Mesmo sem entender muito sobre as gerações de padrões de comunicação móvel, qualquer um provavelmente responderia que 5G é melhor do que 4G/LTE. Na verdade, as coisas não são tão simples. Vamos ver em que o 5G é melhor/pior e quais casos de uso são mais promissores, considerando o estado atual.
Então, o que a tecnologia 5G promete?
- Aumento de velocidade em dezenas de vezes até 10 Gb/s,
- Redução de latências em dezenas de vezes até 1 ms,
- Aumento da confiabilidade da conexão (taxa de erro de perda de pacotes) em centenas de vezes,
- Aumento da densidade (número) de dispositivos conectados (106/km2).
Tudo isso é alcançado por meio de:
- multicanalidade (paralelismo em frequências e estações-base)
- aumento das frequências portadoras de uma para dezenas de GHz (capacidade do canal de rádio)
O 5G melhorará o 4G em áreas tradicionais, seja em downloads instantâneos de filmes ou conexão sem interrupções de aplicativos móveis com a nuvem. Isso significa que poderemos abandonar a entrega de Internet em nossos apartamentos e escritórios por cabo?
O 5G garantirá conectividade universal de tudo com tudo, combinando protocolos de banda larga e de alto consumo de energia com protocolos de baixa largura de banda e economizadores de energia. Isso abrirá novas direções que não eram acessíveis no 4G: comunicação máquina-a-máquina em terra e no ar, Indústria 4.0, Internet das Coisas. , que o negócio do 5G gere $3,5 trilhões até 2035 e crie 22 milhões de empregos.
Ou não?..
(Fonte da imagem – Reuters)
Como funciona
Quem sabe como funciona o 5G – pule esta seção.
Então, como conseguiremos alcançar essa rápida transferência de dados no 5G, como descrito acima? Não é mágica, certo?
O aumento da velocidade ocorrerá devido à mudança para uma faixa de frequência mais alta – antes não utilizada. Por exemplo, a frequência do WiFi doméstico é de 2,4 ou 5 GHz, e a frequência das redes móveis existentes é em torno de 2,6 GHz. Mas quando falamos de 5G, estamos falando de dezenas de gigahertz. É simples: aumentamos a frequência, reduzimos o comprimento da onda – e a velocidade de transferência de dados aumenta exponencialmente. E a rede, em geral, fica menos carregada.
Aqui está uma tira cômica ilustrativa de como foi e como será. Foi:
Será:
(Fonte: IEEE Spectrum, )
A frequência aumentou dezenas de vezes, por isso no 5G lidamos com ondas muito mais curtas, na faixa de milímetros. Elas passam com dificuldade por obstáculos. Isso também altera a arquitetura da rede. Se antes a conexão era garantida por grandes torres poderosas, que ofereciam cobertura em longas distâncias, agora será necessário instalar muitas torres compactas e de baixa potência por toda parte. E considere que em grandes cidades, serão necessárias muitas estações, devido à obstrução do sinal por prédios altos. Assim, para uma cobertura confiável das redes 5G em Nova York, é preciso o número de estações base em 500 (!) vezes.
De acordo com dos operadores russos, a transição para o 5G custará cerca de 150 bilhões de rublos – um valor comparável aos gastos anteriores com a implantação da rede 4G, e isso apesar do fato de que o custo das estações 5G é menor do que as existentes (mas elas são necessárias em grande quantidade).
Existem duas opções de rede: fixa e móvel.
Para reduzir o consumo de energia e aumentar a distância, utiliza-se a tecnologia beamforming — formação dinâmica do feixe de rádio para um assinante específico. Como isso é feito? A estação base registra de onde e quando o sinal chegou (ele não vem apenas do seu telefone, mas também como reflexo de obstáculos) e, com métodos de triangulação, calcula sua localização aproximada, e em seguida traça a trajetória do sinal de forma otimizada.
Fonte: Analysys Mason
No entanto, a necessidade de rastrear a posição do receptor leva a uma ligeira diferença entre as opções de uso fixo e móvel, e isso se reflete em diferentes casos de uso (sobre isso, falaremos mais adiante na seção 'Mercado Consumidor').
Status Quo
Padrões
Não há padrão 5G adotado. A tecnologia é muito complexa e há muitos players com interesses contraditórios.
Atualmente, um padrão 5G NR (New Radio) está em fase de proposta muito detalhada pela organização 3GPP (3rd Generation Partnership Project), que desenvolveu os padrões anteriores, 3G e 4G. O 5G utiliza duas faixas de frequência (Frequency Range, ou simplesmente FR). FR1 oferece frequências abaixo de 6GHz. FR2 – acima de 24GHz, as chamadas ondas milimétricas. O padrão suporta receptores fixos e móveis e é um desenvolvimento adicional do padrão 5GTF da gigante de telecomunicações americana Verizon, que suporta apenas receptores fixos (esse tipo de serviço é chamado de redes de acesso sem fio fixo).
O padrão 5G NR prevê três cenários de uso:
- eMBB (banda larga móvel aprimorada) – define a internet móvel que conhecemos;
- URLLC (Comunicações Ultra Confiáveis de Baixa Latência) — grandes requisitos de tempo de resposta e confiabilidade – para tarefas como transporte autônomo ou cirurgia remota;
- mMTC (Comunicações de Tipo de Máquina Massiva) – suporte para um grande número de dispositivos que enviam dados raramente – o caso da Internet das Coisas, isto é, medidores e dispositivos de monitoramento.
Ou, em resumo, o mesmo na imagem:
É importante entender que a indústria se concentrará inicialmente na implementação de eMBB, como um cenário mais compreensível com fluxos de receita existentes.
Implementação
Desde 2018, testes em grande escala estão sendo realizados, por exemplo, nos Jogos Olímpicos de Inverno na Coreia do Sul. Em 2018, todos os operadores russos da 'grande quatro' realizaram testes. A MTS testou a nova tecnologia – foram verificados cenários de uso com chamadas de vídeo, transmissão de vídeo em alta definição e jogos online.
Na Coreia do Sul, pela primeira vez no mundo, o serviço 5G foi oferecido no final de 2018. A implementação comercial global é esperada no próximo ano, 2020. Na fase inicial, a faixa FR1 será utilizada como um complemento às redes existentes de 4G. De acordo com os planos do Ministério das Comunicações, o 5G começará a aparecer em cidades com mais de um milhão de habitantes a partir de 2020. Na prática, a implementação em grande escala será determinada pela possibilidade de monetização, e esse aspecto do 5G ainda não está claro.
Qual é, então, o problema com a monetização? O fato é que os operadores de telecomunicações ainda não vêem fundamentos sólidos para a modernização: as redes existentes lidam bem com a carga. E agora, o 5G é considerado por eles mais em termos de marketing: o ícone 5G na tela do telefone será indiscutivelmente um ponto positivo aos olhos dos assinantes do operador de telecomunicações. Um caso anedótico interessante é o da , que colocou o ícone 5G na ausência de uma rede real, pelo qual os concorrentes processaram por engano.
Se você olhar de perto, verá que o ícone na verdade é "5GE" — que se refere a 5G Evolution, e de repente não é o 5G que pensamos, mas apenas um rótulo criado por marqueteiros para uma rede LTE existente com algumas melhorias.
Chipsets
As empresas de microeletrônica já investiram bilhões de dólares em 5G. Os chips para modems celulares 5G NR são oferecidos pela Samsung (), Qualcomm (), Huawei (). Os modems da Intel, um novo jogador nesse mercado, são esperados para o final de 2019. O modem da Samsung é feito com tecnologia FinFET de 10nm e é compatível com os padrões antigos, começando do 2G. Na faixa de frequência até 6GHz, proporciona velocidades de download de até 2Gb/s, enquanto na faixa de milímetros a velocidade aumenta para 6Gb/s.
Celulares
Quase todos os fabricantes de celulares Android anunciaram planos para implementar 5G. A Samsung apresentou o seu flagship Galaxy S10 em versão 5G na Mobile World Congress no final de fevereiro de 2019. Já no dia 5 de abril, seu lançamento ocorreu na Coreia. Nos EUA, o novo dispositivo chegou em 16 de maio, e lá a conexão é feita com a rede da operadora Verizon. Outros operadores estão se ajustando: a AT&T anunciou planos para lançar em parceria com a Samsung um segundo smartphone na segunda metade de 2019.
Durante o ano, smartphones 5G de diferentes fabricantes, principalmente da linha premium, chegarão às prateleiras das lojas. Segundo algumas estimativas, a nova tecnologia aumentará o custo dos dispositivos em $200-300 e a taxa de assinatura em 10%.
Mercado consumidor
Caso 1. Internet em casa
As redes 5G de acesso fixo sem fio se tornarão uma alternativa à internet com fio em nossos apartamentos. Se antes a Internet chegava ao nosso apartamento por cabos, no futuro ela virá de uma torre 5G, e então um roteador irá distribuí-la através do WiFi doméstico comum. As principais empresas do setor concluíram seus preparativos, sincronizando o lançamento de roteadores no mercado com a implantação das redes 5G. Um roteador 5G típico custa entre $700 e $900 e proporciona velocidades de download de 2 a 3 Gbps. Assim, os operadores resolverão o problema da 'última milha' e reduzirão os custos com a instalação de cabos. E não é necessário temer que as redes tronco existentes não suportem o tráfego crescente que virá das redes 5G: estão sendo realizadas pesquisas sobre o uso de reservas existentes de redes de fibra óptica — a chamada 'fibra escura'.
Quão novo será esse cenário para os usuários? Já existem países onde as pessoas estão deixando de usar a tradicional internet fixa e migrando para LTE: descobriu-se que é mais rápido e mais barato usar a conexão móvel em todas as situações, com tarifas convenientes. Essa situação, por exemplo, ocorreu na Coreia. E é ilustrada neste quadrinho:
Caso 2. Concentrações massivas de pessoas
Certamente todos já estiveram em uma situação desagradável como esta: você vai a uma exposição ou estádio e a conexão móvel cai. E isso exatamente no momento em que você quer postar uma foto ou escrever nas redes sociais.
Estádios
A Samsung realizou um teste em conjunto com a operadora de telecomunicações japonesa KDDI em um estádio de baseball com capacidade para 30 mil pessoas. Usando tablets 5G de teste, conseguiram demonstrar streaming de vídeos em 4K ao mesmo tempo em vários tablets.
O estádio é um dos três cenários ilustrados na zona de demonstração chamada 5G City, localizada na cidade de Suwon (sede da Samsung). Outros cenários incluem um ambiente urbano (conexão de câmeras de vídeo, sensores e painéis informativos) e um ponto de acesso de alta velocidade para entrega de vídeos em HD em um ônibus em movimento: enquanto ele passa pelo ponto de acesso, o filme é baixado a tempo.
Jogos
A Niantic, criadora do famoso jogo de geolocalização Pokemon Go, tem grandes expectativas para o 5G. E aqui está o porquê: recentemente, eventos de grupo – raids – foram introduzidos no jogo. Nas raids, você precisa se coordenar com outros jogadores para derrotar, em conjunto, pokémons especialmente fortes, criando situações interessantes na vida real. A principal localização lendária do jogo, onde se pode encontrar o pokémon mais raro, Mewtwo, fica em Times Square, Nova Iorque – imagine a multidão que pode se reunir lá, não apenas de caçadores de pokémons, mas também de turistas.
A realidade aumentada também é vista como um "killer app" para o 5G. Neste , você pode ver o conceito de duelos mágicos em tempo real, que estão sendo desenvolvidos pela Niantic em um novo jogo inspirado em "Harry Potter". A Niantic já firmou parcerias com a Samsung e os operadores Deutsche Telecom e SK Telecom.
Transporte
Por fim, o caso dos trens é interessante. Surgiu a ideia de equipar as ferrovias com conexão 5G para entretenimento e conforto dos passageiros. Um estudo da Universidade de Bristol : para alcançar uma conexão sem fios de alta velocidade, é necessário equipar a ferrovia com pontos de acesso a cada 800 metros!
Um exemplo de como os pontos de acesso devem ser posicionados ao longo da linha ferroviária
Testes foram realizados com sucesso em um trem que opera perto de Tóquio – eles pela Samsung em conjunto com a operadora de telecomunicações KDDI. Durante os testes, foi alcançada uma velocidade de 1,7 Gbps, e no processo de teste, 8K vídeo foi baixado e 4K vídeo foi carregado de uma câmera.
Novos cenários de uso
Mas tudo isso é mais uma solução para problemas que já conhecemos. O que o 5G pode nos oferecer de realmente novo?
Carro Conectado
A principal vantagem é a baixa latência, permitindo que os carros se comuniquem entre si a velocidades de até 500 km/h. Diferente dos motoristas humanos, os carros finalmente poderão negociar entre si ou com a infraestrutura fixa sobre manobras, tornando as estradas mais seguras. Curiosamente, o sistema levará em conta as condições meteorológicas: todos sabem que em tempo escorregadio a distância de frenagem é maior, portanto as regras em tal sistema devem mudar.
A associação europeia 5GAA (Automotive Association) já reúne mais de 100 principais provedores de telecomunicações e fabricantes de automóveis em todo o mundo com o objetivo de acelerar a implementação do sistema C-V2X (Cellular Vehicle-To-Everything). As principais missões da associação são a segurança rodoviária abrangente e a eficiência do trânsito. Ciclistas e pedestres com smartphones 5G também poderão contar com segurança. Os participantes do tráfego a distâncias de até 1 km poderão se comunicar diretamente, e para distâncias maiores, será necessário ter cobertura 5G. O sistema garantirá a criação de corredores para a polícia e ambulâncias, preverá a troca de informações entre veículos, direção remota e outras inovações. Após o lançamento do C-V2X, a associação planeja aplicar a experiência adquirida no 5G V2X, focando na indústria 4.0, cidades inteligentes e tudo o que se move utilizando 5G.
Exemplos de situações que podem ser resolvidas com o Carro Conectado. Fonte: Qualcomm.
O 5G permitirá a comunicação não apenas de veículos terrestres, mas também de aeronaves. Neste ano, a Samsung, em colaboração com o provedor de internet espanhol Orange, , como um piloto remoto controlava o voo de um drone, utilizando uma rede 5G implantada e recebendo um fluxo de vídeo de alta definição em tempo real. O provedor americano Verizon, em 2017, adquiriu , prometendo milhões de voos conectados via 5G. Os drones da empresa já estão conectados à rede 4G da Verizon.
Indústria 4.0
Na verdade, a expressão 'Industrie 4.0' foi criada na Alemanha para seu programa de modernização da indústria. A associação (5G Alliance for Connected Industries and Automation) com sede na Alemanha, desde 2018, reúne empresas de manufatura interessadas na utilização do 5G. As maiores exigências em latência e confiabilidade são aplicadas ao controle de movimento de robôs industriais, onde o tempo de resposta não pode ultrapassar algumas dezenas de microssegundos. Atualmente, isso é resolvido com o Industrial Ethernet (por exemplo, o padrão EtherCAT). É bastante provável que o 5G também concorra por esse nicho!
Outras aplicações, como comunicação entre controladores industriais ou com o operador humano, redes de sensores, são menos exigentes. Atualmente, a maioria dessas redes utiliza cabos, portanto, o 5G sem fio parece ser uma solução economicamente viável, além de permitir uma rápida reconfiguração da produção.
Na prática, a viabilidade econômica levará à implementação do 5G nas áreas mais caras, relacionadas ao custo do trabalho humano, como operadores de empilhadeiras em fábricas e armazéns. Assim, a empresa de engenharia europeia Acciona demonstrou . O robô transmite vídeo em 360 graus em alta definição, e um operador remoto o ajudará a sair de situações inesperadas. O robô utiliza tecnologias 5G da Cisco e Samsung.
As tecnologias de colaboração remota irão mais longe. Este ano, foi demonstrado como um cirurgião especialista observa em tempo real o andamento de uma cirurgia oncológica, que acontece a muitos quilômetros de distância, e mostra a seus colegas como executar melhor o procedimento. À medida que a tecnologia avança, ele poderá participar mais ativamente, gerenciando diretamente os instrumentos cirúrgicos.
Internet das Coisas
Acima de tudo, o 5G resolverá o problema com os numerosos e mal apoiados padrões de comunicação da Internet das Coisas, que atualmente, acreditamos, limita o desenvolvimento dessa área.
Aqui, o 5G pode oferecer o seguinte:
- Redes ad hoc (sem roteadores)
- Alta densidade de dispositivos conectados
- Suporte a comunicações de baixa largura de banda, energeticamente eficientes (10+ anos com uma única bateria)
Mas parece que as grandes empresas ainda estão mais interessadas em cenários distintos da Internet das Coisas. Uma busca rápida na internet não encontrou demonstrações de grandes players sobre as vantagens do 5G para a Internet das Coisas.
Concluindo este assunto, vamos focar em uma possibilidade interessante. Atualmente, a dependência de uma tomada ou a necessidade de substituir baterias limita a escolha de "coisas". O carregamento sem fio por indução de baixa frequência funciona apenas a uma distância de poucos centímetros. O 5G e suas ondas milimétricas direcionadas permitirão um carregamento eficiente a distâncias de vários metros. Embora os padrões existentes não especifiquem isso, não temos dúvida de que os engenheiros em breve encontrarão maneiras de aproveitar essa possibilidade!
Oportunidades para desenvolvedores
Se você se interessou pelo assunto, para onde seguir adiante?
Conexões. Você poderá conhecer pessoalmente os participantes do 5G nas próximas conferências russas 29-30 de maio, 30-31 de maio, 25-27 de junho, 24 de outubro.
Entre os contatos acadêmicos, destaca-se , realizado no Instituto de Problemas de Transmissão de Informações.
Financiamento. Principais players estão realizando concursos sobre o uso do 5G em diversas áreas. Nos EUA, a Verizon recentemente o concurso "Built on 5G Challenge" para a Indústria 4.0, aplicativos de consumidor imersivos (VR/AR) e ideias inovadoras (que mudam nossa maneira de viver e trabalhar). O concurso está aberto para pequenas empresas registradas nos EUA, e as inscrições vão até 15 de julho. O prêmio total é de $1M. Os vencedores serão anunciados em outubro deste ano.
Emprego. Além dos operadores de telefonia móvel da grande quarta, existem várias empresas na Rússia planejando utilizar o 5G em um futuro próximo. O modelo de negócio do principal provedor de entrega de conteúdo na Rússia e na CEI, a CDNVideo, é o pagamento pelo volume de tráfego recebido. O uso do 5G, que pode reduzir esse custo, permitirá que a empresa diminua suas despesas. A PlayKey promove jogos na nuvem, e não surpreende que seus planos incluam o uso do 5G.
Open Source, aparentemente, desempenhará um papel fundamental na infraestrutura. A americana apoia o 5G. A europeia une interessados em contornar componentes proprietários da infraestrutura 5G. As direções estratégicas incluem suporte a modems 5G e sistemas definidos por software, redes heterogêneas e Internet das Coisas. virtualiza redes de acesso rádio (Radio Access Networks). A implementação do núcleo de rede está disponível a partir de .
Autores:
Stanislav Polonsky — Chefe do departamento de pesquisas e desenvolvimentos no Centro de Pesquisa da Samsung
Tatiana Volkova — Autora do programa educacional do projeto IoT Academia da Samsung, especialista em programas de responsabilidade social corporativa no Centro de Pesquisa da Samsung
Fonte: habr.com
