Capítulo 1: Introdução

As redes móveis / telemóveis, que têm 40 anos de história, a qual se paralela à história da internet, têm sofrido mudanças significativas. As duas primeiras gerações suportaram voz e logo depois texto, com 3G definindo a transição para acesso à banda larga, suportando data em taxas medidas em centenas de kilobits por segundo. Hoje, a indústria está transitando do 4G (com taxas de dados tipicamente medidos em poucos megabits por segundo) para 5G, com a promessa de um aumento de dez vezes nas taxas de dados.

Porém o 5G está para muito mais do que aumento da banda larga. 5G representa uma rearquitetura fundamental do acesso à rede em uma maneira que influencia várias das principais tendências tecnológicas e coloca no caminho que possibilita muitas maiores inovações. Da mesm forma que o 3G definiu a transição de voz para banda larga, a promessa do 5G é principalmente a transição do serviço de acesso único (conectividade de banda larga) para uma coleção mais rica de serviços e dispositivos de ponta. Espera-se que 5G forneça apoio/suporte para interfaces de usuários imersivos (e.g.,AR/VR), aplicações em missões críticas (e.g., segurança pública, veículos autônomos), e a Internet das Coisas (IoT). Pois os usos nesses casos vão incluir tudo de eletrodomésticos a robôs industriais a carros autônomos, 5G vai sustentar/apoiar/suportar não só humanos acessando a Internet pelo seus celulares, mas também conjunto de dispositivos autônomos trabalhando juntos para um determinado fim.

Há mais serviços para apoiar do que apenas melhorar a banda larga ou a latência para usuários individuais. Como nós veremos, é necessária uma arquitetura da rede de borda fundamentalmente diferente. Os requisitos para essa arquitetura são ambiciosos, e podem ser ilustrado por três classes de capacidades:

  • Suportar uma Internet das Coisas Massiva, potencialmente incluindo dispositivos com energia ultra baixa (10+ anos de vida útil da bateria), complexidade ultra baixa (dezenas de bits por segundo), e densidade ultra alta (1 milhão de nós por quilômetro quadrado).

  • Suportar Aplicações de Missão Crítica, potencialmente incluindo ultra alta disponibilidade (maior do que 99.999% ou “cinco nonos/noves”), latência ultra baixa (tão baixa como 1ms), e mobilidade extrema (até 100 km/h).

  • Suportar Banda Larga Móvel Aprimorada, potencialmente incluindo taxas de dados extremas (múltiplos picos de Gbps, sportando mais de 100 Mbps) e extrema capacidade (dezenas Tbbs de taxa agregada por transferência por quilômetro quadrado)

Esses objetivos certamente não vão ser atingidos do dia para a noite, mas a cada geração da rede móvel é uma jornada de uma década.

Com base nessas melhorias quantitativas para as capacidades do acesso à rede, 5G está sendo visto como uma chance para construir plataformas para apoiar inovação. Enquanto que os acessso de rede antecessor era geralmente otimizados para serviços conhecidos (como chamadas de voz e SMS), a Internet tem sido um grande sucesso, em grande parte porque foi apoiada por uma gama de aplicações que nem haviam sido pensadas quando foi ela foi projetada. A rede 5G é desenvolvida com esse mesmo objetivo: englobar aplicações futuras além daquelas que nós já conhecemos atualmente. Pra conhecer exemplo da grande visão do 5G, veja whitepaper técnico de um dos líderes da indústria.

Leitura Adicional

Qualcomm Whitepaper. Making 5G NR a Reality. December 2016.

A rede de 5G móvel, por estar na sua jornada evolucionária e não uma solução pontual, inclue especificações padronizadas, uma gama de escolhas de implementação, e uma longa lista de objetivos. Como isso deixa muito espaço para interpretação, nossa abordagem para descrever 5G está pautada em três princípios que se suportam mutuamente. O primeiro é aplicar uma visão de sistemas, isto é, nós explicamos a sequência das decisões de design que guiam para a solução, em vez de recorrer a enumerar o esmagador número de siglas ou tecnologias pontuais individuais como um fato consumado. O segundo agressivamente desgregar o sistema. Construindo como desagregado, virtualizado, e definido por software a rede de acesso 5G está na direção que a indústria está já tomando (por razões tecnicamente e empresariamente boas), porém quebrair a rede de 5G em seus componentes elementares é também a melhor forma de explicar como 5G funciona.

O terceiro princípio é para ilustrar como o 5G pode ser realizado na prática pelo desenho de decisões da engenharia específicas feitas em uma implementação de código livre. Essa implementação aproveita as melhores práticas em construção de apps da cloud, que é um aspecto essencial do 5G evoluindo em uma plataforma para novos serviços. Essa implementação também tem como alvo empresas que estão aumentando a implementação de 5G localmente, e tem usado isso para ajudar a automatizar sua manufatura, varejo, e práticas de negócios, uma tendência que tem sido chamada de Indústria 4.0. Essas implementações nas empresas são conhecidas como *5G privado8, mas não há nada sobre a abordagem técnica que não possa ser adotada pela mais tradicional “rede móvel pública” que vem à mente quando você pensa sobre seu serviço de celular atualmente. A única diferença é que as implantações privadas estão adotando de forma mais agressiva as práticas de cloud que vão acabar por distinguir 5G das gerações anteriores.

Leitura Adicional

K. Schwab. The Fourth Industrial Revolution. World Economic Forum.

Isso significa que não há uma definição simples para o 5G, assim como para a internet. É um sistema complexo e evolutivo, limitado por um conjunto de padrões que propositalmente dão aos interessados vários níveis de liberdade. Nos capítulos que seguintes, deve ficar claro pelo contexto se estamos falando sobre os padrões (o que todos devem fazer para interoperar), tendências (qual a indústria aparentemente parece estar seguindo), ou as escolhas de implementação (exemplos para tornar as discussões mais concretas). Por adotar uma perspectiva por todo o sistema, nossa intenção é descrever 5G em uma maneira que ajude ao leitor a navegar por esse rico e rápido sistema em evolução.

1.1 Cenário de Padronização

Como no 3G, a designação de gerações corresponde a um padrão definido pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Embora seu nome tenha “3G”, o 3GPP continua definindo padrões para 4G, 5G, e assim por diante, cada um correspondendo a uma sequência de lançamentos (releases) do padrão. Release 15 é considerado um ponto de transição entre 4G e 5G, com o Release 17 tendo sido finalizado em 2022.

Além dos padrões definidos pelo 3GPP, governos nacionais estabelecem como o espectro de rádio é usado localmente. Diferente do Wi-Fi, para o qual há um acordo internacional que permite qualquer um usar um canal em 2.4 ou 5 GHz (essas são faixas não licenciadas), governos têm leiloada e licenciado usos exclusivos de várias faixas de frequências a provedores de serviço, que por sua vez vendem acesso móvel aos seus assinantes. O uso do espectro licenciado traz certos benefícios tanto pelo grande controle da qualidade dos serviços fornecidos, quanto pela imposição de custos em termos de pagamentos pela licença e na redução da complexidade de gerenciar o acesso ao espectro. Nos próximo capítulos vamos explorar como esses custos e benefícios ocorrem.

Há também a banda de licença compartilhada em 3,5 GHz, chamada Serviço de Banda Larga do Rádio Cidadão (Citizens Broadband Radio Service - CBRS), disponibilizada na América do Norte para uso em sistemas celulares. Faixas do espectro similares são disponibilizadas em outros países. As faixas CBRS permite 3 camadas de usuários compartilharem o mesmo espectro: o usuário primário que tem a permissão para usar a faixa (radar naval e estações terrestres para satélite); seguido pelos usuários prioritários que recebem o direito de usar em uma banda de 10MHz por três anos via leilões regionais; e finalmente o restante da população, que pode acessar e usar uma porção dessa faixa após verificar sua disponibilidade numa base de dados central dos usuários registrados CBRS, junto com esforços de padronização para ampliar o uso de rede celulares privadas de forma similar ao Wi-Fi. Isto é especialmente atrativo para empresas que desejam estabelecer um serviço 5G privado.

As faixas específicas de frequência que são licenciadas por redes de celular variam pelo mundo, e são complicadas pelo fato das operadoras de rede ocasionalmente suportarem simultaneamente as duas tecnologias legadas e a nova geração de tecnologias, cada uma delas ocupa uma faixa de frequências. O sumário de alto nível é a tecnologia de celular tradicional faixas de 700-2400MHz, com as novas alocações de espectros acontecendo a 6 GHz, e as alocações de ondas-milimétricas (mm Wave) abrindo sobre 24 Ghz.

Enquanto a faixa de frequência específica não é diretamente relevante para entender 5G por uma perspectiva arquitetural, ela impacta nos componentes da camada-física, a qual tem ramos indiretos no sistema 5G em geral. Nós identificamos e explicamos essas ramificações nos próximos capítulos, mantendo em mente que o espectro alocado de forma eficiente é um ponto crítico.

Finalmente, além dos padrões estabelecidos no 3GPP e o conjunto de órgãos nacionais padronizadores e o conjunto de agências reguladoras pelo mundo, uma nova organização- chamada de Open-RAN Alliance (O-RAN)— foi recentemente estabelecida com foco em “abrir a Rede de Acesso de Rádio (RAN - Radio Access Network)”. Veremos especificamente o que significa e como o O-RAN difere do 3GPP no capítulo 4, por enquanto sua existência mostra a importância da dinâmica na indústria: 3GPP se tornou uma organização dominada pelos vendors, enquanto operadoras de rede (AT&T, China Mobile sendo os membro fundadores) criaram a O-RAN para quebrar a hegemonia dos vendors.

1.2 Rede de Acesso

A rede de celular móvel é uma parte do acesso a rede que implementa na chamada i última milha da internet. (Outro tecnologia de comum acesso é a rede óptica passiva (PON), coloquialmente conhecida como Fibra em Casa). Esses acessos a rede móveis tem historicamente sido providenciados por ambos, grandes e pequenos Operadores de Rede Móveis (MNOs). MNOs globais como AT&T comanda o acesso à rede por milhares de pontos de agregação presentes por todo o país como os EUA, junto/juntamente com o linha dorsal nacional que interconecta esses sites. Nas pequenas regiões e municípios os MNOs podem ter o acesso a rede com um ou dois pontos de presença, e logo conecta com o resto da Internet por uma “espinha dorsal” de uma grande operadora.

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Figure 1. Uma rede móvel global construída primeiro agregando tráfego de centenas de estações base sem fio, e logo interconectando os pontos de agregação com a Internet.

Como ilustrado na Figure 1, as redes de acesso são fisicamente ancorados em milhares de pontos de agregação com uma proximidade dos usuários finais, cada um dos servidores em qualquer lugar com 1.000 - 100.000 inscritos, dependendo da densidade da população. Na prática, a implantação física dessas localizações de borda variam de operadora para operadora, mas um possível cenário é ancorar ambos o celular e as redes de acesso com fio em escritórios centrais de telecomunicação (Telco Central Offices).

Historicamente, o escritório central - conhecido oficialmente como o escritório central da PSTN (Rede de telefonia pública comutada / Public Switched Telephone Network) - de acesso com fio ancorado (ambos telefones e banda larga), enquanto a rede de celular evoluiu independentemente pela implementação em paralelo de um conjunto de Escritório de Telefone Móvel Comutado (MTSO). Cada MTSO serve como um ponto de agregação móvel para o conjunto de torres de celular em uma dada área geográfica. Para os nossos propósitos, a ideia importante é que tal agregação de pontos existe, e é razoável pensar neles como bordas definidoras de uma rede de acesso gerenciado por uma operadora. Para simplicidade, nós às vezes usamos o termo “Escritório Central” como um sinônimo por ambos os tipos de sites de borda.

Finalmente, um aspecto da rede móvel que pode não ser tão óbvio pela Figure 1 é que ele suporta conectividade global, independente da Internet (a qual é tecnicamente só uma de muitas tecnologias de backbone disponíveis). Isyo é, a rede de celular suporta um esquema universal de endereçamento, similar em princípio (mas significativamente diferente em detalhes) do esquema universal de acesso baseado em IP. Esse esquema de endereçamento deixa possível estabelecer uma chamada de voz entre qualquer dois celulares, mas é claro, endereços de IP ainda entram no jogo quando tenta estabelecer uma conexão de dados (banda larga) de um celular ou outro dispositivo móvel. Entender a relação entre endereços móveis e endereços IP é um tópico que vamos explorar em capítulos futuros.

1.3 Serviços Gerenciados de Nuvem

A seção anterior apresentou uma visão centrada nas Telcos da rede celular móvel, que faz sentido pois as Telcos tem sido as MNOs dominantes nos últimos 40 anos. Mas como o 5G foca em ampliar o conjunto de serviços que suporta, e embarcar às plataforma que podem suportar aplicações ainda não indentadas, a rede móvel celular está começando a quebrar a fronteira entre a rede de acesso e a nuvem (cloud).

O resto deste livro explica o que isso significa em detalhes. Como uma visão geral, pensando na conectividade do 5G como um serviço de cloud significa que em vez de usar dispositivos construídos com um propósito e práticas operacionais baseadas na telefonia para entregar conectividade móvel, a rede 5G é construída a partir de hardware de commodities, redes definidas por software, e práticas operacionais baseadas na cloud. E assim como com aplicativos de cloud familiares, o resultado final é um sistema que aumenta ambos as velocidade característica e uniformidade operacional. Essas vantagens estão disponíveis para o legado MNOs, porém se eles vão abraçá-los totalmente ainda está para ser visto, então nós não nos limitamos para stakeholders existentes ou modelos de negócios. Em particular, esse livro foca em como empresas podem ser suas próprias MNOs, ou alternativamente, adquirir conectividade 5G privada como um serviço de cloud gerenciado de MNOs não tradicionais.

Para esse fim, Figure 2 retrata uma implantação simplificada de 5G privado que será usada no resto deste livro. Em um nível alto, a figura mostra uma larga faixa de empresas usando casos que podem ter uma vantagem da conectividade do 5G, com o plano de dados do serviço de 5G rodando no local (em uma borda de cloud rodando na empresa), e o plano de controle do serviço do 5G rodando fora do local (na cloud global). 1 Administradores de empresas controlam o seu serviço com um console de gerenciamento, da mesma maneira que eles podem fazer login em um console AWS, GCP ou Azure para controlar um armazenamento baseado na nuvem ou um serviço de computação. Finalmente, aplicativos são distribuídos tanto na borda quanto centralizadas na nuvem, tomando vantagem de o que é comumente referido de nuvem híbrida.

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Usamos os termos “plano de dados” e “plano de controle” de forma geral nesta descrição. Como veremos no Capítulo 2, a arquitetura do 5G tem uma estrutura mais complexa e usa terminologias diferentes.

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Figure 2. Implementação baseada em empres da conecitivdade 5G, rodando como um serviço gerenciado de nuvem.

Hospedando o serviço de conectividade do 5G em uma borda da nuvem está perfeitamente alinhado com as maiores tendências da computação em nuvem: mover elementos de uma nuvem do datacenter para localizações que estão próximas dos usuários finais e seus dispositivos. Antes de olhar como realizar o 5G em uma nuvem na borda, nós começamos a considerar porque nuvens de borda estão ganhando evidência.

A nuvem começou como uma coleção de datacenters do tamanho de warehouse, cada um desses providenciava uma forma eficaz para prover energia, resfriar e operar um número escalável de servidores. Com o tempo, essa infraestrutura compartilhada diminuiu a barreira em implantar serviços escaláveis na Internet, mas hoje, tem um aumento da pressão para oferecer aplicativos de nuvem com baixa latência e alta banda larga que não podem ser efetivamente implementados em datacenters remotos. Realidade Aumentada (AR), Realidade Virtual (VR), Internet das Coisas (IoT), e os veículos autônomos são todos exemplos desse tipo de aplicação. Tais aplicações se beneficiam de mover pelo menos uma parte de sua funcionalidade para fora de um datacenter e para a borda da rede, próximo de usuários finais.

A ideia de tais implantações é primeiro coletar dados operacionais sobre ativos e infraestrutura, sensores, feeds de vídeos e telemetria de equipamentos. Depois aplicar ML nesses dados para ganhar insights, identificar padrões e prever resultados (e.g., quando é provável um dispositivo falhar).O passo final é processo industrial automático para minimizar intervenção humana e ativar operações remotas (e.g., otimização de energia, máquinas quiescentes em marcha lenta). O objetivo geral é criar uma base de TI para continuamente melhorar operações industriais pelo/por meio de software.

Mas precisamente onde essa borda é localizada fisicamente depende para quem você pergunta. Se você perguntar ao operador de rede que já é dono e opera milhares de escritórios centrais, pelo escritório deles vai ser a resposta óbvia. Outros podem afirmar que a borda é localizada na 14.000 Starbucks pelos EUA, e ainda outros ainda podem apontar para os 10 mil torres de celulares espalhadas pelo globo. Nossa abordagem é agnóstica em termos de localização, mas para manter a discussão concreta, nós usamos empresas como nossa implantação exemplar.

Ao mesmo tempo em que os provedores de cloud começaram a buscar implementações de ponta, operadores de rede começaram a re-arquitetar o acesso à rede deles para usar um hardware comum e as melhores práticas em construir software escalável como os provedores de nuvem. Tal design, que às vezes é referido como CORD (Escritório Central re-arquitetado como um data center), oferece suporte a ambos os acessos a rede e serviços de ponta ,localizados em uma plataforma de nuvem compartilhada. Essa plataforma é então replicada por centenas ou milhares de sites de operadores, incluindo escritórios centrais.

Operadores de rede tradicionais fizeram isso porque eles queriam ter vantagem nas mesmas economias de escala e velocidade de recurso como os provedores de cloud. CORD deu a eles a arquitetura geral para trabalhar para isso, mas além disso uma implementação de código aberto baseado em Kubernetes serve de referência para modelar as suas soluções. A implementação original da CORD é o antecessor direto da plataforma Aether que nós usamos como referência na implementação desse livro.

Leituras Adicionais

L. Peterson, et al. Central Office Re-architected as a Datacenter, IEEE Communications.. IEEE Communications, October 2016.

A.D. Little Report. Who Dares Wins! How Access Transformation Can Fast-Track Evolution of Operator Production Platforms. September 2019.

Uma conclusão importante desta discussão é que para entender como o 5G está sendo implementado, é útil ter um entendimento prático em como as clouds são construídas. Isso inclui o uso de hardware comercial (ambos servidores e switches bare-metal), microserviços horizontalmente escaláveis (também referido como nativos da nuvem), e redes definidas por software (SDN). E também ajudam ter uma apreciação em como o software da nuvem é desenvolvido, testado, implantado e operado, incluindo práticas como DevOps e Integração e Desenvolvimento Contínuos (CI/CD). Nós recomendamos dois livros complementares para ajudar a preencher as lacunas para entender essas tecnologias fundamentais.

1.4 Além do 5G

Quando as MNOs começaram a disponibilizar o 5G em 2019, as pessoas começaram a falar sobre o que vem em seguida. A resposta óbvia é 6G, mas não está totalmente claro quais gerações dos últimos 40 anos irão continuar no futuro. Hoje, você pode escutar alternativas como “NextG” e “além do 5G” mais comumente do que 6G, que pode ser um sinal que a indústria está fazendo uma mudança fundamental. E não há argumento que nós estamos no meio de um mar de mudanças que irão produzir uma distinção de gerações tão clara. Há duas razões complementares para isto, ambas estão fundamentadas no que há de importante em redes 5G Privadas.

O primeiro fator é que pela adoção tecnologia de cloud, a rede celular deseja obter a promessa da alta velocidade. Esta história da “agilidade” sempre foi incluída nos primeiros materiais de promoção do 5G, como o motivador para que o upgrade promovido pelo 5G seja um investimento que valha a pena, mas a consequência dessas tecnologias se tornarem uma tendência é que novas funcionalidades podem ser continuamente rapidamente introduzidas e desenvolvidas. Em algum ponto, a frequência das melhorias contínua geral é uma distinção entre gerações que é irrelevante.

O segundo é que agilidade não é somente pressa, mas também customização. Isto é, essas mudanças podem ser introduzidas da base para o topo (bottom-up) — por exemplo pelas empresas e seus parceiros na nuvem no caso das redes 5G Privadas — sem necessariamente depender de (ou esperar por) um esforço de padronização global. Se uma empresa encontra um novo caso de uso que requer adotar um desenvolvimento específico, comente sua rede 5G Privada precisa adotar essas mudanças. Obter a concordância de todos os parceiros não será mais um requisito.

Pode-se dar um palpite aonde isso vai nos levar, mas será interessante ver como esta dinâmica impacta na padronização: que aspectos da rede móvel requer uma concordância global e quais aspectos não precisam pois eles podem envolver casos específicos. Enquanto padrões normalmente estimulam inovação (TCP e HTTP são doi grandes exemplos da experiência com a Internet), algumas vezes padrões servem como uma barreira para competição, e portanto, para inovação. Agora que o software está em todas as partes da rede celular - com as redes 5G Privadas nas empresas provavelmente dando o ritmo - vamos aprender o que os padrões fazem.

Em resumo, que o 5G é um caminho de evolução é o tema principal deste livro. Chamamos atenção para sua importância, e revisitarmos o tópico no livro. Escrevemos esse livro para pessoas com visão sistêmica (system generalists), com o objetivo de ajudar a comunidade a entender uma grande parte dos problemas do sistema (mas que pouco ou nada sobre sobre uma rede celular) até acelerar ao ponto que elas possam atuar nesta evolução. Esta é uma comunidade que entende ambos a característica da velocidade e melhores práticas em construir um sistema escalável, e tem um papel importante a desempenhar em tornar todo o potencial do 5G em produtos.