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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMUNICAÇÕES
BACHARELADO EM ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES
Trabalho de Conclusão de Curso:
Estudo preliminar para implementação da rede de acesso 5G no bairro de
Petrópolis em Natal/RN
Natal/RN
02 de Novembro de 2020
JÚLIA DA LUZ ANDRADE SILVA
ESTUDO PRELIMINAR PARA IMPLEMENTAÇÃO DA REDE DE ACESSO 5G NO
BAIRRO DE PETRÓPOLIS EM NATAL/RN
Trabalho de Conclusão de Curso na modalidade
Monografia, submetido ao Departamento de
Engenharia de Comunicações da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos
requisitos necessários para obtenção do título de
Bacharel em Engenharia de Telecomunicações.
Orientador: Prof. Dr. Fred Sizenando Rossiter
Pinheiro
Coorientador: Prof. Dr. Luiz Gonzaga Queiroz
Silveira Júnior
Natal/RN
02 de Novembro de 2020
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Silva, Julia da Luz Andrade.
Estudo preliminar para implementação da rede de acesso 5G no
bairro de Petrópolis em Natal/RN / Julia da Luz Andrade Silva. -
Natal, 2020.
31 f.: il.
Monografia (Graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia de
Telecomunicações, Natal, RN, 2020.
Orientador: Fred Sizenando Rossiter Pinheiro.
Coorientador: Luiz Gonzaga Queiroz Silveira Júnior.
1. Telecomunicações - 5G - Monografia. 2. Comunicações móveis
- Monografia. 3. Comunicações sem fio - Monografia. 4.
Microcélulas - Monografia. 5. Small cells - Monografia. 6. IMT-
2020 - Monografia. I. Pinheiro, Fred Sizenando Rossiter. II.
Silveira Júnior, Luiz Gonzaga Queiroz. III. Título.
RN/UF/BCZM CDU 621.39
Elaborado por FERNANDA DE MEDEIROS FERREIRA AQUINO - CRB-15/301
JÚLIA DA LUZ ANDRADE SILVA
ESTUDO PRELIMINAR PARA IMPLEMENTAÇÃO DA REDE DE ACESSO 5G NO
BAIRRO DE PETRÓPOLIS EM NATAL/RN.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Federal do Rio Grande do
Norte como parte dos requisitos para obtenção do título de Bacharel em Engenharia de
Telecomunicações
BANCA EXAMINADORA
______________________________________________________
Prof. Dr. Gutembergue Soares da Silva
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
______________________________________________________
Prof. Dr. Luiz Gonzaga Queiroz Silveira Júnior - Coorientador
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
________________________________________________________
Prof. Dr. Fred Sizenando Rossiter Pinheiro – Orientador
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
ESTUDO PRELIMINAR PARA IMPLEMENTAÇÃO DA REDE DE
ACESSO 5G NO BAIRRO DE PETRÓPOLIS EM NATAL/RN.
RESUMO
A quinta geração de tecnologia móvel (5G) está prevista para suportar diversos
cenários: eMBB (Enhanced mobile broadband), URLLC (Ultra-reliable and low latency
communications) e mMTC (Massive machine type communications) e, portanto, deve ser
flexível o suficiente para atender aos requisitos de conectividade de serviços existentes e
futuros para ser implementado com eficiência em um único bloco contínuo de espectro. Diante
da sua complexidade, os desafios para evolução e efetiva implementação da tecnologia 5G no
Brasil são diversos, os quais envolvem questões regulatórias e políticas, estímulo à inovação
tecnológica nacional em telecomunicações e a necessidade de ampliação e adequação da
infraestrutura de rede existente. Sendo assim, o estudo discutirá os possíveis desafios e
resultados de performance através da simulação, em MATLAB, do cenário hipotético de
implementação do 5G no bairro de Petrópolis, localizado na cidade do Natal/RN. Para isso, foi
considerada uma rede formada por 4 macrocélulas operando em 700 MHz e uma segunda rede
formada, além das mesmas 4 macrocélulas, de 39 microcélulas operando em 3.5 GHz. Sendo
então, comparados os resultados obtidos de cobertura, SINR e capacidade de ambas as redes,
destacando os desafios de transição da atual para a próxima geração de tecnologia móvel diante
da infraestrutura de rede de acesso sem fio já existente e reforçando, assim, a necessidade da
implementação da densa rede 5G formada por macrocélulas e microcélulas, merecendo
destaque o bom desempenho, principalmente em capacidade, por atingir em torno de 100 a 200
Mbps em quase toda a região.
Palavras-chave: 5G. IMT-2020. Comunicações móveis. Comunicações sem fio. Small cells.
Microcélulas. Rede 5G.
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
3G Terceira geração de tecnologia móvel
4G Quarta geração de tecnologia móvel
5G Quinta geração de tecnologia móvel
BS Estação base (do inglês, Base Station)
CI Close-in
DL Downlink
DSS Compartilhamento dinâmico de espectro (do inglês, Dynamic Spectrum
Sharing)
eMBB Banda larga móvel aprimorada (do inlgês, Enhanced mobile broadband)
IoT Internet das coisas (do inglês, Internet of Things)
ISD Distância entre células (do inglês, Inter-site distance)
ITU União Internacional de Telecomunicações (do inglês, International
Telecommunication Union)
LTE Long Term Evolution
M2M Máquina a máquina (do inglês, Machine-to-machine)
MIMO Multiple Input Multiple Output
mMTC Comunicações massivas do tipo máquina (do inglês, Massive machine type
communications)
mmWave Ondas milimétricas
MNO Operador de Redes Móveis (do inglês, Mobile Network Operator)
RF Radiofrequência
SINR Relação Sinal-interferência-mais-ruído
UL Uplink
URLLC Comunicações ultra confiáveis e de baixa latência (do ingles, Ultra-reliable and
low latency communications)
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Requisitos mínimos relacionados a desempenho técnico para IMT-2020. FONTE:
elaborado pela autora. .............................................................................................................. 10
Tabela 2 - Área, população e densidade demográfica do bairro de Petrópolis. FONTE:
SEMURB ................................................................................................................................. 13
Tabela 3 - Endereço das quatro BSs responsáveis pela cobertura do bairro de Petrópolis.
FONTE: ANATEL................................................................................................................... 18
Tabela 4 - Coordenadas das microcélulas distribuídas no bairro de Petrópolis. ..................... 19
Tabela 5 - Definição dos parâmetros da rede usados para a simulação. .................................. 20
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Curva do comportamento do espectro considerando os parâmetros e capacidade e
cobertura. FONTE: elaborado pela autora. .............................................................................. 11
Figura 2 – Principais passos para o desenvolvimento do trabalho. ......................................... 12
Figura 3 - Imagem do bairro de Petrópolis. FONTE: SEMURB ............................................. 13
Figura 4 - Visão parcial do Bairro Petrópolis, aparecendo o Colégio Atheneu, os inúmeros
edifícios residenciais e o Oceano Atlântico ao fundo. FONTE: SEMURB ............................ 14
Figura 5 - BS localizada na rua Desembargador Dionísio Figueira, em Petrópolis. ............... 15
Figura 6 - Cobertura outdoor a uma taxa de 64 Mbps. FONTE: (Wisely et al., 2018) ........... 16
Figura 7 - Cobertura outdoor a uma taxa de 100 Mbps. FONTE: (Wisely et al., 2018) ......... 16
Figura 8 - Aumento da capacidade outdoor. FONTE: (Wisely et al., 2018) ........................... 17
Figura 9 - Layout da rede 5G adotado no estudo. .................................................................... 17
Figura 10 - Mapa do bairro de Petrópolis e indicação da localização das quatro BSs
responsáveis pela cobertura da região. ..................................................................................... 18
Figura 11 – Indicação da localização das microcélulas distribuídas em Petrópolis. ............... 19
Figura 12 – Telas da ferramenta Site Viewer, no MATLAB. FONTE: MATLAB ................. 21
Figura 13 - Mapa de cobertura, considerando as BSs presentes atualmente no bairro de
Petrópolis. ................................................................................................................................ 22
Figura 14 - Mapa de cobertura, no bairro de Petrópolis, considerando uma rede hipotética
formada por macrocélulas e microcélulas. ............................................................................... 22
Figura 15 – Comparativo dos resultados obtidos de cobertura: a) Rede macro; b) Rede macro
e micro. .................................................................................................................................... 23
Figura 16 - Mapa de SINR, considerando as BSs presentes atualmente no bairro de Petrópolis.
.................................................................................................................................................. 23
Figura 17 - Mapa de SINR no bairro de Petrópolis, considerando uma rede hipotética formada
por macrocélulas e microcélulas. ............................................................................................. 24
Figura 18 - Comparativo dos resultados obtidos de SINR: a) Rede macro; b) Rede macro e
micro. ....................................................................................................................................... 24
Figura 19 - Mapa de capacidade da rede, considerando as BSs presentes atualmente no bairro
de Petrópolis............................................................................................................................. 25
Figura 20 - Mapa de capacidade da rede no bairro de Petrópolis, considerando uma rede
hipotética formada por macrocélulas e microcélulas. .............................................................. 25
Figura 21 - Comparativo dos resultados obtidos de capacidade: a) Rede macro; b) Rede macro
e micro ..................................................................................................................................... 26
Figura 22 - Poste elétrico localizado na esquina da Av. Afonso Pena com a Rua Potengi, em
Petrópolis. ................................................................................................................................ 28
Figura 23 – Microcélula 5G implantada em poste elétrico, localizando na Córeia do Sul. ..... 29
SUMÁRIO
I. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 9
II. METODOLOGIA ......................................................................................................... 11
Caracterização da Região Estudada ..................................................................................... 12
Caracterização da Rede 5G .................................................................................................. 15
Simulação ............................................................................................................................. 21
III. RESULTADOS............................................................................................................. 21
IV. DISCUSSÕES............................................................................................................... 26
V. CONCLUSÃO .............................................................................................................. 29
VI. REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 30
9
I. INTRODUÇÃO
Atualmente, o mundo está presenciando uma grande evolução e popularização dos
serviços e das tecnologias de telecomunicações, sobretudo, no campo das comunicações sem fio.
A Cisco (Forecast, 2019) estimou que o tráfego mobile global atingirá 1 zettabyte ao final de
2022, o que significa 1 trilhão de gigabytes em dados circulando pela rede. Segundo esse estudo,
o tráfego móvel cresceu 17 vezes nos últimos cinco anos, e as projeções são de que esse tipo de
navegação será responsável por 20% do tráfego em 2022, contra 5% em 2010. A Cisco (Forecast,
2019) prevê também que quase 79% do tráfego de dados móveis do mundo será de vídeo em
2022. Esse crescimento de dados ao longo dos últimos anos, representado principalmente por
vídeo, inviabiliza a utilização dos sistemas atuais (3G e 4G), pois não suportariam tal demanda
de dados. Consequentemente, há uma necessidade de se desenvolver uma nova geração para as
redes de comunicações sem fio (MACCARTNEY e RAPPAPORT, 2017).
Nesse contexto, a quinta geração de tecnologia móvel (5G) promete revolucionar a
sociedade de maneira sem precedentes, principalmente devido à popularização de conceitos
como Internet das Coisas (IoT) e Machine-to-Machine (M2M). Além disso, os usuários tornam-
se cada vez mais exigentes em relação ao nível de conectividade, latência e velocidade em
serviços como streaming, compartilhamento de imagens e vídeos, os quais não suportam falhas,
interrupção ou ausência de sinal. Como mostra Shafi at al. (2017), os padrões de uso de 5G (IMT-
2020) estão previstos para suportar diversos cenários:
● Banda larga móvel aprimorada (Enhanced mobile broadband - eMBB): este cenário de
uso atenderá à crescente demanda por maiores velocidades de dados e maiores volumes
de dados móveis, o qual cobre uma variedade de casos, incluindo cobertura de área ampla
e hotspots. Para o caso de área ampla, é desejável uma cobertura contínua e alta
mobilidade, com taxas de dados do usuário muito melhores em comparação com as
oferecidas atualmente, na ordem do Gbps. Para hotspots, é necessário um suporte de alta
densidade de usuários e elevada capacidade de tráfego, mas o requisito para a mobilidade
ocorre apenas na velocidade de pedestres.
● Comunicações ultra confiáveis e de baixa latência (Ultra-reliable and low latency
communications - URLLC): aqui, temos requisitos rigorosos de confiabilidade, latência
e disponibilidade. Alguns exemplos são aplicativos de internet tátil, sistemas de
transporte inteligentes, segurança de transporte, cirurgia médica remota, redes
10
inteligentes, proteção pública, controle sem fio de manufatura industrial, etc.
● Comunicações massivas do tipo máquina (Massive machine type communications -
mMTC): esse cenário suporta um grande número de dispositivos IoT, que são apenas
ativados esporadicamente e necessitam enviar pequenos pacotes de dados. Então,
sabemos que uma implantação de mMTC pode consistir em um número muito grande de
dispositivos com um volume relativamente baixo (ou relativamente alto) de dados não
sensíveis a atrasos.
Os requisitos mínimos de desempenho para 5G foram definidos pelo ITU (2017) e os
valores são fornecidos na Tabela 1, juntamente com o caso de uso para o qual eles são relevantes.
Tabela 1 - Requisitos mínimos relacionados a desempenho técnico para IMT-2020. FONTE:
elaborado pela autora.
A capacidade e a taxa de transmissão de uma rede de telecomunicações são associadas à
frequência da portadora a ser modulada, em que o aumento na frequência da portadora (e
consequente aumento da largura de banda disponível) acarreta em uma expansão de capacidade
da rede. Contudo, grandes desafios técnicos para a geração, transmissão, propagação e recepção
do sinal de RF podem surgir com esse aumento (S Jr, 2018). A banda de ondas milimétricas
(mmWave) é capaz de transportar a grande quantidade de dados que é exigida pelo 5G, mas são
facilmente bloqueadas por obstruções, portanto, não conseguem atingir grandes distâncias, ver
11
Figura 1.
Figura 1 - Curva do comportamento do espectro considerando os parâmetros e capacidade e
cobertura. FONTE: elaborado pela autora.
Além disso, nas redes 5G, as antenas massive MIMO serão integradas à BS (Base
Station), onde centenas de antenas são utilizadas para transmitir tráfego sem fio a nível dos Gbits.
Quando a potência de transmissão da BS 5G é restringida ao mesmo nível da potência de
transmissão da BS 4G, cada potência de transmissão da antena da BS 5G deve ser diminuída 10-
20 vezes em comparação com a potência de transmissão de cada antena na BS 4G. Como
consequência, o raio da BS 5G deve ser diminuído, considerando a redução da potência de
transmissão em todas as antenas (GE, 2016).
Motivadas pelas tecnologias de comunicação citadas acima (massive MIMO e mmWave),
as redes de microcélulas (small cells) foram apresentadas para as redes celulares 5G. Para
satisfazer a cobertura contínua, é esperado que a densidade de BS seja em torno de dezenas e até
centenas por km² e, portanto, a futura rede celular 5G é considerada uma rede celular ultradensa.
Os desafios para evolução e efetiva implementação da tecnologia 5G no Brasil são
diversos, indo desde questões regulatórias e políticas, passando pelo necessário estímulo à
inovação tecnológica nacional em telecomunicações e chegando naturalmente à necessidade de
ampliação e adequação da infraestrutura de rede existente. Focando nas necessidades de
adequação da infraestrutura na rede de acesso rádio é que foi desenvolvido o presente trabalho,
tomando como base a estrutura da rede de acesso sem fio na cidade do Natal, no Rio Grande do
Norte.
II. METODOLOGIA
A metodologia de pesquisa para realização foi um estudo de caso sendo caracterizado
pela simulação da implantação de uma rede 5G no bairro de Petrópolis, localizado em Natal/RN,
12
para discutir os possíveis desafios de adequação e resultados de performance na transição da
atual para a próxima geração de tecnologia móvel diante da infraestrutura de rede de acesso sem
fio já existente. Com a simulação será possível observar os resultados de cobertura, SINR e
capacidade da rede, comparando a estrutura de rede atual (formada somente por macrocélulas) e
a estrutura densa da rede 5G (formada por macrocélulas e microcélulas). Sendo assim, o
desenvolvimento do estudo pode ser dividido em 3 fases, como mostra a Figura 2 e é descrito no
decorrer do trabalho.
Figura 2 – Principais passos para o desenvolvimento do trabalho.
Caracterização da Região Estudada
Petrópolis é um bairro nobre localizado na Zona Leste da cidade de Natal, ver Figura 3,
o qual concentra uma das maiores rendas médias da cidade. Por esse motivo, os primeiros
usuários do 5G na cidade podem estar nessa região. A Tabela 2 mostra mais informações sobre
o bairro.
13
Figura 3 - Imagem do bairro de Petrópolis. FONTE: SEMURB
Tabela 2 - Área, população e densidade demográfica do bairro de Petrópolis. FONTE:
SEMURB
*Conforme estimativa da população do Rio Grande do Norte (IBGE, 2017).
Petrópolis se caracteriza por uma alta densidade de edifícios predominantemente
residenciais e ruas medianamente arborizadas, ver Figura 4. Duas das principais avenidas da
cidade (Prudente de Morais e Hermes da Fonseca) cruzam o bairro, no qual se localizam unidades
importantes como: a Maternidade Januário Cicco, o Hospital Universitário Onofre Lopes, o
Hospital Municipal, Hospital Infantil Varela Santiago, Faculdade de Medicina da UFRN,
Faculdade UNP, faculdade FACEX, Mercado de Petrópolis, colégios tradicionais como o
Atheneu e o Maria Auxiliadora, diversas boutiques e clínicas, além das praças Pedro Velho e das
Flores.
14
Figura 4 - Visão parcial do Bairro Petrópolis, aparecendo o Colégio Atheneu, os inúmeros
edifícios residenciais e o Oceano Atlântico ao fundo. FONTE: SEMURB
A Av. Getúlio Vargas fica num patamar um pouco mais elevado de altitude, região
antigamente denominada “Monte Petrópolis”, com esplêndido visual para as praias do Meio, do
Forte e Areia Preta, os edifícios mais luxuosos da cidade lá estão localizados, juntamente com o
Tribunal de Contas do estado.
Em Petrópolis, as Operadoras de celular instalaram suas estações predominantemente em
topos de edifícios, ver Figura 5. O ambiente de perda de propagação, em boa parte do bairro, se
enquadra, na situação descrita feita por Bertoni (2000): “Por causa da perda significativa na
passagem através dos obstáculos, a propagação ocorre predominantemente com muitos trajetos
envolvendo difração”.
15
Figura 5 - BS localizada na rua Desembargador Dionísio Figueira, em Petrópolis.
Caracterização da Rede 5G
A transição celular para o 5G ainda apresenta incertezas de ordem tecnológica,
econômica e até comportamental, pois as estratégias de implementação de MNOs (Mobile
Network Operator) e a demanda do consumidor por serviços 5G são desconhecidas. Sendo
assim, a abordagem adotada consiste em tomar como base as características de LTE e LTE-
Advanced e incluir as bandas de frequência identificadas que podem ser usadas para implantação
do 5G, já que esse padrão ainda não é bem definido no país. Portanto, a estratégia é integrar o
espectro de 700 e 3500 MHz para atuar na cobertura outdoor, uma vez que essas serão possíveis
novas bandas de frequência disponíveis para MNOs no Brasil.
Segundo Wisely et al. (2018), redes de 3.5 GHz com cobertura sobreposta de 700 MHz
podem oferecer cobertura de 100 Mbps que suportam serviços de latência ultrabaixa. Em seu
estudo, no bairro de Londres chamado “Marylebone”, o qual tem uma densidade populacional
residente de 11.500 hab/km² e que alcança (aproximadamente) 20.000 hab/km² em um dia útil
(equivalente a 5.000 usuários por operadora), foi demonstrado que 64-100 Mbps podem ser
fornecidos em uma parte significativa de um ambiente urbano denso usando mmWave. A
tecnologia de 3.5 GHz, com largura de banda equivalente a 100 MHz, pode fornecer cobertura
outdoor a 100 Mbps, ver figura 7, e consegue fornecer uma cobertura de 66% a 64 Mbps (a
cobertura é 100% a 32 Mbps), ver figura 6. Foi observado também que 700 MHz pode fornecer
quase 100% de cobertura com taxas de dados mais baixas (normalmente 30 Mbps).
16
Figura 6 - Cobertura outdoor a uma taxa de 64 Mbps. FONTE: (Wisely et al., 2018)
Figura 7 - Cobertura outdoor a uma taxa de 100 Mbps. FONTE: (Wisely et al., 2018)
O estudo de Wisely et al. (2018) comprovou também que macrocélulas de 700 MHz não
fornecem algo significativo como capacidade (devido à largura de banda muito limitada).
Densidades de 32/km², a capacidade é calculada em 0,83 Gbps/km². O estudo demonstra também
que microcélulas de 3.5 GHz podem fornecer uma capacidade total de 30 Gbps/km² de
capacidade com uma densidade de microcélulas de 256/km², ver Figura 8. Demonstrando assim,
a eficiência de uma rede mista.
17
Figura 8 - Aumento da capacidade outdoor. FONTE: (Wisely et al., 2018)
Para a simulação no bairro de Petrópolis foi considerada, portanto, a arquitetura de rede
outdoor proposta por Wisely et al. (2018), como mostra a Figura 9, a qual macrocélulas de 700
MHz fornecem cobertura e sinalização, enquanto as microcélulas de 3.5 GHz desempenham a
função de pontos de acesso para atender usuários com alta demanda de taxa de dados.
Para o dimensionamento da rede, diante da realidade do nosso estudo de caso, o número
de macrocélulas será equivalente ao número de BSs já existentes atualmente, diante do que
representa uma opção econômica de densidade de macrocélulas urbanas. Há muito pouca
perspectiva de novas macrocélulas urbanas já que estão cada vez mais caras e não fornecerão
ganhos de capacidade que as small cells proporcionarão. Já as microcélulas, serão implantadas
em postes elétricos e distribuídas com um ISD (Inter-Site Distance) correspondente a 200 metros
(SUN et al., 2016).
Figura 9 - Layout da rede 5G adotado no estudo. FONTE: ilustração de (Busari, 2018) e
modificada pela autora.
18
Foi necessário escolher uma das MNOs que operam na região para identificar as BSs
atuando na cobertura do bairro atualmente. Feito isso, foram localizadas 4 sites LTE atuais na
região, como mostra a Figura 10, e seus endereços são especificados na Tabela 3.
Figura 10 - Mapa do bairro de Petrópolis e indicação da localização das quatro BSs
responsáveis pela cobertura da região.
Tabela 3 - Endereço das quatro BSs responsáveis pela cobertura do bairro de Petrópolis.
FONTE: ANATEL
Quanto a distribuição das microcélulas, foram necessárias 39 microcélulas a um ISD
equivalente a 200 metros para cobrir o bairro, implantadas em postes elétricos. Sendo assim, foi
necessário o auxílio do Google Earth para identificar os pontos onde haviam a presença de postes
19
e para respeitar a distância definida entre as células. A Figura 11 indica as localizações das
microcélulas distribuídas no bairro e a Tabela 4 mostra as localizações em coordenadas.
Figura 11 – Indicação da localização das microcélulas distribuídas em Petrópolis.
Tabela 4 - Coordenadas das microcélulas distribuídas no bairro de Petrópolis.
As medições de nível de potência recebida e SINR são baseadas no modelo de
20
propagação Longley-Rice ou modelo de terreno irregular (Irregular Terrain Model), como
também é conhecido, para 700 MHz. Esse modelo toma como base dados coletados na faixa de
frequência entre 40 MHz a 100 GHz e é usado para calcular a perda de caminho ponto a ponto
entre locais em um terreno irregular, incluindo edifícios. A perda de caminho é calculada a partir
da perda de espaço livre, difração do terreno, reflexão do solo, refração por meio da atmosfera,
dispersão troposférica e absorção atmosférica (Hufford, 1982). Já para 3.5 GHz, foi considerado
o modelo Close-In, o qual é usado para frequências na ordem dos GHz e implementa um modelo
estatístico de perda de caminho que pode ser configurado para diferentes cenários. Como o 5G
prevê células de tamanhos menores, as antenas das estações tendem a estar mais próximas de
obstruções e, portanto, a distância de referência do modelo CI é sugerida como 1 metro por
padrão (SUN et al., 2016).
Além disso, foi determinada uma largura de banda de 20 MHz para 700 MHz e largura
de banda de 100 MHz para 3.5 GHz. As antenas de ambos os tipos de células foram definidas
como setorizadas e diretivas, com arranjos MIMO de 8x8 e 4x4 para macrocélulas e
microcélulas, respectivamente. Os demais parâmetros de rede foram definidos como em (Busari,
2018) e são apresentados na Tabela 5.
Tabela 5 - Definição dos parâmetros da rede usados para a simulação.
21
Simulação
A simulação foi realizada no software MATLAB®️. Esse software é uma ferramenta
interessante para auxiliar na modelagem de problemas de telecomunicações pois integra análise
numérica, cálculo com matrizes, processamento de sinais e construção de gráficos em um
ambiente simplificado onde problemas e soluções, ao oposto da programação tradicional, são
expressos somente como eles são representados matematicamente. Dentre a grande diversidade
de ferramentas disponível no software, para o presente estudo foi utilizado o Site Viewer. A
ferramenta permite criar transmissores e receptores, posicioná-los em qualquer lugar do mapa e,
assim, realizar diversas simulações envolvendo propagação, apresentando resultados visuais,
como em mapa de cores, ver Figura 12.
Figura 12 – Telas da ferramenta Site Viewer, no MATLAB. FONTE: MATLAB
III. RESULTADOS
A seguir serão apresentados os resultados obtidos na simulação em MATLAB®️, através
de mapa de cores. As antenas são representadas no mapa pelas marcações em vermelho. Nota-
se que foi levado em consideração as projeções dos edifícios presentes no bairro, cedido pelo
OpenStreetMap, que por sua vez, também são representados no mapa. A Figura 13 e a Figura 14
demonstra a potência recebida em cada ponto para a rede atual formada somente por
macrocélulas e para uma rede hipotética formada por macrocélulas e microcélulas,
respectivamente. Os resultados demonstram que em ambos os cenários, a potência recebida em
toda região varia entre -50 a -20 dBm, como indica a Figura 15.
22
Figura 13 - Mapa de cobertura, considerando as BSs presentes atualmente no bairro de
Petrópolis.
Figura 14 - Mapa de cobertura, no bairro de Petrópolis, considerando uma rede hipotética
formada por macrocélulas e microcélulas.
23
Figura 15 – Comparativo dos resultados obtidos de cobertura: a) Rede macro; b) Rede macro e
micro.
Nesse segundo momento, a simulação ocorre considerando a medição de SINR para uma
rede com macrocélulas e uma rede com macrocélulas e microcélulas, como mostra a Figura 16
e a Figura 17, respectivamente. As figuras mostram que, ao incluir as microcélulas na rede, houve
algumas pequenas melhoras de SINR principalmente nas áreas próximas as microcélulas, onde
antes apresentavam valores abaixo de 0 dB, ver Figura 18.
Figura 16 - Mapa de SINR, considerando as BSs presentes atualmente no bairro de Petrópolis.
24
Figura 17 - Mapa de SINR no bairro de Petrópolis, considerando uma rede hipotética formada
por macrocélulas e microcélulas.
Figura 18 - Comparativo dos resultados obtidos de SINR: a) Rede macro; b) Rede macro e
micro.
Por fim, foram obtidos os resultados considerando os níveis de capacidade da rede
somente com macrocélulas e com macrocélulas e microcélulas, como podemos observar na
Figura 19 e Figura 20, respectivamente. Os níveis de capacidade da rede que variava de 11 a 322
Mbps e na maior parte da área predominava taxas de até 70 Mbps, com a implementação das
microcélulas, passa a atingir em torno de 100 a 200 Mbps predominantemente e chega a atingir
uma capacidade máxima de 945 Mbps, como demonstra a Figura 21.
25
Figura 19 - Mapa de capacidade da rede, considerando as BSs presentes atualmente no bairro
de Petrópolis.
Figura 20 - Mapa de capacidade da rede no bairro de Petrópolis, considerando uma rede
hipotética formada por macrocélulas e microcélulas.
26
Figura 21 - Comparativo dos resultados obtidos de capacidade: a) Rede macro; b) Rede macro
e micro
IV. DISCUSSÕES
Atualmente, algumas operadoras de rede móvel brasileiras estão realizando testes de
implementação do 5G, mas o serviço ainda é bem limitado. Isso porque o país ainda se prepara
para o leilão do espaço do espectro exclusivo da rede, que deve ocorrer em 2021. Ainda assim,
tudo está encaminhando para que inicialmente a rede funcione por meio de DSS
(compartilhamento dinâmico de espectro), compartilhando as faixas de frequência dos sistemas
3G e 4G, o que implica em uma velocidade menor do que o prometido pelo 5G (Trindade, 2020).
Como Oughton (2018) afirma, as estratégias de espectro podem ter um bom desempenho na
maioria dos cenários até 2025 e, portanto, terão um papel importante no atendimento da demanda
a curto prazo. No entanto, para altas demandas, essa técnica de compartilhamento de espectro se
torna ineficiente. Isso contrasta com a implantação de small cells, que proporciona enormes
aumentos de capacidade. Apesar do custo de implementação ser mais elevado, a capacidade das
redes de telecomunicações deve atender a demanda exigida, o que significa que é altamente
provável que as prestadoras desse serviço investirão nas implantações de microcélulas 5G em
locais urbanos e suburbano o quanto antes.
A escolha das duas bandas de frequência em estudo para expansão de capacidade das
redes 4G atuais para redes 5G, 700 e 3500 MHz, se justifica pelo aproveitamento das
características de propagação que a banda de 700 MHz, com seu grande potencial em expandir
a área de cobertura atual. E embora 3.5 GHz tenha características de propagação mais pobres, a
banda fornece maior largura de banda, permitindo capacidade adicional, especialmente se
combinada com implantações de microcélulas. Como já foi mostrado, Wisely et al. (2018)
27
comprovou a eficiência de uma rede mista que faz uso das macrocélulas e microcélulas nessas
bandas para o 5G. Analisando os resultados da simulação realizada, é notável que a implantação
das microcélulas nessa faixa de frequência não apresenta grande performance no quesito
cobertura, reforçando assim a necessidade do desempenho coexistente das macrocélulas na
banda de 700 MHz. Shafi et al. (2017) mostra também que implementações de alta densidade de
microcélulas pode descarregar o tráfego de plano do usuário, mas ainda assim, é necessário a
atuação das macrocélulas na cobertura (na banda de microondas) para transportar o tráfego de
plano de controle.
Sabe-se, ainda, que o aumento da densidade celular também pode resultar no aumento de
interferências celulares que, por sua vez, afetarão quaisquer ganhos de capacidade. Isso pode
estar diretamente ligado a escolha do ISD das small cells, o qual não deve ser tão pequeno a
ponto de gerar alta interferência a rede e nem tão grande que ultrapasse o raio de alcance da
célula. No entanto, na simulação é visto que a variação dos níveis de SINR não parecem ser tão
significante com a inclusão das macrocélulas a um ISD equivalente a 200 metros. Isso se dá
também pelo fato dos arranjos de antenas 5G possuir largura de feixe muito mais estreita do que
as antenas setoriais existentes e, por isso, os níveis de interferência podem ser reduzidos. Além
disso, há técnicas de mitigação de interferência (Shafi et al., 2017), que estão em uso em sistemas
IMT-Advanced, as quais combatem interferência de outra célula e, portanto, contribuem para a
melhoria da eficiência do espectro, especialmente para as taxas de borda da célula.
De acordo com a simulação, os níveis de capacidade da rede foram altamente favorecidos
com a implantação das microcélulas, os quais caracterizam-se por atingir em torno de 100 a 200
Mbps na maior parte da área e chega a atingir uma capacidade máxima de quase 1 Gbps. O
resultado era esperado pois, como já foi dito, a expansão de capacidade da rede é dada pelo
aumento da largura de banda.
Quanto a regulamentação, a Lei Geral das Antenas dispensa licenças para infraestruturas
de pequeno porte, como microcélulas, o que deve facilitar a construção das redes 5G. É
interessante destacar aqui também que a Lei das Antenas foi regulamentada recentemente após
Decreto nº 10.480, de 1º de Setembro de 2020, e essa mudança regulatória oficializa o princípio
do silêncio positivo, que dá autorização automática para instalação de infraestrutura de
telecomunicações em até 60 dias caso não haja manifestação por parte de órgãos ou entidades
municipais. Sendo assim, operadoras ficam liberadas para instalar novas antenas caso o pedido
de autorização siga em conformidade com a legislação e com as condições do requerimento
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apresentado. Esse é um ponto positivo para a nossa cidade em estudo, isso porque no ranking
Cidades Amigas da Internet do SindiTelebrasil - sindicato que representa as operadoras como
Claro, Oi, TIM e Vivo - onde aponta os municípios com melhores condições regulatórias para
que empresas de telefonia móvel ofereçam conectividade para a população, a cidade do Natal
aparece na 20ª colocação, considerando o ranking das capitais. Espera-se, então, acelerar o
processo do licenciamento para infraestrutura.
Assim como grande parte das áreas urbanas do Brasil, a cidade do Natal enfrenta um dos
principais problemas que causam poluição visual e problemas de queda de serviço: a quantidade
de cabos de telecomunicações nos postes elétricos, como mostra a Figura 22. Com a chegada do
5G, os postes também serão utilizados para suportar antenas e, portanto, a infraestrutura de postes
está diretamente relacionada à expansão das redes de telecomunicações, ver Figura 23. Sendo
assim, é essencial que ocorra a revisão das normas técnicas para facilitar a organização dos cabos
nos postes, no sentido de racionalizar o uso e o acesso a eles.
Figura 22 - Poste elétrico localizado na esquina da Av. Afonso Pena com a Rua Potengi, em
Petrópolis.
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Figura 23 – Microcélula 5G implantada em poste elétrico, localizando na Córeia do Sul.
Desse modo, a evolução e efetiva implementação da tecnologia 5G, não só a cidade do Natal,
mas como o Brasil enfrenta dois principais desafios: a distribuição do espectro para que as
empresas possam operar e o acesso à infraestrutura. Enquanto esses critérios não são
esclarecidos, o 5G vem sendo efetivado por meio do DSS.
V. CONCLUSÃO
A análise realizada sob o bairro de Petrópolis em Natal/RN demonstra a alta densidade de
BSs característica da rede 5G. A rede sugerida, representada por 39 microcélulas operando em
3.5 GHz e 4 macrocélulas operando em 700 MHz, apresentou bom desempenho para atender o
bairro de Petrópolis, em quesitos de cobertura, SINR e, principalmente, capacidade. Capacidade
essa que se caracteriza por atingir em torno de 100 a 200 Mbps em quase toda a região do bairro
e chega a alcançar uma capacidade máxima de quase 1 Gbps em regiões pontuais. Diante dos
resultados, foi reforçado a importância do desempenho simultâneo das duas bandas, em que a
banda de 700 MHz fornece a cobertura e a sinalização da rede e a banda de 3.5 GHz desempenha
a função de ponto de acesso para atender aqueles usuários que demandam alta taxa de dados.
Foi discutido também que, com o objetivo de agilizar e facilitar a instalação de infraestrutura
para telecomunicações, a Lei das Antenas foi regulamentada recentemente após Decreto nº
10.480, de 1º de Setembro de 2020, oficializando o princípio do silêncio positivo, que estabelece
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um prazo para que órgãos ou entidades municipais respondam aos pedidos de autorização para
instalação dos equipamentos, permitindo que a antena seja instalada mesmo sem o sinal verde
do município, decorrido o prazo. Contudo, não só na cidade do Natal, mas como no Brasil, a
concretização do 5G enfrenta dois principais desafios: a distribuição do espectro para que as
empresas possam operar e o acesso à infraestrutura, o que pode atrasar sua efetiva implementação
mas, enquanto isso, o país adiantará a sua execução por meio do DSS, compartilhando as faixas
de frequência com os sistemas atuais, o que atenderá a demanda a curto prazo. No entanto, para
altas demandas, essa técnica se torna ineficiente. Sendo, nesse contexto, necessária a implantação
de microcélulas.
Com a importância do estudo, sugere-se, como trabalhos futuros, aplicá-lo para os demais
bairros na cidade do Natal/RN. Além disso, pode ser possível expandir o trabalho dimensionando
a rede backhaul e, assim, possibilitando realizar previsões de custos de expansão da rede.
VI. REFERÊNCIAS
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2000.
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compartilhamento da infraestrutura de telecomunicações e altera as Leis n º 9.472, de 16 de julho
de 1997, 11.934, de 5 de maio de 2009, e 10.257, de 10 de julho de 2001. Diário Oficial da
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