5G

Arquiteturas para o futuro

Como vimos anteriormente, a demanda por uma rede capaz de suprir o crescente consumo de dados bem como a necessidade de conectividade em áreas de grande densidade urbana tem motivado o desenvolvimento da tecnologia 5G. Muitos desafios para sua implantação foram apresentados, mas muitas também são as apostas a respeito das tecnologias que serão utilizadas em sua arquitetura. Aqui, discutiremos cinco diferentes propostas de arquiteturas para redes 5G: duas camadas, rede CRN, D2D, nuvem e energia eficiente.

1 - Arquitetura de Duas Camadas

As arquiteturas de duas camadas propostas para a rede 5G baseiam-se no conceito de uma macro célula presente na camada superior enquanto células menores trabalham sob sua supervisão na camada inferior. A macro célula engloba todos os tipos de células menores, de diferentes tamanhos, como:

Célula	Tamanho	Número de Usuários
Femto céclula	10 - 20	Poucos
Pico célula	200m	20 - 40
Micro célula	2Km	>100
Macro célula	30 - 35km	Muitos

Para identificar os usuários pertencentes a cada célula, a MBS (Macro Base Station) possui diversas antenas espalhadas pela macro célula que se conectam com a estação base através de fibra óptica. Em cada edifício ou meio de transporte haveria uma dessas antenas, para comunicação com a MBS, juntamente com uma SBS (Small Base Station). Todos os usuários com equipamentos que acessem a rede, chamados UE (User Equipments), presentes no edifício, podem se comunicar através da SBS ou através de WiFi ou mmWave. Ao realizar essa divisão espacial de usuários em células, menos carga é imposta à MBS. [1]

I) Vantagens da utilização de células menores:

• Aumento na taxa de dados: Como a distância física entre os UEs e a SBS a qual estão conectados é pequena, a taxa dados aumenta.
• Utilização eficiente do espectro de frequências: Como há um menor número de UEs conectados diretamente à MBS o espectro de frequências é melhor utilizado.
• Economia de energia: Por não envolver diretamente a MBS o consumo de energia na rede é menor. Além disso, os UEs também consomem menos energia por se comunicarem em distância menores e com menor sobrecarga no sinal.
• Menores custos: A instalação de SBS exigem menor custo, planejamento e gestão em comparação com uma MBS.
• Menor congestionamento na MBS: As SBS descarregam o número de UEs conectados à MBS, melhorando a capacidade do sistema ao diminuir sua carga e congestionamento.
• Escalabilidade: A característica “plug and play” das células menores permite que a rede seja configurada de acordo com a necessidade; ou seja, aumenta a capacidade de rede sobre demanda.

II) Desafios na utilização da arquitetura em duas camadas:

• Controle de interferência: Diversos tipos de interferência são resultantes da utilização de células:
  • Interferência intre - camadas: MBS interferindo em uma SBS; MBS interferindo no UEs de uma SBS; SBS interferindo no UEs da MBS.
  • Interferência intra - camadas: SBS interferindo no UEs de outra SBS.
  Para o funcionamento eficiente desta arquitetura é preciso estudar e desenvolver modelos e algoritmos que lidem com este problema.
• Transferência de dados de retorno: Quanto maior a densidade de células menores, maior é a quantidade de dados a ser transferida para a rede principal. De modo geral, há três formas de lidarmos com esse problema:
  • Fibra ótica: pode-se conectar a MBS a cada SBS através de fibra ótica; porém será uma solução cara e demorada.
  • Ponto - a - multiponto (PTMP): pode-se estabelecer uma conexão wireless “um para muitos” de forma que a MBS possa se comunicar com cada uma das SBS.
  • Ponto - a - ponto (PTP): pode-se utilizar antenas bidirecionais, conectando cada SBS à MBS. Comparando com a utilização de fibra ótica, além de ser wireless, possui um custo muito menor.

III) Arquitetura de duas camadas com auto reconfiguração (self-healing):

A capacidade de detectar e recuperar células defeituosas na rede é extremamente importante, principalmente ao lidarmos com arquiteturas densas com múltiplas camadas. Três arquiteturas de auto reconfiguração já foram propostas por [2] e estão descritas a seguir:

• Centralizada: Um servidor dedicado seria responsável por detectar células defeituosas através da coleta de dados sobre o comportamento dos usuários. Caso algo fora do comum fosse percebido em uma célula o servidor a reconfiguraria através das informações coletas sobre o sistema. Entretanto, esse tipo de configuração exige um alto nível de comunicação na rede e alto custo computacional.
• Distribuída: Cada SBS seria responsável por detectar falhas em células menores em sua vizinhança através da análise dos sinais recebidos pelas mesmas e das informações coletadas sobre os usuários ao passarem do domínio de uma célula para outra (handoff). Caso alguma dessas células próximas falhe, a SBS aumentaria seu raio e poder de transmissão a fim de englobar os usuários da célula defeituosa.
• Híbrida: Aproveitando o melhor das abordagens anteriores, a arquitetura híbrida trabalha em dois passos: gatilho distribuído e detecção cooperativa. Cada uma das SBS é responsável por coletar informações sobre os usuários, e caso haja qualquer anormalidade um sinal é enviado ao servidor dedicado; a isso chamamos gatilho distribuído. Uma vez acionado, o servidor tomará sua decisão final a partir das informações recebidas por todas as SBS, na chamada detecção cooperativa. Dessa forma, temos uma abordagem que não necessita de comunicação entre as células menores, além de oferecer alta acurácia e baixa latência em sua execução.

2 - Arquitetura baseada em Redes de Rádio Cognitivo

Com o grande aumento da utilização de redes sem fio, o espectro de frequências tem se tornado um recurso escasso, principalmente para as faixas ‘não-licenciadas’. Estas faixas, que ocupam a menor parte do espectro, podem ser utilizadas livremente, sem haver diferença de prioridade em seu uso. Dessa forma apresentam grande fluxo de dados, principalmente nos centros urbanos, onde há maior densidade de usuários. Por outro lado, as faixas ‘licenciadas’, que ocupam a maior fração do espectro, são restritas àqueles que possuem prioridade em seu acesso, e acabam, muitas vezes, sendo mal utilizadas.

Uma rede de rádio cognitivo ou CRN (Cognitive Radio Network) é formada por um conjunto de nós de rádio cognitivo, chamados usuários secundários (SU – secondary users), que exploram o espectro de frequências oportunisticamente, buscando sua melhor utilização. Os US’s são capazes de analisar diversos canais diferentes buscando aqueles que não estão sendo utilizadas no momento, ou seja, nos quais seu usuário licenciado, chamado também de usuário principal (PU – primary users), se encontra ausente. Assim, quando “livres”, estes podem ser utilizados por outros serviços, optimizando a disponibilidade das faixas de frequência e diminuindo a interferência entre outros usuários.

Em uma rede 5G, a CRN é utilizada para definir uma arquitetura de múltiplas camadas, como visto no tópico anterior, reduzindo a interferência entre as células e minimizando o consumo de energia na rede.

Um tipo de arquitetura baseada em CRN apresentada para redes 5G seria estabelecendo uma relação na qual células menores atuariam como SU. Dessa forma, estas se comunicariam com a macro célula utilizando uma faixa licenciada de frequência enquanto fornecem serviço aos UEs através do acesso oportunístico, interferindo ao mínimo nas atividades da macro célula.

I) Vantagens da utilização de CRN em redes 5G:

• Minimizar interferência: Ao integrarmos técnicas cognitivas à rede 5G podemos evitar a interferência de forma eficiente ao não selecionar canais idênticos aos canais de células vizinhas. A alocação de canais às células menores é feita de modo a evitar qualquer tipo de interferência entre camadas através da análise das faixas de frequência, probabilidade de colisão, atividades da macro célula e recursos disponíveis.
• Aumentar a capacidade da rede: Com a possibilidade de explorar os buracos no espectro, faixas temporariamente não ocupadas, aumenta-se a taxa de transferência de dados e melhora-se utilização da largura de banda.

3 - Arquitetura com Comunicação D2D

A comunicação “dispositivo para dispositivo” ou D2D (device to device) permite que UEs próximos possam se comunicar sem a necessidade de envolver uma MBS. Ou seja, utilizando uma faixa licenciada para aparelhos celulares, dois usuários próximos podem trocar mensagens diretamente sem que estas precisem passar por uma estação base, como uma antena por exemplo.

I) Desafios da comunicação D2D:

• Controle de interferência: Como em qualquer troca de mensagens, UEs envolvidos em uma comunicação D2D podem sofrer, e gerar, interferência para outros UEs presentes na mesma célula ou em células vizinhas. Este problema é inevitável, mas pode ser solucionado de forma simples ao implementarmos CRN em uma comunicação D2D; como visto no tópico anterior (6.2). UEs são considerados os Sus enquanto os canais paralelos dentro de uma célula seriam os PUs. Como resultado, todas as formas de remoção de interferência proporcionadas pela CRN podem ser utilizadas na comunicação D2D.
• Processamento sensível a atraso: Transferência de áudio, vídeo, ou jogos online, necessitam de processamento em tempo real e são sensíveis a atraso. Consequentemente, é preciso considerar estes requisitos buscar soluções através da informação sobre o estado do canal (CSI – Channel State Information) e QoS.
• Preço: Algumas vezes um UE utiliza recursos, como bateria e armazenamento de dados, de outros UEs para transmitir informação. Estes, por sua vez, podem cobrar pelo fornecimento de tais recursos. Assim, é preciso que um modelo de preços seja estabelecido, para que não seja cobrado mais do que seria gasto caso a comunicação fosse realizada através de uma estação de base.
• Alocação de recursos: Para haver uma comunicação D2D é preciso alocar uma certa quantidade de recursos, como largura de banda e canais. Entretanto, a alocação dos recursos necessários deve ser feita de forma que outras células não sofram interferência e que se mantenha uma comunicação eficiente.

Sabendo que a comunicação D2D requer proximidade entre os UEs para sua maior eficiência, uma arquitetura baseada em redes sociais (Social-Aware Architecture) foi sugerida por [11] a fim de facilitar a alocação de recursos. Nela, estariam presentes quatro componentes principais, como exemplificado na figura 3:





Figura 3: Arquitetura D2D baseada em rede social



• Conexão: Algo similar à uma relação de amizade em redes sociais. Ao sabermos quais UEs estão conectados e o quão forte é essa ligação podemos alocar maiores recursos e banda, a fim de evitar congestionamento, interferência e aumentar a eficiência do espectro de frequências.e dados, de outros UEs para transmitir informação. Estes, por sua vez, podem cobrar pelo fornecimento de tais recursos. Assim, é preciso que um modelo de preços seja estabelecido, para que não seja cobrado mais do que seria gasto caso a comunicação fosse realizada através de uma estação base.
• Comunidade: A alocação de recursos aos UEs presentes em uma comunidade é feita de modo a diminuir a duplicidade de conteúdo e a aumentar o fluxo de dados na rede. Seria algo similar a um grupo no Facebook, por exemplo.
• Centralidade: A ideia de centralidade diminui o congestionamento e aumenta o fluxo de dados na rede ao alocarmos maiores recursos ao nó central de uma comunidade; aquele possui o maior número de conexões.
• Pontes: Uma conexão entre comunidades. Os UEs que formam uma ponte podem precisar de maior alocação de recursos em comparação aos demais devido a ligação que possuem.

III) Vantagens da comunicação D2D

Com a possibilidade para UEs próximos de se comunicarem aumenta-se a taxa de dados entre eles, promovendo uma forma de comunicação instantânea e um modo fácil de transferência de arquivos nó à nó (pessoa à pessoa). Aumenta-se também a eficiência do espectro de frequências e diminui o consumo de energia dos UEs conectados, além de descarregar o tráfego da MBS.

4 - Arquitetura baseada na nuvem

Atualmente, a arquitetura da rede de acesso à rádio (RAN) consiste em estações formadas pelas antenas, uma unidade de rádio (Remote Radio Head - RRH) e uma unidade de processamento de banda (BBU), a qual pode estar localiza a até 40km de distância da RRH.

A rede de acesso à rádio centralizada (C-RAN) é uma arquitetura que quebra com esse paradigma ao propor que os RRHs não sejam mais servidos cada um por um BBU dedicado. No lugar disso, os RRHs são servidos por um cluster de BBUs na nuvem.

Principais vantagens da arquitetura C-RAN:

• Facilita a gestão da rede: com o processamento de banda centralizado, tarefas como balanceamento de carga, controle de interferência entre as estações, controle de tráfego são facilitados. A instalação ou manutenção de recursos virtuais também são beneficiadas.
• Redução de custo: A expansão da rede só necessita de instalações de novos RRHs com conexão para o cluster de BBUs. Isso gera redução no custo operacional com as estações, tanto na instalação quanto manutenção.
• Melhor resposta a movimentações sazonais: A utilização da rede tem uma natureza sazonal. Durante o horário comercial a rede é utilizada intensivamente nos centros enquanto redes em regiões residencias são subutilizadas. Nos finais de semana e horários não comerciais esse quadro se inverte.
  Na arquitetura RAN os BBUs precisam ser dimensionados para suportar o período de maior tráfego na sua região, ocasionando ociosidade no período de menor tráfego. Na C-RAN, porém, a mesma nuvem pode servir tanto regiões comerciais como residenciais, tornando possível dimensionar o cluster de BBUs de forma a haver menos ociosidade.
• Compartilhamento de nuvem: Como os clusters de BBUs vão estar na nuvem, várias operadoras podem usar o mesmo cluster, permitindo-as alugar esse serviço.

Desafios da arquitetura C-RAN:

• Segurança: essa arquitetura precisa lidar com os problemas de segurança das redes wireless e com computação em nuvem ao mesmo tempo.
• Latência: nesta arquitetura, serviços aos usuários que seriam executados pela estação base são enviados para serem processados nuvem e então retornam. Esse overhead de comunicação é impõe obstáculos para atingir os requisitos de latência do 5G.

Além disso, a decisão de quais funções devem ser responsabilidades da estação base ou da nuvem ainda é um problema em aberto.

5 - Arquitetura de energia eficiente

Para a rede 5G, uma arquitetura de energia eficiente é simplesmente indispensável. Diferentes propostas que visam reduzir o consumo de energia na infraestrutura da rede já foram apresentadas por pesquisadores. Muitas delas utilizam-se das arquiteturas discutidas nos tópicos anteriores e estão listadas a seguir:

• As operadoras sempre tiveram uma grande preocupação em utilizar o espectro de frequência de forma eficiênte, enquanto a eficiência energética ficou em segundo plano. Pesquisadores propõe uma otimização conjunto eficiência energética e espectral.
• Desacoplar a sinalização do tráfego de dados para arquiteturas de duas camadas. Para isso, a MBS seria uma estação base de sinalização enquanto todo tráfego de dados passaria pelas SBS. Assim, caso uma SBS não tenha cliente ativos ela poderia ser desligada até que a MBS detecte um cliente ativo na região dessa SBS.
• Coletar energia (eólico, solar etc.) e ondas de rádio nas SBS. Isso seria a uma óbvia fonte de energia e também uma forma de minimizar a interferência, visto que ondas de rádio que iriam causar interferência são transformadas em energia.