Micro-ondas e a onda milimétrica para o transporte 5G

A evolução do 4G para o 5G traz novos desafios para todas as tecnologias de transporte: e as redes sem fio não são exceção. As plataformas MW e mmW são capazes de atender às exigências do 5G, tanto para o transporte quanto para a rede (ponta a ponta).

Renato Lombardi, presidente do ISG mWT Grupo de Especificação Industrial sobre Transmissão de Ondas Milimétricas do ETSI. Este artigo foi preparado com contribuições de toda a equipe do ISG mWT

  Há mais de 20 anos, a micro-ondas é a principal solução para a implantação rápida e econômica da infraestrutura de backhaul móvel, com mais de 50% dos sites móveis em todo o mundo conectados por meio de links de rádio de micro-ondas (MW) ou ondas milimétricas (mmW), chegando a 90% em algumas redes. Agora, a evolução do 4G para o 5G traz novos desafios para todas as tecnologias de transporte: e as redes sem fio não são exceção. Atualmente, as plataformas MW e mmW são capazes de atender às exigências do 5G, tanto para o transporte quanto para a rede (ponta a ponta).

Uma visão geral das exigências do 5G

  Para começar, é preciso conhecer as várias fontes que servem para descrever e analisar os serviços e os requisitos que definem uma rede 5G, incluindo, principalmente, a ITU-R [Recomendação ITU-R M.2083-0], conforme as figuras abaixo.

  A qualidade do serviço pode ser afetada por demandas em diferentes setores, como na capacidade de transporte (throughput); planejamento de rede (tráfego por área), que se traduz em densidade do site (e densidade de link MW/mmW); e na própria rede (latência, fatias da rede e agilidade – SDN etc.).

  Já entre as áreas que não afetam diretamente o transporte MW/mmW estão o número de dispositivos conectados, mobilidade etc.

Requisitos de capacidade para o transporte móvel 5G

  Para determinar os requisitos de transporte em toda a rede é necessário iniciar pelas exigências de capacidade dos macro-sites típicos e depois combinar essas informações com a topologia de rede, para obter as demandas de transporte dos links MW/mmW em diferentes segmentos da rede, como tail links e links de agregação.

  A evolução das tecnologias mmW e a disponibilidade de novos espectros permitirão o suporte a aplicativos front-haul, com capacidades que variam de 10 a 100 Gbps.

Características de transporte de micro-ondas e mmW

A engenharia de um link MW ou mmW envolve encontrar a combinação ideal entre comprimento de link, capacidade, banda de frequência e disponibilidade.

Visão geral do espectro MW e mmW

  Ao longo de várias décadas, o aumento da capacidade de transporte e a maior densidade de locais promoveram o uso de bandas de frequência cada vez mais altas, como mostra a figura abaixo.

  A física da propagação de ondas de rádio determina a relação entre capacidade, disponibilidade e comprimento de link. Como o espectro disponível é proporcional à frequência central, as frequências mais altas são também aquelas de maior capacidade, mas também cobrem os comprimentos de link comparativamente mais curtos.

  Como regra geral, as frequências de 13 GHz não são afetadas pela intensidade das chuvas, já as frequências acima de 13 GHz são cada vez mais enfraquecidas por causa da chuva. Dessa forma, como princípio geral as frequências mais altas são usadas para links mais curtos.

  A combinação de diferentes bandas de frequência no mesmo link de rádio, BCA- Multi-band aggregation, permite combinar o melhor dos dois mundos em termos de capacidade, disponibilidade e comprimento de link.

Topologia de rede de transporte MW e mmW

  O alcance da fibra até a borda da rede e o aumento da densidade de sites têm dois efeitos principais:

  • Encurtamento em cascata das cadeias de links de rádio, aproximando o limite de um link de rádio ao limite da fibra.

  • Aumento do número de links originados em uma topologia na forma estrela a partir de um hub site.

  A topologia em árvore tipicamente MW/mmW significa que é preciso distinguir entre tail links, conectando apenas um site móvel terminal e links de agregação, que transportam o tráfego de diferentes sites terminais.

  Uma topologia em malha também pode ser usada. Nesse caso, os links de rádio são a maneira mais rápida e eficiente para garantir a conexão secundária, cobrindo os requisitos relacionados ao fatiamento de rede, tanto por caminho quanto por serviço e fazendo a proteção de link, com diferenciação das mídias no caminho mais curto/mais rápido entre os sites adjacentes. Em geral, essas considerações definem diferentes segmentos de rede.

  • Cenários de alta e média densidade urbana: onde antes a rede se baseava em uma topologia hub-and-spoke, há um forte aumento nos pontos de presença de fibra (PoP), a partir dos quais se origina uma topologia do tipo estrela com links de ponta de alta capacidade; o nível de espalhamento de tais hubs tende a ser alto. A profundidade da rede MW/mmW tende a ser de 1 … 1,5 saltos da fibra PoP.

  • Cenários de baixa densidade urbana: a tendência é a mesma, mas aqui a profundidade da rede MW/mmW está indo para uma média de 1,5 … 2 saltos da fibra PoP.

  • Cenários de áreas rurais: aqui a variação será maior devido às condições geográficas amplamente diferentes. Espera-se que a profundidade média da rede deva estender para 2,5 saltos da fibra PoP.

  • Cenários mistos: em alguns lugares, pode acontecer que um pequeno aglomerado de áreas urbanas ou suburbanas esteja situado a certa distância da fibra PoP, de modo que o comprimento do link MW/mmW para o link de agregação em direção ao PoP não esteja diretamente relacionado o raio de alcance da célula.

Disponibilidade de espectro MW e mmW

  A disponibilidade do espectro MW/mmW depende de fatores tecnológicos e regulatórios. Já existe tecnologia disponível e em desenvolvimento para fazer uso total do espectro existente (6-86 GHz) e futuro (90-300 GHz): a E-Band (80 GHz) foi explorada comercialmente por vários anos. Já há testes implementados há mais de um ano, com a W-Band (100 GHz) e a D-Band (150 GHz), que são as bandas mais promissoras.

  Há também canais mais amplos (112MHz, até 224MHz, onde for possível) em frequência tradicionais e com disponibilidade bruta de espectro (10GHz em E-Band, 18GHz em W-Band e 30GHz em D-Band), que fornecem os principais recursos para expandir a capacidade de MW e mmW em sistemas de rádio.

  Além dos fatores tecnológicos, a regulamentação e o licenciamento do espectro, que são diferentes de país para país, são pontos chave:

  • Bandas de MW/mmW não estão disponíveis para os operadores em qualquer lugar, incluindo aqueles que são considerados “tradicionais” na maior parte do mundo (especialmente acima de 23 GHz).

  • Frequência mais baixas foram regulamentadas há muitas décadas com base na capacidade de transmissão e disponibilidade criadas na época do TDM, antes que recursos como modulação adaptativa estivessem disponíveis. Em alguns casos, isso dificulta estabelecer a regulamentação, o planejamento e o preço da rede de backhaul de MW/mmW.

  • Técnicas como XPIC (cancelamento de interferência polar-cruzada) e linha de visão MIMO, que abordam a eficiência do espectro de links, devem ser mais atraentes do ponto de vista de licença de uso.

  • Antenas de diretividade mais altas e novas técnicas de cancelamento de interferências ativas devem ser encorajadas, com esquemas de licenciamento que incentivem a eficiência do espectro geográfico para um maior grau de reúso do canal.

Requisitos de rede 5G

  Um dos requisitos mais importantes para a rede de próxima geração é gerar novas receitas e reduzir o TCO. Entre os meios para alcançar esse objetivo estão:

  • Ativar e implantar novos tipos de serviços (mMTC, uRLLC), além dos tradicionais serviços de voz e eMBB, em uma rede de transmissão comum.

  • Implantar e gerenciar esses serviços (e novos ainda não previstos) com maior rapidez do que hoje.

  • Automatizar o maior número possível de processos (configuração, solução de problemas, otimização multicamadas, resiliência, etc.).

  Os aspectos da tecnologia MW/mmW impactados pelos requisitos acima podem ser resumidos da seguinte forma:

  • Latência de transmissão ultra-baixa, determinística (algumas dezenas de μs) e com jitter. Isso afeta principalmente o design das interfaces de dados, o processamento de pacotes e o modem de rádio, além do design da interface aérea.

  • Precisão ultra-alta em toda a largura de rede, com pacotes baseados em tempo e fase de sincronização.

  • Suporte para SDN e pacotes para redes avançadas (L2 / L3, L3 VPN, roteamento de segmentos, etc.).

  • Suporte para múltiplas interfaces 10G e capacidades nodais adequados ao aumento da densidade de rede.

  Todos os requisitos de rede são endereçados em MW/mmW, com aproveitamento do que é desenvolvido para todos os demais segmentos de rede.

  A tecnologia MW/mmW é capaz de cumprir o desafio de capacidade e distância de 5G em todos os cenários. Mesmo que a extensão de fibra seja ampliada, uma parcela muito significativa de sites de acesso móvel e fixo ainda exigirá uma conexão de MW/mmW à infraestrutura de fibra.

  Para tanto, a indústria de MW/mmW está desenvolvendo a solução em vários modelos.

Atividades ETSI ISG mWT na indústria de MW e mmW

  O ISG mWT – Grupo de Especificação Industrial sobre Transmissão de Onda Milimétrica foi criado em janeiro de 2015, dentro do ETSI – European Telecommunications Standards Institute. Essa equipe tem a tarefa de disponibilizar uma plataforma e oferecer oportunidades para que as empresas e organizações envolvidas na indústria de transmissão de micro-ondas e milimétricas micro-ondas possam trocar informações técnicas e preparar artigos científicos, com o objetivo de aumentar o nível de confiança dos operadores em todo o mundo no uso dessas tecnologias.

  Este artigo é um dos muitos resultados técnicos produzidos pelo ISG mWT sobre os diferentes aspectos da tecnologia, aplicações, gerenciamento do espectro, regulamentação e licenciamento, que podem ser encontrados no site dedicado do ETSI.