Device to Device ( D2D ) e as redes celulares 5G

On 19 de fevereiro de 2016 by Ricardo Pagoto

Redes celulares 5G

Sistemas de comunicação celular evoluíram desde 1G analógico, com serviços de voz, até 4G wireless banda larga, com serviços de dados móveis e multimídia. Com o crescimento de terminais inteligentes e de tráfego de rede, a evolução para a tecnologia 5G se faz mais urgente.  De acordo com a comissão de inovação da união europeia  [https://ec.europa.eu/digital-agenda/en/towards-5g] o 5G ou quinta geração se define como:

“The “fifth generation” of telecommunications systems, or 5G, will be the most critical building block of our “digital society” in the next decade. Europe has taken significant steps to lead global developments towards this strategic technology”

O que é 5G

O que é 5G – https://ec.europa.eu/digital-agenda/en/towards-5g

 5G em redes D2D

 

5G - Nova geração

5G – Nova geração

Nessa tecnologia, além de a capacidade da rede e eficiência espectral, outros modos de utilização e novas aplicações para melhorar a experiência do usuário precisam de melhorias. A tecnologia D2D (Device-to-Device – Dispositivo para Dispositivo) tem chamado atenção da indústria por melhorar o desempenho do sistema, além da experiência do usuário e aumentar as aplicações das redes celulares.

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Aplicações potenciais em redes 5G D2D

Algumas possíveis aplicações de D2D nas redes 5G incluem serviços locais, comunicação em situações de emergência e aprimoramento de IoT ( Internet of Things – Internet das Coisas)

1 – Serviços locais em D2D:

Nestes tipos de serviços os dados são transmitidos diretamente entre os dispositivos, sem que os dados cheguem à internet. Aplicações que utilizam este serviço geralmente são aplicações sociais que se baseiam na proximidade. Essas aplicações são basicamente D2D.

Com as funções de descobrimento e comunicação, os usuários podem encontrar outros que estejam por perto para trocar informações.

Outra aplicação é a transmissão de dados locais. Ela aproveita as características D2D de proximidade e transmissão de dados para aumentar a quantidade de aplicações móveis. Isso abre uma nova possibilidade de receita para os operadores. Um exemplo são os lojistas de um shopping enviando informações sobre promoções e produtos aos usuários do shopping. Os lojistas aproveitam a proximidade dos usuários para tentar atraí-los para sua loja.

Uma terceira aplicação é diminuir o tráfego nas redes celulares. Com a crescente popularização de serviços de mídia, como vídeos em HD, o tráfego nas redes celulares aumenta consideravelmente. Utilizando comunicação D2D, os provedores de conteúdo ou o operador da rede pode criar pontos nos quais os dispositivos se conectem e recebam as informações. Com isso, outros usuários que queiram receber essa mesma informação podem solicitar a um que já a tenha, através de comunicação D2D. Desta maneira, a carga na rede celular é diminuída, além disso, as comunicações celulares entre dispositivos próximos pode ser substituída pela comunicação D2D.

2 – Comunicação em situações de emergência:

Em situações de desastres, como terremotos, a infra-estrutura de rede pode ser parcialmente ou totalmente destruída, impossibilitando a comunicação pela rede tradicional. Contudo, links wireless podem ser utilizados para que os dispositivos se comuniquem diretamente. Isso significa que uma rede ad-hoc pode ser utilizada pra que a comunicação D2D multi-saltos ocorra. Isso possibilita que os dispositivos no local possam se comunicar mesmo sem a infra-estrutura. A Figura 2 mostra uma rede ad-hoc na qual os dispositivos criam uma rede de comunicação D2D para cobrir uma área maior.

Figura 2. Rede ad-hoc D2D

                        Figura 2. Rede ad-hoc D2D

Contudo, mesmo que a infra-estrutura seja parcialmente destruída, pode haver pontos em que ela não consiga alcançar mais. Utilizando comunicação D2D, esses pontos podem ser alcançados, fazendo que todos os dispositivos se comuniquem.

3 – Aprimoramento de IoT:

Um dos objetivos da comunicação móvel é conectar vários tipos diferentes de dispositivos em uma só rede de grande escala. Esse também é o objetivo da IoT. O crescimento de dispositivos com a característica de IoT faz com que, em um futuro não muito distante, será possível criar uma rede D2D com IoT para conectar os vários tipos de dispositivos existentes.

Um cenário típico de IoT são as redes veiculares (IoV – Internet-of-Vehicles – Internet de veículos). Nelas a comunicação é feita entre os veículos (V2V – Vehicle-to-Vehicle). A comunicação pode ser um veículo avisando outros que está mudando de faixa na estrada ou diminuindo sua velocidade. Ao receber esse aviso, os veículos vizinhos podem diminuir sua própria velocidade (com o motorista tomando essa decisão ou até mesmo a decisão sendo tomada automaticamente), como mostra a Figura 1. Além disso, utilizando a tecnologia de descobrimento D2D, os veículos podem identificar outros e tomar decisões baseados no cenário atual, como diminuir a velocidade quando perceber que algum outro veículo se aproxima de uma interseção, ou dar espaço quando veículos de emergência estão por perto.

Aplicação IoV baseada em D2D

Figura 1. Aplicação IoV baseada em D2D

Porém, o crescente número de aplicações IoT pode fazer com que a rede 5G fique sobrecarregada. Utilizar comunicação D2D pode resolver esse problema. Em um cenário que existem muitos terminais,terminais de baixo custo podem acessar terminais especiais ao invés de estações bases. Esses terminais especiais fazem a conexão com a rede celular. Isso faz com que, não apenas a carga na rede diminua, mas também traz uma melhor utilização do espectro. Além disso, comparando com as redes 4G, a comunicação D2D é mais flexível e barata.

Em aplicações de casas inteligente, os terminais da casa podem se conectar diretamente com um terminais especial para fazer suas tarefas. Este terminais, por sua vez, se conecta à rede celular tradicional. Comunicação celular/D2D pode trazer um grande avanço no desenvolvimento da indústria de casas inteligentes.

4 – Outras aplicações:

Cenários como aprimoramento multiusuário MIMO, retransmissão cooperativa e MIMO virtual podem se beneficiar das características das redes 5D D2D. No MIMO multiusuário tradicional, as estações bases determinam pesos pré codificação baseados nos feedbacks dos respectivos canais dos terminais para criar nulls e eliminar a interferência entre usuários. Utilizando comunicação D2D, pares de usuários podem trocar informações diretamente sobre o status do canal. Desta forma, os terminais podem enviar às estações bases informação sobre o canal, aprimorando o desempenho so MIMO multiusuário.

D2D também pode ajudar a solucionar problemas nos novos cenários de comunicação wireless. Quando os dispositivos estão em ambientes fechados, eles não conseguem captar sinais de satélite para determinar seu posicionamento geográfico. Contudo, utilizando D2D em ambientes fechados, os dispositivos podem se comunicar com outros que já possuam a informação de posicionamento ou com dispositivos que estejam a céu aberto. Isso possibilita os dispositivos que estão em ambiente fechado descobrirem seu posicionamento em redes 5G a um baixo custo.

Técnicas chaves em redes 5G D2D 

As redes 5G D2D devem utilizar técnicas como:

  • Descoberta D2D: os dispositivos devem detectar e identificar outros dispositivos que utilizam D2D. Em redes D2D com multi saltos, essa técnica deve ser utilizada em combinação com roteamento e com os requisitos específicos de cenários 5G, tais como descoberta eficiente em redes densas e ultra-baixa latência em  cenários V2V.
  • Sincronização D2D: cenários como cobertura ao ar livre ou redes D2D com multi saltos podem trazer grandes desafios à sincronização do sistema.
  • Gestão de recursos wireless: a comunicação nas redes 5G D2D podem incluir difusão, multicast unicast e pode ser utilizada em diferentes cenários. Portanto, a gestão de recursos e agendamento nessas redes é diferente e complexa do quem em redes celulares tradicionais.
  • Coordenação de controle de bateria e interferência: comunicação celular baseada em D2D possui um controle de interferência melhor que a comunicação P2P (par-a-par – peer-to-peer) tradicional. Porém, a comunicação celular baseada em D2D cria interferência extra. Além disso, considerando o espectro LTE-U não autorizado e multi saltos como a comunicação em alta frequência nas redes 5G D2D, o controle de bateria se torna crítico.
  • Alteração do modo de comunicação: como a rede 5G D2D pode se comunicar com praticamente qualquer tipo de dispositivo, a troca entre os modos D2D e celular, ou D2D e outro modo P2P (como WLAN), ou entre espectros autorizados e não autorizados, melhorar essa troca pode maximizar o desempenho dos sistemas de comunicação wireless.
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No 5G, além de a capacidade da rede e eficiência espectral, existem novos modos de utilização e novas aplicações para melhorar a experiência do usuário.
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