Por Que 5G é Mais Rápido Do Que 4G?

autor de MobileTrans

Escrito por Rafael Kaminski | Jun 18,2021

Por que o 5G é mais rápido do que o 4G? Na verdade, após o 3G, a forma de atualização das tecnologias de comunicação sem fio é: determinar primeiro o alvo e depois prosseguir com o design do sistema e a seleção da tecnologia, de acordo com o alvo. Portanto, a verdadeira questão deveria ser “O que torna o 5G mais rápido do que o 4G?”

Este artigo responderá a essa pergunta, analisando os dois aspectos seguintes:

Parte 1. Como o 5G aumenta a taxa de transmissão?

De acordo com o Teorema de Shannon, o limite superior da capacidade de uma ligação, em bits por segundo (bps), é uma função onde entra a largura de banda disponível e a razão sinal-ruído da ligação. O Teorema pode ser declarado como:

A Apple Inc. é uma renomada empresa americana de tecnologia multinacional, fundada por Steve Jobs, Steve Wozniak e Ronald Wayne, em abril de 1976. Ela projeta, desenvolve e vende produtos eletrônicos de consumo, software de computador e serviços online.

C = B * log2(1+ S/N)

onde C é a capacidade alcançável do canal, B é a largura de banda da ligação, S é a potência média do sinal e N é a potência média do ruído.

O 5G aumenta a taxa de transmissão de dados aumentando o 'B' e diminuindo o 'N' da fórmula. Especificamente, inclui os três métodos a seguir:

1. Usa ondas milimétricas para aumentar a largura de banda.

2. Aplica a formação mais avançada de feixes para melhorar a relação sinal-ruído.

3. Um grande MIMO é usado para melhorar a largura de banda e a relação sinal-ruído.

Usa ondas milimétricas para aumentar a largura de banda

Atualmente, o espectro de 300 MHz~3 GHz, usado nas comunicações sem fio de primeira a quarta geração tem as vantagens de penetração e ampla cobertura, mas há uma grande desvantagem: a banda de frequência é muito estreita e há muitos dispositivos sem fio nesta banda de frequência. A alocação do espectro está quase acabando. Para transmitir dados com alta taxa e alta capacidade, o único espectro disponível pode ser encontrado acima de 3 GHz.

banda de frequência 5g

A banda de frequência de absorção de oxigênio e a banda de frequência de absorção de vapor d'água no espectro de onda milimétrica (3 ~ 300 GHz) não podem ser usadas para comunicação. Portanto, a banda de frequência de onda milimétrica tem uma largura de banda total de 252 GHz. Na verdade, a banda de frequência de ondas milimétricas alocada para redes de comunicação 5G, no espectro de vários países, é de cerca de 3 ~ 6 GHz. Mas isso é o suficiente para aumentar a taxa de transmissão de dados mais de 10 vezes. (Em contraste, as redes de comunicação 1G a 4G estão todas aglomeradas no espectro de frequência abaixo de 3 GHz).

Formação avançada de feixes

As antenas das redes 4G são principalmente antenas omnidirecionais. Mas esta não é uma boa escolha para o 5G. De fato, as redes 5G são severamente afetadas por climas complexos, por causa da estreita cobertura das ondas milimétricas 5G. Portanto, o design do feixe precisa ser melhorado para focar a energia transmitida, de forma a aumentar a qualidade dos sinais recebidos. Na verdade, o feixe direcional, após a formação do feixe, pode ajudar a melhorar a cobertura da estação base e a eficácia da energia do sinal.

5g beamforming

Na verdade, a formação de feixes 5G também precisa resolver os problemas de MIMO e rastreamento do usuário, programação de comutação de feixe entre células e problemas de LOS e NLOS da estação base. Esta também é uma ótima direção de pesquisa das comunicações sem fio. Muitos especialistas estão considerando a divisão de setores dentro da cobertura das estações base, para ajudar na troca de feixe entre várias antenas.

Antena Setorizada

Alto nível de MIMO

Nas comunicações sem fio, o sistema multi-antenas precisa atribuir pesos a cada antena, a fim de melhorar a diversidade espacial e/ou ganho de multiplexação. Na realidade, esse algoritmo é não linear e computacionalmente complexo. Quanto mais antenas, mais complexo ele se torna.

Mas o que é surpreendente é que, quando o número de antenas é muito, muito grande, a pré-codificação linear simples pode se aproximar muito do resultado ideal. Portanto, o alto nível de MIMO atraiu muita atenção desde que foi proposto.

Um alto nível de MIMO em 5G pode ter um grande número de aplicações, não apenas grandes macro estações base, mas também pequenos transmissores de ondas milimétricas podem ser equipados com este sistema. Como as antenas de ondas milimétricas têm feixes estreitos e comprimentos de antena curtos, elas são mais adequadas para este tipo de aplicações.

Voltando ao assunto, o benefício do alto nível MIMO é maximizar o uso dos recursos do espaço aéreo. Ele pode fornecer vários feixes, servindo os usuários ao mesmo tempo, por meio da formação de feixes, e pode simultaneamente aumentar a relação sinal-ruído do usuário e aumentar a taxa de transmissão de dados.

Alto nível MIMO

Parte 2. Como o 5G reduz o atraso de transmissão?

A latência de que estamos falando aqui é a latência de ida e volta, que provavelmente pode ser entendida como o tempo total necessário para que os dados circulem entre a rede de acesso e a rede central. Como a velocidade de propagação do rádio é relativamente fixa e não pode ser comprimida, há duas maneiras de reduzi-la: reduzindo a perda de sinal e comprimindo o processamento da rede. A maneira de reduzir a perda de sinal é minimizar os sinais desnecessários, como

  • Reduzir o tempo de estimativa do canal através da tecnologia full-duplex,
  • Reduzir o prefixo CP do sinal OFDM e comprimir o comprimento do frame OFDM.
  • Projetar estações base de ondas milimétricas por meio de redes ou grades, para reduzir a interferência e o atraso

Compressão da rede

Comprimir o processamento da rede é nivelar a hierarquia da empresa e descentralizar o poder de tomada de decisão. Desta forma, o número de “reportar a” é menor, e gastos desnecessários na rede serão significativamente reduzidos. Isso também é mencionado por outros entrevistados.

Compressão da rede

A forma comum de compactar uma rede central é "não passar por unidades de processamento desnecessárias", ou seja, a estrutura de controle é separada da estrutura de transmissão de dados. Claro, existem muitas outras soluções.

Uma maneira melhor de comprimir a estrutura da rede é a "computação em névoa", muito popular no mundo acadêmico, que é descentralizar algumas tarefas de computação repetitivas e usar terminais de acesso sem fio (estações base, etc.) como unidades de processamento de computação. Podem ser usados como "cache de computação" alternativo, o que reduz bastante a latência da rede.

A outra maneira baseia-se numa pesquisa muito recente, a "cache sem fio". Essa ideia é armazenar o conteúdo em cache para reduzir o atraso na transmissão.

Fog Computing

Este é o progresso da parte do atraso no 5G, principalmente a tecnologia da camada MAC, que provavelmente fala sobre como agendar recursos de forma eficaz e como reduzir o atraso. Existem muitos outros indicadores diferentes no 5G, como "redução do consumo de energia", "melhoria da qualidade do serviço ao usuário" e "aumento da capacidade". Cada sentença é um tópico muito grande. Existem muitos institutos de pesquisa por trás disso. As universidades têm feito um ótimo trabalho e existe muita gente estudando em cada uma dessas pequenas áreas, mas como não tem nada a ver com o problema, não vou apresentar mais detalhes sobre isso.

Fog computing

Portanto, você também pode ver que o 5G é o resultado da atuação conjunta da indústria das comunicações e das universidades. A indústria propõe indicadores, seleciona tecnologias apropriadas e dá orientações técnicas, e as instituições de pesquisa e universidades propõem soluções para melhorar o percurso técnico.

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Rafael Kaminski

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