Porque é que uma arquitetura distribuída centralizada é a única solução RAN viável a longo prazo
Onde estamos agora?
As implementações iniciais de 5G são denominadas “5G não autónomo (NSA)” e baseadas em conectividade dupla. É aqui que o dispositivo se liga primeiro a uma estação base LTE “Master” 4G e, em seguida, sob a direção do mestre, estabelece a conectividade 5G.
Estas implementações iniciais de 5G utilizam espectro na gama de frequência 1 de 5G. Na Europa, é provável que tal ocorra na banda 3,4-3,8 GHz (mas não exclusivamente). Em termos de cobertura, as células 5G que podem ser suportadas nestas frequências dentro das vilas e cidades, permitem que as estações base “secundárias” 5G sejam co-localizadas com o “mestre” 4G. Estas estações base estão invariavelmente bem localizadas em locais seguros e equipadas com boa conectividade de backhaul, principalmente sob a forma de ligações de fibra. Com efeito, o 5G está a ser utilizado para adicionar capacidade ao local 4G existente, ao mesmo tempo que traz uma eficiência adicional em termos de técnicas de antena mais avançadas.
O que acontece a seguir?
À medida que mais espectro 5G for libertado, as operadoras começarão a ter acesso às frequências das ondas milimétricas. Estas são muito mais elevadas (definidas entre 24,25 GHz e 27,5 GHz na Europa) do que as frequências celulares tradicionais. As características do canal de rádio de ondas milimétricas são muito diferentes, com uma atenuação (perda de sinal) muito maior ao longo da distância e efeitos de difração diminuídos, o que significa que quaisquer “áreas de sombra de sinal” atrás dos edifícios não são tão bem preenchidas como nas frequências mais baixas. Tudo isto significa que a cobertura das células de ondas milimétricas 5G está limitada praticamente a cerca de 200 m, e em grande parte a cobertura da linha de visão.
Contudo, nestas frequências mais altas, há muito espectro adicional disponível (e, portanto, capacidade). Além disso, a elevada atenuação com a distância significa que as células podem ser implantadas isoladamente (grupos únicos ou pequenos), reduzindo consideravelmente a interferência geral da rede. Consequentemente, o espectro bastante aumentado também pode ser reutilizado a distâncias mínimas muito reduzidas em comparação com o espectro celular tradicional. Finalmente, tamanhos de antena mais pequenos significam que serão utilizados conjuntos de antenas, em vez de antenas individuais. Isto abre um mundo totalmente novo de técnicas de antenas altamente eficientes – incluindo a formação avançada de feixes. Portanto, de um modo geral, o pensamento atual da indústria é que o 5G de pequenas células (ondas milimétricas) vale muito a pena o investimento.
Como maximizamos o investimento?
Há uma série de considerações que orientarão a forma como o 5G será implementado assim que o espectro de ondas milimétricas estiver disponível. Todos eles têm impacto no ROI e, principalmente, apontam-nos para uma arquitetura RAN 5G distribuída centralizada:
Mestrado-secundário
As células de ondas milimétricas mais pequenas têm de trabalhar num arranjo mestre-secundário com a célula LTE maior - ou com células 5G de frequência mais baixa no modo de implantação 5G “Stand Alone”. Isto combinará uma boa cobertura e uma conectividade fiável proporcionada pelo Master, e capacidade adicional disponível através das pequenas células secundárias de ondas milimétricas. Vários secundários podem ser adequadamente localizados para trabalhar com um mestre para fornecer conectividade dupla para diferentes dispositivos na área de cobertura geral da célula mestre. A conectividade dos dispositivos será alternada entre o mestre e o secundário (e vice-versa) à medida que a intensidade do sinal de rádio varia. Estatisticamente, se um número suficiente de dispositivos estiver a utilizar os secundários, haverá capacidade geral suficiente, mesmo que alguns dispositivos estejam a utilizar temporariamente a capacidade do mestre.
Retorno
Os locais LTE existentes estão geralmente bem equipados em termos de conectividade de backhaul – geralmente sob a forma de fibra. Se um site secundário puder fazer backhaul automático para o mestre, os dados poderão ser agregados através da ligação de fibra existente em direção à rede principal. Com tanto espectro disponível nas frequências das ondas milimétricas, deve ser relativamente simples utilizar parte dele para formar uma ligação de micro-ondas (ou formar um feixe) do secundário para o mestre, de modo a fornecer a ligação de auto-backhaul. É claro que seria necessária uma linha de site, mas em geral esta é uma opção muito mais barata do que a cablagem para todos os secundários.
Frente
A ligação da própria estação base à(s) antena(s) pode assumir várias formas. Contudo, a ligação final é tradicionalmente feita na forma de representações digitais da onda analógica real que será aplicada a cada antena. Com o 5G, o número enormemente aumentado de antenas significa que a quantidade de informação digital simplesmente não é viável para ser transportada a qualquer tipo de distância (mesmo em fibra). A solução óbvia é que a fase final do processamento (camada mais baixa na pilha de protocolos) será provavelmente na própria unidade de antena.
Isto significa essencialmente que para estações base de ondas milimétricas (células pequenas), a funcionalidade da estação base será inevitavelmente separada. Qual a forma que assume a separação de funções e onde se encontra o resto da funcionalidade é uma questão em aberto. Deverá ser no site de pequenas células (atuando como uma unidade distribuída – DU), no site mestre (agora atuando como uma unidade centralizada – CU), ou uma mistura – com camadas superiores no site mestre centralizado e camadas inferiores no site distribuído (com a subcamada mais baixa na unidade de antena)?
Facilidade de implementação
Se optarmos por implementar a maior parte da funcionalidade num local centralizado (possivelmente o local da estação base mestre ou um local RAN centralizado), isto significa que pequenas células adicionais poderão ser implementadas de forma económica como pequenas unidades de hardware. A capacidade teria de ser suficiente, mas qualquer implementação de célula adicional exigiria atualizações mínimas na UC. A implantação poderia ser ainda mais simplificada se fossem utilizadas técnicas robustas de auto-otimização ou auto-organização como parte do processo de implantação de pequenas células.
Segurança
A segurança é uma preocupação crescente para qualquer operador, e o 5G tem feito melhorias significativas nesta área quando comparado com o 4G. No entanto, a encriptação real da interface rádio 5G e a proteção de integridade (os dois principais mecanismos de segurança da interface rádio) operam entre o dispositivo e a estação base. A funcionalidade de segurança real faz parte de um dos protocolos localizados mais acima na pilha de protocolos. Assim, faz sentido localizar esta parte da funcionalidade da estação base num local mais seguro – neste caso, uma unidade centralizada, em vez de uma unidade distribuída.
Existem outros mecanismos de segurança em vigor para proteger a ligação Unidade Centralizada/Unidade Distribuída, mas, no entanto, a segurança é melhor servida em termos de fiabilidade ao localizar a própria função de encriptação num local mais seguro.
MAEC
Para reduzir a latência no suporte de uma vasta gama de novos casos de utilização e serviços, a localização dos recursos de computação na extremidade da rede é um requisito essencial. Isto pode ocorrer num local RAN adequado ou localizado na estação base para um suporte de serviço especialmente de baixa latência. Isto levanta potencialmente todo o tipo de preocupações, sendo as duas principais a segurança e o posicionamento físico do hardware de processamento real.
O equilíbrio é obter acesso a suporte de baixa latência, reduzindo ao mesmo tempo o risco e mantendo a facilidade de implementação. Mais uma vez, uma arquitectura centralizada e distribuída parece ser uma solução provável, onde os recursos computacionais se encontram numa UC relativamente segura e bem equipada.
Funcionamento sem células
Finalmente, e um pouco mais à frente, o 5G traz potencialmente uma forma completamente nova de pensar a cobertura rádio – uma forma que poderá melhorar significativamente a eficiência e a fiabilidade da ligação. Baseado na cobertura sem células e utilizando feixes extensivamente, requer um posicionamento específico da unidade de rádio para funcionar de forma ideal - idealmente, um posicionamento muito regular em padrões específicos. As unidades pequenas seriam muito mais fáceis de posicionar do que as unidades maiores. Isto aponta novamente para uma arquitetura distribuída, onde a DU é mantida pequena e leve.
RESUMO
Tudo aponta para uma arquitetura RAN 5G distribuída centralizada
Embora estas considerações (acima) não sejam novas, os documentos de especificação 3GPP 5G incluem interfaces recentemente normalizadas que permitem que o gNodeB (o nome técnico da estação base 5G) seja implementado de forma muito flexível. Pode ser uma estação base integrada completa ou separada em diferentes funções como discutido neste blog. À primeira vista, parece que temos opções. Na realidade, a forma como o 5G é implementado – o espectro que utilizamos, os casos de utilização que apoiamos, as preocupações de segurança e a facilidade de implementação, entre outras preocupações – ditarão a arquitetura real. Pelas razões expostas neste blog, parece apontar firmemente para uma arquitetura centralizada e distribuída para a estação base e RAN a médio e longo prazo.
Author: Paul Waite
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