante.
• Uma maneira de aumentar a capacidade sem alteração no equipamento móvel é
adicionando mais elementos na estação base, já que ela não possui limitações
físicas para acomodação dessas antenas.
• A implementação de múltiplas antenas é feita por meio de vários elementos
irradiantes dispostos em duas dimensões (2D) em forma de matrizes (Antenna
Array).
• A utilização de várias antenas é conhecida de forma genérica como Massive
MIMO (MIMO massivo), e o 3GPP a denomina como FD-MIMO (Full Dimension
MIMO).
• Essas matrizes de antenas são capazes de gerar feixes em três dimensões (3D)
no plano de elevação e azimute.
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Operações com múltiplas 
antenas
• A Figura 17 apresenta uma matriz de antenas com os feixes tridimensionais.
Fonte: INATEL (2019). 36
Operações com múltiplas 
antenas
• No NR, analisando as faixas de frequência FR1 e FR2 planejadas, é possível notar
que a diferença entre elas promove características de propagação bastante distintas,
o que leva a diferentes requisitos para operação com MIMO.
• A proposta do 3GPP para o Release 15 é estender a ideia dos Releases 13 e 14 e
suportar FD-MIMO, com 32, 64, 128 ou até 256 elementos irradiantes, CSI (Channel
State Information) flexível e Beamforming.
• Assim, dependendo de qual parte do espectro de frequências for utilizada para sua
operação, diferentes soluções e técnicas podem ser utilizadas no NR.
• Para frequências mais baixas é esperada a operação em FDD, bem semelhante ao
que se tinha no LTE, com um número moderado de antenas ativas (até cerca de 32).
• As larguras de banda disponíveis para estas frequências mais baixas são limitadas,
requerendo uma maior eficiência espectral, que por sua vez é promovida por meio
do MU-MIMO (Multi User – MIMO) e da multiplexação espacial de ordem superior,
que é alcançada através de relatórios CSI melhorados. 37
Operações com múltiplas 
antenas
• As faixas mais altas tendem a ter sua operação em TDD, visto que é mais fácil
encontrar bandas mais largas para espectro não-pareado.
• Além disso, o TDD possui características fundamentais para a utilização de um
número massivo de antenas (FD-MIMO), como por exemplo a reciprocidade no
canal, como foi anteriormente citado.
• Devido à reciprocidade promovida pelo TDD (já que downlink e uplink se dão na
mesma frequência, e, portanto, o Path Loss é bastante semelhante em ambas as
direções), também é possível obter estimativas mais apuradas do canal no
uplink, que são enviadas à estação base por meio de CSIs de maior resolução.
• Assim sendo, um número maior de antenas ativas é esperado para essas faixas,
aumentando o ganho na formação dos feixes, o que é essencial para mitigar a
alta perda por propagação em frequências mais altas.
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Operações com múltiplas 
antenas
• As faixas ainda mais altas (mmWave) possuem espectro disponível bastante abundante e
são capazes de fornecer taxas de transmissão extremas que irão remodelar a experiência
do usuário.
• Entretanto, a implementação da tecnologia na região do espectro traz consigo uma série
de desafios, pois a perda no percurso (Path Loss) aumenta proporcionalmente ao
aumento da frequência.
• Desta forma, a transmissão nessas faixas de frequência é limitada a uma única direção
por unidade de tempo, uma vez que uma antena isotrópica seria muito pequena devido
ao comprimento de onda.
• Sendo assim, as implementações em ondas milimétricas são mais convenientes para
aplicações estacionárias, como por exemplo, acoplamento sem fio de curto alcance entre
estações, que podem ser de tecnologias como 802.11ad.
• Como dito, para esses comprimentos de onda, os elementos irradiantes seriam muito
pequenos, logo um grande número deles se faz necessário para manter a cobertura,
número ainda maior se comparado as quantidades para a faixa sub-6GHz. 39
Operações com múltiplas 
antenas
• Assim como para frequências intermediárias, a operação em mmWave deverá
ocorrer utilizando TDD pelos mesmos motivos citados anteriormente.
• O beamforming precisa ser aplicado nas extremidades do transmissor e receptor
para combater o maior Path Loss, e um novo tipo de gerência de feixes é
requerido para a aquisição de CSIs, no qual a estação base precisa “varrer”
sequencialmente no tempo os feixes candidatos que são transmitidos.
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Modulação
• Para o NR, foram definidos alguns esquemas de modulação de acordo com a
técnica de múltiplo acesso utilizada.
• Para OFDM com utilização de prefixo cíclico, tanto para downlink quanto para
uplink são suportados os esquemas: QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying),
16QAM (Quadrature Amplitude Modulation), 64QAM e 256QAM (com mesmo
mapeamento de constelação utilizado no LTE).
• Para o DFT-s-OFDM com prefixo cíclico, para Uplink são suportados os esquemas
π/2-BPSK (Binary Phase-Shift Keying), QPSK, 16QAM, 64QAM e 256QAM.
• Os esquemas de modulação utilizados são os mesmos utilizados no LTE-
Advanced, com exceção do π/2-BPSK que foi adicionado com o propósito de
operar de maneira mais eficiente com amplificadores de potência de baixa PAPR
(Peak to Average Power Ratio) em cenários de mMTC (Massive Machine Type
Communications), que a taxa de dados é muito baixa. 41
Modulação
• Além dessas modulações, a implementação do 1024QAM está sendo analisada.
• O suporte a essa modulação deve fornecer, em teoria, um ganho de pelo menos
25% em termos de taxa se comparada ao 256QAM, já que o 1024 carrega 10
bits por símbolo, e o 256QAM 8 bits por símbolo.
• No entanto, o suporte a 1024QAM na prática vai de encontro a questões
técnicas, já que para decodificar os blocos de transporte numa modulação dessa
ordem, é necessária uma SINR (Signal Interference Noise Ratio – Relação Sinal
Ruído Interferência) muito alta para atingir valores de BLER (Block Error Rate)
aceitáveis.
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