Análise das Releases 3GPP 16-17-18: Novas Funcionalidades e Use Cases - Instituto Eldorado
Jose Antonio Mechaileh
Líder de Projetos no Instituto ELDORADO
Autores: Jose Antonio Mechaileh, Francine Oliveira e Ramon Nogueira
O 3rd Generation Partnership Project (3GPP) une sete organizações de desenvolvimento de padrões de telecomunicações (ARIB, ATIS, CCSA, ETSI, TSDSI, TTA e TTC), conhecidas como "Parceiras Organizacionais", e fornece a seus membros um ambiente estável e controlado para produzir os Relatórios e Especificações que definem as tecnologias 3GPP.
O projeto abrange tecnologias de telecomunicações celulares, incluindo acesso por rádio, rede central e recursos de serviço, que fornecem uma descrição completa do sistema para telecomunicações móveis. As especificações 3GPP também fornecem normas para acesso não-rádio à rede principal e para interfuncionamento com redes não-3GPP.
O escopo original do 3GPP (1998) era produzir especificações e relatórios técnicos para um Sistema Móvel 3G baseado em redes GSM e nas tecnologias de acesso de rádio que elas suportam, ou seja, Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) tanto em modo FDD como TDD.
O escopo foi posteriormente alterado para incluir a manutenção e desenvolvimento das Especificações Técnicas e Relatórios Técnicos para tecnologias 3GPP evoluídas, além do 3G.
A Figura 1 abaixo mostra as diversas organizações envolvidas no 3GPP:
Figura 1 – Ecossistema do 3GPP.
O 3GPP se reúne quatro vezes por ano no final de cada trimestre para planejar e desenvolver novas specs, que introduzem novas funcionalidades padronizadas. Os próximos lançamentos já programados para 5G são as Releases 16, 17 e 18, embora o 3GPP possa adicionar mais, conforme a tecnologia e as necessidades evoluem ao longo do tempo.
A Figura 2 mostra o cronograma do 3GPP para o 5G:
Figura 2 – Cronograma atual do 3GPP para Releases 5G.
A Figura 3 mostra as Releases desde 1992, incluindo GSM, UMTS, LTE e 5G NR:
Figura 3 – Todas as Releases 3GPP.
Release 16 – 3GPP
A Release 16 foi concluída pelo 3GPP em 2020 e é responsável por padronizar o funcionamento da internet das coisas (IoT) dentro do ambiente das redes 5G. Dentro de suas especificações estão inovações em sensores, direção autônoma, direção remota e aplicações industriais móveis.
Nessa Release foi determinado o mínimo necessário para o estabelecimento do URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications), um dos três pilares na construção do sistema 5G.
Além disso, também traz exigências para uso do espectro não-licenciado e regras para aumento de eficiência, SON (Self Organizing Network), eMIMO (enhanced Multiple Inputs Multiple Outputs), localização e posicionamento, consumo de energia e melhorias de mobilidade. O uso de satélite em redes 5G também é tratado nessa Release.
Abaixo serão apresentadas as principais melhorias trazidas na Release 16 e suas características:
Dentro dos aspectos fundamentais do 5G NR, uma das principais melhorias ocorreu nas técnicas de Massive MIMO. Essa sempre foi uma área de foco nas últimas Releases 3GPP. Do mesmo modo, houve um grande esforço por parte dos pesquisadores também nessa última Release. Dentro de Massive MIMO, trabalhou-se no aprimoramento do MU-MIMO (Multi User-MIMO), no suporte a vários pontos de transmissão e recepção (multi-TRP) e melhor gerenciamento dos multi-beams, a fim de aumentar a confiabilidade do link, principalmente em ondas milimétricas.
Outro ponto importante do estudo foi a melhoria na utilização dos sinais de referência com o objetivo de reduzir a PAPR (Peak-to-Average Power Ratio).
Por fim, na Release 16 os dispositivos compatíveis com MIMO suportarão o uplink full-power para melhor cobertura na borda da célula.
Outro importante aspecto dentro do 5G NR, é o conceito de URLLC, que tem como objetivo atender aos novos casos de uso vertical como, por exemplo, a automação industrial. A Release 16 está aprimorando o URLLC para que seja possível oferecer uma confiabilidade de link de até 99,9999%, além de aprimorar técnicas como a CoMP (Coordinated Multi-Point), já que nesses casos de uso somente aumentar o número de retransmissões é insuficiente, visto que o limite de latência é extremamente rigoroso. A técnica CoMP utiliza multi-TRP para introduzir caminhos de comunicação redundantes com diversidade espacial. Desta forma, mesmo que um caminho esteja temporariamente bloqueado, a comunicação não é interrompida, já que existe a possibilidade de uso dos demais caminhos ociosos naquele instante. A Figura 4 apresenta outros pontos de melhoria relacionados ao conceito URLLC.
Figura 4 – Melhorias relacionadas ao conceito URLLC.
Um dos maiores desafios enfrentados pelas redes 5G é a utilização das altas frequências, também conhecidas como ondas milimétricas (mmWave). A implantação das estações rádio-base mmWave exige custos adicionais com antenas, equipamentos de rádio, baseband e backhaul de fibra óptica em larga escala, devido à pequena área de cobertura. Para que seja possível diminuir os custos dessas implantações, a Release 16 apresenta o acesso integrado e backhaul sem fio.
O IAB (Integrated Access and Backhaul), como é chamado, pode permitir que as operadoras adicionem rapidamente novas estações base de forma dinâmica, em locais onde a instalação de fibras não seja possível, ou então muito cara.
O IAB também visa ser uma opção de backhaul flexível e escalável que pode temporariamente servir grandes eventos ou situações de emergência.
A Figura 5 apresenta um exemplo de evolução do backhaul utilizado nas redes 5G.
Figura 5 – Evolução do backhaul utilizado nas redes 5G.
Espectro não-licenciado (NR-U):
A disponibilidade do espectro é pré-requisito fundamental para as comunicações sem fio. A grande quantidade de espectro disponível em bandas não-licenciadas é atraente para aumentar as taxas de dados e a capacidade dos sistemas. Com isso, a partir da Release 16 será possível a operação 5G NR em espectro não-licenciado, visando as bandas de 5 GHz e 6 GHz.
Houve a definição de dois modos de operação: no primeiro, é necessário que se utilize uma âncora em espectro licenciado ou compartilhado; já no segundo modo, é possível utilizar apenas espectro não licenciado.
A Release 16 suporta a banda global não-licenciada de 5 GHz existente, amplamente usada por Wi-Fi e LTE LAA (License Assisted Access), e também pode abrir portas para a banda de 6 GHz, que traz uma largura de banda de 1200 MHz nos EUA.
A Figura 6 ilustra os dois tipos de operação do espectro não licenciado.
Figura 6 – Modos de operação do espectro não licenciado em 5G.
Outro ponto bastante interessante nessa Release são as melhorias relativas ao IIoT (Industrial Internet of Things). Para ampliar o conjunto potencial de casos de uso de IIoT e dar suporte ao aumento da demanda por novos casos de uso, como automação fabril, AR/VR, distribuição de energia elétrica e indústria de transporte, a Release 16 inclui aprimoramentos de latência e confiabilidade.
Isso é alcançado aumentando a confiabilidade da interface Uu, aumentando a eficiência de recursos com duplicação, melhor manuseio de tráfego de alta prioridade multiplexado com tráfego de baixa prioridade no mesmo UE e suporte mais eficiente de TSC (time sensitive communications).
Além disso, a Release 16 oferece a capacidade de implantar e gerenciar protocolos de IoT de baixa potência, como NB-IoT, na rede principal 5G.
Também foi introduzido o conceito das redes sensíveis ao tempo, TSN (Time Sensitive Networking), visando garantir a entrega de pacotes de dados com tempo determinado.
TSN se refere a uma série de padrões desenvolvidos pelo grupo de tarefas Time-Sensitive Networking (TSN) do grupo de trabalho IEEE 802.1. A família de padrões TSN fornecerá as especificações para construção de redes com garantias de precisão para dados de tempo crítico, ideal para sistemas de controle que recebem dados de sensores, aplicativos de visão computacional e muito mais.
A Indústria 4.0 está sendo implantada em verticais industriais, incluindo automotivo, petróleo e gás, serviços públicos, alimentos e bebidas, produtos farmacêuticos e muitos outros.
O 5G está transformando o processo de fabricação industrial e o Release 16 melhorará a precisão para dados de tempo crítico, necessários para os sistemas de controle que recebem dados de visão computacional e sensores.
O 5G depende fortemente de baixa latência e recursos determinísticos confiáveis ​​para vários sistemas de controle industrial e tráfego de dados. O TSN-over-5G suportará serviços ao permitir que dispositivos industriais, como sensores e atuadores, se comuniquem efetivamente com controladores industriais sem fio e de forma determinística.
A Figura 7 esboça o funcionamento das redes TSN.
Figura 7 – Esboço do funcionamento das redes TSN.
A Release 16 traz o sidelinking, que é o modo de comunicação direta de dispositivo para dispositivo. As redes celulares não serão necessárias para aprimorar a condução semi-autônoma e até mesmo autônoma.
O sidelinking é importante, especialmente no que diz respeito à segurança pública, pois alguns serviços V2X precisarão continuar operando perfeitamente, mesmo em áreas com baixa cobertura de rede móvel celular.
Usando o sidelinking, os veículos poderão se deslocar mais facilmente, e recursos importantes de segurança, como prevenção de colisões e mudança cooperativa de faixa, se tornarão uma realidade. O C-V2X permitirá a primeira implementação significativa de segurança para veículos automotores e, eventualmente levará a veículos autônomos seguros nas estradas.
Rede não pública (NPN):
A Release 16 oferece suporte na arquitetura do sistema para redes privadas (chamadas "redes não públicas" ou NPN). As redes privadas utilizam recursos dedicados (por exemplo, estações base de pequenas células) que são gerenciados de forma independente, fornecem segurança e privacidade que permitem que dados confidenciais permaneçam no local e oferecem otimizações para aplicativos locais (por exemplo, baixa latência).
As redes privadas podem beneficiar uma ampla gama de novas implantações de 5G, como casos de uso de IoT industrial, e já é uma tendência mundial, com múltiplas implantações ocorrendo em paralelo no Brasil e no mundo.
Resumindo as principais especificações e funcionalidades da Release 16, temos:
Melhorias em Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC)
Melhorias no suporte a Vertical & LAN Services
Suporte a Advanced V2X
5G Location & Positioning Services
Satellite Access em 5G non-terrestrial networks
Enablers para Network Automation Architecture em 5G
Convergência entre Wireless & Wireline
Mission Critical, Public Warning, Railways e Marítimo
5G NR in unlicensed spectrum
Features for Industrial Internet of Things (IIoT)
Features for Intelligent transportation systems (ITS)
Release 17 – 3GPP
A Release 17 inclui aprimoramentos significativos para vários aspectos da rede de acesso, como MIMO (Multiple inputs multiple outputs) / Beamforming, DSS (Dynamic Spectrum Sharing), cobertura, transmissão de pequenos volumes de dados e posicionamento.
A Figura 8 abaixo mostra o cronograma do 3GPP:
Figura 8 – Cronograma geral da Release 17.
Para a rede de acesso, destacam-se os aprimoramentos para as seguintes funcionalidades:
MIMO/Beamforming
Os aprimoramentos multifeixe têm o objetivo de melhorar o desempenho do usuário em alta mobilidade, simplificando a sinalização e otimizando o desempenho do dispositivo móvel com a utilização de múltiplas antenas. As melhorias obtidas com o mTRP (multiple Transmission and Reception Point) aumentam a robustez dos canais físicos de controle (PDCCH e PUCCH) e para o canal físico compartilhado de uplink (PUSCH).
Para a operação baseada em reciprocidade (TDD), os aprimoramentos incluem novos codebooks com overhead reduzido, facilitando a estimação do canal, além de melhorias nos sinais de referência (SRSs – Sounding Reference Signals).
A Figura 9 abaixo mostra um resumo:
Figura 9 – Melhorias em MIMO na Release 17.
O DSS – compartilhamento dinâmico do espectro – (incluído na Release 15) permite a implantação antecipada de 5G NR em locais onde a definição do espectro para a tecnologia ainda não foi realizada em totalidade, através do reaproveitamento de bandas de frequência do 4G LTE. Assim como na Release anterior, a Release 17 melhora a capacidade do canal de controle PDCCH, tornando mais fácil superar a escassez de recursos por parte das operadoras, à medida que a quantidade de usuários aumenta.
A cobertura tem impacto direto na qualidade do serviço, opex/capex e, portanto, torna-se um fator chave para a comercialização do 5G. Na Release 17 o 3GPP identificou o canal PUSCH como um potencial gargalo de cobertura, e para melhorá-lo, foram considerados mecanismos de repetição (redundância na transmissão a fim de aumentar a robustez) e processamento de blocos de transporte (transport blocks) em vários slots.
Transmissão de pequenos volumes de dados
A fim de aprimorar o serviço para conexões que exigem maior eficiência energética, o modo NR RRC Inactive (modo inativo da conexão RRC do NR) permite que o dispositivo móvel retome uma conexão RRC previamente estabelecida. Para diminuir o consumo de energia do dispositivo no acesso do sistema, a Release 17 especifica o suporte e a transmissão de dados no modo RRC Inactive para que não seja necessário o estabelecimento de uma nova conexão que geraria uma sobrecarga de sinalização no plano de controle, o que é especialmente relevante para dispositivos de baixa potência e que se caracterizam por gerar tráfegos pequenos e pouco frequentes.
Na Release 17 o posicionamento NR é aprimorado ainda mais para casos de uso específicos, visando precisão de localização de 20 a 30 cm para determinadas implantações. A Release 17 também introduz melhorias adicionais na redução de latência para permitir o posicionamento em casos de uso de tempo crítico, como aplicativos de controle remoto.
Além da alta precisão de posicionamento, a Internet das Coisas industrial (IIoT) e os casos de uso automotivo também exigem proteção da integridade das informações de localização. Do ponto de vista de uma camada superior, a Release 17 apresenta indicadores de desempenho para indicar a confiabilidade/integridade do relatório de medição limitado ao procedimento de posicionamento do GNSS – sistema global de navegação por satélite.
Equipamento de usuário de capacidade reduzida
Para ampliar ainda mais a gama de casos de uso para NR, a Release 17 apresenta suporte para RedCap UE, que tem por objetivo atender aos requisitos de serviço situados entre os requisitos mMTC e de URLLC – que são bastante rigorosos. O RedCap UE oferece desempenho para o UE (User Equipment) comparável ao alcançado na Release 8 (LTE), mas com benefícios adicionais, como melhorias na latência e a capacidade de operar em bandas de frequência NR que vão até 52 GHz.
Redes não terrestres
O NTN (Non Terrestrial Networks) na Release 17 introduz novas topologias de rede nas especificações 3GPP. Tais topologias são baseadas em plataformas de baixa órbita terrestre (LEO – Low Earth Orbit) e satélites em órbita geossíncrona. O NTN complementa as redes terrestres 5G com cobertura em áreas remotas marítimas e terrestres onde não há a cobertura tradicional.
Utilização de altas frequências (além de 52.6GHz)
A Release 16 suporta operação na faixa de frequência FR1 e FR2 cobrindo as faixas de 410MHz–7,125GHz e 24,25GHz–52,6GHz, respectivamente. Na Release 17, o FR2 é estendido além de 52,6 GHz até 71 GHz usando as formas de onda NR downlink/uplink existentes com o objetivo de abranger novas bandas de frequência licenciadas e não-licenciadas nesta faixa.
Para tal, o espaçamento de sub-portadora é aumentado para até 960 kHz a fim de permitir que o 3GPP explore portadoras ainda mais amplas, de até 2 GHz e, assim, possibilite melhorias nas taxas de dados.
Em resumo, a Release 17 baseia-se em versões anteriores com o objetivo de melhorar o desempenho do 5G e oferecer suporte a novos casos de uso, verticais e procura fornecer a possibilidade de conectividade onipresente em diferentes condições e cenários. Na próxima fase – a Release 18 – o 3GPP criará o 5G Advanced, que incluirá novas soluções e componentes de tecnologia que continuam a aumentar o desempenho da rede em diversos aspectos.
Resumindo as principais especificações e funcionalidades da Release 17, temos:
NR Sidelink enhancement
Extending current NR operation to 71 GHz
Enhancement of RAN Slicing for NR
Enhancements of Self-Organizing Networks (SON) for 5G networks
Management of non-public networks (NPN) and Enhanced support of Non-Public Networks
Enhancement of Network Slicing Phase 2
Supporting Unmanned Aerial Systems (UAS) Connectivity, Identification, and Tracking
Release 18 – 3GPP
O 4G levou 10 anos e seis versões diferentes do 3GPP para alcançar os recursos e funções que ele atualmente fornece. Então é natural que o 5G inclua várias Releases também.
Figura 10 – Cronograma Atual da Release 18.
No 3GPP a Release 18 foi definida como "5G-Advanced", e as discussões para o escopo tecnológico começaram em junho de 2021 com vistas a iniciar os trabalhos de especificação em 2022.
O 3GPP decidiu padronizar o nome e o logo para 5G Advanced, conforme abaixo:
Como evolução teremos vários itens importantes, como a melhoria do desempenho do uplink (taxa de dados, capacidade, cobertura); o aprimoramento de funções para eXtended Reality (XR); economia de energia de rede; inteligência artificial (AI) e machine learning (ML) para RAN. A extensão de funções voltadas para 6G também será discutida.