UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ …...WIMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access 3GPP - 3ª Generation Partnership Project ... passou a se conectar com

UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ

INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E ENGENHARIAS

Faculdade de Computação e Engenharia Elétrica

Bacharelado em Sistemas de Informação

Bruno Souza de Oliveira

LEVANTAMENTO DO ESTADO DA ARTE EM APLICAÇÕES DE

SAÚDE QUE UTILIZAM REDES DE COMUNICAÇÃO 5G, E SUAS

PERSPECTIVAS

Marabá-PA

2019

ii



SAÚDE QUE UTILIZAM REDE DE COMUNICAÇÃO 5G, E SUAS

PERSPECTIVAS

Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado

à Universidade Federal do Sul e Sudeste do

Pará, como parte dos requisitos necessários

para obtenção do Título de Bacharel em

Sistemas de Informação.

Orientador:

Prof. Bel. Lavoizie Carvalho Guimarães.

Marabá-PA

2019

iii



SAÚDE QUE UTILIZAM REDE DE COMUNICAÇÃO 5G, E SUAS

PERSPECTIVAS

Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado

à Universidade Federal do Sul e Sudeste do

Pará, como parte dos requisitos necessários

para obtenção do Título de Bacharel em

Sistemas de Informação.

Marabá: 12 de Setembro de 2019

BANCA QUALIFICADORA:

Marabá-PA

2019

iv

RESUMO

O presente trabalho tem como principal objetivo realizar um levantamento do estado da arte

do uso das redes de comunicação 5G para prover soluções futuras no domínio de aplicação da

saúde. No decorrer do trabalho é apresentado as principais tecnologias que poderão compor as

redes de quinta geração. Também é descrito a tendência do uso das tecnologias móveis na

área da saúde. Em seguida é feita uma análise dos trabalhos utilizados descrevendo padrões

encontrado entre eles, é também identificado tendências de pesquisas dentro do contexto de

redes 5G e a importância que a nova geração terá na solução de problemas enfrentados pelas

redes 4G com a crescente demanda por conectividade.

Palavras-chave: 5G, Saúde, Monitoramento de Pacientes.

v

ABSTRACT

The present work has as main objective to make a state of the art survey of the use of 5G

communication networks to provide future solutions in the health application domain. In the

course of this work, the main technologies that may make up the fifth generation networks are

presented. It is also described the trend of the use of mobile technologies in the health area.

Following is an analysis of the work used describing patterns found among them, is also

identified research trends within the context of 5G networks and the importance that the new

generation will have in solving problems faced by 4G networks with the growing demand for

connectivity.

Keywords: 5G, Health, Patient Monitoring.

vi

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AF - Application Function

AMF - Access and Mobility Management Function

AUSF - Authentication Server Function

BBU - Base Band Unit

CDMA - Code Division Multiple Access

C-RAN - Cloud Radio Access Network

CUPS - Control and User Plane Separation

D2D - Device to Device

EDGE - Enhanced Data Rate for GSM Evolution

EPC - Evolved Package Core

EVDO - Evolution Data Optimized

GPRS - General Packet Radio Services

HSUPA/HSDPA - Uplink/ Downlink Packet Access

IoT - Internet das Coisas

ITU - International Telecommunication Union

LTE - Long Term Evolution

MEC - Mobile Edge Computing

NEF - Network Exposure Function

NFR - NF Repository Function

NFV - Virtualização de Funções de Rede

NSFF - Network Slice Selection Function

PC - Plano de Controle

PCF - Policy Control Function

PU - Plano de Usuário

vii

PPP - Parceria Público Privada

QoS - Qualidade de Serviço

QoE – Qualidade de Experiência

RAN - Radio Access Network

RRU - Remote Radio Unit

SDN - Redes Definidas por Software

SMF - Session Management Function

SMS - Short Message Service

TI - Tecnologia da Informação

UDM - Unified Data Management

UDR - Unified Data Repository

UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina

UMTS - Universal Mobile Telecommunications

UPF - User Plane Function

V2N - Veículo para Rede

V2V - Veículo para Veículo

WIMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access

3GPP - 3ª Generation Partnership Project

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Comparativo das redes 4G e 5G ............................................................ 5

Figura 2: Arquitetura do Core ............................................................................. 7

Figura 3: Arquitetura de uma SDN ...................................................................... 9

Figura 4: Fatiamento da Rede ........................................................................... 11

Figura 5: Arquitetura RAN convencional ........................................................... 12

Figura 6: Representação de uma arquitetura C-RAN ........................................... 13

Figura 7: Conjunto de Frequências do 5G .......................................................... 14

Figura 8: Representação das Small Cells ............................................................ 15

Figura 9: Esquema 1 de Comunicação D2D ....................................................... 17

Figura 10: Esquema 2 de Comunicação D2D ..................................................... 17



Figura 13: Esquema de comunicação veicular .................................................... 20

Figura 14: Internet das Coisas ........................................................................... 21

Figura 15: Arquitetura geral proposta para as redes 5G ........................................ 23

Figura 16: Aplicações chaves para impulsionar o 5G .......................................... 24

Figura 17: Arquitetura funcional do 5G ............................................................. 25

Figura 18: 5G e o modelo OSI .......................................................................... 26

Figura 19: Arquitetura de Small Cell para áreas remotas ...................................... 27

Figura 20: Esquema de uma Small Cell dentro de uma ambulância ....................... 28

Figura 21: Arquitetura Gateway Móvel .............................................................. 29

Figura 22: Arquitetura para sensores da IoT ....................................................... 31

Figura 23: Site IEEE Xplore ............................................................................. 33

Figura 24: ACM Digital Library ....................................................................... 33

Figura 25: Processo de inclusão e exclusão ........................................................ 34

ix

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................ 1

1.1 Motivação e Justificativa ......................................................................................................... 1

1.2 Objetivo Geral ......................................................................................................................... 2

1.3 Objetivos Específicos .............................................................................................................. 2

1.4 Estrutura do Trabalho .............................................................................................................. 3

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................. 4

2.1 Evolução das Redes Moveis .................................................................................................... 4

2.2 Características do 5G .............................................................................................................. 5

2.3 Componentes da Arquitetura do 5G ........................................................................................ 6

2.3.1 Núcleo da Rede ............................................................................................................... 6

2.3.2 NFV e SDN ..................................................................................................................... 8

2.3.3 Fatiamento da Rede ....................................................................................................... 10

2.4 Rede de Acesso ..................................................................................................................... 12

2.4.1 Arquitetura C-RAN ....................................................................................................... 12

2.4.2 Ondas Milimétricas ....................................................................................................... 13

2.4.3 Small Cells..................................................................................................................... 15

2.4.4 Beamforming ................................................................................................................. 16

2.5 Tecnologias Emergentes e Aplicações .................................................................................. 16

2.5.1 Comunicações D2D ....................................................................................................... 16

2.5.2 Comunicações V2X ....................................................................................................... 19

2.5.3 Internet das Coisas ........................................................................................................ 20

2.5.4 Cenário da Saúde ........................................................................................................... 21

3 TRABALHOS CORRELATOS .............................................................. 23

3.1 Trabalhos com Perspectiva na Arquitetura ........................................................................... 23

3.2 Trabalhos com Perspectiva na Saúde .................................................................................... 27

4 METODOLOGIA .................................................................................. 32

4.1 Abordagem e Repositórios .................................................................................................... 32

4.2 Critérios de Inclusão e Exclusão ........................................................................................... 34

5 RESULTADOS DA PESQUISA .............................................................. 35

x

5.1 Análise dos Trabalhos ........................................................................................................... 35

5.2 Solução de Problemas ........................................................................................................... 35

5.3 Tendências de Pesquisas ....................................................................................................... 36

5.4 Desafios de Pesquisa ............................................................................................................. 36

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................. 37

REFERÊNCIAS .................................................................................................... 38

1

1 INTRODUÇÃO

Incialmente apenas computadores podiam se conectar à internet, mas com o passar

dos anos a realidade mudou, com o surgimento das redes móveis uma série de dispositivos

passou a se conectar com a internet. De acordo com o relatório VNI (Visual Networking

Index) que trata sobre tráfego global de dados móveis, prevê que em 2021 cerca de 20% do

tráfego de IP total serão provenientes de dispositivos móveis, contrastando 8% em 2016. Em

2021 o tráfego móvel mundial alcançará 49 Exabytes mensais e 587 Exabytes anuais, esse

número equivale a 122 vezes o tráfego global móvel de 10 anos até 2011 (CISCO, 2019).

O grande uso do streaming de vídeo, tecnologia 4K, tecnologias de realidade virtual

e realidade aumentada também tem gerado uma demanda por mais velocidade nas conexões

existentes, tornando assim uma tarefa difícil para as atuais redes 4G suportar todo esse tráfego

que devido a sua padronização, a velocidade teórica máxima é de 150 Mbps e suporta até 600

dispositivos por célula (AGIWAL, ROY e SAXENA, 2016).

Aliado ao aumento do tráfego global está o surgimento de novas tecnologias como a

Internet das Coisas (IoT – Internet of Things), Comunicação de Dispositivos para

Dispositivos (D2D), Comunicação Máquina para Máquina (M2M), M-Health e E-Health que

trazem consigo requisitos de conectividade essenciais para uma boa experiência. Para atender

a esses requisitos é necessária uma nova arquitetura de rede móvel além dos padrões que o

atual 4G oferece (OLIVEIRA, ALENCAR e LOPES, 2018).

Em 2013 o governo chinês estabeleceu um grupo para promover pesquisas para a

nova geração de redes móveis, esse grupo foi nomeado IMT – 2020 e posteriormente na

Europa foi fundada a PPP – 5G (Parceria Público Privada - 5G), mais tarde esses grupos se

uniram com o objetivo alavancar as pesquisas para as redes de quinta geração (5G). O ITU

(International Telecommunication Union – ITU) definiu a visão para o 5G apresentando

parâmetros chaves para solucionar os problemas enfrentados pelas redes atuais e para abrir

espaço para novas tecnologias (De MATTOS e GONDIM, 2016).

1.1 Motivação e Justificativa

O presidente da Qualcomm numa conferência em 2017 enfatizou a importância do

5G e chegou a comparar as redes de quinta geração com a chegada da eletricidade e dos

automóveis, denotando tamanha revolução e possibilidades que a tecnologia pode trazer.

Alguns países já começaram os testes das redes 5G no início de 2019 trazendo uma grande

2

expectativa, visto que a implementação oficial do 5G está prevista para 2020 no Brasil.

Dentre os diversos cenários de aplicação da nova geração de redes móveis, as aplicações na

área médica têm chamado atenção dos pesquisadores.

Desde a década de 50 profissionais da área da medicina juntamente com a indústria

fizeram a proposta de adotar a tecnologia para soluções na área da saúde, essa parceria entre

medicina e tecnologia no decorrer dos anos trouxe avanços significativos e agora com o

avanço das redes móveis e a evolução da internet é amplamente discutido soluções médicas

que visam coletar e disponibilizar informações sobre pacientes em qualquer lugar (De

MATTOS e GONDIM, 2016).

Considerando o que foi exposto anteriormente e, devido a carência de trabalhos

envolvendo o uso de redes móveis em benefício de cuidados médicos sentiu-se a necessidade

de desenvolver este trabalho detalhando a arquitetura das redes móveis de quinta geração bem

como os benefícios que essa tecnologia poderá trazer para a atual sociedade.

1.2 Objetivo Geral

Este trabalho tem por objetivo geral realizar um levantamento do estado da arte das

redes móveis de quinta geração utilizando uma abordagem exploratória e descritiva com o

intuito de identificar padrões entre os trabalhos utilizados.

1.3 Objetivos Específicos

• Realizar pesquisas bibliográficas e metodológicas referentes ao tema deste

trabalho;

• Apresentar detalhadamente a arquitetura das redes 5G;

• Apresentar a tendência de uso da tecnologia móveis no domínio da saúde;

• Realizar um levantamento de trabalhos que utilizam o 5G para soluções futuras no

domínio da saúde;

• Analisar os trabalhos pesquisados e identificar padrões entre eles

• Identificar tendências de pesquisa no contexto do 5G

3

1.4 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho além da introdução e a motivação apresentados no Capítulo 1,

seguirá com o Capítulo 2 trazendo a fundamentação teórica de todo o trabalho, no Capítulo 3

foi realizado um levantamento dos principais trabalhos no contexto do 5G, o Capítulo 4

apresenta a metodologia utilizada na pesquisa deste trabalho , Capítulo 5 exibe os resultados

da pesquisa e no Capítulo 6 é apresentada as considerações finais da pesquisa.

4

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Neste capítulo será apresentando os principais conceitos, arquiteturas, tecnologias

emergentes, requisitos funcionais e desafios para que as redes 5G possam trazer a experiência

prometida, também será mostrado o atual processo de padronização do 5G e quais grupos de

pesquisas estão envolvidos nesse objetivo.

2.1 Evolução das Redes Moveis

Quando se fala em tecnologia de redes móveis geralmente se pensa em gerações

visto que inicialmente as redes móveis foram projetadas apenas para tráfego de voz, agora nas

gerações mais recentes as redes suportam acesso à internet e outras diversas possibilidades, a

seguir será apresentado cada uma das gerações que possibilitaram a revolução da

comunicação móvel (AGIWAL, ROY e SAXENA, 2016).

1G. A primeira geração das redes móveis foi anunciada no início da década de 80 sendo

fundamental para as redes que conhecemos hoje, porém ela possuía um handoff problemático

e uma segurança fraca e possuía uma taxa de dados de 2.4 kbps.

2G. Os sistemas de segunda geração surgiram no mercado no final dos anos 90 com uma taxa

de dados de 64 Kbps, bem maior que a geração anterior, com um sinal de rádio de baixa

potência as baterias dos telefones com redes 2G duravam mais. Serviços como e-mail e SMS

(Short Message Service) foram possíveis nessa geração, marcada com tecnologias emergentes

sendo elas GSM e CDMA (Code Division Multiple Access).

2.5G. Essa continua sendo uma rede de segunda geração pois ainda utiliza as estruturas da

mesma, porém junto com o 2.5G veio o GPRS (General Packet Radio Services) que

possibilitou uma taxa de dados de ate 144 kbps. Outras tecnologias que fizeram parte do 2.5G

foram, EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) e CDMA.

3G. Trazendo altas taxas de dados, a terceira geração foi iniciada nos anos 2000 com

possibilidades de até 2 Mbps nas transmissões de dados, trouxe também melhorias nas

chamadas de voz. Um dos principais pontos negativos do 3G foi o grande consumo de energia

em relação ao 2G. O 3G foi marcado por tecnologias emergentes como o WCDMA, CDMA,

UMTS (Universal Mobile Telecommunications) e tecnologias em evolução como

HSUPA/HSDPA (Uplink/ Downlink Packet Access), e EVDO (Evolution Data Optimized)

5

que foi responsável pelo 3.5G em que eram possíveis atingir uma taxa de dados de até 30

Mbps.

4G. A quarta geração das redes móveis trouxe uma mudança significativa, trazendo uma

solução completa e confiável baseada em IP. O 3GPP (3ª Generation Partnership Project)

padronizou o LTE (Long Term Evolution) como padrão 4G juntamente com o WIMAX

(Worldwide Interoperability for Mircrowave Access). O 4G possibilitou taxas de dados muito

maiores do que qualquer geração passada impulsionando serviços multimídia como streaming

de vídeo e TV móvel em alta definição.

2.2 Características do 5G

É importante observar que em meio a evolução das redes móveis da primeira à quarta

geração houve um aumento considerável na taxa de dados que cada geração suportava,

trazendo novidades e melhoria nas chamadas por voz, mas para o 5G existem desafios que

não poderão ser superados apenas com um aumento na taxa de dados (ALVES E MENDES,

2016). Na figura 1 é mostrado um comparativo das tecnologias 4G e 5G.

Figura 1: Comparativo das redes 4G e 5G

Fonte: Oliveira, Alencar e Lopes, 2018

A figura 1 nos traz uma prévia das funcionalidades das redes 5G e suas diferenças em

relação à geração anterior. No ano de 2015 os grupos de pesquisas definiram a chamada visão

do 5G que está previsto pra ser lançado comercialmente em 2020 em todo o mundo.

6

• Espera-se que o 5G tenha uma taxa de dados real de 1 à 10 Gbps, sendo 10 vezes

maior do que a taxa de dados teórica do 4G.

• Uma latência menor que 1ms, isso é 10 vezes menor que a latência da geração

anterior.

• Alta largura de banda em uma única área, permitindo altas taxas de dados em

locais com grandes quantidades de dispositivos conectados.

• O 5G deverá suportar uma densidade de dispositivos conectados em uma única

célula, complementando a visão da IoT.

• Uma rede disponível 99,999% será crucial para uma série de aplicações.

• Para solucionar problemas de cobertura o 5G precisar ter uma cobertura de 100%

independente da localização do usuário.

• Também é previsto uma redução de até 90% no consumo de energia, sendo de

extrema importância tanto para o TI Verde quanto para algumas aplicações.

• E uma redução de bateria considerável por parte dos dispositivos é fundamental

para que seja possível a IoT.

2.3 Componentes da Arquitetura do 5G

No início da implementação do 5G será aproveitado componentes das redes 4G

indicando que a nova geração vai coexistir com a geração passada por um longo tempo mas

para isso acontecer os componentes da arquitetura da antiga geração deve ser melhorada. Mas

o 5G também vem trazendo diversas tecnologias novas flexíveis e escaláveis para suportar

toda a conectividade massiva que se espera. Algo que vem acontecendo também é uma

virtualização da rede, isso é um ponto positivo pois garante uma flexibilidade,

programabilidade e escalabilidade da rede, tirando a predominância de equipamentos

proprietários. (OLIVEIRA, ALENCAR e LOPES, 2018).

2.3.1 Núcleo da Rede

Segundo Oliveira, Alencar e Lopes (2018) para facilitar no dimensionamento, e

adaptar a rede, é necessária fazer a divisão entre Plano de Usuário (PU) e Plano de Controle

(PC) (Control and User Plane Separation - CUPS), no 4G tínhamos o EPC (Evolved Packet

Core) é importante ressaltar que essa divisão beneficia atualizações no PU sem a necessidade

7

de alterar o PC, permitindo a evolução dos planos separadamente. O CUPS é uma evolução

do EPC encontrado nas redes LTE. Figura 2 nos mostra o novo núcleo do 5G.

Figura 2: Arquitetura do Core

Fonte: Oliveira, Alencar e Lopes, 2018

• AMF (Access and Mobility Managemente Function): É responsável pelo controle

de acesso, mobilidade e conexão do usuário.

• NSFF (Network Slice Selection Fuction): Componente da rede responsável por

fazer o fatiamento da rede.

• NEF (Network Exposure Function): Expõe recursos e elementos disponíveis.

• NFR (NF Repository Function): Suporta função de serviço de pesquisa,

manutenção, e abertura de perfis de fatia de rede.

• UDR (Unified Data Repository): Banco de dados que armazena informações dos

usuários.

• UDM (Unified Data Management): gera chaves para autenticação, autorização de

acesso e gerencia usuários.

8

• AUSF (Authentication Server Function): Realiza os principais procedimentos de

autenticação e acordo de chaves executados para permitir a autenticação mútua

entre o usuário e a rede.

• PCF (Policy Control Function): Fornece uma estrutura única para definir regras

de política na rede e para fornecer regras relacionadas ao plano de controle.

• UDC: Engloba o AUSF, PCF, UDR e UDM.

• AF (Application Function): verifica os serviços e aplicações que para a operadora

são considerados confiáveis.

• SMF (Session Management Function): Gerência a sessão, alocação e

gerenciamento de IP para o usuário.

• UPF (User Plane Function): Responsável pelo monitoramento do plano de

usuário, realiza detecção de tráfego, QoS, buffering e encaminhamento de dados

para garantir a integridade dos dados durante a entrega.

• gNodeB: É a estação rádio base.

2.3.2 NFV e SDN

As Redes Definidas por Software (SDN) e a Virtualização de Funções de Rede

(NFV) são arquiteturas que propõe soluções econômicas para as redes móveis de nova

geração. (ONF, 2017).

As NFV são um conjunto de técnicas que visam diminuir os custos com compras de

equipamentos proprietários para realização de uma função específica de rede, o conceito é

desacoplar funções de rede que antes só poderiam ser executadas em um hardware específico,

sendo assim mais fácil realizar uma atualização na rede ou até mesmo adicionar uma função

nova na rede, sendo necessário apenas instalar uma aplicação para realizar a função de rede,

essas funções podem ser um firewall, inspeção profunda de pacotes e detecção de intrusão,

estima-se que até 2020 70% das redes móveis estejam usando NFVs (SDX CENTRAL,

2019).

De acordo com o SDX Central (2019) o objetivo das SDN é tornar o controle da rede

programável e mais flexível separando a camada de controle e encaminhamento da rede

através de um controlador SDN que esconde as características físicas da rede e sua

infraestrutura, isso oferece uma visão de rede centralizada. É importante também enfatizar o

9

conceito de OpenFlow que é um protocolo importante para as redes SDN que realiza a

comunicação da camada de controle e a camada de infraestrutura como mostra na figura 3.

O 5G irá se beneficiar das NFVs e das SNDs visto que são componentes

fundamentais para garantir um controle eficiente, escalabilidade e flexibilidade permitindo o

aproveitamento da estrutura das redes 4G preparando para a implantação do 5G.

Figura 3: Arquitetura de uma SDN

Fonte: SDX Central, 2019

Como mostrado na figura 3, a arquitetura de uma rede SDN é composta por três

camadas, camada de aplicação, camada de controle e camada de infraestrutura, cada camada

tem uma função definida e se comunicam entre si.

• Camada de aplicação é responsável por criar e implementar novas funções SDN,

nesta camada ficam as aplicações encarregadas dessas tarefas. É através dessa

camada que o administrador de rede pode interagir com os componentes e alterar

o modo como eles atuam.

10

• Camada de controle passa a ser responsável pela parte inteligente da rede, é nessa

camada que são feitas as alterações e onde é fornecido ao administrador a

interface onde é permitido definir políticas de rede de forma simples e intuitiva.

No plano de controle também é onde é feita a análise da rede, informações sobre

topologia, definições de rotas e regras de firewall.

• A camada de infraestrutura é composta apenas pelos elementos responsáveis por

encaminhar os pacotes como, roteadores, comutadores, e elementos de camada

física, porém aqui não existem nenhum algoritmo ou protocolos de roteamento,

pois estes agora estão implementados na camada de controle.

Para que a tecnologia SDN possa ser implementada é necessária algumas ferramentas

ou Southbound APIs maioria de código aberto, a mais utilizada é a OpenFlow que também

serve de base para outras APIs como, Open vSwitch, Open Dayligh e FlowVisor (CHAGAS e

FILENE, 2018).

O relacionamento entre SDN e NFV são complementares um ao outro, uma NFV

pode ser implementada sem a necessidade de um controlador SDN ou vice-versa, analisando

melhor veremos que SDN fica responsável por centralizar a infraestrutura da rede e NFV pela

inteligência da rede. Mas quando as duas tecnologias são combinadas é possível ter um

melhor aproveitamento dos recursos (MARCHESAN, 2018).

2.3.3 Fatiamento da Rede

Uma das visões para as redes 5G é a diversidade de dispositivos que nela deverá ser

suportado, seja veículos, trens ou dispositivos vestíveis da IoT e cada um desses serviços

demandam requisitos de rede diferentes que se tornam impraticáveis de atender por meio de

uma única rede. Para que isso seja possível de uma forma eficiente é proposto o conceito de

fatiamento de rede (Network Slicing), que com a implementação das SDNs e NFVs se tornará

mais viável. Figura 4 exemplifica as fatias de rede.

11

Figura 4: Fatiamento da Rede

Fonte: Mechaileh, 2018

O fatiamento da rede pode ser entendido como um dos principais componentes da

arquitetura das redes 5G. Basicamente é criado uma instância virtual de uma rede, contendo

nessa instância atributos que foram definidos para determinado perfil de serviço, usuário ou

dispositivos finais, pode-se chamar esses atributos de comportamentos isolado de uma rede

virtual criada para o perfil de serviço, usuário ou dispositivos finais.

Segundo Mechaileh (2018) funções como velocidade, capacidade, conectividade e

cobertura serão alocadas para atender às demandas específicas de cada caso de uso de modo

isolado para que nenhuma fatia interfira no tráfego de outra fatia.

Para funcionar corretamente, as fatias de rede devem ser programáveis e deve haver

uma manutenção automatizada das fatias pois com o crescente número de fatias de rede

virtualizadas operar tais configurações e funções pode gerar um elevado custo operacional. O

fatiamento de rede e a automação juntos criam uma rede programável, capaz de adaptar-se às

necessidades de qualquer serviço ou usuário, fornecendo comportamentos de rede isolados

para cada um deles (CHANDRAMOULI, LIEBHART e PIRSKANEN 2019).

12

2.4 Rede de Acesso

É fundamental que a rede de acesso seja flexível e se adapte as diversas situações e

cenários que o 5G irá atender. Algumas partes da rede de acesso foram desenvolvidas do zero

para se adequar as exigências do 5G.

2.4.1 Arquitetura C-RAN

Uma das tecnologias emergentes que farão parte da rede 5G é a C-RAN (Cloud

Radio Access Network) que terá um papel importante no processo de densificação das redes

de quinta geração. Para facilitar e reduzir custos com local, energia, operacional e melhorar a

escalabilidade da rede é proposto separar a BBU ( Figura 5)(Base Band Unit) da RRU

(Remote Radio Unit), assim centralizando a BBU (HUAWEI, 2018).

• BBU: é o local onde é processado a banda e alocado recursos para as RRUs, nos

sistemas 5G ela funcionará como uma nuvem ou um data center.

• RRU: São as antenas; rede sem fio que conectam os dispositivos dos usuários, as

RRUs se conectam a BBU por meio de um enlace por rádio ou fibra óptica.

• FRONTHAUL: é o termo usado para definir o link que interliga a BBU ao RRU

na arquitetura C-RAN.

Figura 5: Arquitetura RAN convencional

Fonte: Wang, 2018

13

Na figura 5 temos de forma simplificada uma arquitetura convencional de uma RAN

(Radio Access Network) onde cada estação base de rádio contém a RRU e a BBU dentro de

um mesmo espaço físico, isso gera um custo operacional muito maior em relação a arquitetura

C- RAN (WANG, 2018).

Figura 6: Representação de uma arquitetura C-RAN

Fonte: Wang, 2018

Como representado na figura 6, a BBU foi separada da RRU, de acordo com Wang

(2018) o custo de equipamentos ativos como roteadores e a aquisição do local equivale à 1/3

do custo de implantação de uma rede e com a implantação da arquitetura C-RAN esse custo

seria reduzido significativamente além de melhorar o desempenho, flexibilidade e

escalabilidade da rede.

2.4.2 Ondas Milimétricas

Ondas Milimétricas (Millimeter Wave) é um dos termos bastante discutido desde o

início das pesquisas (Figura 7), e não é por acaso que as ondas milimétricas são

imprescindíveis para o sucesso das redes de quinta geração (GUPTA e JHA, 2015).

14

Figura 7: Conjunto de Frequências do 5G


Para atender aos diversos serviços o 5G nativamente irá fazer uso de diversas

frequências de rádio, porque cada cenário, serviço ou usuário final fará uso da rede de uma

forma diferente e para atender melhor e de forma econômica e escalável, o 5G funcionará

tanto em ondas licenciadas e não licenciadas, tanto em frequências mais baixas quanto às mais

altas (MECHAILEH, 2018).

Alguns dos benefícios do uso de ondas milimétricas é a alta taxa de dados que é

suportado pelas frequências acima de 10 GHz e baixa latência de comunicação que permitirá

uso de aplicações de tempo real. Um dos pontos negativos é que quanto maior a frequência de

rádio menor é o alcance que essa onda terá (principalmente nas frequências acima de 30 Ghz)

mas isso será solucionado com uma nova arquitetura proposta que é o conceito de Small Cells

(GUPTA e JHA, 2015).

15

2.4.3 Small Cells

Como haverá um alcance reduzido nas redes, uma solução seria as Small Cells

(Pequenas Células), de acordo com Mechaileh (2018) que são bases de estações de rádio com

alcances pequenos de até 250 metros que transmitirão com mais eficiência as ondas

milimétricas. Figura 8 apresenta arquitetura de uma Small Cell.

Figura 8: Representação das Small Cells


Como mostra na Figura 8, as Small Cells dependerão de uma Macro Cell que são

legados da infraestrutura das redes 4G. Um dos pontos positivo das Small Cells é que o sinal

será propagado melhor em locais urbanos com grandes construções e lugares onde as ondas

milimétricas teriam dificuldade de chegar por meio de uma Macro Cell, além disso as antenas

de uma Small Cell pode ser instalada em locais estratégicos como uma parada de ônibus

coletivo (Mechaileh, 2018).

As “pequenas células” serão numerosas estarão em todo lugar, é importante lembrar

do impacto visual delas e da segurança das mesmas, alguns autores defendem que elas devem

passar desapercebidas pelo usuário, então a importância da estética aumenta visto que serão

centenas e até milhares de Small Cells em uma cidade. (PASSOJA, 2019).

Para que as Small Cells funcionem bem elas não poderão depender apenas das Macro

Cells, mas terão que contar com alguma conexão de fibra óptica, algumas operadoras

possuem uma grande quantidade de fibra óptica lançada em grandes cidades e conectar essas

16

pequenas células às redes de fibra óptica aumentará sem dúvidas a qualidade da rede. Esses

são alguns dos desafios das Small Cells, desafios de infraestrutura civil, tráfego de veículos,

estética entre outros que deverão ser observados pelas operadoras do 5G. (PASSOJA, 2019).

2.4.4 Beamforming

O 5G conta com rádios inteligentes acoplados a sistemas de MIMO Massivo que é

uma evolução da tecnologia MIMO padrão, a tecnologia MIMO Massivo consiste em acoplar

dezenas de rádios em uma única base de estação de rádio e podemos dizer que MIMO e

Beamforming estão de certa forma unidos (PASSOJA, 2018).

O Beamforming é um conjunto de técnicas e algoritmos que ajudará no uso eficiente

das ondas milimétricas das redes 5G, pois ela direcionará feixes de sinal para o dispositivo do

usuário que estiver demandando em determinado momento, isso reduzirá a interferência

contrastando na tecnologia MIMO anterior que não tinha o controle dos feixes de rádio que

então era transmitido em todas as direções causando interferência e um alto consumo de

energia (AGIWAL, ROY e SAXENA, 2016).

De acordo com Mechaileh (2018) outro benefício do Beamforming é que ajudará a

suportar mais dispositivos na rede e maior tráfego para dispositivos que estiverem em uso do

beamforming.

2.5 Tecnologias Emergentes e Aplicações

É fato que o lançamento das redes 5G é impulsionada por tecnologias que estão

emergindo para atender comercialmente diversos domínios de aplicação como, saúde, IoT,

agricultura, transporte e setores público e privados. Também é impulsionado pelo colapso

previsto nas redes móveis atuais que acontecerá devido ao crescente número de dispositivos

com conexão à internet e seus requisitos funcionais (AGIWAL, ROY e SAXENA, 2016).

2.5.1 Comunicações D2D

As comunicações D2D (Device to Device) é uma tecnologia relacionada ao 5G com

grande potencial, anteriormente foi testada no 4G e consecutivamente aprovada como solução

para a falta de espectro, também é eficiente na redução do consumo de energia porém como

foi constatado em estudos que o grande ponto negativo das comunicações D2D é a

interferência que ela causa à outros dispositivos na rede (GUIZANI e HAMDI, 2016).

17

De acordo com Gupta e Jha (2015) é preciso entender dois níveis de comunicação, a

primeira é a comunicação de nível macro cell (Figura 9) em que o dispositivo se comunica

direto com a base de estação de rádio, o segundo nível de comunicação é a entre dispositivos,

embora alguns autores atentam para que a comunicação seja apenas entre um par de

dispositivos, uma abordagem geral prevê além de um par.

Figura 9: Esquema 1 de Comunicação D2D

Fonte: Gupta e Jha, 2015

Como mostrado na Figura 9 é estabelecido um link de comunicação entre os

dispositivos, e a estação base cria um link de controle ao mesmo tempo que a comunicação

convencional funciona, onde cada dispositivo se comunica diretamente com a estação base.



18

Na figura 10 é apresentado um cenário onde é estabelecida uma comunicação D2D

apenas com o link de controle estabelecido com o auxílio da estação base. O dispositivo

quando está na borda da rede com intensidade de sinal fraco ele irá contar com auxílio de um

dispositivo próximo para trocar informações através de um link estabelecido sem o auxílio da

estação base.

Outro ponto importante é segurança, é necessário que exista políticas de segurança na

comunicação entre os dispositivos, Gupta e Jha (2015) propõe que os dispositivos que

desejam se comunicar independentemente entre si, devem ter uma lista de dispositivos

confiáveis para se conectar.


Fonte Gupta e Jha, 2015

Nesse cenário seis dispositivos estabelecem um link de comunicação entre si e o link

de controle é de total responsabilidade dos dispositivos, onde a estação base não interfere na

comunicação.

Como foi mencionado o problema de segurança que ocorre quando os dispositivos

decidem estabelecer uma conexão somente entre si, poderia ser solucionado caso a estação

base interferisse apenas no processo de autenticação da conexão através de uma criptografia

(GUPTA e JHA, 2015)

19



Na Figura 12 temos uma comunicação entre dispositivo de origem e destino, com o

link de comunicação estabelecido entre eles sem auxílio da estação base bem como o link de

controle, todo o processo é de total responsabilidade dos dispositivos.

2.5.2 Comunicações V2X

De acordo com Chandramouli, Liebhhart e Pirskanen (2019) a principal diferença do

5G para o 4G é a alta confiabilidade da rede que pode chegar até 99,999% e uma latência

ultrabaixa que se tornam cruciais para algumas aplicações, dentre elas é a comunicação

veicular. Na figura 13 é representado o esquema de comunicação V2X.

Segundo Keysight (2018) todos os anos aproximadamente 1,2 milhões de pessoas

morrem em acidentes de carros, isso pode ser comparado à sete aviões de 500 passageiros que

caem todos os dias, é um número alto. Nos EUA a comunicação veicular pode chegar à 60%

dos veículos novos vendidos, graças ao avanço do 5G até 2023, resultando na redução de

9.300 mil mortes em acidentes de trânsito por ano, representando 1 em cada 4 mortes e até

2023 cerca de 62 milhões de carros serão capazes de realizar comunicação V2V (Veículo para

Veículo) em todo o mundo (JUNIPER RESEARCH, 2018)

20

Figura 13: Esquema de comunicação veicular

Fonte: Chandramouli, Liebhhart e Pirskanen (2019)

Como é exemplificado na figura 13, os carros podem tanto se comunicar entre si

(V2V) como também pode se comunicar diretamente com a rede (V2N) melhorando a

segurança dos passageiros, compartilhando mapas, conectando-se a rede para baixar

informações sobre trânsito, obstáculos na rota causados por chuvas, etc.

O 5G desempenhará um papel fundamental que possibilitará que carros autônomos

sejam mais seguros, onde os carros equipados com sensores podem se beneficiar de mais

informações sobre o tráfego, mas ainda assim isso não substitui o motorista, os controles do

veículo ainda devem funcionar mesmo sem conectividade. A baixa latência fornecida pela

rede de quinta geração será crítica para que isso se torne mais viável.

2.5.3 Internet das Coisas

As atuais redes 4G possui atributos limitados, com uma largura de banda de até 1GB

que se tornará pequena para a grande quantidade de dispositivos que vem com a chegada da

Internet das Coisas e as redes 5G promete se tornar a espinha dorsal da IoT, proporcionando

uma grande largura de banda, menor consumo de energia, latência mínima e uma boa

segurança que é um dos requisitos para a IoT (KHURPADE, RAO e SANGHAVI, 2018). Na

Figura 14 está representado a diversidade da IoT.

21

Figura 14: Internet das Coisas

Fonte: Agiwal, Roy e Saxena, 2016

Segundo o Comstor (2018) em 2020 serão aproximadamente 20 bilhões de

dispositivos IoT conectados em todo o mundo, podendo sobrecarregar as redes móveis atuais

e o 5G está sendo projetado e testado para atender à essa demanda.

De acordo com Hejazi et al (2018) a IoT pode ser definida como uma rede de coisas

que estão se conectando à internet, essas coisas podem ser sensores, veículos, relógios, TV’s,

máquinas e uma infinidade de coisas que podem ser monitoradas, acessadas e controladas.

Como mostra na Figura 12 existe uma gama de segmentos que a IoT pode estar inserida.

É interessante ressaltar que a IoT é uma ótima plataforma para o auxílio na tomada de

decisões, geralmente as coisas possuem alguma interface Web que pode ser acessada pelo

usuário, acessando as informações coletadas e usando as mesmas para um fim determinado

(HEJAZI et al, 2018).

2.5.4 Cenário da Saúde

A tecnologia no decorrer dos últimos anos tem sido usada de diversas formas para

auxiliar nos setores de saúde em todo o mundo, seja em prontuário eletrônico e imensos

bancos de dados com informações de pacientes mas agora com a chegada do 5G relacionada

22

com a IoT e outras tecnologias emergentes promete revolucionar a área de cuidados médicos

(Healthcare) que urgentemente necessita de soluções que possam ser econômicas e eficientes

(CHANDRAMOULI, LIEBHART e PIRSKANEN 2019).

De acordo com a Ericsson (2019) investimentos da saúde no 5G podem resultar em

um potencial financeiro de 76 bilhões até 2026. Existem pesquisas que apresentam aplicações

do 5G na saúde, dentre elas estão as cirurgias por acesso remoto manipuladas por cirurgiões

experientes com a ajuda de robótica inteligente, administração de medicamentos remotamente

por meio de sensores que alertam pacientes sobre qualquer alteração de saúde e aplicativos

que coletam informações através de sensores vestíveis conectados às redes 5G. Ainda

segundo a Ericsson o 5G trará a capacidade de permanecer em contato com o paciente por

meio dessas tecnologias de monitoramento em sua residência ou até mesmo dentro de uma

ambulância.

Devido a toda essa expectativa com o 5G e a IoT, empresas e fabricantes de produtos

médicos estão se concentrando na fabricação de dispositivos e sensores que monitoram e

armazenam dados sobre pacientes, esses dados podem ser acessados por médicos que

verificam o status clínico dos pacientes. Uma empresa de dispositivos médicos chamada

Medtronic desenvolveu um implante digital de glicose que fica abaixo da pele do paciente,

esse dispositivo se conecta à um dispositivo sem fio que alerta o médico e ao paciente sobre

qualquer alteração no organismo. (VODAFONE, 2018).

Alguns dados interessantes é que com o envelhecimento da população cada vez mais

existe uma necessidade de que os pacientes sejam atendidos em suas casas e isso tem se

tornado desafio para as instituições de saúde faltando recursos seja em pessoal capacitado ou

financeiro e espera-se que o 5G melhore e traga soluções para os cuidados de saúde em casa

(SAMSUNG, 2018).

Segundo Chandramouli, Liebhart e Pirskanen (2019) é essencial que o 5G atenda

com latência abaixo de 5 milissegundos com confiabilidade e segurança, entregando as taxas

de dados necessárias e permitindo um baixo consumo de energia.

23

3 TRABALHOS CORRELATOS

Neste capítulo será mostrado os trabalhos relacionados encontrado na literatura que

embasam a pesquisa apresentada.

3.1 Trabalhos com Perspectiva na Arquitetura

Em Gupta e Jha (2015) explana um artigo que tem por objetivo trazer perspectivas da

nova geração de redes de comunicação móve 5G, é feito um levantamento sobre a

problemática da crescente demanda por conectividade nas atuais redes móveis, sendo

necessária tecnologias que suportem uma grande quantidade de dispositivo conectados,

complementando a visão da IoT. Preparando a ambientação do trabalho é detalhada uma

evolução das redes móveis destacando as tecnologias novas que cada geração traz. Na figura

15 os autores propõem uma arquitetura das redes 5G e as tecnologias que poderão fazer parte

da rede.

Figura 15: Arquitetura geral proposta para as redes 5G

Fonte: Gupta e Jha (2016)

Na figura 15 é possível analisar uma perspectiva de tecnologias que poderão fazer

parte da tecnologia das redes móveis da nova geração, dentre elas estão as comunicações

D2D, IoT, Small Cell, MIMO Massivo, utilização de ondas milimétricas e NFV. Neste

24

trabalho de pesquisa foi concluído que o aglomerado de tecnologias apresentadas pode

motivar pesquisadores em redes 5G auxiliando a obter melhores resultados.

No trabalho de Agiwal, Roy e Saxena (2016) tem como principal objetivo trazer uma

visão geral sobre as tecnologias que poderão compor as redes de quinta geração. É dado uma

ênfase nas principais tecnologias de camada física e seus desafios, tecnologias como, ondas

milimétricas, MIMO massivo, Beamforming, tecnologia Full Duplex e eficiência do espectro

também é discutido. O também é apresentado um conjunto de aplicações que são

consideradas chaves para impulsionar o avanço do 5G. Na figura 16 é mostrado quais seriam

essas aplicações.

Figura 16: Aplicações chaves para impulsionar o 5G

Fonte: Agiwal, Roy e Saxena (2016)

Dentre estas aplicações mostradas na figura 16 estão comunicações D2D, IoT,

comunicação entre veículos, comunicação entre máquinas, cuidados de saúde, aplicações

bancárias móveis, cidades inteligentes, e sensores de controle. Nesse trabalho de pesquisa

também é apresentado tendências de pesquisas futuras em redes móveis de quinta geração.

Os autores com o objetivo de motivar pesquisadores no ambiente do 5G definem

alguns segmentos de pesquisas possíveis, sendo elas, Ondas Milimétricas, Processo de

Padronização do 5G, C-RAN, Densificação da Rede, Baixa Latência e QoS são alguns rumos

25

de pesquisas a serem seguidos. Foi concluído que a pesquisa contemplou uma visão ampla da

evolução das redes móveis rumo a tecnologia 5G atendendo o objetivo inicial do trabalho.

Khurpade, Rao e Sanghavi (2018) elaboram um trabalho que tem por objetivo trazer

uma pesquisa relacionando a tecnologia 5G e a IoT. No decorrer do trabalho é feito uma

analise comparativa das tecnologias 4G e seus aspectos que contribuíram para a evolução das

redes móveis em decorrência do provimento de soluções baseadas em IP e, em seguida é

apresentada a tecnologia 5G que também é uma solução baseada em IP. Na figura 17 é

exibido uma possível arquitetura do 5G.

Figura 17: Arquitetura funcional do 5G

Fonte: Khurpade, Rao e Sanghavi (2018)

A problemática apresentada pelos autores é que o 4G não está preparado para atender

a demanda pela tendência da IoT que requisita uma latência mínima, disponibilidade, alta taxa

de dados e segurança. De acordo com Khurpade, Rao e Sanghavi (2018) o 5G é visto com

uma solução para esses problemas, e nova tecnologia proposta pode se tornar a espinha dorsal

de todo um sistema IoT.

26

É concluído nesse trabalho que as redes móveis de quinta geração trarão soluções

custo-benefício e mecanismos para facilitar a introdução de novas tecnologias provendo a

largura de banda necessária que no 4G está se tornando insuficiente.

Em Jain et al (2018) parte do pensamento que a arquitetura das redes móveis de

quinta geração ainda não foi explicada de forma explícita, embora já houvesse uma grande

quantidade de trabalhos que já foram lançados até o período referido. Os autores trazem como

objetivo desenvolver um trabalho que possa servir de auxílio para representantes da área

comercial do 5G e pesquisadores.

É importante ressaltar que o trabalho traz uma análise dos componentes da arquitetura

do 5G sob o aspecto da pilha de protocolos de camadas de redes do modelo de referência OSI

(Open Systems Interconnection), na figura 18 é apresentado como a arquitetura do 5G

funciona conforme o modelo OSI.

Figura 18: 5G e o modelo OSI

Fonte: Jain et al (2018)

Do ponto de vista social, foi concluído que a tecnologia de comunicação móvel de

quinta geração será solucionadora de problemas atualmente enfrentados pela 4G que

impossibilitou a cobertura em localidades distantes de centros urbanos, ou regiões com uma

pequena quantidade de usuários por célula devido questões de custo-benefício, com o 5G será

possível a instalação de pequenas células nesses cenários devido ao baixo custo de uma célula

pequena.

27

Também se chegou a resultados esperados com a pesquisa, atendendo os objetivos

iniciais da pesquisa, fornecendo uma pesquisa detalhada para pesquisadores, representantes

do setor, a fim de trazer resultados sobre questões e desafios acerca da futura geração de redes

móveis.

3.2 Trabalhos com Perspectiva na Saúde

No trabalho de Malila, Mutsvangwa e Douglas (2018) eles abordaram um problema

global que é falta de cobertura de redes móveis em áreas rurais. É então proposto uma

arquitetura de redes Small Cells 5G que venha possibilitar serviços de saúde em áreas

remotas, sendo serviços de monitoramento de saúde, cirurgias por acesso remoto, educação

em saúde, diagnóstico remoto e entre outros.

Figura 19: Arquitetura de Small Cell para áreas remotas

Fonte: Malila, Mutsvangwa e Douglas (2018)

Na Figura 15 é apresentado o esquema de arquitetura proposto para a implantação do

5G em áreas remotas, com o objetivo do funcionado de serviços de saúde móvel. Cada Small

Cell terá um alcance de 2000 metros, cada estação terá uma plataforma de energia solar para

alimentar os sistemas e os rádios, um dos problemas seria o transporte do link até as regiões

rurais, mas com a Tecnologia MIMO massiva que possibilita o direcionamento de feixes de

28

sinal, seria possível uma taxa de até 100 Mpbs para cada Small Cell. Espera-se que a Macro

Cell esteja em até 100 km na cidade mais próxima e esteja conectada por meio de enlaces de

fibra óptica.

Um cenário apresentado por Rehman et al (2018) dentro do contexto de Small Cells

possui resultados interessantes. As Small Cells tem sido alvo de muitos pesquisadores devido

às possibilidades que elas oferecem. Neste trabalho o objetivo é avaliar a qualidade do serviço

(QoS) de um streaming de vídeo de uma Ultrassonografia dentro de uma ambulância em

movimento, dentro dessa ambulância é instalada uma Small Cell que se comunica com uma

Macro Cell externa.

Figura 20: Esquema de uma Small Cell dentro de uma ambulância

Fonte: Rehaman et al (2018)

No ambiente de simulação podemos considerar que a ambulância se movia em uma

velocidade de 120 km/h se movendo dentro de uma raio de 1 km em relação a Macro Cell,

onde o raio da Small Cell é configurado pra 10 metros, na Figura 16 é possível visualizar o

ambiente preparado para os testes onde a ambulância realiza um streaming de vídeo de uma

ultrassom para a equipe médica dentro do hospital. Nos testes realizados a baixa latência, a

qualidade da transmissão e uma taxa de dados necessária foram essenciais para o bom

desempenho de uma aplicação de saúde crucial. Foi concluído que o 5G e as Small Cells vão

revolucionar a forma como a conectividade sem fio chegará aos pacientes e aos profissionais

de saúde.

29

Sigwele et al (2018) também traz pesquisas relacionadas ao 5G e saúde, discorre

sobre o futuro da saúde que até 2030 será residencial, onde a maior parte dos serviços de

saúde ocorrerá na própria residência do paciente com o uso da tecnologia 5G mas para isso se

tornar realidade é necessário que os dispositivos e smartphones tenham uma boa eficiência

energética. Os serviços de coleta de informações de pacientes, monitoramento de níveis de

glicose e batimentos cardíacos devem funcionar em qualquer lugar e qualquer hora, hospitais

inteligentes e casas inteligentes possuem gateways nos quais esses dispositivos são

conectados e esses gateways possuem energia fixa, assim seria um problema caso o paciente

fique longe desses gateways. Para isso é proposto uma arquitetura onde o smartphone do

paciente seja usado como gateway móvel podendo o acompanhar para qualquer lugar.

Figura 21: Arquitetura Gateway Móvel

Fonte: Sigwele et al (2018)

Na Figura 17 é ilustrado como funcionará o smartphone como gateway, no entanto

seria necessário transferir a carga de processamento do gateway para um serviço de nuvem

mais próximo e para resolver esse problema foi definida o MEC (Mobile Edge Computing)

que seria alocado dentro do core das redes 5G. Em testes realizados usando essa arquitetura

houve uma economia de 38% no consumo de bateria do smartphone.

No trabalho de Thuemmler et al (2018) é discutido um dos problemas remanescentes

acerca do monitoramento telemétrico cardíaco, a maioria dos problemas é relacionado a QoS

e segurança, os autores ressaltam o fato de que as redes WiFi em geralmente funcionam o

monitoramento telemétrico cardíaco não são seguros, e também as redes 3G (Terceira

Geração) e o 4G não possuem requisitos para atender de forma segura e eficientes.

30

O objetivo desse trabalho foi analisar e os requisitos e os benefícios que a rede de

comunicação 5G pode proporcionar para esse cenário. No ambiente está um centro de saúde

especializado em cardiologia na cidade de Leipzig na Alemanha, outra problemática que foi

percebida pelos autores é que o monitoramento dentro do centro de saúde só pode ser

realizado dentro da enfermaria utilizando o WiFi na frequência 2,4 Ghz, não existe um

sistema de GPS implantado, para localizar um paciente quando sair da enfermaria, portanto se

tem um problema de mobilidade, sendo algo crítico caso um paciente tenha uma parada

cardíaca fora do ambiente da enfermaria.

Para a realização dos testes foi proposto uma instalação de várias estações bases com a

rede de comunicação 5G ou uma única célula com alcance 300 metros para alcançar dois

hospitais, e foi utilizado um regulador de frequência, considerando a utilização de frequências

mais baixas devido a penetração do sinal em todos os ambientes.

Foi concluído que a tecnologia 5G apresenta grandes possibilidades para

monitoramento em tempo real, inclusive a telemetria cardíaca, as redes de quinta geração

solucionam os problemas apresentados na problemática, fornecendo serviços de GPS para

localizar os pacientes, comunicação segura e confiável, taxa de dados e latência baixa são

consideradas crítica para uma boa experiência.

Em Magsi et al (2018) é apresentado um trabalho com duas contribuições para a

literatura, a primeira é o levantamento sobre a arquitetura das redes 5G e também do uso da

IoT no cenário da saúde, é apresentada uma problemática do envelhecimento população e a

necessidade de atendimento à distância, é discutido a mobilidade dos dispositivos e sensores

da IoT que podem coletar dados e monitorar pacientes, a segunda contribuição do trabalho é

uma arquitetura IoT para a área de cuidados médicos. Na figura 22 é apresentada a

arquitetura.

31

Figura 22: Arquitetura para sensores da IoT

Fonte: Magsi et al (2018)

É mostrado nessa arquitetura de um sensor corporal, o autor denota a importância do

baixo consumo de emergia nessa proposta. É contido um transceiver que terá uma antena que

terá um tamanho reduzido devido as ondas milimétricas. Com a implantação dessa arquitetura

também é previsto uma redução no consumo de energia de ADC de 12 para 4. Foi concluído

que o 5G é o “amigo” da saúde, e pode proporcionar inúmeras soluções futuras.

32

4 METODOLOGIA

Este capítulo tem como objetivo detalhar a metodologia aplicada ao longo da

pesquisa deste trabalho elencando a abordagem, fontes utilizadas e caminhos percorridos.

4.1 Abordagem e Repositórios

De acordo com Gerhardt e Silveira (2009) a metodologia tem como objetivo validar

o caminho percorrido pelo pesquisador para chegar à conclusão do trabalho.

Neste trabalho utilizou-se uma abordagem de pesquisa exploratória que acordo com

Doxsey (2003) consiste em analisar as características e padrões em um determinado

fenômeno utilizando dados de trabalhos de autores para então chegar em alguma conclusão.

Também foi utilizado uma abordagem descritiva que ainda segundo Doxsey consiste em

descrever de forma sistemática os atributos e elementos de uma área interessada.

A primeira etapa consistiu no levantamento bibliográfico dos trabalhos a serem

utilizados. foram utilizados artigos publicados em eventos internacionais, web sites de

conteúdo confiável, artigos publicados em eventos nacionais, dissertações de mestrado e

monografias. Após o levantamento da bibliografia seguiu-se a análise do conteúdo dos

trabalhos pesquisados para possibilitar uma análise comparativa entre os mesmos. A seguir

será descrito os repositórios digitais consultados.

CGI.BR: Foi utilizado como fonte de pesquisa o repositório de revistas, livros e

documentos do Comitê Gestor da Internet no Brasil fundado em 1995 e é responsável por

regular iniciativas relacionadas ao uso de internet no Brasil, sendo responsável também por

incentivar desenvolvimento de pesquisas relacionadas a internet para benefício da sociedade.

RTIC: A Revista de Tecnologia da Informação e Comunicação também teve seu

acervo de artigos consultados para contribuir com a pesquisa do presente trabalho, neste sitio

é onde está armazenado alguns dos mais recentes trabalhos de pesquisas envolvendo redes de

comunicação 5G em língua portuguesa.

IEEE Xplore: É uma biblioteca digital que possui mais de 4 milhões de documentos

armazenados em banco de dados de áreas como, Ciência da computação, Engenharia Elétrica

e Eletrônica, contando com mais de 1.700 conferências, 425 cursos online, 2.400 livros, e

todo mês aproximadamente 20.000 novos documentos. Na figura 22 temos a interface do site.

33

Figura 23: Site IEEE Xplore

Fonte: Autoria Própria

ACM Digital Library: Foi fundada em 1947 é considerada a maior associação

educacional de computação científica do mundo, é um grupo sem fins lucrativos, tem sede na

cidade de Nova York, a ACM também disponibiliza cursos online destinado aos membros por

meio de uma assinatura. Figura 23 mostra a interface gráfica do site.

Figura 24: ACM Digital Library


34

Todos os repositórios apresentados são amplamente reconhecidos tanto no âmbito

nacional quanto internacional, que agregam valor e credibilidade ao trabalho aqui

desenvolvido.

4.2 Critérios de Inclusão e Exclusão

Também considerado um tópico importante, relação dos critérios utilizados para o

uso dos trabalhos aqui utilizados, durante a pesquisa exploratória identificou-se que em 2015

foi o ano que se iniciou um número grande de pesquisas de desenvolvimento da tecnologia de

rede de comunicação 5G.

Portanto foram utilizados trabalhos de abordagem geral, que são os que detalham a

arquitetura da nova tecnologia de redes móveis que datam a partir de 2015, e trabalhos que

apresentam estudos no cenário da saúde e suas perspectivas. Na figura 24 é exemplificado

esse processo.

Figura 25: Processo de inclusão e exclusão


Na figura 24 está exemplificado o processo de seleção de artigos utilizados nesse

trabalho, primeiro é reunido os trabalhos e então analisado a data de publicação do mesmo

para então ser estudado e incluído no trabalho.

35

5 RESULTADOS DA PESQUISA

Neste capítulo será apresentado os resultados obtidos com a metodologia aplicada a

pesquisa desse trabalho.

5.1 Análise dos Trabalhos

Foi possível através da análise dos artigos pesquisados realizar um comparativo entre

eles, o trabalho Gupta e Jha (2015) é um trabalho que traz um ponto de vista da evolução das

redes móveis, onde ainda havia muita incerteza sobre as tecnologias que realmente poderão

fazer parte das redes de quinta geração, porém no trabalho de Agiwal, Roy e Saxena (2016)

que fora publicado um ano após o trabalho de Gupta e Jha, já apresenta uma visão mais

estabilizada sobre o desenvolvimento do 5G.

No trabalho de Khurpade, Rao e Sanghavi (2018) já apresenta de forma explícita os

aspectos em fase final das redes 5G que desde a definição de um cronograma de lançamento

estaria previsto para o ano de 2020, mostrando também que é possível o 5G coexistir com as

redes 4G através de tecnologias de virtualização de rede como NFV e SDN.

A relação em comum entre esses três trabalhos citados é que todos tem como

objetivo fomentar as pesquisas na área que embora já esteja em testes em diversos lugares do

mundo, alguns já implementaram, mas ainda existe muitos desafios a serem superados e a

colaboração de pesquisadores é importante para aperfeiçoamento da tecnologia.

Um dos objetivos do trabalho foi realizar um levantamento de alguns trabalhos na

área da saúde que refletem o que se está sendo pesquisado no contexto de redes 5G. Podemos

abstrair pontos em comum em Malila, Mutsvangwa e Douglas (2018), Rehman et al (2018),

Sigwele et al (2018) e Thuemmler et al (2018), todos estes trabalhos propõem soluções para

suas problemáticas usando a tecnologia Small Cell.

Estes trabalhos citados anteriormente também abordaram o monitoramento de

pacientes em tempo real, que através da mobilidade das redes de comunicação 5G soluções

futuras podem ser estudadas observando aspectos como, confiabilidade, baixa latência e

segurança. Nesse âmbito de pesquisa a relação com a IoT é muito importante.

5.2 Solução de Problemas

Foi concluído que a chegada do 5G é necessária para solucionar problemas que hoje

são enfrentados pelas redes 4G que logo entrará em colapso coma chegada de tecnologias que

36

demandam maior taxa de dados, eficiência energética e uma latência mais baixa que permitirá

que aplicações que dependem de um tempo de resposta rápido tenham uma melhor

experiência de uso.

O que irá fazer a diferença no uso do 5G em relação ao 4G será qualidade de

experiência (QoE) ainda analisando pelo aspecto da saúde, a coleta de dados será muito mais

confiável em uma rede de quinta geração, streaming de vídeo sem interrupções com uma

perca mínima de pacotes na transmissão.

5.3 Tendências de Pesquisas

Através do estudo do tema 5G e dos trabalhos pesquisados foi possível um

entendimento de linhas de pesquisas que poderia serem realizadas no futuro. De acordo com

Rehman et al (2018) as Small Cells tem sido um objeto de estudo preferencial pelos

pesquisadores do 5G.

As pequenas células têm flexibilidade e tem potencial para solucionar diversos

problemas de cobertura que surgiram com os desafios das ondas milimétricas além do baixo

custo de implementação de uma Small Cell em relação aos gastos com espaço e equipamentos

na construção de uma Macro Cell.

As tecnologias NFV e SDN também são tendências por possibilitar uma

centralização da infraestrutura física de uma rede em um controlador SDN que será

responsável pela inteligência da rede como, algoritmos de roteamento ou até mesmo um

firewall implementado com a utilização de técnicas de NFV. Vale ressaltar que até 2020 mais

de 70% das redes móveis utilizarão NFV e SDN.

5.4 Desafios de Pesquisa

Aplicando a metodologia proposta também se encontrou algumas dificuldades no

processo de pesquisa, uma delas é a falta de artigos do tema em língua portuguesa sendo

necessário um longo tempo para traduzir os trabalhos para então realizar uma análise do

conteúdo. Outra dificuldade encontrada foi o número pequeno de trabalhos na área da saúde

que tratam de soluções futuras utilizando 5G.

37

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Ao realizar este trabalho obteve-se um conhecimento sólido sobre redes de quinta

geração e suas tecnologias, bem como a importância que cada uma delas tem para a

arquitetura.

Um dos objetivos deste trabalho foi realizar um levantamento de trabalhos na área da

saúde envolvendo a tecnologia 5G. Portanto foi possível identificar o cenário preferencial

pelos pesquisadores, sendo eles, Small Cells, NFV e SDNs e a aplicação do 5G em

monitoramento de pacientes em tempo real independentemente da localização geográfica.

A tecnologia 5G ainda está em processo de padronização e implantação, então é

fundamental a colaboração de pesquisadores e a necessidade de trabalhos na área,

principalmente estudos com foco no segmento de cuidados médicos.

Foi concluído que o 5G poderá trazer vários benefícios para o desenvolvimento na

forma de obter vantagem econômica em diversos setores como, agricultura, saúde, transporte,

indústria e setores públicos.

38

REFERÊNCIAS

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Comprehensive Survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials, IEEE, pag. 1617-1655,

fevereiro 2016.

ALVES, P. H. M.; MENDES, L. L. Levantamento de cenários de utilização de redes 5G

no Brasil. SBrT2015. Setembro 2015.

CHANDRAMOULI, D.; LIEBHART, R.; PIRSKANEN, J.. 5G for the Connected World.

IEEE, Junho 2019.

CHAGAS, L.; FILENE, E. R. Redes Definidas por Software. Disponível em

<https://www.gta.ufrj.br/ensino/eel879/trabalhos_vf_2018_2/sdn/>. Acesso em 18 de Agosto

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CISCO. Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update,

2017–2022 White Paper. Disponível em

<https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-

index-vni/white-paper-c11-738429.html> Acesso em 20 de Agosto de 2019.

COMSTOR. Tecnologia 5G e IoT: Como essas tendências se relacionam. Disponível em

<https://blogbrasil.comstor.com/tecnologia-5g-e-iot-como-essas-tendencias-se-relacionam>

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De MATTOS W. D.; GONDIM P. R. L. M. Health Solutions Using 5G Networks and

M2M Communications. IT Professional, IEEE, pag. 24-29, Junho 2016.

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