Redes Celulares 5G suportando o serviço de Streaming (V.7, N.10, P.8, 2024)
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Divulgador da ciência: Carlo Kleber da Silva Rodrigues, professor do curso do Bacharelado de Ciência da Computação do CMCC/ UFABCRedes Celulares 5G suportando o serviço de Streaming
O serviço de streaming no mundo cresce exponencialmente em popularidade. Neste contexto, as empresas que fornecem serviços de streaming já competem de igual para igual (e até já superam) os serviços de TV por assinatura. Junto com essa popularização, veio também o desenvolvimento de novas aplicações de streaming para os smartphones, permitindo a visualização de filmes, novelas, séries e shows em qualquer lugar do mundo e com a mobilidade do usuário!
Todavia, para que o serviço de streaming tenha qualidade e possa ser oferecido em qualquer lugar do mundo, é necessário que haja uma entrega eficiente de pacotes de dados, capaz de suportar uma alta demanda de usuários e que não seja suscetível a quedas e travamentos das conexões de dados, especialmente quando o usuário estiver se movendo! É justamente neste contexto que entram as inovadoras redes 5G, provendo a infraestrutura de comunicações para que o serviço de streaming possa ocorrer de forma efetiva considerando a mobilidade do usuário.
Neste artigo, vamos dar uma visão geral sobre as arquiteturas de redes 5G. Em específico, vamos apresentar algumas definições e citar os tipos existentes, explicar a forma de encaminhamento do tráfego de dados nessas redes, comentar sobre alguns trabalhos da literatura e, ao final, apresentar algumas reflexões sobre este tema de pesquisa e possibilidades para trabalhos futuros, considerando redes celulares 5G conjuntamente com o serviço de streaming.
Breve Contextualização
O tráfego de dados móvel global tem crescido vertiginosamente e a tecnologia 5G se mostra progressivamente mais predominante. Neste contexto, as estimativas apontam que o número total de assinantes móveis já atinge 5,7 bilhões de pessoas (71% da população global), os dispositivos e conexões 5G totalizam mais de 10% dos dispositivos e conexões móveis, e os dispositivos móveis já somam mais de 13,1 bilhões, sendo 1,4 bilhão deles compatíveis com a tecnologia 5G.
Na Figura 1, você pode ver a previsão de crescimento de tráfego móvel por smartphone no mundo feita pela empresa Ericsson (Ericsson, 2024). Por exemplo, vemos que a Índia, em virtude sua população, tem uma projeção de crescimento destacável, e a América Latina se destaca por uma das maiores taxas de crescimento. Já na Figura 2 vê-se a projeção de crescimento do tráfego móvel global sob 5G (também feita pela empresa Ericsson (Ericsson, 2024)) em comparação a outras tecnologias, em que se percebe a significativa fatia de predominância da tecnologia 5G.
Figura 1: Crescimento de tráfego de dados móvel no smartphone (Ericsson, 2024).
Figura 2: Crescimento de tráfego de dados móvel global (Ericsson, 2024).
Encaminhamento do Tráfego de Dados
Sob arquiteturas de redes celulares 5G, o caminho do tráfego de dados pode ser analisado a partir dos seguintes dois subcaminhos em sequência: (i) desde os provedores de conteúdo na Internet até a Core Network (CN); e (ii) desde a CN até os User Equipments (UEs) por meio da Radio Access Network (RAN). A RAN tem em sua constituição as infraestruturas de Backhaul (BH) e Fronthaul (FH), além das denominadas estações bases (do inglês, Base Stations). Veja o modelo esquemático mostrado na Figura 3, em que são destacados cada um desses componentes.
Figura 3: Modelo esquemático do encaminhamento do tráfego nas redes 5G.
Arquiteturas de Redes 5G
A arquitetura da RAN de tecnologia 5G pode estar em uma das seguintes categorias gerais: Cloud RAN (CRAN), Heterogeneous CRAN (HCRAN), e Fog RAN (FRAN). Explicamos essas três categorias de forma bem simplificada a seguir.
A primeira categoria traz precipuamente a ideia de centralização tanto do processamento de dados quanto do gerenciamento da rede, usando conceitos de virtualização e computação na nuvem. A segunda categoria traz a densificação da rede (i.e., aumento de taxa de dados e cobertura do sinal), por meio do uso de células de diferentes tamanhos, combinada com a centralização tanto do processamento de dados quanto do gerenciamento da rede, característicos da CRAN.
Finalmente, a terceira categoria vislumbra principalmente prover serviço de baixa latência com base na ideia de trazer recursos computacionais residentes na nuvem para a borda da rede, i.e., empregando o paradigma de Mobile Edge Computing (MEC) para criar múltiplos núcleos de processamento e gerenciamento centralizados.
Cada uma dessas arquiteturas tem peculiaridades. É difícil não apontar vantagens e desvantagens em cada uma delas. Mas, do ponto de vista de entendimento, podemos arriscar dizer que a arquitetura CRAN é mais fácil de ter seus princípios de operação entendidos e, a partir dela, perceber que as duas outras podem estar alguns passos adiante em evolução e complexidade. Na Figura 4, temos uma visualização de uma arquitetura 5G geral apresentada no trabalho de Wanying Guo et al. (2022). Por sua vez, na Figura 5, temos uma arquitetura específica de HCRAN apresentada no trabalho de Chen et al. (2017).
Figura 4: Arquitetura de rede celular 5G de Wanying Guo et al. (2022).
Figura 5: Arquitetura de rede celular 5G de Chen et al. (2017).
Três Trabalhos da Literatura
Os trabalhos apresentados por Md. Farhad Hossain et al. (2109), Vuyo S. Pana et al. (2022), e Sunitha Safavat (2020) se constituem em indispensáveis surveys para aqueles que querem dominar este tema de pesquisa.
Esses trabalhos discutem arquiteturas para implantação das redes celulares 5G, e.g., CRAN, HCRAN e FRAN. Seus textos possuem conteúdos que contemplam, sob uma visão cronológica evolutiva, aspectos teóricos e práticos do assunto tecnologia 5G, incluindo um detalhamento especial sobre as vantagens, os desafios, e as soluções já apresentadas na literatura, bem como sobre a técnica de caching. Enfim, essas obras podem ser vistas como alicerces seminais e/ou recentes para o desenvolvimento de projetos de pesquisa e/ou de implantação de arquiteturas para RANs de tecnologia 5G.
Conclusões e o Futuro
As redes celulares 5G definitivamente merecem ser estudadas, especialmente considerando as suas três arquiteturas para podermos melhor decidir sobre qual seria melhor opção para as aplicações do serviço de streaming. Neste contexto, de forma bem específica, temos em mente as direções futuras mencionadas a seguir.
Primeiro, propor um modelo genérico de configuração de parâmetros para protocolos de compartilhamento de banda a serem utilizados sob a cobertura das torres de celulares 5G. Segundo, avaliar o comportamento das redes celulares quando o tráfego devido ao serviço de streaming se mistura com outros tipos de tráfego (por exemplo, voz e dados). Por fim, propor modelos parametrizados para alocação de conteúdo multimídia em servidores de streaming remotos para aliviar o tráfego de dados dentro das infraestruturas de Backhaul e Fronthaul da arquitetura 5G.
Referências
Ericsson (2024). Mobile data traffic outlook. Disponível em:
<https://www.ericsson.com/en/reports-and-papers/mobility-report/dataforecasts/mobile-traffic-forecast>. Acesso em: 14 de março de 2024.
Wanying Guo, Nawab Muhammad Faseeh Qureshi, Isma Farah Siddiqui, Dong Ryeol Shin. (2022). Cooperative Communication Resource Allocation Strategies for 5G and Beyond Networks: A Review of Architecture, Challenges and Opportunities. Journal of King Saud University – Computer and Information Sciences 34 8054–8078.
Md. Farhad Hossain and Ayman Uddin Mahin and Topojit Debnath and Farjana Binte Mosharrof and Khondoker Ziaul Islam (2019). Recent research in cloud radio access network (C-RAN) for 5G cellular systems – A survey. Journal of Network and Computer Applications, volume 139, pp 31-48.
Vuyo S. Pana and Oluwaseyi P. Babalola and Vipin Balyan. (2022). 5G radio access networks: A survey. Array, volume 14, pp. 100170.
Sunitha Safavat and Naveen Naik Sapavath and Danda B. Rawat. (2020). Recent advances in mobile edge computing and content caching. Digital Communications and Networks, volume 6, number 2, pp. 189-194.
Chen, N., Rong, B., Zhang, X., Kadoch, M. (2017). Scalable and flexible massive MIMO
precoding for 5G H-CRAN. IEEE Wireless Commun. 24 (1), 46–52.
