Em telecomunicações, o 5G é o padrão de tecnologia de quinta geração para redes móveis e de banda larga que as empresas de telefonia celular começaram a implantar em todo o mundo no final do ano de 2018. É o sucessor planejado das redes 4G que fornecem conectividade para a maioria dos dispositivos atuais.
Como suas antecessoras, as redes 5G são redes móveis, nas quais a área de serviço é dividida em pequenas áreas geográficas chamadas de células. Todos os dispositivos sem fio 5G, em uma célula, são conectados à internet e à rede telefônica por ondas de rádio, por meio de um transmissor local na célula. A principal vantagem dessas novas redes é a maior largura de banda, proporcionando maior velocidade de download, podendo chegar a até 10 gigabits por segundo (Gbit/s). Devido ao aumento da largura de banda, espera-se que as redes 5G não atendam exclusivamente a telefones celulares, tal como as redes móveis existentes, mas também sejam utilizadas como provedoras de serviços gerais de internet para laptops e computadores desktop, competindo com os fornecedores de acesso à internet (ISPs) existentes, como internet a cabo. Também possibilitarão novas aplicações em internet das coisas (IoT) e áreas de máquina a máquina (M2M). Os aparelhos 4G não podem usar as novas redes, que exigem dispositivos sem fio habilitados para 5G.
O aumento da velocidade é alcançado, em parte, pelo uso de ondas de rádio de frequência mais alta do que as usadas pelas redes móveis anteriores. No entanto, as ondas de rádio de alta frequência têm um alcance físico útil mais curto, exigindo células geográficas menores. Para serviço amplo, as redes 5G operam em até três bandas de frequência: baixa, média e alta. Uma rede 5G é composta de redes de até três tipos diferentes de células, cada uma exigindo designs específicos de antena, onde cada um fornece uma compensação entre velocidade de download em relação a distância e área de serviço. Celulares 5G e dispositivos sem fio se conectam à rede por meio da antena de maior velocidade dentro do alcance em sua localização:
O 5G de bandas de baixa frequência usa uma faixa de frequência semelhante ao dos dispositivos 4G, 600–700 MHz, oferecendo velocidades de download um pouco maiores do que o 4G: 30–250 megabits por segundo (Mbit/s). As torres de celular de banda baixa têm alcance e área de cobertura semelhantes às torres 4G. Já o 5G de média frequência usa micro-ondas de 2,5–3,7 GHz, permitindo velocidades de 100–900 Mbit/s, com cada torre de celular fornecendo serviço em um raio de até vários quilômetros. Este nível de serviço é o mais amplamente implantado e deve ser disponibilizado na maioria das regiões metropolitanas em 2020. Algumas regiões não estão implementando a banda de baixa frequência, tornando este o nível de serviço mínimo. E o 5G de alta frequência usa frequências de 25–39 GHz, perto da parte inferior da banda de onda milimétrica, embora frequências mais altas possam ser usadas no futuro. Muitas vezes atinge velocidades de download na faixa dos gigabit por segundo (Gbit/s), comparável à internet a cabo. No entanto, as ondas milimétricas (mmWave ou mmW) têm um alcance mais limitado, exigindo muitas células pequenas. Elas têm dificuldade em passar por alguns tipos de materiais, como paredes e janelas. Devido ao seu custo mais elevado, os planos são de implantar essas células apenas em ambientes urbanos densos e áreas onde as multidões se reúnem, como estádios de esportes e centros de convenções. As velocidades acima são as alcançadas em testes reais em 2020 e espera-se que as velocidades aumentem a medida que as redes vão sendo lançadas.
O consórcio da indústria que define os padrões para o 5G é a 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Ela define qualquer sistema que use o software 5G NR (5G New Radio) como "5G", uma definição que entrou em uso geral no final de 2018. Os padrões mínimos são definidos pela União Internacional de Telecomunicações (UIT). Anteriormente, alguns reservavam o termo 5G para sistemas que ofereciam velocidades de download de 20 Gbit/s, conforme especificado no documento IMT-2020 da UIT.
Visão geral As redes 5G são redes móveis digitais, nas quais a área de serviço coberta pelos provedores é dividida em pequenas áreas geográficas chamadas células. Os sinais analógicos que representam sons e imagens são digitalizados no dispositivo, convertidos por um conversor analógico-digital e transmitidos como um fluxo de bits. Todos os dispositivos sem fio 5G em uma célula se comunicam por ondas de rádio com um conjunto de antenas locais e transceptores (transmissores e receptores) automatizado de baixa potência na célula, por canais de frequência atribuídos pelo transceptor a partir de um conjunto de frequências que são reutilizadas em outras células. As antenas locais são conectadas à rede telefônica e à internet por uma fibra óptica de alta largura de banda ou conexão backhaul sem fio. Como em outras redes de celulares, um dispositivo móvel que passa de uma célula para outra é automaticamente "transferido" de forma integrada para a nova célula. O 5G pode suportar até um milhão de dispositivos por quilômetro quadrado, enquanto o 4G suporta apenas até 100.000 dispositivos por quilômetro quadrado. Os novos dispositivos sem fio 5G também têm capacidade 4G (LTE), já que as novas redes usam 4G para estabelecer inicialmente a conexão com a célula, bem como em locais onde o acesso 5G não está disponível.
Vários operadores de rede usam ondas milimétricas para capacidade adicional, bem como maior rendimento. As ondas milimétricas têm um alcance menor do que as micro-ondas, portanto, as células são limitadas a um tamanho menor. As ondas milimétricas também têm mais dificuldade em atravessar as paredes dos edifícios. As antenas de ondas milimétricas são menores do que as grandes antenas usadas nas redes móveis anteriores. Algumas têm apenas alguns centímetros de comprimento.
Grandes aparelhos que usam o método de múltiplas entradas e múltiplas saídas foram implantados para o uso do 4G já em 2016 e normalmente usavam de 32 a 128 antenas pequenas em cada célula. Nas frequências e configurações corretas, podem aumentar o desempenho de 4 a 10 vezes. Vários fluxos de bits de dados são transmitidos simultaneamente. Em uma técnica chamada beamforming, o computador da estação base calculará continuamente a melhor rota para as ondas de rádio alcançarem cada dispositivo sem fio e organizará várias antenas para trabalharem juntas com antenas em fase, criando feixes de ondas milimétricas para alcançar os dispositivos.
Áreas de aplicação O setor de radiocomunicação da União Internacional de Telecomunicações (UIT) definiu três áreas de aplicação principais para os recursos aprimorados do 5G. Elas são a Banda Larga Móvel Aprimorada (eMBB), as Comunicações de Baixa Latência Ultra Confiáveis (URLLC) e as Comunicações Maciças de Tipo de Máquina (mMTC). Apenas a eMBB foi implantada em 2020. Já as URLLC e as mMTC estão a vários anos de distância na maioria dos locais.
A Banda Larga Móvel Aprimorada (eMBB) usa o 5G como uma progressão dos serviços de banda larga móvel 4G LTE, com conexões mais rápidas, maior taxa de transferência e mais capacidade. Isso beneficiará áreas de maior tráfego, como estádios, cidades e salas de concertos.
As Comunicações de Baixa Latência Ultra Confiáveis (URLLC) referem-se ao uso da rede para aplicativos e dispositivos de missão crítica que exigem troca de dados robusta e ininterrupta.
As Comunicações Maciças de Tipo de Máquina (mMTC) seriam usadas para se conectar a um grande número de dispositivos. A tecnologia 5G conectará alguns dos 50 bilhões de dispositivos IoT conectados. A maioria usará o Wi-Fi mais barato. Drones, transmitindo via 4G ou 5G, ajudarão nos esforços de recuperação de desastres, fornecendo dados em tempo real para equipes de emergência. A maioria dos carros terá uma conexão de celular 4G ou 5G para muitos serviços. Carros autônomos não precisam de 5G, pois devem ser capazes de operar onde não haja conexão de rede. Embora as cirurgias remotas tenham sido realizadas em 5G, a maioria das cirurgias remotas será realizada em instalações com uma conexão de fibra, geralmente mais rápida e confiável do que qualquer conexão sem fio.
Outras aplicações
Automóveis A 5G Automotive Association tem promovido a tecnologia de comunicação C-V2X que será implantada pela primeira vez em 4G. Ele fornece a comunicação entre veículos e infraestruturas.
Segurança Pública Espera-se que o push-to-talk de missão crítica (MCPTT) e vídeo e dados de missão crítica sejam promovidos com o 5G.
Conexões fixas sem fio As conexões fixas sem fio oferecerão uma alternativa à banda larga de linha fixa (conexões ADSL, VDSL, fibra óptica e DOCSIS) em alguns locais.
Transmissão de vídeo sem fio para aplicações de transmissão A Sony testou a possibilidade de usar redes 5G locais para substituir os cabos SDI usados atualmente em camcorders de radiodifusão.
Performance
Velocidade As velocidades 5G variam de ~50 Mbit/s a mais de um gigabit/s. O 5G mais rápido é conhecido como mmWave. Em 3 de julho de 2019, mmWave tinha uma velocidade máxima de 1,8 Gbit/s na rede 5G da AT&T.
O 5G sub-6 GHz (banda média do 5G), de longe o mais comum, normalmente fornecerá entre 100 e 400 Mbit/s, mas terá um alcance muito maior do que mmWave, especialmente ao ar livre.
O espectro de banda de baixa frequência oferece o maior alcance, portanto, uma área de cobertura maior para um determinado lugar, mas é mais lento do que os outros.
A velocidade do 5G NR em bandas sub-6 GHz pode ser ligeiramente maior do que a do 4G com uma quantidade semelhante de espectro e antenas, embora algumas redes 3GPP 5G sejam mais lentas do que algumas redes 4G avançadas, como a rede LTE/LAA da T-Mobile, que atinge mais de 500 Mbit/s em Manhattan e Chicago. A especificação 5G também permite a LAA (License Assisted Access), mas a LAA no 5G ainda não foi demonstrada. Adicionar LAA a uma configuração 4G existente pode adicionar centenas de megabits por segundo à velocidade, mas esta seria uma extensão do 4G, não uma parte nova do padrão 5G.
A similaridade em termos de taxa de transferência entre 4G e 5G nas bandas existentes é que o 4G já se aproxima do limite de Shannon nas taxas de comunicação de dados. As velocidades 5G no espectro de onda milimétrica menos comum, com sua largura de banda muito mais abundante e intervalo mais curto e, portanto, maior capacidade de reutilização de frequência, podem ser substancialmente maiores.
Latência No 5G, a "latência do ar" no envio de equipamentos em 2019 era de 8–12 milissegundos. A latência para o servidor deve ser adicionada à "latência do ar" para a maioria das comparações. A Verizon relata que a latência em sua implantação inicial do 5G é de 30 ms: servidores de borda próximos às torres podem reduzir a latência para 10–20 ms; 1–4 ms será extremamente raro por anos fora do laboratório.
Padrões Inicialmente, o termo foi associado ao padrão IMT-2020 da União Internacional de Telecomunicações, que exigia uma velocidade de download de pico teórica de 20 gigabits por segundo e 10 gigabits por segundo de velocidade de upload, além de outros requisitos. Então, o grupo de padrões da indústria 3GPP escolheu o padrão 5G NR (New Radio) junto com o LTE como sua proposta para apresentação ao padrão IMT-2020.
A primeira fase das especificações 3GPP 5G no Release-15 foi programado para ser concluído em 2019. A segunda fase no Release-16 deve ser concluída em 2020.
O 5G NR pode incluir frequências mais baixas (FR1), abaixo de 6 GHz, e frequências mais altas (FR2), acima de 24 GHz. No entanto, a velocidade e a latência nas primeiras implantações do FR1, usando o software 5G NR em hardware 4G (não autônomo), são apenas ligeiramente melhores do que os novos sistemas 4G, estimados em 15 a 50% melhores.