As redes 5G privadas estão surgindo para atender a requisitos críticos em segurança pública, automação industrial e infraestrutura. Essas redes sem fio não públicas fornecerão aos usuários corporativos, privados e governamentais a infraestrutura para otimizar e redefinir processos que não são possíveis com as limitações das redes Ethernet, 4G LTE e Wi-Fi atuais. Este artigo detalha as vantagens e complexidades da configuração de redes 5G privadas.
Primer 5G
A rede 5G é a próxima geração de telecomunicações celulares. De muitas maneiras, ela já ampliou os casos de uso e a viabilidade das telecomunicações celulares muito além das gerações anteriores. Em um cenário em que os sistemas de celulares anteriores eram predominantemente vistos como uma forma do usuário do celular se comunicar com outro via texto ou voz, o 5G foi projetado com o entendimento de que esta é apenas uma das poucas, e possivelmente nem mesmo a mais significativa, forma de telecomunicações para dar suporte.
Três principais casos/modos de uso 5G
Com o 4G LTE, mensagens/streaming de imagem e vídeo e comunicações gerais pela Internet rapidamente se tornaram os responsáveis pelo uso da maior taxa de dados do serviço. Com o 5G, prevê-se que o tráfego de dados desses formulários seja muito maior. Além disso, há uma demanda geral por serviços de dados mais rápidos, confiáveis e responsivos para dispositivos de usuários móveis. Esses parâmetros são os principais atributos de um dos três casos de uso de 5G proeminentes (Figura 1), a banda larga móvel aprimorada (Enhanced Mobile Broadband, eMMB). A espinha dorsal do eMMB é geralmente oferecer altas taxas de dados, acesso mais responsivo a dados de alta velocidade e a capacidade de atender simultaneamente centenas de usuários, mesmo em áreas fora dos centros metropolitanos de tráfego intenso.
A comunicação ultra confiável e de baixa latência (Ultra-reliable and low-latency communication, URLLC) é outro caso de uso importante para o 5G. Esse modo 5G foi projetado para oferecer uma resposta de latência extremamente baixa, com o intuito de facilitar o uso onde a latência é indesejável ou simplesmente perigosa, como em máquinas autônomas; comunicação veículo-veículo (V2V) e veículo-infraestrutura (V2I). Outro aspecto do URLLC 5G é a expectativa de confiabilidade, não apenas do ponto de vista do usuário humano, mas também do ponto de vista da máquina. O objetivo aqui é confiabilidade e determinismo semelhantes a cabos de um serviço de comunicação sem fio.
Por fim, um dos usos potenciais mais significativos para 5G em instalações privadas é a comunicação massiva do tipo máquina (massive machine-type communication, mMTC). No mMTC 5G, a ideia é que as máquinas intercomunicam uma variedade de cargas úteis de dados com vários requisitos, e que o 5G suporte essa inumerável quantidade de estilos de comunicação. Esse caso de uso do 5G foi projetado para permitir que as máquinas se comuniquem efetivamente sem depender de uma infraestrutura centralizada, que pode exigir recursos ponto a ponto (P2P) e até mesmo de rede mesh.
Implantações 5G homogêneas versus heterogêneas
Uma tipologia de “célula” homogênea foi escolhida para as gerações anteriores de comunicações celulares. Com o 4G LTE, isso mudou para acomodar áreas de alto uso e redes heterogêneas em ambientes urbanos começaram a surgir. Com o 5G, a mistura de estilos de rede heterogênea só aumenta, com macro; micro; nano; pico e até femto células, todas potencialmente com sua própria variedade de serviços. A ascensão dessa diversidade de acesso sem fio surgiu das diversas necessidades de uma maior combinação de espaços, como escritórios, estádios, locais privados, centros de transporte e campus universitários/empresariais.
A célula homogênea típica não é viável para as necessidades desses espaços emergentes, e os provedores de serviços de telecomunicações (telcos) não são necessariamente capazes de instalar o serviço celular nessas áreas, pois muitos deles são de operação e propriedade privada. Assim, os sistemas públicos de telecomunicações celulares não atendem a muitos desses espaços privados, como shopping; complexos de escritórios; instalações fabris/armazéns e ambientes industriais (agricultura, petróleo/gás, construção e mineração).
Limitações de Wi-Fi, Ethernet e 4G LTE
Muitas soluções de comunicação existentes podem não atender a todos os requisitos legais e emergentes de espaços privados. Por exemplo, os serviços ethernet só podem atender a sistemas conectados fisicamente. Embora o Wi-Fi seja certamente mais móvel e a geração mais recente de dispositivos Wi-Fi (Wi-Fi 6e) tenha recursos aprimorados de mobilidade e alcance, o Wi-Fi ainda sofre com problemas de mobilidade, latência e confiabilidade.
Além disso, as comunicações Wi-Fi utilizam as bandas ISM, que não são licenciadas e devem aceitar interferências de outros serviços, tornando a confiabilidade em cenários críticos possivelmente insustentáveis. O 4G LTE, como as gerações anteriores de comunicações celulares, é principalmente um estilo de comunicação dispositivo-infraestrutura e não facilita as comunicações ponto a ponto. Além disso, o padrão 4G LTE não é construído com modos que minimizam a latência ou garantem confiabilidade.
Vantagens das redes 5G privadas
As redes 5G privadas possuem todas as vantagens do 5G público, mas recursos e benefícios adicionais podem ser implementados dependendo das necessidades de espaço. Embora os padrões 5G, em geral, tenham recursos aprimorados de segurança, latência, confiabilidade, largura de banda/espectro e mobilidade em comparação com outros padrões sem fio, redes privadas podem ser implementadas para otimizar certos aspectos de recursos que coincidem com os objetivos do serviço.
Segurança
Enquanto as redes 5G públicas respondem pela rede pública de telecomunicações e pela internet por meio de uma telco e/ou ISP, as redes 5G privadas podem ser configuradas com opções adicionais ou priorização de recursos. Uma rede 5G privada pode ser construída apenas para lidar com tráfego criptografado que trafega por intranets ou redes internas. Com opções adicionais para alterar o tipo de modulação e criptografia de sinais sem fio 5G, uma rede 5G privada pode ser projetada para operar apenas com dispositivos 5G aprovados/provisionados. Isso permite uma segurança interna completa, eliminando a exposição a interfaces públicas para operações que podem ter casos de uso críticos, como governamentais, industriais ou ambientes corporativos específicos. Caso contrário, uma rede 5G privada pode ser cuidadosamente monitorada para garantir que qualquer atividade suspeita seja rapidamente identificada e evitada. Algumas ofertas de rede 5G privada afirmam que uma rede pode ser certificada criptograficamente em tempo real para ser 100% confiável.
Latência
Onde as redes 5G típicas precisam se comunicar de um dispositivo de usuário para a infraestrutura, uma rede 5G privada pode ser configurada para se comunicar com um servidor/banco de dados central que esteja na mesma instalação que o hardware de infraestrutura de rede 5G privada. Isso pode reduzir drasticamente a latência para o servidor, e o posicionamento do hardware da infraestrutura 5G pode ser otimizado para minimizar a latência e atender às necessidades dos aplicativos que exigem esse tipo de desempenho. É possível obter latência inferior a milissegundos em redes 5G gerenciadas de forma privada, enquanto as latências de 4G LTE e Wi-Fi são normalmente de dezenas de milissegundos, mesmo quando gerenciadas de forma privada.
Além disso, se o objetivo é minimizar a latência, existem recursos dentro dos padrões 5G que podem ser usados para reduzir a sobrecarga de comunicações. Esses recursos geralmente podem não ser desejáveis para todos os casos de uso de 5G, onde personalizações 5G privadas podem ser atraentes para determinados casos de uso.
Disponibilidade/Confiabilidade
A disponibilidade para muitas instalações privadas de comunicação sem fio é um objetivo principal. Com o serviço de celular público ou mesmo Wi-Fi privado, a disponibilidade não pode ser garantida, o que muitas vezes é inaceitável. Muitos aplicativos críticos não são viáveis sem disponibilidade altamente garantida, pois a segurança e a capacidade de resposta ao desligamento ou novas diretivas não podem ser garantidas. É aqui que os recursos 5G URLLC com a meta padronizada de confiabilidade de seis noves (99,9999%) podem fornecer a confiabilidade e a garantia de tempo de atividade, anteriormente apenas alcançáveis com soluções de comunicação com fio.
Alocação de largura de banda e qualidade de serviço (QoS)
O uso do espectro e a alocação de largura de banda geralmente têm um alto impacto na utilidade do serviço sem fio. Por exemplo, o Wi-Fi depende exclusivamente de bandas ISM não licenciadas nas partes de 2,4 GHz, 5 GHz e 6 GHz do espectro. Essas bandas são intrinsecamente limitadas em largura de banda e devem compartilhar esse espectro com todos os outros serviços que operam nessas frequências. O 4G LTE também é limitado a frequências abaixo de 6 GHz, onde há uma quantidade substancial de congestionamento de espectro e potencial de interferência.
Com o 5G New Radio (NR), o espectro licenciado e não licenciado está disponível no sub-1 GHz, sub-6 GHz, 24 GHz a 29 GHz e 37 GHz a 43 GHz. Especificamente, pode haver centenas de megahertz de largura de banda disponível no espectro de ondas milimétricas (mmWave) ou banda “alta”. Devido à alta diretividade e perdas atmosféricas na faixa de ondas milimétricas, também há muito menos interferência de fontes comuns e até serviços que compartilham o mesmo espectro. Portanto, o 5G pode facilitar um serviço mais confiável com outras métricas de QoS aprimoradas do que as instalações LTE privadas.
Diversidade de tipos de mobilidade e comunicação
A ampla gama de espectro disponível para serviços 5G permite uma combinação potencial de serviços sem as típicas compensações de serviços sem fio com menos opções de espectro. Por exemplo, para taxas de dados de alcance extremamente longo, mas relativamente baixas, o 5G sub-1 GHz pode ser usado para cobrir vastas áreas com infraestrutura limitada. Além disso, o mmWave 5G pode ser usado para cobrir intervalos mais curtos, mas oferece latência muito menor e serviços de taxa de transferência muito mais altos.
Os vários tipos de comunicação suportados pelo 5G, incluindo multi-user multi-input multi-output (mMu-MIMO) para usuários humanos e de máquinas, oferecem a capacidade de atender a um grande número de usuários que também podem ser altamente móveis ou estacionários . Além disso, os padrões 5G mais recentes também suportam comunicações do tipo máquina (baixa taxa de dados e baixo ciclo de trabalho) por meio de alta taxa de dados e serviços responsivos necessários para oferecer suporte a serviços baseados em nuvem, como treinamento de realidade aumentada e realidade virtual (AR/VR) ou solução de problemas.
Como configurar uma rede 5G não pública
Não há soluções de rede 5G privadas de tamanho único. O tipo de hardware e configurações 5G dependerá, em última análise, dos usos e requisitos planejados para a rede 5G. Felizmente, à medida que as instalações 5G privadas continuam a crescer, os provedores de soluções de hardware 5G e os instaladores de redes privadas continuam a expandir suas ofertas e recursos. Algumas diretrizes gerais podem ajudar na instalação 5G privada, ou seja, considerações de arquitetura de rede, como hospedar funções de plano de controle e como hospedar funções de plano de usuário.
Ao configurar uma rede 5G privada, a instalação da rede como parte de uma rede IP privada provavelmente será mais desejável. Dessa forma, uma rede 5G privada pode fazer parte de uma VPN privada suportada pelos roteadores e switches típicos que normalmente seriam usados. Isso é o mesmo que incorporar uma rede IoT típica, embora uma rede 5G possa precisar de uma ênfase maior em baixa latência e hardware de alta disponibilidade.
Para a maioria das instalações, provavelmente é melhor hospedar elementos do plano de controle 5G RAN e O-RAN o mais próximo possível das células 5G, idealmente concentrados onde os recursos 5G de maior demanda serão necessários. Isso requer servidores host, middleware e software para dar suporte a essas funções e, idealmente, seria compatível para facilitar o monitoramento, a manutenção e a adaptação futura. Da mesma forma, as funções principais do plano de usuário 5G também podem ser hospedadas em servidores pelo menos co-localizados com os recursos do plano de controle 5G RAN. Em alguns casos, ambos os recursos de plano de usuário/controle podem compartilhar os servidores de salvamento. Se outros tipos de tráfego também precisam ser atendidos, caixas brancas podem ser usadas para hospedar as funções do plano do usuário. Para as funções principais do plano de usuário 5G, elas devem ser hospedadas em caixas brancas se essas funções suportarem um alto volume de tráfego, pois a capacidade adicional pode ser benéfica e permitir maior disponibilidade e menor latência para esses serviços.
No final, serão necessários transceptores de rádio 5G para conectar sem fio a infraestrutura 5G a usuários 5G ou dispositivos IoT (Figura 2). Projetar hardware de RF 5G do zero é um empreendimento caro e demorado e requer uma ampla combinação de talentos e instalações de engenharia. Para projetar e implantar sistemas 5G privados, pode ser necessária alguma personalização de software, mas, felizmente, existem plataformas de hardware de transceptor 5G, com interfaces digitais comuns de alta velocidade que podem ser prontamente integradas a soluções sem fio O-RAN (Figura 3). Um exemplo de uma plataforma de protótipo 5G é a placa de avaliação ADI ADRV9026 com as placas de rádio ADRV9026-HB/PCBZ ou ADRV9026-MB/PCBZ. As placas de rádio para esta placa fornecem uma plataforma de transceptor 4×4 para avaliação e desenvolvimento rápidos do dispositivo.
Conclusão
Este é o início das redes privadas 5G para aplicações empresariais, governamentais e industriais. Além do que as tecnologias de comunicação sem fio anteriores podem fornecer, o 5G privado pode permitir o serviço sem fio mais seguro, com menor latência, mais alta disponibilidade e mais diversificado.
Artigo escrito por Jean-Jacques (JJ) DeLisle e publicado no blog da Mouser Electronics: The Emergence of Private 5G Networks
Traduzido por Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics
