Capítulo 3: Transmissão de Rádio

Para aqueles familiares com a tecnologia de acesso sem fio que oferece um serviço de melhor esforço, como o Wi-Fi, a rede celular apresenta um contraste notável. Isto se dá porque a rede celular faz uma alocação cuidadosa do espectro de rádio disponível entre os usuários (ou mais precisamente, UEs), na busca de entregar uma certa qualidade a todos os usuários ativos na área de cobertura, enquanto permite que os usuários se mantenham conectados enquanto se movimentam. Elas também buscam maximizar a eficiência do uso do espectro, que é um recurso finito e caro. Isso resultou em uma abordagem altamente dinâmica e adaptativa, na qual codificação, modulação e escalonamento tem um papel central. 5G leva o gerenciamento dos recursos de rádio para um novo nível de sofisticação.

Transmissão sem fio é cheia de desafios que não surgem nas redes cabeadas. Interferências podem vir de muitas fontes, indo desde microondas até monitores de bebês, enquanto os sinais de rádio refletem em objetos como prédios e veículos. Alguns absorvem os sinais de rádio. Essas propriedades do canal sem fio variam com o tempo, e dependem da frequência em uso. Muito do projeto de sistemas de rádio celular são motivados para lidar com esses desafios.

Como veremos neste capítulo, redes celulares móveis usam uma estratégia baseada em reserva, enquanto Wi-FI é baseado em contenção. Esta diferença tem raízes nos fundamentos de cada sistema: Wi-Fi assume uma rede pouco carregada (e então de forma otimista transmite quando o enlace está vazio e para se uma contenção é detectada), enquanto 5G assume (e se esfoça para) alta utilização (e então explicitamente associa diferentes usuário a “porções” do espectro disponível).

O fato de que o 5G cuidadosamente controla a alocação do espectro é crucial para sua habilidade de entregar garantias de banda e latência de forma mais previsível que Wi-Fi. Por este fato há muito interesse em usar o 5G em aplicações de missões críticas.

Iniciaremos com uma introdução sobre transmissão de rádio para fundamentar o entendimento do resto da arquitetura 5G. O que vem a seguir não substitui um tratamento teórico do tópico, mas fornece uma forma de descrição básica orientada a sistemas do 5G que segue a realidade das comunicações sem fio.

3.1 Codificação e Modulação

O canal móvel no qual os dados precisam ser transmitidos de forma confiável traz um grande número de dificuldades, incluindo ruído, atenuação, distorção, desvanecimento e interferência. Esses desafios são endereçados como uma combinação de codificação e modulação, como descrito na Figure 17.

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Figure 17. Papel da modulação e comunicação na comunicação móvel.

Basicamente, codificação insere de forma controlada bits nos dados para ajudar dos efeitos dos fatores ambientais que interferem durante a propagação do sinal. Isto tipicamente implica em alguma forma de Forward Error Correction (e.g., códigos turbo, códigos polares). Modulação então gera sinais que representam a stream de dados codificada, e faz isso de uma forma que se ajusta às características do canal: ela primeiro usa um sinal com formato de modulação digital que maximiza a quantidade máxima de transmissões confiáveis de bits por segundo baseado nos efeitos do canal; em seguida, ajusta a largura de transmissão a largura do canal usando a conformação do pulso; e finalmente, usa modulação em RF para transmitir o sinal como uma onda eletromagnética em uma portadora com a frequência atribuída.

Para uma melhor apreciação dos desafios das transmissão confiável de dados pela propagação de sinais de rádio pelo ar, considere o cenário descrito na Figure 18, onde o sinal reflete nos diversos objetos parados ou em movimento, seguindo múltiplos caminhos do transmissor para o receptor, que também pode estar em movimento.

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Figure 18. Sinais se propagam por múltiplos caminhos do transmissor para o receptor.

Como consequência desses múltiplos caminhos, o sinal original chega no receptor espalhado no tempo, como ilustrado na Figure 19. Evidências empíricas mostram que o espalhamento por múltiplos percursos - a diferença de tempo entre o primeiro e o último sinal de uma transmissão que chegam ao receptor- é entre 1-10μs em ambientes urbanos e entre 10-30μs em entre ambientes suburbanos. Estes sinais por múltiplos percurso podem interferir uns com os outros construtivamente ou destrutivamente, e isso vai variar com o tempo. Limites teóricos para o tempo que o canal pode ser considerado invariante, é denominado Tempo de Coerência e denotado por \(T_c\), e dado por

\[T_c =c/v \times 1/f\]

sendo \(c\) a velocidade do sinal, \(v\) é a velócidade de receptor (e.g., carro ou trem em movimento), e \(f\) é a frequência do sinal da portadora que está sendo modulado. Isto nos diz que o tempo de coerência é inversamente proporcional a frequência do sinal e da velocidade do movimento, que tem um significado intuitivo: quanto maior for a frequência (mais curta a onda) menor o tempo de coerência, e consequentemente, quão mais rápido for o receptor está se movendo menor o tempo de coerência. Baseado nos parâmetros alvo para este modelo (selecionado de acordo com o ambiente físico desejado) e possível calcular \(T_c\), que limita a taxa em que símbolos podem ser transmitidos sem o risco de interferência. A natureza dinâmica do canal sem fio é um desafio central na rede celular.

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Figure 19. Dados recebidos espalhados no tempo devido a variação do multipercurso

Para complicar ainda mais, as Figure 18 e 19 implicam na transmissão originada de uma única antena, mas torres celulares são equipadas com um arranjo de antenas, cada uma transmitindo em direção (sem sobreposição) diferente. Esta tecnologia, chamada de Múltiplas-entradas-Múltiplas saída (MIMO - Multiple-Input-Multiple-Output), abre o caminho para a transmissão de dados por múltiplas antenas em um esforço para alcançar o receptor, adicionam mais caminhos ao ambiente imposto pela propagação em múltiplos percursos.

Uma das consequências mais importantes destes fatores é que o transmissor precisa receber algum feedback de cada receptor para julgar como melhor utilizar o meio sem fio em seu favor. O 3GPP especifica o Channel Quality Indicator (CQI) para este propósito. Na prática, o receptor envia periodicamente (por exemplo, a cada milisegundo) o status CQI para a estação base. Esta mensagem CQI reporta a razão sinal-ruído que impacta na habilidade do receptor de recuperar os bits de dados. A estação base então usa esta informação para adaptar como alocar o espectro de rádio para os assinantes que está servindo, como também que esquemas de codificação e modulação utilizar. Todas essas decisões são feitas pelo escalonador.

3.2 Escalonador

Como o escalonador faz o seu trabalho é uma das propriedades mais importantes de cada geração da rede celular, que por sinal depende do mecanismo de multiplexação. Por exemplo, 2G usa Multiplexação por Divisão do Tempo (Time Division Multiple Access - TDMA) e 3G usa a Multiplexação por Divisão em Código (Code Division Multiple Access - CDMA). O uso de dados multiplexados, é uma das diferenças principais entre 4G e 5G, completando a transição da rede celular baseada fundamentalmente em chaveamento de circuitos para chaveamento de pacotes.

Ambos 4G e 5G são baseados em Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), uma abordagem que multiplexa dados sobre múltiplas portadoras de frequências ortogonais, cada um é modulado independentemente. Uma atração do OFDM é que, pela divisão da banda de frequências em subportadoras, ele pode enviar símbolos em cada subportadora com uma taxa relativamente baixa. Isto torna fácil decodificar corretamente os símbolos na presença de interferência por multipercurso. A eficiência do OFDM depende da seleção das subportadoras para evitar interferência, isto é, como atingir a ortogonalidade. Este tópico está fora do escopo deste livro.

Até onde entendemos o OFDM usa um conjunto de subportadoras, com símbolos (cada um contendo um conjunto de bits de dados) sendo transmitidos a alguma taxa em cada subportadora, que você pode pensar como existindo unidades do espectro de espectro de rádio escalonáveis. A unidade fundamental é o tempo para transmitir um símbolo em cada uma das subportadoras. Com estes blocos básicos em mente, podemos agora examinar como a multiplexação e escalonamento ocorrem no 4G e 5G.

3.2.1 Multiplexação no 4G

Começamos com 4G porque ele provê um entendimento fundamental que torna mais fácil explicar o 5G, tanto o 4G quanto o 5G usam uma técnica de multiplexação chamada Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA). Você pode pensar em OFDMA como uma aplicação específica do OFDM, que no caso do 4G, multiplexa dado em um conjunto de 12 subportadoras com frequências ortogonais (não interferente), cada uma é modulada independentemente.1 O “Acesso Múltiplo” no OFDMA implica que o dado pode ser simultaneamente transmitidos por múltiplos usuários, cada um em um conjunto diferente de subportadoras e com diferentes durações de tempo. As subbandas definidas no 4G são estreitas ( (e.g., 15 kHz), e os dados codificados nos símbolos OFDMA são escolhidos para minimizar o risco de perda de dados devido a interferência.

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4G usa OFDMA para o tráfego de descida (downstream), e uma estratégia diferente para as transmissões de subida (upstream) (de equipamentos do usuário para as estações base), mas não vamos descrevê-las pois isto não é aplicado ao 5G.

O uso do OFDMA naturalmente leva a conceitualização do espectro de rádio como um recurso 2-D, como mostrado na Figure 20, com subportadoras representadas na dimensão vertical e o tempo para transmitir um símbolo em cada subportadora representado na dimensão horizontal. A unidade básica de transmissão, chamada de Resource Element (RE), corresponde de uma banda de 15-kHz ao entorno da subportadora e o tempo que leva para transmitir um símbolo OFDMA. O número de bits que podem ser codificados em cada símbolo depende do esquema de modulação utilizado. Por exemplo, usando Modulação de Quadratura de Amplitude (Quadrature Amplitude Modulation - QAM), 16-QAM permite 4 bits por símbolo. Os detalhes desta modulação não nos concerne aqui; o ponto chave é que existe um grau de liberdade para a escolha do esquema de modulação baseado na medição da qualidade do canal, enviando mais bit por símbolo (e assim mais bits por segundo) quando a qualidade é alta.

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Figure 20. Espectro abstratamente representada por um grid 2-D de Elementos de Recursos (RE) escalonáveis.

Um escalonador aloca uma quantidade de REs para cada usuário que tem dados para transmitir a cada Intervalo de Tempo de Transmissão (Transmission Time Interval - TTI) de 1 ms, onde cada usuário é atribuído aos diferentes blocos coloridos na Figure 20. A única restrição do escalonador é que ele faz suas decisões de alocação em blocos de 7x12=84 elementos de recursos, chamados de Blocos de Recursos Físicos (Physical Resource Block - PRB). Figure 20 mostra dois PRBs fim-a-fim. Claro que o tempo continua a fluir em um dos eixos, e dependendo do tamanho da banda de frequências disponível (e.g., ela pode ser de 100 MHz de largura), podem existir mais slots de subportadoras ( e assim PRBs) disponível ao longo de um eixo, então o escalonador está essencialmente preparando e transmitindo uma sequência de PRBs.

Note que OFDMA não é um algoritmo de modulação/codificação, mas provê um framework para a seleção de da modulação e codificação para cada subportadora. QAM é o exemplo mais comum de modulação. É da responsabilidade do escalonador selecionar a modulação para cada PRB, baseado no valor do CQI que recebe. O escalonador também seleciona a codificação por PRB, por exemplo, como ela seleciona os parâmetros do algoritmo do código turbo.

O TTI de 1-ms corresponde ao tempo em que o escalonador recebe o feedback dos usuários sobre a qualidade do sinal que estão experimentando. Este é o CQI mencionado anteriormente, onde a cada milisegundo, cada usuário envia um conjunto de métricas, que o escalonador usa para tomar suas decisões e como alocar PRBs durante os subsequentes TTI.

Outra decisão importante do escalonador é que o Identificador de Classe de QoS (QoS Class Identifier - QCI), que indica a qualidade de serviço de cada classe de tráfego do receptor. No 4G, o valor do QCI associado a cada classe (existem nove dessas classe, no total) indica quando o tráfego tem uma Taxa de Bits Garantida (Guaranteed Bit Rate - GBR) ou não (non-GBR), mais as classes de prioridade relativa dentro dessa categorias.

Finalmente, tenha em mente que a Figure 20 foca nas transmissões escalonadas de uma única antena, mas a tecnologia MIMO descrita acima significa que o escalonador também tem que determinar que antena (ou mais geralmente, qual conjunto de antenas) irá alcançar de forma mais eficiente o receptor. Novamente, de forma abstrata, o escalonador tem a obrigação de alocar a sequência de Elementos de Recurso.

Note que o escalonador tem muitos graus de liberdade: ele tem que decidir que conjunto de usuários servir durante um dado intervalo de tempo, quantos elementos de recurso alocar para cada usuário, como selecionar os níveis de codificação e modulação, e que antena transmite os dados. Este é um problema de otimização que, para nossa sorte, não estamos tentando resolver aqui. Nosso objetivo é descrever a arquitetura que alguém projetou e conectou em um escalonador eficiente. Mantendo a arquitetura celular aberta para inovações como estas como nosso objetivo, e como veremos na próxima seção, se torna mais importante no 5G onde o escalonador opera com ainda mais graus de liberdade.

3.2.2 Multiplexação no 5G

A transição do 4G para o 5G introduz flexibilidade adicional em como o espectro de rádio é escalonado, tornando possível introduzir uma flexibilidade para adaptar a rede celular para um conjunto mais diverso de equipamentos e domínios de aplicações.

Fundamentalmente, o 5G define uma família de formas de onda - ao contrário do LTE, que define somente uma forma de onda - cada uma otimizada para uma banda diferente no espectro de rádio.2 As bandas com frequências abaixo de 1 GHz são associadas para entregar os serviços de banda larga e IoT massivo como o foco primário no alcance. As frequências entre 1-6 GHz são designadas para oferecer maiores larguras de banda, focando na banda larga móvel e aplicações de missão críticas. Frequência acima de 24 GHz (mmWaves) são designadas para prover larguras de banda extra-largas com coberturas pequenas e com linha de visada.

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Uma forma de onda é definida pela amplitude, frequência e fase de um sinal. Uma senóide é uma forma de onda simples.

Estas diferentes formas de onda afetam o escalonamento e intervalo das subportadoras (i.e., o “tamanho” dos elementos de recursos descritos na seção anterior).

  • Para bandas abaixo de 1 GHz, 5G permite larguras de banda máxima de 50 MHz. Neste caso, existem duas formas de onda: uma com espaçamento entre subportadoras de 15 kHz e outra de 30 kHz. (Usamos 15 kHz no exemplo mostrado na Figure 20.) Os intervalos de escalonamento são de 0.5 e 0.25 ms, respectivamente. (Usamos 0.5 ms no exemplo mostrado na Figure 20.)

  • Para bandas entre 1-6 GH, a largura da banda máxima é de 100 MHz. De forma correspondente, existem três formas de onda com subportadoras de 15, 30 e 60 kHz, com os intervalos respectivos de 0.5, 0.25, e 0.125 ms.

  • Para ondas milimétricas, às larguras de banda atingem 400 MHz. Existem duas formas de onda, com espaçamento de subportadoras de 60 e 120 kHz. Ambas com intervalo de escalonamento de 0.125 ms.

Estas várias configurações de espaçamento da subportadora e intervalos de escalonamento são algumas vezes chamadas de numerologia da interface aérea.

Estas possibilidades de numerologia são importantes porque adicionam outro grau de liberdade para o escalonador. Em adição aos recursos de rádio alocados aos usuários, ele tem a habilidade de dinamicamente ajustar o tamanho dos recursos pela mudança da forma de onda utilizada. Com esta liberdade adicional, REs de tamanho fixo não são mais a primeira unidade de alocação de recursos. Usamos uma terminologia mais abstrata, e falamos sobre Blocos de Recursos para os assinantes, onde o escalonador do 5G determina que ambos o tamanho e número de Blocos de Recursos alocados durante cada intervalo de tempo.

Figure 21 descreve o papel do escalonador de uma perspectiva mais abstrata. Exatamente como o 4G, o CQI reportado pelos receptores e o QCI indicador da classe de qualidade de serviço selecionado pelo assinante são duas peças chaves para o escalonador. Note que o conjunto de valores do QCI muda entre o 4G e o 5G, refletindo o aumento na diferenciação suportada. Para 5G, cada classe inclui os seguintes atributos:

  • Tipo de Recurso:Guaranteed Bit Rate (GBR), Delay-Critical GBR, Non-GBR

  • Nível de prioridade

  • Packet Delay Budget

  • Taxa de Erro de Pacote

  • Janela de média

  • Máxima rajada de dados

Note que enquanto a discussão anterior pode ser interpretada como uma relação de um para um entre os assinantes e o QCI, é mais correto dizer que cada QCI é associado com uma classe de tráfego (normalmente correspondente a um tipo de aplicação), onde em um determinado instante um dado assinante pode estar enviando e recebendo tráfego de múltiplas classes.

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Figure 21. Escalonador aloca Blocos de Recurso para stream de dados dos usuários baseados no CQI reportado do receptores e nos parâmetros de QCI associados com cada classe de serviço.

3.3 Escalonador Virtualizado (Slicing)

A discussão até este ponto presume um único escalonador para todas as cargas de trabalho, mas diferentes aplicações têm requisitos distintos de como o seu tráfego precisa ser escalonado. Por exemplo, algumas aplicações se preocupam com latência e outras com largura de banda.

Apesar de podermos definir um escalonador que cuide de dezenas de fatores distintos, 5G introduziu um mecanismo que permite que os recursos (neste caso o espectro de rádio) sejam fatiados (“sliced”) entre usuários distintos. A chave para o fatiamento é adicionar uma camada de indireção entre o escalonador e os blocos de recursos. Fatiamento, como muito do 5G, tem recebido um grau de modismo, mas tudo se resume ao nível de virtualização do escalonador de rádio.

Como mostrado na Figure 22, a ideia é primeiro primeiro escalonar a demanda de tráfego oferecida em dois RBs virtuais, e então realizar um segundo mapeamento do RBs virtuais para RBs. Este tipo de virtualização é comum na alocação de recursos em sistemas computacionais pois é necessário separar o quanto de recursos queremos alocar para cada usuário (ou máquina virtual no caso de sistemas computacionais) da decisão de quais recursos físicos são atualmente atribuídos. Este mapeamento do virtual para o físico é realizado por uma camada tipicamente chamada de Hipervisor, e é importante manter na mente que ele é totalmente agnóstico sobre que segmento do usuário é afetado em cada translação.

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Figure 22. Hipervisor sem fio mapeando recursos virtuais a blocos de recursos físicos.

Tendo desacoplado o RBs virtuais do RBs físicos, agora é possível definir múltiplos conjuntos de RBs (de tamanhos variáveis), cada um com seu escalonador. Figure 23 fornece um exemplo com dois conjuntos de RBS de tamanhos iguais, onde a consequência importante é que tendo tomado a decisão macro de que os RBs Físicos são divididos em duas partições, o escalonador associado com cada partição é livre para alocar RBS Virtuais completamente independente um do outro. Por exemplo, um escalonador pode ser projetado para tratar com tráfego de banda larga de vídeo e outro escalonador pode ser otimizado para tráfego IoT de baixa latência. Alternativamente, uma certa fração da capacidade disponível pode ser reservada para clientes premium ou tráfego de alta prioridade (e.g. segurança pública), com o restante compartilhado com os demais clientes.

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Figure 23. Múltiplos escalonadores rodando no topo de um hipervisor sem fio.

Um ponto final é que existe uma flexibilidade considerável na alocação dos recursos para slices. Enquanto o exemplo anterior mostra recursos alocados de uma maneira fixa para cada slice, é possível disponibilizar um recurso não utilizado em um slice para o outro, e que pode ser solicitado de volta quando necessário. Isto é similar a como escalonador work-conserving trabalha em redes de filas: recursos não são desperdiçados se a carada oferecida em uma classe é menor que a taxa garantida para aquela classe.

3.4 Novos Casos de Uso

Concluímos notando que até este ponto nós descrevemos o 5G como introduzindo um grau de liberdade em como dados são escalonados para transmissão, mas como tomando como um todo, o resultado final é um rádio qualitativamente mais potente. A nova especificação da interface aérea do 5G, que é comumente chamada de novo rádio (New Radio - NR), habilita novos casos de uso que vão bem além de simplesmente entregar mais largura de banda. 3GPP define três casos de uso:

  • Banda Larga Móvel Aprimorada - Enhanced Mobile Broadband

  • Comunicação Ultra-Confiável de Baixa Latência (Ultra-Reliable Low-Latency Communications)

  • Comunicações Massivas Entre Máquinas (Massive Machine-Type Communications)

Estes casos de uso refletem os requisitos introduzidos no Capítulo 1, e podem ser atribuídos a quatro melhorias fundamentais em como 5G multiplexa dados no espectro de rádio.

A primeira melhoria é a habilidade de mudar a forma de onda. Isto efetivamente introduz a habilidade de dinamicamente mudar o tamanho e a quantidade de unidades de recursos escalonáveis, que abrem a porta para realizar decisões de escalonamento que são críticas para uma comunicação de baixa latência previsível.

O segundo é relacionado ao aspecto do “Acesso Múltiplo” de como fontes distintas de tráfego são multiplexadas no espectro disponível. No 4G, a multiplexação ocorre em ambos os domínios de tempo e frequência para o tráfego de descida (downstream), mas somente em frequência para o tráfego de subida (upstream). 5G NR multiplexa ambos o tráfego de subida e de descida tanto no domínio do tempo quanto na frequência. Fazendo isso provê um controle fino do escalonamento necessário para atender aplicações sensíveis a latência.

O terceiro avanço está relacionado ao novo espectro disponível para o 5G NR, com a alocação de ondas milimétricas (mmWave) acima de 24 GHz sendo especialmente importante. Isto não é somente por conta da abundância do espectro - que torna possível deixar de lado capacidade para aplicações que requerem comunicação de baixa latência - mas também porque as altas frequência habilitam blocos de recursos com maior granularidade (e.g, intervalos de escalonamento tão curtos quando 0.125 ms). Novamente, isto melhora a granularidade do escalonamento de aplicações que não podem tolerar latências imprevisíveis.

O quarto é relacionado a entrega de conectividade para uma quantidade massiva de equipamentos IoT, indo desde equipamentos que requerem suporte a mobilidade e taxas de dados modesta (e.g. vestíveis, rastreadores de ativos) até equipamento que suportam transmissão intermitentes de um poucos bytes de dados (e.g., sensores, medidores). Nenhum desses equipamentos são particularmente sensíveis a latência ou grandes consumidores de dados, mas eles normalmente requerem baterias com carga de longa duração, e assim, hardware de complexidade reduzida que necessitam de menos potência.

Suporte para a conectividade IoT gira em torno da alocação de algum espectro de rádio disponível para uma interface aérea (simplificada) leve. Esta abordagem começa com o Release 13 do LTE via duas tecnologias complementares: mMTC e NB-IoT (NarrowBand-IoT). Ambas às tecnologia construíram uma versão simplificada do LTE - i.e., limitando a numerologia e flexibilidade necessária para atingir a alta utilização do espectro - que então permitiram o projeto de um hardware IoT simplificado. mMTC entrega até 1 Mbps sobre uma largura de banda de 1.4 MHz e NB-IoT entrega poucas dezenas de kbps sobre 200 kHz de largura de banda; daí o termo banda estreita (NarrowBand). Ambas as tecnologias foram projetadas para suportar 1 milhão de equipamentos por metro quadrado. Com o Release 16, ambas as tecnologias podem operar na Banda 5G, mas ainda baseados na numerologia do LTE. Iniciando com o release 17, uma versão simples do 5G NR, chamada de NR-Light, será introduzida com a evolução do mMTC. No NR-Light é esperado escalar a densidade de equipamentos ainda mais.

Como um complemento dessas quatro melhorias, 5G NR é projetada para suportar o particionamento do espectro disponível, com diferentes partições dinamicamente alocadas a diferentes classes de tráfego (e.g., alta largura de banda, baixa latência e baixa complexidade). Esta é a essência do fatiamento, como discutido acima. Entretanto, uma vez que diferentes requisitos podem ser servidos por diferentes slices, a abordagem do 5G NR de multiplexação é geral o suficiente para suportar uma variedade de decisões de escalonamento a estas fatias, cada uma ajustada para o tráfego alvo. Retornaremos a aplicações de fatiamento no Capítulo 6.