Sumário
Modelos de Deployment: 5G NSA e SA
Ao contrário das gerações anteriores de 3GPP, que exigem a implantação de uma rede de acesso de rádio (RAN) e de rede de Core da mesma geração, o 5G oferece a capacidade de integrar elementos de diferentes gerações em diferentes configurações. Por exemplo, no 4G a rede de acesso E-UTRAN depende da rede core EPC para disponibilidade do serviço LTE.
Por isso, uma rede 5G pode ser implantada em duas formas:
- StandAlone (SA): usando apenas uma tecnologia de acesso por rádio.
- Non-Standalone(NSA): combinando múltiplas tecnologias de acesso por rádio.
De acordo com a arquitetura escolhida (NSA ou SA), o 3GPP define 5 opções de deployment (Options: 2, 3, 4, 5, 7). A figura abaixo ilustra os modelos.
5G Standalone (SA)
No 5G Standalone (SA) a rede é independente da rede 4G, o que pode ser bom para implantações da rede 5G em locais que não possuem qualquer tipo de solução de redes móveis (projetos greenfield). Além disso, o rádio 5G (composto por gNBs ou ng-eNBs) opera de forma “independente” na rede de acesso (NG RAN) que é responsável por conectar o UE ao 5G NGC. Isso significa que o tráfego de control-plane 5G e do user-plane é processado nas estações de rádio 5G (gNBs ou ng-eNBs). As opções de arquitetura para o 5G SA são: Option 2 e Option 5.
5G Non-Standalone (NSA)
Já no 5G Non-Standalone, as gNBs 5G possuem uma interface de conexão com as eNBs LTE para troca de informações de controle ou dados do usuário (através das interfaces X). Nesse modo os dispositivos 5G NSA operam em dual connectivity o que permite que eles consumam recursos de rádio fornecidos pelos dois nós de acesso rádio (gNB e eNB). A rede Core pode ser EPC ou NGC, dependendo da escolha do modelo de arquitetura escolhido. As opções de arquitetura para o 5G NSA são: Option 3, Option 4 e Option 7.
As redes NSA permitem que as operadoras aproveitarem suas implantações 4G existentes, combinando recursos LTE e NR. No caso da Option 3 – que não requer um Core NGC – isto permite que novas capacidades 5G sejam adicionadas a rede, ao mesmo tempo que distribui o custo de capital da construção de uma RAN 5G ao longo do tempo. Por este motivo, as operadoras que já possuem uma rede LTE pronta optam por começar por esse modelo de deployment, uma vez que é necessário somente a instalação de novas gNBs e instação de algumas features no Core 4G EPC. Isso permite que a tecnologia 5G seja oferecida aos assinantes (não em sua totalidade) e, de certa forma, permite liberação dos recursos de espectro 4G. Assim que o core 5G (NGC) e a cobertura 5G estiver amplamente disponível, a operadora pode migrar para o 5G SA, que é a solução preferida, por ser mais simples, de maior desempenho e por oferecer todas as features (eMBB, URLLC, mMTC).
NSA vs SA: Principais Diferenças
Em um cenário Standalone (SA), a rede 5G é independente da rede 4G, o que facilita a instalação inicial e a avaliação do desempenho da rede 5G. Além disso, o rádio 5G (composto por gNBs ou ng-eNBs) opera de forma ‘Standalone’ no NG RAN e conecta o UE ao 5G NGC. Isso significa que o control-plane e o user-plane de usuário são processados nas estações base do rádio 5G (gNBs ou ng-eNBs).
Em um cenário Non-standalone(NSA), as gNBs são combinados com os eNBs LTE usando mecanismos de dual connectivity, que permitem que um UE consuma recursos de rádio fornecidos pelos dois nós de acesso rádio (gNB e eNB). Os dois nós cooperam entre si para suportar uma variedade de serviços. A rede core pode ser EPC (Option 3) ou NGC (Option 4 ou 7), dependendo da escolha do operador. A solução non-standalone ajuda os operadores a aproveitarem suas implantações 4G existentes, combinando os recursos LTE e NR.
A tabela abaixo é um resumo básico das principais diferenças entre os modelos de Arquitetura NSA e SA.
| Standalone (SA) | Non-standalone (NSA) | |
|---|---|---|
| RAN 5G | Usadas diretamente pelo dispositivo 5G | Usadas em combinação com LTE eNBs |
| Core | Núcleo 5G (NGC) | Núcleo 4G (EPC) ou Núcleo 5G(NGC) |
| Perspectiva da operadora | Solução simples, de alto desempenho | Aproveita implantações 4G existentes |
Assim, para as opções NSA 3, 4 e 7 – que requerem o alinhamento com a rede LTE existente – as bandas sub-6GHz são recomendadas para a implantação do 5G nas regiões de interesse. Por outro lado, a implantação do 5G SA a Opção 2 é livre para configurar a rede 5G. Por exemplo, as banda médias (FR1) podem ser utilizadas para ampla cobertura enquanto as mmWave (FR2) podem ser utilizadas para locais de alta densidade de dispositivos com requerimento elevados de banda (throughput).
É importante ressaltar que a Opção 3 do NSA oferece apenas um dos recursos do 5G, o eMBB, que visa proporcionar taxas de throughput mais elevadas, pois há conexão apenas com o Core 4G EPC. Embora as Opções 4 e 7 se enquadrem na categoria NSA conforme definido pelo 3GPP, é razoável considerá-las como SA, pois podem fornecer serviços específicos do 5G (URLLC, mMTC) e estão conectadas ao Core 5G (NGC).
Cobertura
Quanto maior a frequência menor se torna a área de cobertura devido à maior atenuação do sinal de rádio.
Portanto, os sistemas NR que utilizam bandas médias ou banda mais altas fornecem uma cobertura menor do se comparado aos sistemas LTE que utilizam bandas baixas ou banda médias.
De uma perspectiva de transmissão de dados de uplink, na arquitetura SA, os dados de uplink só podem ser transferidos através do canal de dados de uplink da gNB (NR), portanto, a cobertura de dados de uplink de SA é limitada pela cobertura da rede 5G. Por outro lado, na arquitetura NSA, a transmissão de dados do uplink pode ser realizada pelo 5G NR ou 4G LTE, sendo selecionado dinamicamente entre NR e LTE dependendo da escolha do provedor de serviço (através da função de uplink path switching). Sem o uplink path switching, o NSA e o SA são iguais em termos de cobertura. No entanto, a cobertura do SA será menor do que a do NSA se o path switching de uplink estiver aplicado a rede 5G NSA.
Contudo, algumas técnicas para melhoria da cobertura como o carrier aggregation ou cross carrier com banda baixa, podem servir para compensar a degradação da cobertura mencionada acima no caso do 5G SA. A cobertura das frequências FR2 são muito menores que FR1 SA e LTE, portanto, a técnica de NR-DC (NR Dual Connectivity) FR1-FR2 utilizando a FR1 como âncora pode ser utilizada para fornecer maior cobertura de sinalização no 5G SA Option 2.
Latência
A latência do procedimento de idle-to-active no NSA é maior do que no SA. As diferentes latências resultam das diferenças de sinalização na arquitetura. No NSA, para a transição do estado de idle para active, o dispositivo primeiro realiza um procedimento de idle-to-active na rede LTE, que serve como o Master Node (MN). Uma vez conectado, o dispositivo se conecta ao NR através do procedimento de adição do Secondary Node (SN).
Por outro lado, no caso de um dispositivo 5G SA ele se conecta ao NR sem os procedimentos de sinalização adicionais durante o procedimento de idle-to-active. Se a feature de RRC inactive state for aplicada à rede NR SA, a latência pode ser bastante reduzida ao evitar a sinalização adicional com o 5GC, realizando o procedimento de inactive-to-active. A latência também pode ser considerada em termos de tempo de interrupção de handover. O handover no NSA necessita tanto do handover LTE quanto da mudança de célula do 5G NR com ou sem a mudança do Secondary Node (SN). Por outro lado, o handover no SA requer apenas a mudança de célula NR. Como resultado, o tempo de interrupção de handover no NSA pode chegar quase ao dobro do SA.
4G-5G Interworking
Caso o provedor de serviços possua uma rede 4G já instalada, para fornecer um serviço contínuo aos assinantes, a rede 5G precisa de interagir com a rede LTE existente. Pensando nesse caso, o 3GPP desenvolveu duas soluções para interoperabilidade entre 4G-5G: no nível da rede de acesso de rádio (nível RAN) e no nível da rede Core (nível CN).
A interoperabilidade no nível da rede de acesso (RAN) é utilizada em redes do tipo Non-Standalone (NSA) onde o 5G NR não pode ser usado sem o 4G LTE. A interoperabilidade em nível de rede Core – através da interface N26 – é utilizadaa em deployments StandAlone(SA) onde 5G NR pode ser usado sem rádio LTE. No caso da Interoperabilidade a nível RAN, tanto o 4G EPC quanto 5G NGC podem ser usados como rede principal (âncora).
Dependendo da rede principal utilizada, diferentes opções de implantação foram definidas para a solução NSA (Opções 3, 4 e 7). Se a operadora usar o Core EPC de sua rede LTE existente, ela só poderá fornecer serviços disponíveis na rede 4G EPC, mesmo que seja usada a tecnologia de rádio 5G. Neste tipo de configuração, o objetivo principal da operadora é normalmente adicionar capacidade de throughput (eMBB) a rede através dos recursos do rádio 5G NR.
Vale destacar que em redes do tipo NSA, a interoperabilidade ocorre no nível da camada de acesso através da interfaces X2 na Opção 3 e interface Xn nas Opções 4 e 7. Recomenda-se nesse tipo de deployment que as RAN 4G (eNB) e RAN 5G (gNB) sejam do mesmo fornecedor, uma vez que a interoperabilidade multi-vendor nas interfaces X possuem muitas restrições e/ou incompatibilidades.
Utilizando o Core 5G (NGC) como rede principal, todas as funcionalidades do 5G (URLLC, mMTC, Network Slicing, etc.) podem ser suportadas, permitindo que o serviço 5G SA ofereça novos serviços exclusivos, diferenciando-se dos oferecidos pelo 4G.
No Interworkng a nível de Core, em vez de ter uma interface direta entre na rede de acesso entre 4G LTE e 5G NR, o Core 4G EPC é conectado ao Core 5G NGC através da inteface N26. O dispositivo conectado a rede gerencia as conexões com as rede LTE e NR de forma independente de forma que ele só pode estar conectado a uma rede, ou seja LTE ou 5G. Deste modo, quando o dispositivo está na cobertura 5G, ele se conecta apenas à rede 5G e recebe o serviço 5G. Quando sai da cobertura 5G, ele libera a conexão de interface de rádio NR e estabelece a conexão de interface de rádio LTE. A interoperabilidade em nível de Core (CN) é utilizada em opções de implementação Standalone (SA), onde o 5G NR pode ser usado sem o rádio LTE.
Geralmente, a interoperabilidade multi-vendor através da interface N26 (MME x AMF) costuma ser de mais fácil implantação se comparada àquelas da camada de RAN (interfaces Xn e X2). No entanto, é sempre importante verificar com o fornecedor a capacidade para tal.
Resumo
O 3GPP oferece diversas opções de arquitetura para implantação do 5G NR, incluindo opções que incorporam a migração da rede 4G LTE legada. Essas opções são divididas em duas categorias: SA e NSA.
Cada método de migração tem seus prós e contras. A arquitetura SA que consiste em um Core 5GC e gNB para fornecer os serviços 5G completos (eMBB, URLLC, mMTC) enquanto a arquitetura NSA que aproveita da infraestrutura LTE existente para fornecer serviços (com algumas limitações).
A estrutura NSA pode ser uma boa opção para clientes que têm interesse em implementar rapidamente o 5G, utilizando redes legadas e minimizando investimentos iniciais, tendo como objetivo principal adicionar maior capacidade de banda a rede (eMBB). No entanto, caso o cliente não conte ainda com uma infraestrutura 4G e/ou conte com requerimentos de latência, throughput e número de dispositivos que só podem ser atendidos pela tecnologia 5G SA, a opção 2 deve ser a escolha.
Se o operador já possui uma rede 4G e deseja instalar também a 5G, é fundamental considerar os aspectos de interoperabilidade entre as tecnologias (a nível de RAN ou Core) no momento de projetar a arquitetura da rede.
Em termos de cobertura, o 5G NSA pode levar vantagem, especialmente no canal de uplink, devido à utilização das frequências mais baixas do LTE.No entanto, algumas técnicas podem ser aplicadas no 5G NR para mitigar esses problemas.
Por fim, o 5G NSA tipicamente apresenta maior latência em comparação ao 5G SA, pois o procedimento de idle-to-active no NSA é mais demorado do que no SA.
