As redes celulares estão em constante evolução, com cada nova geração a oferecer novas funcionalidades e maior desempenho. Atualmente, na 5.ª Geração (5G), o 3rd Generation Partnership Project (3GPP) introduziu várias novas funcionalidades, como o Sidelink e o IAB, que ainda não foram totalmente exploradas. Em 2020, a Agência de Comunicações e Informação da NATO (NCIA) expressou especial interesse no Acesso e Backhaul Integrados (IAB) para aplicações militares. Numa implementação básica de 5G, cada estação base (gNB) requer uma ligação de backhaul dedicada à Core Network (CN), que é tipicamente suportada por cabos de fibra ótica ou por tecnologia de micro-ondas. No entanto, o IAB é uma nova funcionalidade que permite a um gNB encaminhar o tráfego de outros gNBs que estão ligados, sem fios, através da mesma tecnologia de rádio frequência usada para comunicar com os User Equipment (UE). Uma vez que o IAB permite que os gNBs alcancem a Radio Access Network (RAN) através da tecnologia de rádio frequência e encaminhem o tráfego uns dos outros, isto reduz significativamente o número de ligações de backhaul dedicadas necessárias. Isto é vantajoso, pois permite que as implementações de rede sejam mais flexíveis, fáceis de implementar e economicamente eficientes. Esta dissertação apresenta primeiro um estudo aprofundado sobre os requisitos arquiteturais do IAB, enfatizando a necessidade de um novo protocolo dedicado chamado Backhaul adaptation Protocol (BAP), bem como de modificações na camada de Radio Link Control (RLC) e a adição de novos parâmetros nos procedimentos da camada do F1 Application Protocol (F1AP) e de Radio Resource Control (RRC). Outra parte desta dissertação explora uma solução prática imediata que oferece um IAB emulado com a tecnologia atualmente disponível e o software da OpenAirInterface (OAI). Nesta implementação, em vez de usar a camada BAP definida pelo 3GPP, o tráfego é encaminhado através de um UE, utilizando as funções do Plano de Utilizador sobre o GPRS Tunnelling Protocol (GTP). Os resultados desta implementação mostram que é possível ter um sistema que funciona de forma semelhante a um IAB com a tecnologia atualmente disponível, no entanto, também mostram que esta solução de IAB emulada não é ideal, revelando assim a importância de seguir a arquitetura proposta pelo 3GPP. Tendo em conta esta conclusão, o desenvolvimento do IAB em conformidade com 3GPP foi iniciado, resultando na criação de novas funcionalidades que abrem caminho para esta solução. Cada uma destas novas funcionalidades é testada e analisada. Finalmente, esta dissertação conclui com uma apresentação dos desenvolvimentos em curso e das direções futuras para a implementação desta funcionalidade 5G.

Cellular networks are constantly evolving, with each new generation providing new functionalities and higher performance. Currently, in the 5th Generation (5G), the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) has introduced several new functionalities, like the Sidelink and IAB, which have not yet been fully explored. In 2020, the NATO Communication and Information Agency (NCIA) expressed special interest in the Integrated Access and Backhaul (IAB) for applications in military scenarios. In a base 5G deployment, each base station (gNB) requires a dedicated backhaul link to the Core Network (CN), that is typically supported by fiber-optic cables or microwave technology. However, IAB is a new functionality that allows a gNB to route traffic from other gNBs that are connected, wirelessly, through the same radio frequency technology used for communicating with a User Equipment (UE). Since IAB allows gNBs to reach the Radio Access Network (RAN) through radio frequency technology and route each other’s traffic, it significantly reduces the number of needed dedicated backhaul links. This is useful, since it enables network deployments to be more flexible, cost-efficient and easier to deploy. This dissertation first offers an in-depth study on the IAB architectural requirements, emphasizing the need of a new dedicated protocol called Backhaul Adaptation Protocol (BAP). Some other requirements include modifications to the Radio Link Control (RLC) layer and the addition of new parameters on the F1 Application Protocol (F1AP) layer and Radio Resource Control (RRC) procedures. Further on, this dissertation explores an immediate practical solution that offers an emulated IAB with currently available technology and OpenAirInterface (OAI) software. In this implementation, instead of using the 3GPP defined BAP layer, the traffic is forwarded through a UE, and routed by using the User Plane (UP) functions over the GPRS Tunnelling Protocol (GTP). The results from this deployment show that it is possible to have a system that works similarly to an IAB with the currently available technology, however, it also shows that this emulated IAB solution is not optimal, thus revealing the importance of following the architecture proposed by 3GPP. Taking into account this conclusion, the development of a 3GPP compliant IAB was initialized, resulting in new developed functionalities that pave the way towards this solution. Each of these newly developed functionalities is tested and analyzed. Finally, this dissertation concludes by outlining the ongoing developments and future directions for implementing this 5G feature.

Mestrado em Engenharia de Computadores e Telemática