Inovação no Desenvolvimento do Curso

Online Acessível a Todos (MOOC) sobre “Redes Ultra-densas 5G e sua Evolução”

Fernando J. Velez ‡ Manuel Lopez-Morales †

David Alejandro Urquiza-Villalonga †

Diego Gonzalez-Morin + Ana Armada†

‡ Instituto de Telecomunicações e Universidade da Beira Interior, Faculdade de Engenharia, Departamento de Engenharia Electromecânica, Covilhã, Portugal fjv@ubi.pt

† Department of Signal Theory and Communications, Universidad Carlos III de Madrid, Spain manuelop@ing.uc3m.es, daurquiz@ing.uc3m.es, anagar@ing.uc3m.es

+ Nokia Bell Labs Spain, Maria Tubau 9, Madrid, Spain diego.gonzalez_morin@nokia-bell-labs.com Resumo

Controlar drones a milhares de quilómetros de distância, realizar cirurgias remotas ou estar imerso em vídeo com latência reduzida são alguns dos aspetos que tornarão a quinta geração das comunicações móveis (5G) uma revolução, um impulso para a economia, e o foco de todos os intervenientes atuais na área das telecomunicações. Com este intuito, o planeamento e a crescente densidade de implantação destas novas redes introduzem novos desafios de otimização. Que elementos serão adicionados em relação às gerações anteriores? O Curso Online Acessível a Todos (MOOC) sobre redes ultra-densas 5G e sua evolução foi elaborado pelos investigadores da ITN/ETN Europeia MSCA TeamUp5G, e apresenta as tecnologias mais importantes que suportam comunicações móveis 5G, com ênfase no aumento de capacidade e redução de energia. Os conteúdos abrangem aspectos desde tecnologias de comunicação até casos de utilização, prototipagem e o futuro próximo, sem esquecer questões como a gestão de interferência, eficiência energética ou gestão de espectro. O MOOC preenche a lacuna na aprendizagem ao nível dos estudos de graduação e pós-graduação, contendo conteúdos relacionados com tecnologias 5G emergentes e suas aplicações, incluindo a 6G futura. Após a apresentação do conteúdo e dos resultados de aprendizagem, e detalhes sobre comunicação e inscrição, apresentam-se testemunhos de alunos e discutem-se as lições extraídas.

Palavras-Chave: Redes Ultra-densas 5G, MOOC, Gestão de Espetro e Interferência.

1. Contextualização

Muitos dos novos dispositivos de comunicações móveis serão aparelhos que alimentam e monitorizam as nossas casas, infraestruturas urbanas e transportes. Controlar drones a milhares de quilómetros de distância, realizar cirurgias remotas ou estar imerso em vídeo com latência reduzida transformará certamente o acesso às tecnologias de informação e comunicação digitais. O planeamento e a crescente densidade de implantação das novas redes 5G introduzem novos desafios de otimização. Que elementos serão adicionados em relação às gerações anteriores?

Baseados num Curso Online Acessível a Todos (MOOC) anteriormente desenvolvido na UC3M (UC3M Staff, 2022), os investigadores da ITN/ETN Europeia Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) (TeamUp5G Researchers, 2022), denominada TeamUp5G (Teamup5G, 2022; Pérez Leal et al., 2020), elaboraram o MOOC sobre redes ultra-densas 5G e sua evolução, que apresenta as tecnologias mais importantes que suportam comunicações móveis 5G, com ênfase no aumento de capacidade e redução de energia. Os conteúdos abrangem aspectos desde tecnologias de comunicação até casos de utilização, prototipagem e o futuro próximo, sem esquecer questões como a gestão de interferência, eficiência energética ou gestão de espectro em sistemas que facilitam o desenvolvimento de redes com pequenas células (ou mesmo com áreas de cobertura reduzidas mas livres de células). O objetivo do MOOC (TeamUp5G, 2022) é preencher a lacuna na aprendizagem ao nível dos estudos de graduação e pós-graduação, em conteúdos relacionados com tecnologias 5G emergentes e suas aplicações, incluindo a 6G futura. O público-alvo envolve engenheiros, investigadores, profissionais e estudantes.

Abordaram-se o contexto geral e cenários específicos. Com base no conhecimento gerado por cada investigador jovem do TeamUp5G, foi necessário classificar e organizar os conteúdos, e estabelecer uma visão global para todo o curso. O trabalho cooperativo, as reuniões interrelacionadas e a preparação dos materiais para o MOOC foram muito interessantes e úteis no processo de formação dos intervenientes.

O artigo descreve a experiência de projetar e criar o MOOC, os conteúdos inovadores e os resultados de aprendizagem do MOOC, as principais tarefas e recursos envolvidos na sua criação, os desafios, resultados, evolução do número de inscrições e experiência dos seus utilizadores (de uma turma do 2º. ciclo em Engenharia Electrotécnica e de Computadores da UBI), seguidos da discussão das lições extraídas.

2. Descrição da Prática Pedagógica

Por vezes, os alunos acedem aos MOOC porque desejam aprender os seus conteúdos ou adquirir habilidades. Outros fazem-no por outros motivos, como para complementar conhecimentos que já possuem, e que estão dispostos a melhorar ou reforçar, por curiosidade sobre alguns temas específicos, ou apenas por prazer ou cultura. Nestes casos, o MOOC é utilizado para participantes externos, e teve que ser concebido para esse fim. Têm que se planear cuidadadosaamente os vídeos, os questionários e as atividades de forma a alcançar três objetivos principais, a saber, a transmissão de conhecimento (educacional), variedade de atividades que garantam o processo de aprendizagem e produções atrativas para o envolvimento dos estudantes.

2.1. Objetivos de aprendizagem e público-alvo

As comunicações móveis têm tido um desenvolvimento recente bastante acelarado, e a evolução da inovação tecnológica associada às comunicações 5G e pós-5G, a nível industrial, dos prestadores de serviços e operadores de telecomunicações, tem gerado uma necessidade crescente de se divulgarem e explicarem aos estudantes a lógica e os detalhes dessa evolução, rumo às redes de comunicação futuras. A ideia é possibilitar que os estudantes, profissionais e investigadores possam manter os seus conhecimentos atualizados e compreender os avanços tecnológicos recentes na áreas das e comunicações e redes avançadas. Dado que a característica diferenciadora deste MOOC foi a simplicidade da explanação, ultrapassou-se a lacuna de não existirem conteúdos técnicos sincronizados com o roteiro da 5G e sua evolução através da disponibilização duma vasta variedade de recursos técnicos de alto nível, que necessitam de conhecimentos prévios, alcançandose uma visão global focada e aspetos técnicos sobre 5G e sua evolução. O propósito é transferir este conhecimento cobrindo os princípios técnicos e os aspetos fundamentais de cada tecnologia de suporte, através de uma linguagem técnica clara e transparente. Assim, o pacote de software associado ao MOOC aborda de forma efetiva, a compreensão, projeto e otimização das redes 5G heterogéneas de segunda fase com pequenas células ou livres de células (cell-free), incluindo os seguintes objetivos de aprendizagem: requisitos de sistema; novas tecnologias de transmissão; gestão de interferência; eficiência energética; redes de potência reduzida; segurança e privacidade; radar e comunicações em simultâneo (RADCOM); veículos aéreos não tripulados (UAVs); redes livres de células e multiple input multiple output (MIMO) massivo; calendarização de pacotes e multi-banda; deteção (sensing) de pacotes; partilha de espectro; agregação de espectro e escalonamento multi-banda; casos de estudo; protótipos (realidade aumentada e virtual); visão sobre o futuro (por exemplo, 6G e comunicações na banda dos terahertz).

Depois de se abordar a visão geral, partilhamos progressivamente a perspetiva técnica de cada tecnologia chave. A explicação progressiva dos conteúdos permite que a audiência esteja cada vez mais pronta para perceber os desenvolvimentos tecnológicos recentes.

O MOOC foi criado para ser simples, compreensível e inteligível para a maioria dos utilizadores. A audiência alvo inclui utilizadores com diferentes bases de conhecimento, necessidades e responsabilidades. É constituída primordialmente por profissionais e estudantes do ensino superior que estão envolvidos ou pura e simplesmente interessados na investigação e desenvolvimentos de redes com Novos Rádios 5G (5G New Radio) e sua evolução, abordando objetivos recentes e campos de investigação que a União Europeia, e que as empresas relacionadas com a 5G estão disponíveis para investigar e desenvolver. Os recursos envolvidos na criação do MOOC e aspectos como as contribuições conjuntas do setor académico e não académico, a conformidade relativamente aos direitos de autor e garantia de qualidade são discutidos em mais detalhe em (Lopes-Morales et al., 2022).

2.2. Principais tarefas na formatação dos conteúdos

O MOOC foi organizado em seis módulos, cada um deles contendo cinco tópicos diferentes que abrangem uma ampla gama de conceitos e tecnologias relacionadas com as redes 5G e outras tecnologias de redes móveis e sem fios. A aprendizagem, avaliação, e materiais motivacionais foram desenvolvidos para cada item, como se apresenta na Figura 1. Em particular, os principais materiais de aprendizagem consistem em apresentações gravadas em vídeo e extensões textuais. As apresentações gravadas em vídeo foram inteiramente filmadas nas instalações da UC3M, principamente devido às restrições impostas pela pandemia da COVID-19 e às diferenças em termos de equipamentos à disposição dos vários parceiros, evitando assim incompatibilidades. Ao manter tanto o ambiente quanto o equipamento de gravação constante durante todo o MOOC, conseguimos alcançar resultados consistentes. Com base nas sugestões fornecidas pela equipa experiente da UC3M, os investigadores prepararam roteiros detalhados para serem exibidos no teleponto durante as gravações, como auxílio aos apresentadores. Os roteiros também incluíram notas sobre o envolvimento e a motivação, para manter o público num estado de concentração mental superior. Produziram-se um total de cerca de duas horas de material para cada tema/tópico, dividido em dez minutos de conteúdo em vídeo, cinquenta minutos de informações escritas para apoiar o material de vídeo e uma hora de perguntas e discussões no fórum. Para além do suporte dado aos apresentadores, os roteiros também serviram para produzir textual transcripts na plataforma edX. O objetivo das extensões textuais é o de fornecer informações adicionais, que não puderam ser incluídas nos vídeos, devido a restrições de tempo. Além disso, elas também podem ser utilizadas como materiais, em sala de aula, caso o MOOC seja utilizado no processo de ensino/aprendizagem do ensino superior.

Por fim, com objetivo de verificar o conhecimento adquirido pelos participantes, foi elaborado um processo de avaliação (quizzes). Neste contexto, os participantes devem responder verdadeiro/falso, ou com escolhas múltiplas, com resposta “arraste e solte”, ou mesmo digitando respostas. Além disso, após a finalização de cada módulo, os alunos são estimulados para continuar a sua participação através dum fórum de discussão. Neste fórum, os estudantes e os professores podem interagir, com troca de experiências sobre 5G, vislumbrando-se novos recursos 5G, e casos de utilização associados.

3. Resultados e Experiência dos Espetadores

O MOOC já foi difundido em duas edições, uma com início em fevereiro de 2022 e outra com início em setembro de 2022. Em ambas as edições, iniciou-se uma campanha de publicidade com três de antecedência, utilizando as redes sociais do TeamUp5G, as redes de contatos de cada investigador e listas de email dedicadas, por ex., a da IEEE Communications Society Foi também publicitado em eventos onde os investigadores do TeamUp5G participavam, por ex., na 31st EAEEIE (Lopez-Morales et al., 2022), que se realizou no final de junho de 2022. Nessa conferência, alguns dos participantes interessa-ram-se bastante pelo trabalho e voluntariaram-se para divulgar o MOOC entre os seus alunos. Por exemplo, a segunda edição foi publicitada no repositório techpedia.eu.

3.1. Inscrições

Na segunda edição do MOOC, as inscrições começaram três meses antes da difusão, em paralelo com a campanha de publicidade. No início da difusão, a 13 de setembro, existiam 102 alunos inscritos no MOOC, e um mês depois, a 12 de outubro já havia 125 alunos inscritos. No fim do curso, a 26 de dezembro de 2022, haviam 208 alunos inscritos, dos quais apenas três pediram o certificado (alunos “verificados”), obtido através da realização dum exame adicional. O certificado não estará disponível para alunos inscritos após o período de difusão. Os restantes 205 espetadores são considerados “ouvintes”, mas puderam beneficiar de todos os materiais do MOOC e fazer testes (quizzes) em cada módulo. É importante salientar que, em MOOC, uma elevada percentagem de alunos apenas participa como ouvinte de forma a adquirir conhecimentos.

Quanto ao nível de educação dos alunos inscritos nesta edição, 44% possuem uma licenciatura e 46% possuem mestrado ou doutoramento (apenas 10% possuem formação inferior), o que é compatível com audiência alvo prevista na preparação do MOOC.

A segunda edição do MOOC teve uma abrangência geográfica alargada, dado que houve pelo menos um aluno inscrito no curso em 67 países. O continente mais representado foi a Europa, com 39% (Espanha, 14.4%, Portugal, 6.7%, França, 5.3%, Reino Unido, 3.4%, Alemanha, 2.4%), logo seguida da Ásia, com 36% (por exemplo, Índia, 10.6%, Paquistão, 3.4%, Bahrain, 2.4% e Singapura, 2.4%) e da América, com 15% (Estados Unidos, 5.8%, Brasil, 1.9% e Canadá, 1.9%). Em África (9%) e na Oceania (1%), os países mais representados foram a Nigéria e a Austrália, cada um com 1.4% dos alunos inscritos.

3.2. Discussão interativa

Para assegurar suporte adicional ds atividades de ensino/aprendizagem, estabeleceu-se um fórum de discussão, onde os alunos podem partilhar as suas preocupações. Dois jovens investigadores do TeamUp5G estiveram ativamente envolvidos no fórum, para responder às questões e assegurar o seu bom funcionamento (e participação ativa), com “feedback” positivo, assim como clarificar as questões suscitadas e incorporar as sugestões acerca de novos conteúdos, ou recomendarem bibliografia suplementar.

3.3. Testemunho de um grupo de alunos do 2º. ciclo

Durante o primeiro semestre do ano letivo 2022/23, utilizou-se o MOOC na unidade curricular sobre Comunicações [5G Ultra-confiáveis e] Máquina-máquina, do 2º. ciclo em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da Universidade da Beira Interior. A experiência dos alunos foi excelente, e recolheram-se os seguintes testemunhos:

Aluno A - O curso “ultra-dense networks for 5G and its evolution” foi bom para aprender mais sobre 5G, tirar algumas dúvidas, e com os quizz e os TPC foi mais fácil assimilar o conhecimento. O curso abrange diversos conceitos, e sinto que foi uma boa introdução às comunicações 5G.oqqq

Aluno B - Gostei bastante do MOOC, pela divisão dos vídeos por tópicos. Os vídeos eram de fácil compreensão, pois não continham muita informação, o que nos poderia deixar confusos e cansados. Os vídeos eram curtos e de fácil assimilação. O único problema era o sotaque inglês, que por vezes dificultava a perceção, mas com os transcripts ou as legendas ligadas a compreensão do inglês já não era um problema. As textual extensions constituíam um bom resumo da matéria abordada em cada vídeo, e os quizzes e testes foram excelentes para relembrar o conteúdo e obrigar os estudantes a voltar ao vídeo para procurar informação (e estar atentos ao que é explicado). Os formadores mostravam grande entusiasmo na apresentação da matéria, o que facilitava a vontade de aprender.

Aluno C - Na minha opinião, o MOOC sobre redes ultra-densas 5G e a sua evolução é muito interessante e relevante, especialmente no meu caso, pois apresenta vantagens ao nível de conhecimento sobre comunicações móveis 5G ultra-confiáveis e máquina-máquina, para a realização da minha dissertação de mestrado. Penso que o curso e as quizzes são bastante interativos e úteis na compreensão das várias camadas da pilha protocolar da nova realidade das comunicações 5G, assim como as suas arquiteturas de rede e opções de implementação. O MOOC torna o processo de ensino-aprendizagem envolvente, e permite-nos aprender ao nosso ritmo, moldando-se às nossas necessidades.

Aluno D - Acho que o MOOC foi útil para apresentar os conceitos desta disciplina de uma forma mais geral, apesar de achar que as apresentações podiam estar melhor, os quizzes e as textual extensions oferecem uma visão clara dos conteúdos; os TPCs que o professor disponibilizou também ajudaram a entender melhor os conteúdos. Penso que está bem organizado e é de fácil interação, tendo sido uma mais-valia para a aprendizagem inicial.

Aluno E - Este MOOC é uma boa plataforma de aprendizagem sobre comunicações com redes ultra-densas 5G. O curso, em geral, está bem estruturado. Os vídeos estão interessantes e motivam os alunos a estarem interessados, com os seus esquemas e imagens. Aborda conceitos específicos e dá exemplos de casos de utilização. Quanto às textual extensions, são um bom complemento, aprofundando melhor algumas partes que se encontram no vídeo. Os quizzes e as avaliações têm um grau de dificuldade apropriado.

4. Conclusões

A produção deste Curso Online Acessível a Todos (MOOC) foi um desafio, e um processo gratificante de aprendizagem contínua para as mais de 20 pessoas da equipa de produção, constituída por jovens investigadores e seus orientadores, provenientes de um conjunto de experiências anteriores bastante diversas. Os prazos para a produção, processo de revisão detalhada e aceitação dos conteúdos, com os procedimentos de verificação de qualidade esperados, tiveram que ser adequadamente agendados. A cooperação ativa entre todos os autores do MOOC foi essencial, e a monitorização periódica garantiu que se superassem problemas de comunicação, ou dúvidas entre os produtores dos conteúdos e os coordenadores do trabalho.

Os objetivos de aprendizagem associados ao MOOC sobre “redes ultra-densas 5G e sua evolução” resultam das principais inovações tecnológicas resultantes da MSCA ITN/ETN TeamUp5G, possibilitando a sua divulgação um público alvo mais alargado. O MOOC poderá ser utilizado como um método de formação bastante inovador, disponibilizando ferramenta e recursos, aos alunos de doutoramento envolvidos na sua produção, que serão bastante úteis nas suas carreiras futuras, constituindo uma experiência bastante positiva. Além disso, a coordenação entre os diversos intervenientes na investigação, de grupos e sub-projetos diferentes, melhorou graças à produção do MOOC e, logo, a criação do MOOC pode ser considerada também uma ferramenta para esse propósito.

Como conclusão, apresentaram-se aspetos inovadores no desenvolvimento do MOOC que foca, principalmente, a segunda fase da 5G. Apesar das dificuldades surgidas pela produção dos conteúdos do MOOC em tempos de COVID, extrairam-se lições e conclusões importantes, que permitirão melhorar gravações de outros MOOC no futuro.

5. Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pelo programa de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeia através da Rede Europeia de Estágios (ETN) Marie Skłodowska-Curie TeamUp5G, acordo de bolsa N.º 813391, pela SNF Scientific Exchange - AISpectrum (projecto 205842) e UIDB/50008/2020. Os autores agradecem as contribuições da equipa audiovisual da UC3M responsáveis pela edição do MOOC, e da equipa responsável pelos direitos de autor e pela gravação na plataforma edX. Também agradecemos as contribuições dadas por todos os intervenientes no desenvolvimento do MOOC que não aparecem explicitamente como autores do manuscrito.

6. Referências Bibliográficas

Lopez-Morales, M. J., Urquiza-Villalonga, D. A., Gonzalez-Morin, D., Nidhi, N., Khan, B., Kooshki, F., Al-Sakkaf, A., Farkhari, H., Medda, D., Seitanidis, I.-N., Abu-Sabah, A., Viana, J., Cumino, P., Gil-Gimenez, V. P., Fernández-Getino García, M. J., Morales-Cespedes, M., Garcia-Armada, E., & Velez, F. J. (2022, june 29-july 1). MOOC on ”ultra-dense networks for 5G and its evolution”: Challenges and lessons learned [Paper presentation]. 2022 EAEEIE: 31st Annual Conference of the European Association for Education in Electrical and Information, Coimbra, Portugal.

Pérez Leal, R., Velez, F. J., Campos, L. M., & García Armada, A. (2020, july 20-22). TeamUp5G: A multidisciplinary approach to training and research on new RAN techniques for 5G ultra dense mobile networks [Paper presentation]. CSNDSP 2020: 12th International Symposium on Communication Systems, Networks and Digital Signal Processing, Porto, Portugal.

Teamup5G. (2022). TeamUp5G – new RAN TEchniques for 5G UltrA-dense mobile networks – TeamUp5G. https://teamup5g.webs.tsc.uc3m.es/

Teamup5G Researchers. (2022). Ultra-dense networks for 5G and its evolution. https://www.edx.org/course/ ultra dense networks for 5g and its evolution

UC3M Staff. (2022). UC3M MOOCs. https://www.uc3m.es/uc3mdigital/moocs