Releases 3GPP para 5G

5G é um padrão em evolução. A versão inicial do 5G foi finalizada com o congelamento da Release 15, em 2019, e novos recursos foram incorporados nas versões 16 e 17, entre 2020 e 2022. Mais aprimoramentos de recursos definidos em versões anteriores, além de novas features, farão parte do Release 18, que está em preparação e deverá ser congelado até o final de 2023.

Em paralelo, o 6G está sendo estudado em institutos, universidades, empresas e grupos técnicos, e deverá ter sua primeira Release por volta de 2027/2028, entrando em operação comercial em 2029/2030. Este artigo traz uma visão resumida de todos os releases do 5G, do 15 ao 18,

3GPP

O 3GPP (Third Generation Partnership Project) desenvolve e mantém especificações técnicas globais com o objetivo de garantir que os fabricantes de equipamentos de rede, smartphones, CPEs e endpoints em geral desenvolvam produtos que sejam interoperáveis em todo o mundo. O 3GPP é uma entidade colaborativa entre organizações de padronização regionais. As sete organizações de desenvolvimento de padrões de telecomunicações (ou Parceiros Organizacionais do 3GPP) usam essas especificações para criar os padrões.

Os participantes, incluindo os NEPs (fornecedores) e as carriers (operadoras), participam da criação das especificações desde o P&D inicial até o produto final. As ideias são levadas ao órgão para aprovação, que se traduzem em um item de estudo, seguido de itens de trabalho em reuniões periódicas, que resultam nas especificações técnicas.

Os parceiros 3GPP ou organizações de desenvolvimento padrão são as seguintes:

• ARIB – Associação das Indústrias e Empresas de Rádio, Japão;
• ATIS – Aliança para Soluções da Indústria de Telecomunicações, EUA;
• CCSA – Associação de Padrões de Comunicações da China;
• ETSI – Instituto Europeu de Padrões de Telecomunicações;
• TSDSI – Sociedade de Desenvolvimento de Padrões de Telecomunicações, Índia;
• TTA – Associação de Tecnologia de Telecomunicações, Coréia;
• TTC – Comitê de Tecnologia de Telecomunicações, Japão.

O papel desses organismos de normatização é:

• Aprovar e manter o escopo 3GPP;
• Deliberar sobre a criação ou extinção de Grupos de Especificação Técnica;
• Aprovar seu escopo e termos de referência;
• Aprovar os requisitos de financiamento do Parceiro Organizacional;
• Alocar recursos humanos e financeiros para o Grupo de Coordenação do Projeto;
• Atuar como um órgão de apelação sobre questões processuais que lhes são submetidas;
• Evolução da tecnologia celular, de 2G até 6G.

Exemplo de funcionamento dessa organização:

• ETSI especificou GSM/EDGE/WCDMA/HSPA;
• TIA especificou a evolução do CDMA;
• Havia vários organismos de normatização e tecnologias para o chamado 4G (1xEVDO e WiMax, por exemplo). No Release 8 do 3GPP, todos eles convergiram para o padrão global LTE, que se tornou o 4G de facto.

Abaixo temos o histórico de todos os Releases, desde o 2G (GSM, GPRS, Edge), 3G (WCDMA, HSPA, HSPA+), 4G (LTE, LTE-Advanced, LTE-Pro) e 5G/NR:

Todas as especificações 3GPP fornecem uma descrição completa de sistemas para telecomunicações móveis e fornecem conectividade para acesso sem rádio à rede principal e interoperabilidade com redes não-3GPP. Os três Grupos de Especificação Técnica (TSG) no 3GPP são:

• Redes de Acesso por Rádio (RAN);
• Rede principal e terminais (CT);
• Aspectos de Serviços e Sistemas (SA);
• Grupos de especificações técnicas.

A primeira versão das especificações 5G surgiu no 3GPP Release 15 em 2018, que forneceu a arquitetura SBA (figura abaixo), as funcionalidades básicas, bem como um grande conjunto de recursos opcionais. Em versões subsequentes, o 3GPP adicionou novas funcionalidades à linha de base existente. Isso é feito mantendo a compatibilidade com versões anteriores, para que os terminais mais antigos ainda funcionem em redes atualizadas e vice-versa (interoperabilidade).

O 3GPP adiciona funcionalidades necessárias para atender às demandas crescentes dos serviços existentes (taxas de dados mais altas para banda larga móvel, por exemplo) ou para satisfazer requisitos de novos serviços, casos de uso e opções de implantação (como aplicações de segurança pública e retransmissão). No entanto, os recursos são normalmente especificados de maneira independente de serviço e caso de uso, o que significa que cabe aos fornecedores e operadores decidir como usar e combinar os recursos especificados.

As especs do 3GPP são então implementadas em soluções de mercado, como as dos fabricantes Nokia, Ericsson, Huawei, Samsung, ZTE, Mavenir, Dell etc. Não existe obrigatoriedade de interoperabilidade entre esses fabricantes, embora as especs dos Releases 5G sejam baseadas na arquitetura SBA, que prevê a implantação de blocos funcionais em modo virtualizado, em VNFs e CNFs. Mas a interligação de soluções entre fornecedores não é usual.

Requisitos gerais da especificação 5G – IMT2020

O 5G foi definido por um conjunto de requisitos mínimos que permitem determinados cenários de uso. Esses casos foram denominados pela União Internacional de Telecomunicações (ITU) como IMT2020. Foram definidos três grandes grupos de casos de uso, cada um com conjunto de aplicações e serviços, compartilhando os mesmos requisitos de largura de banda, disponibilidade e latência:

• Enhanced Mobile Broadband – eMBB;
• Massive Machine Type Communications – mMTC;
• Ultra-reliable Low Latency Communications – URLLC.

• BW máx. 20Gbps download / 10Gbps upload;
• Delay máx. 1 milissegundo para casos de uso críticos;
• Até 1 milhão de dispositivos conectados por km²;
• Disponibilidade de 99.999%;
• Até 90% de redução no uso de energia na rede;
• Até 10 anos de vida útil das baterias dos dispositivos de baixa potência IoT;
• Volume de tráfego total de 1 Tbit/s/km²;
• Mobilidade de até 500 km/h em trens de alta velocidade e até 1000 km/h em aviões.

Release 15

O Release 15 focou principalmente nos serviços de banda larga eMBB (Enhanced Mobile Broadband), com redes NSA (ainda dependentes do 4G LTE):

• Service Based Architecture (SBA): funções de core em arquitetura VNF e CNF para implantação em ambiente virtualizado:

• R “New Radio” & The 5G System – Phase 1;
• Massive MTC para Internet of Things (IoT);
• Vehicle-to-Everything Communications (V2x) Phase 2;
• Mission Critical (MC) interworking com legacy systems;
• WLAN e unlicensed spectrum;
• Slicing – logical end-2-end networks;
• API Exposure – 3rd party access to 5G services;
• Outras melhorias em LTE+5G;
• Mobile Communication System for Railways (FRMCS).

As mais importantes características do 5 NR Release 15:

• Ultra-wide bandwidth (até 100MHz em frequências <6GHz, até 400MHz em frequências >6GHz);
• Set of different numerologies for optimal operation in different frequency ranges;
• Native forward compatibility mechanisms;
• New channel coding;
• Native support for Low Latency and Ultra Reliability;
• Arquitetura Modular para a RAN: split fronthaul, split control- and user-plane;
• Suporte nativo E2E para Network Slicing.

Release 16

A Release 16 foi uma versão complementar, necessária para ampliar as especificações gerais do sistema da Release 15. O foco principal na Release 16 é permitir baixa latência ultra confiável (URLLC) para aplicativos de missão crítica. A Release 16 trouxe extensões para:

• Comunicações V2X: comunicações diretas de dispositivo a dispositivo baseadas em 5G NR ou comunicações de sidelink para estender a condução remota e automatizada;
• Aprimoramentos para URLLC;
• Inúmeras mudanças de eficiência energética;
• Integrated Access e Backhaul (IAB) (que traz uma função de retransmissão para 5G);
• Suporte de coexistência para sistemas não 3GPP;
• NR-Unlicensed (NR-U);
• Posicionamento 5G ou serviços baseados em localização (LBS);
• UE radio capability signaling optimization;
• Enablers para 5G Network Automation Architecture;
• Wireless / Wireline Convergence Enhancement;
• Mission Critical, Public Warning, Railways and Maritime;
• Serviços de Streaming e TV;
• User Identities, Authentication, multi-device (Network) Slicing;
• Features para Industrial Internet of Things (IIoT) e para ultra-reliable low latency communication (URLLC).

Release 17

Juntamente com aprimoramentos voltados para os casos de uso já existentes nos Releases 15 e 16, como banda larga móvel, automação industrial e V2X, o 3GPP Release 17 apresenta suporte para novos cases, incluindo segurança pública, redes não-terrestres e redes privativas.

Vários dos recursos do Release 17 destinam-se a aprimorar o desempenho da rede para serviços e casos de uso existentes, enquanto outros abordam novos cases e opções de implantação. O chamado 5G-Advanced se baseará no Release 17, fornecendo soluções de rede inteligentes e abrangendo vários novos use cases.

Um componente chave do 5G-Advanced é o uso de inteligência artificial (IA) baseada em técnicas de aprendizado de máquina (ML); espera-se que AI/ML desencadeie uma mudança de paradigma nas futuras redes sem fio. As soluções baseadas em AI/ML serão usadas para introduzir o gerenciamento de rede inteligente e resolver problemas de otimização com relação à operação de rede em realtime e non-realtime.

AI/ML também será usado para melhorar a interface de rádio, otimizando ainda mais o desempenho de sistemas complexos de múltiplas antenas, por exemplo. Novos casos de uso, como comunicação de realidade estendida (XR), usarão redes sem fio para fornecer experiências imersivas em ambientes ciberfísicos e permitir interações homem-máquina usando dispositivos sem fio vestíveis.

Aprimoramentos na Release 17 do 3GPP

O caminho para o 5G-Advanced começa com aprimoramentos significativos em várias funcionalidades da RAN, que já estão implantadas em redes NR:

• Redes Privativas: no Release 16, o 3GPP especificou o suporte para redes não públicas (NPNs), que fornecem acesso limitado a um determinado grupo de usuários, como os dispositivos pertencentes a uma determinada empresa, seja uma manufatura, warehouse, aeroporto ou hospital.
  Para fornecer suporte total para verticais industriais, o 3GPP especificou suporte para duas opções de implantação NPN. O primeiro, conhecido como NPNs integrados à rede pública, permite que os operadores públicos suportem NPNs associando-os diretamente às suas redes. A segunda opção de implantação é conhecida como NPN autônomo (SNPN). De um modo geral, um SNPN tem a mesma funcionalidade e características de uma rede pública regular.
  No Release 17, o 3GPP forneceu mais aprimoramentos para SNPNs. Esses aprimoramentos incluem suporte para um UE acessando um SNPN usando credenciais externas (como as de uma rede pública ou pertencentes a outro SNPN), integração do UE SNPN (para fornecer ao UE novas credenciais NPN e/ou parâmetros de assinatura, por exemplo) e apoio aos serviços de emergência.
• Computação de borda: o chamado Edge Computing, que permite que serviços de operadoras e terceiros sejam hospedados perto dos UE, foi suportado no 3GPP Release 15. A arquitetura permite a entrega eficiente de serviços, reduzindo a latência E2E e a carga na rede de transporte.
  O Release 17 apresenta mecanismos para descobrir servidores de aplicativos de ponta, para oferecer suporte ao modelo de conectividade de interrupção de sessão. O EASDF atua como um DNS para o UE e pode complementar as consultas com informações relacionadas à localização do UE. Isso permite que o sistema DNS resolva para servidores de aplicativos próximos ao local do UE.
• Compartilhamento de espectro dinâmico: o compartilhamento dinâmico de espectro (DSS) incluído no Release 15 atualmente já permite implantar uma célula LTE e uma célula NR na mesma estação base usando espectro compartilhado, o que permite que uma operadora forneça serviços 5G iniciando uma migração de espectro de LTE ao NR.
  O Release 16 melhorou principalmente a capacidade do canal compartilhado de downlink físico NR (PDSCH). Os aprimoramentos no Release 17 tornam mais fácil para os operadores superar a escassez de recursos do PDCCH na célula NR, que pode ocorrer à medida que o número de NR UEs aumenta. A partir do Release 17, o escalonamento cross-carrier permite que os canais de dados sejam escalonados na célula primária compartilhada usando o PDCCH de uma célula secundária de downlink.
• Economia de energia do equipamento do usuário: o Release 17 inclui aprimoramentos de economia de energia para UEs nos modos de controle de recursos de rádio (RRC) conectado, ocioso e inativo. As melhorias de eficiência de energia são especificadas para eMBB UEs e dispositivos de capacidade reduzida (RedCap).
• Posicionamento: o 5G NR oferece suporte ao posicionamento desde o Release 15 por meio do uso de posicionamento LTE e posicionamento independente da tecnologia de acesso por rádio (RAT) (Bluetooth, LAN sem fio etc.). No Release 17, o posicionamento NR é aprimorado ainda mais para casos de uso específicos, como automação de fábrica, visando precisão de localização de 20 a 30 cm.
• URLLC: o Release 15 estabeleceu uma base inicial e o Release 16 introduziu aprimoramentos para atender melhor a várias verticais da indústria, como automação de fábrica, indústria de transporte e distribuição de energia elétrica. Esses aprimoramentos incluíram vários esquemas de redundância de plano de usuário, bem como aprimoramentos para melhorar a confiabilidade, reduzir a latência e oferecer suporte à comunicação sensível ao tempo (TSC). As melhorias no Release 17 visam melhorar a eficiência espectral e a capacidade do sistema, suportar URLLC em ambientes de espectro não licenciado e fortalecer ainda mais a estrutura para suportar TSC.
• IoT RedCap: para ampliar ainda mais a gama de casos de uso para NR, o Release 17 apresenta suporte para dispositivos IoT RedCap (reduced capability). O RedCap UE ficará posicionado entre os requisitos mMTC e os requisitos URLLC. O RedCap UE oferece desempenho comparável aos UE do Release 8 LTE, mas com benefícios adicionais, como latência e a capacidade de operar em bandas de frequência NR que vão até 52 GHz.
  RedCap UEs são significativamente menos complexos do que 5G NR UEs regulares. Isso ocorre graças a um número reduzido de antenas do receptor de rádio (RX), largura de banda reduzida de RX/TX e operação half-duplex. Prevê-se que a complexidade reduzida resulte em um interessante custo unitário dos dispositivos, o que por sua vez possibilitará a expansão da implantação da Indústria 4.0 nas empresas.
• Bandas além de 52,6 GHz: o Release 16 suporta operação nas faixas de frequência FR1 e FR2, cobrindo de 410 MHz – 7,125 GHz e de 24,25 GHz – 52,6 GHz, respectivamente. No Release 17, o FR2 é estendido de 52,6 para até 71 GHz. A operação nessas bandas, no entanto, afeta várias partes do rádio NR. Isso afeta as características de ruído de fase do sinal, a linearidade do transmissor, a eficiência de energia e a figura de ruído do receptor, entre outras coisas. No entanto, o 3GPP concluiu que o uso de novos algoritmos avançados de cancelamento de ruído de fase tornará a camada física suficientemente robusta para suportar essas bandas. O aumento do espaçamento entre subportadoras (até 960 KHz) foi especificado para permitir que o 3GPP explore BW ainda mais amplas (até 2 GHz) e, assim, desbloqueie uma nova gama de taxas de dados.
• Serviço multicast e broadcast: o suporte MBS no Release 17 requer significativamente menos operações, administração e esforço de manutenção do que seu antecessor 4G, Evolved Multimedia Broadcast Multicast Service, além de melhorar a eficiência dos recursos. O 5G MBS destina-se principalmente a oferecer suporte a casos de uso importantes para segurança pública, como push-to-talk de missão crítica, além de permitir recursos como atualizações de software over-the-air e TV ao vivo, entrega de vídeo e soluções de IoT.

Release 18

Os itens de trabalho para essa Release incluem aprimoramentos de serviços de telefonia multimídia, relés montados em veículos, energia e infraestrutura inteligentes, e aprimoramentos para oferecer suporte ao 5G residencial. Um dos itens mais interessantes previstos para o Release 18 é um estudo sobre os requisitos de desempenho para modelo AI/ML e distribuição de dados, aprendizado distribuído/federado, transferência de modelo e requisitos de treinamento, divisão de operações e caracterização de casos de uso, como reconhecimento de imagem, melhorias de vídeo, controle robótico, reconhecimento de fala e redes automotivas.

A Release 18 representa uma grande evolução do Sistema 5G, e o 3GPP decidiu designá-lo como sendo o primeiro lançamento do 5G-Advanced. Entre outras melhorias, a Release 18 incluirá grandes aprimoramentos nas áreas de inteligência artificial e realidade estendida, permitindo soluções de rede altamente inteligentes que poderão suportar uma variedade muito maior de casos de uso.

Principais aprimoramentos para casos de uso de e-MBB

Três das features mais notáveis do Release 18 para casos de uso de eMBB são os beamforming/MIMO, aprimoramentos de mobilidade e economia de energia de rede. Os sistemas avançados de antena (AASs) são o principal impulsionador do aumento da eficiência espectral das redes sem fio e continuarão a evoluir devido a fatores como permitir a mobilidade da camada 1 / camada 2, melhorias adicionais do MIMO de uplink e aprimoramentos relacionados ao acesso sem fio fixo (FWA).

O DSS é extremamente útil ao transitar de 4G para 5G, e muitas redes comerciais já contam com ele, inclusive aqui no Brasil. Para aumentar a eficiência da rede durante essa transição, outras melhorias são previstas, como desempenho NR aprimorado quando o número de UEs LTE diminui gradualmente e impacto reduzido no desempenho NR devido à interferência de sinais de transmissão LTE. O Release 18 também inclui esforços para explorar oportunidades que reduzam ainda mais o consumo de energia da rede.

Principais aprimoramentos para casos de uso não-eMBB

Os aprimoramentos mais notáveis para aplicativos não-eMBB incluem melhorias nos dispositivos IoT RedCap, XR e segurança nacional e segurança pública. Espera-se que os IoT RedCap desempenhem um papel significativo em muitos aplicativos futuros. Com base no Release 17, as soluções Release 18 RedCap reduzirão ainda mais o custo dos dispositivos e seu consumo de energia.

No Release 17, as equipes de padronização 3GPP RAN estudaram várias formas de serviços de realidade aumentada e realidade virtual (AR/VR), avaliando seu desempenho ao operar por meio de 5G. O principal desafio é fornecer simultaneamente uma taxa de dados muito alta e uma latência baixa. No Release 18, o grupo 3GPP RAN analisa o gerenciamento de tráfego para alocação de recursos de rádio com eficiência de recursos e baixa latência, suporte à mobilidade com taxas de dados consistentes, operação com eficiência energética UE compatível com tráfego XR e requisitos de latência.

Referências:

• Propelling 5G forward: A closer look at 3GPP Release 16
• 5G evolution: 3GPP releases 16 & 17 overview
• Advanced plans for 5G
• Evolution towards 5G-Advanced
• 3GPP Specification series
• 3GPP Releases 16 & 17 & Beyond
• An Overview of 5G Advanced Evolution in 3GPP Release 18
• 3GPP – The Mobile Broadband Standard Partnership Project – Release 17
• Introduction to 3GPP and 3GPP 5G Releases 15, 16 and 17
• The 5G Evolution: 3GPP Releases 16 – 17
• Evolution of wireless technologies 1G to 5G in mobile communication
• 3GPP – Videos & Webinars
• When is 5G coming to you? The definitive guide to the 5G network rollout
• Global update on 5G spectrum
• 5G mmWave
• Defining Massive MIMO in a 5G World
• MIMO in 5G Networks: Engineering & Test Challenges
• Deployments Scenarios for 5G NR
• Road to 5G: Introduction and Migration
• The Evolution of Network Slicing
• 5G/NR – FD MIMO