O que é a tecnologia 5G? (V.5, N.11 P1, 2022)

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Motivação

Nas últimas décadas as pessoas têm vivenciado uma grande revolução na forma de interagir, de obter informações e conteúdo, e de se comunicar. Isso tudo de uma maneira inédita na história da humanidade. À distância de poucos cliques no computador (ou toques em um smartphone) qualquer pessoa pode interagir com quem desejar, usando voz, vídeo, imagens e textos escritos. As pessoas também podem buscar informações sobre os mais variados assuntos e acessar diversos conteúdos multimídia em grande variabilidade de formatos, seja para lazer, para educação, para fins comerciais ou para empreender. Além disso, qualquer conteúdo pode estar armazenado fisicamente em qualquer lugar do planeta e pode se tornar acessível com uma velocidade praticamente instantânea.

Porém, algo que não é tão óbvio de perceber é que o cenário atual em que informação e conteúdo estão “na ponta dos dedos” só existe por conta da evolução dos sistemas de comunicação, em especial dos sistemas de redes móveis de banda larga e da infraestrutura que suporta esses sistemas. Neste artigo pretende-se discutir brevemente a evolução dos sistemas de telefonia móvel para enfim responder à pergunta do título: o que é a tecnologia 5G?

Evolução dos sistemas de telefonia celular

Dados recentes (2021) do IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística) apontam que 99,5% dos domicílios do país possuem o telefone celular como o principal dispositivo para acesso à Internet, seguido por televisores e microcomputadores [1]. Isso permite dizer que a maior parte da população brasileira depende quase que exclusivamente das tecnologias móveis de banda larga para o acesso à Internet. Porém, nem sempre a tecnologia de telefonia celular, precursora da tecnologia de redes móveis de banda larga, foi usada para este propósito.

Efetivamente, as tecnologias de redes móveis de banda larga têm origem na primeira geração de sistemas móveis de telefonia, também conhecida como primeira geração de telefonia celular (1G). O termo “celular” vem da área coberta por uma estação rádio base, que é chamada de célula até os dias de hoje. A tecnologia 1G foi lançada na América do Norte e na Europa na década de 1980. Fornecia apenas serviços de voz e, no Brasil, a primeira geração começou com a disponibilidade para algumas grandes cidades no início da década de 1990, sendo um serviço caro e por consequência limitado a poucos assinantes. De maneira geral, a cobertura da 1G era bastante limitada. Adicionalmente, essa tecnologia era essencialmente analógica e por isso a qualidade das chamadas era muito afetada por fenômenos de ruído e de interferência. Também, era possível que qualquer pessoa com os equipamentos corretos interceptasse chamadas alheias em andamento, o que comprometia a segurança do sistema. Na mesma época em que a 1G ainda se espalhava pelo Brasil, na Europa e nos Estados Unidos a segunda geração de telefonia celular (2G) já estava em funcionamento.

Essa tecnologia 2G chegou ao Brasil na segunda metade da década de 1990 e foi impulsionada pela quebra do monopólio da Telebrás, que até então controlava as várias prestadoras estatais de serviços telefônicos que atuavam nos estados brasileiros, além da Embratel [2]. O alto investimento da iniciativa privada no setor de telefonia teve como consequência uma rápida disseminação da tecnologia 2G, que essencialmente promovia a digitalização dos sistemas e serviços até então existentes, aumentando a segurança da operação. Além disso, a 2G permitiu um aumento da capacidade do sistema e tornou possível o atendimento simultâneo de mais de um usuário, usando a mesma faixa de frequências que a geração anterior. A tecnologia 2G também permitiu a comunicação dos usuários usando mensagens de texto, recurso popularizado pelas iniciais do termo em inglês: short message service (SMS). Foi nessa geração que, ainda de maneira tímida e com taxas de dados de no máximo 384 mil bits por segundo (384 quilobits por segundo), alguns aparelhos começaram a trocar dados pela Internet usando a infraestrutura da rede de telefonia celular. 

Já nos primeiros anos da década de 2000 a terceira geração (3G) de sistemas móveis de comunicação começou a operar na Europa (no Brasil, o oferecimento dos serviços 3G começou em 2004). A tecnologia 3G trouxe evoluções significativas na qualidade de voz, na quantidade de usuários atendidos e nas taxas de dados alcançadas, que considerando melhorias, podiam atingir até 14 milhões de bits por segundo (14 megabits por segundo). Pela primeira vez era possível navegar pela Internet ou mesmo acessar redes locais sem fio usando um telefone celular, mas ainda de maneira acanhada. Contudo, é na segunda metade dos anos 2000 que a grande revolução dos aparelhos de telefonia celular acontece: baseados em um sistema operacional dedicado, esses dispositivos passam a oferecer diversos tipos de recursos, dando origem ao termo smartphone (telefone inteligente) pela flexibilidade de uso para diversas aplicações. Assim, em 2007 surge o primeiro iPhone, que em sua primeira versão ainda trazia compatibilidade para a tecnologia 2G. Já em 2008 o sistema operacional Android foi lançado em sua primeira versão, chamada Petit Four. Inicialmente o sistema Android não teve grande sucesso no mercado, mas passaria a liderá-lo em 2013. Em termos do planejamento da infraestrutura de comunicação, a popularização da tecnologia 3G trouxe os primeiros indicativos de uma mudança na característica do tráfego na rede de telefonia, que antes era predominantemente de voz: começava a aparecer uma tendência de diminuição na intensidade do tráfego de voz, ao mesmo tempo em que o tráfego de dados aumentava. A tecnologia 3G contribuiu fortemente para que a dependência do acesso fixo à Internet, por meio de cabos e da telefonia convencional, começasse a diminuir.

No início da década de 2010 a quarta geração (4G) foi lançada mundialmente, tendo efetivamente chegado ao Brasil entre o final de 2012 e início de 2013, com as primeiras capitais atendidas por esta tecnologia. Havia expectativa para uma rápida difusão dessa tecnologia, de forma que todas as cidades-sede da Copa do Mundo de 2014 já estiverem atendidas durante o mundial, mas o oferecimento do serviço foi instável no início da operação. Em termos tecnológicos, a 4G é baseada totalmente no Protocolo de Internet (IP), alcançando a convergência entre sistemas cabeados e sem fio com taxas de transmissão teóricas de até 1 bilhão de bits por segundo (1 gigabit por segundo). O grande diferencial da 4G é que esta já não pode ser comparada meramente como uma evolução da telefonia móvel celular, como ocorreu até a 3G, pois oferece uma grande variedade de tipos de serviço que antes eram restritos à disponibilidade de banda larga fixa. A tecnologia 4G provê a disseminação do uso efetivo da Internet para os mais diversos propósitos e para regiões até então inacessíveis, melhorando os níveis de produtividade e a qualidade de vida das pessoas. A tecnologia 4G foi efetivamente uma padronização para redes móveis de banda larga, integrando a infraestrutura de telefonia móvel celular com a infraestrutura de redes de acesso que estava disponível.

Finalmente, 5G

Não bastasse toda a revolução cultural já proporcionada pelo acesso massivo da Internet, em 2020 (no Brasil, em 2022) houve o lançamento da quinta geração (5G) de redes móveis de banda larga, que promete taxas de download até 10 vezes maiores que aquelas alcançadas com a 4G, suportando 10 vezes mais usuários que a 4G com a provisão de serviços de alta qualidade e confiabilidade [3]. De maneira simplificada, a tecnologia 5G está baseada em três premissas de aplicação, que são:

• a banda larga móvel aprimorada (enhanced mobile broadband – eMMB), que melhora as conexões 4G em termos de capacidade e taxa de transferência de dados. Como consequência dessa premissa, os usuários terão taxas de dados (velocidade) cada vez maiores à disposição, sendo possível interagir em ambientes virtuais, com realidade virtual ou realidade aumentada, sem restrições para a transferência de dados. Adicionalmente, vídeos em ultraresolução ou gravados em 3D poderão ser recebidos com alta qualidade sem a preocupação com a disponibilidade de banda, já que as taxas poderão alcançar até 10 gigabits de dados por segundo (10 Gb/s).

• as comunicações de baixa latência ultraconfiáveis (ultra-reliable and low-latency communications – uRLLC), que habilitam a rede para operar com serviços que exigem troca de dados confiável, sem interrupções e sem atrasos. Como consequência dessa premissa as aplicações de missão crítica podem ser atendidas confiavelmente, pois a latência máxima permitida é de apenas 1 milissegundo (1 ms). Entre essas aplicações, serviços financeiros, servidores para comércio eletrônico, controle de veículos autônomos e intervenções médicas remotas são apenas alguns exemplos.

• as comunicações massivas tipo máquina (massive machine type communications – mMTC), que permitem a conexão de grande número de dispositivos com recursos para interação por meio da Internet das coisas (IoT). Com isso, espera-se que a densidade de equipamentos atendidos seja da ordem de 1 milhão para cada quilômetro quadrado (1 milhão/km²) [3], o que trará enormes benefícios para a indústria, agricultura de precisão e para os projetos de cidades inteligentes.

Figura 1: Principais características da tecnologia 5G
Fonte: adaptada de [4]

Essas três premissas geralmente são mostradas em um diagrama triangular conforme a Figura 1, em que vários tipos de serviços, existentes ou que podem emergir na era 5G, são distribuídos ao redor das premissas eMBB, uRLLC e mMTC [4].

Apesar do lançamento da tecnologia 5G já ter acontecido, assim como ocorreu de início com as outras gerações de tecnologias móveis, nem todos os aspectos das premissas mostradas nos vértices do triângulo da Figura 1 estão plenamente desenvolvidos. Por isso, continuarão a ser estudados e adotados ao longo da década de 2020 até que uma nova geração, já chamada 6G, entre em operação por volta de 2030.

Uma importante questão a respeito da tecnologia 5G, que muitas vezes não fica perceptível para os usuários, é que ela depende muito de uma infraestrutura de comunicação baseada em fibras ópticas para seu perfeito funcionamento [4]. Tal assunto, que remete à evolução da tecnologia de fibras ópticas, será abordado em uma próxima publicação neste blog.