COMUNICAÇÕES MÓVEIS WCDMA/HSPA/LTE

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1 COMUNICAÇÕES MÓVEIS WCDMA/HSPA/LTE

2 MODULAÇÃO DIGITAL BPSK Binary Phase Shift Keying (2 fases) QPSK Quaternary Phase Shift Keying (4 fases) 8PSK 8 Phase Shift Keying (8 fases) QAM 16 Quadrature Amplitude Modulation (16 níveis) QAM 32 Quadrature Amplitude Modulation (32 níveis) QAM 64 Quadrature Amplitude Modulation (64 níveis)

3 MODULAÇÃO DIGITAL BPSK 1 bit por símbolo 4 PSK 2 bits por símbolo

4 MODULAÇÃO DIGITAL 8PSK 3 bits por símbolo QAM16 4 bits por símbolo

5 MODULAÇÃO DIGITAL Teoricamente, para uma taxa de transmissão R em bits/s a largura da faixa de transmissão corresponde aos valores da tabela a seguir. MODULAÇÃO BPSK LARGURA DA FAIXA R QPSK R/2 8PSK R/3 QAM16 R/4 QAM64 R/6

6 MODULAÇÃO DIGITAL Probabilidade de erro Relação portadora-ruído em db em função do tipo de modulação BPSK QPSK 8PSK QAM16 1/ ,8 10,3 15,7 17,6 1/ ,4 11,8 17,1 19,0 1/ ,6 12,9 18,2 20,1 1/ ,5 13,8 19,0 20,9

7 ESPALHAMENTO DO ESPECTRO TEOREMA DE SHANNON HARTLEY C = Blog 2 [1 + S/N] C - Capacidade do sistema (bits/s) B - Largura de faixa (Hz) S - Potência média do sinal na entrada do receptor (W) N - Ruído médio na entrada do receptor (W)

8 ESPALHAMENTO DO ESPECTRO A obtenção do espalhamento pode ser feita através das seguintes técnicas: Espalhamento espectral por sequência direta (DS Direct Sequence); Espalhamento espectral por salto em freqüência (FH Frequency Hopping); Espalhamento espectral por salto no tempo (TH Time Hopping); Espalhamento espectral híbrido O sistema WCDMA emprega a técnica de Sequência Direta (DS). Nesta técnica, o espalhamento é obtido pela multiplicação da mensagem original por uma sequência de bits em uma taxa muito maior do que a utilizada na informação a ser transmitida. Na sequência responsável pelo espalhamento a unidade de transmissão é denominada chip para diferençar da palavra bit da mensagem original. O desespalhamento do sinal é feito por uma operação inversa, onde o receptor gera uma versão sincronizada da sequência original.

9 ESPALHAMENTO DO ESPECTRO SEQUÊNCIA DIRETA (DS)

10 ESPALHAMENTO DO ESPECTRO SEQUÊNCIA DIRETA (DS)

11 ESPALHAMENTO DO ESPECTRO TRANSMISSÃO DS-CDMA

12 ESPALHAMENTO DO ESPECTRO ACESSO MÚLTIPLO POR DIVISÃO EM CÓDIGO (CDMA)

13 ESPALHAMENTO DO ESPECTRO RECEPÇÃO DS-CDMA

14 SEQUÊNCIAS PSEUDO-ALEATÓRIAS As sequências pseudo-aleatórias (PN Pseudo-Noise) são utilizadas para o espalhamento do sinal e identificação dos usuários. O WCDMA emprega sequências de máximo comprimento (SMC) no embaralhamento SMC por definição são as sequências mais longas geradas por um determinado arranjo de registradores de deslocamento (shift-registers). O comprimento de uma SMC é dado por, L = 2 N -1 onde N é o número de registradores utilizados.

15 SEQUÊNCIAS DE MÁXIMO COMPRIMENTO Exemplo: L = 7 (N = 3) ESTADO INICIAL: 1 ; 0 ; 0 (semente) Reg. 1 Reg. 2 Reg. 3 Saída

16 SEQUÊNCIAS DE MÁXIMO COMPRIMENTO Polinômio gerador da realimentação da sequência P(x) = a n x n + a n-1 x n a 2 x 2 + a 1 x 1 +a 0 x 0 a i = 1 com a i = 0 sem realimentação No exemplo, a 0 = a 2 = a 3 =1, os demais são nulos, ou seja, P(x) = x 3 + a 1 x 2 +1

17 FUNÇÃO AUTO-CORRELAÇÃO FAC FAC F( t) F( t ) dt Quando se trata de sequências de chips, a auto-correlação consiste da comparação chip a chip de uma sequência de comprimento L com a mesma sequência com a fase deslocada de 1 a L chips. CC quantidade de chips coincidentes; FAC = CC CNC CNC quantidade de chips não coincidentes.

18 FUNÇÃO AUTO-CORRELAÇÃO FAC Para o exemplo anterior, tem-se Desl. de fase Fase da sequência CC CNC FAC

19 CÓDIGO DE CANALIZAÇÃO (OVSF Orthogonal Variable Spreading Funtion)

20 CÓDIGO DE CANALIZAÇÃO (OVSF Orthogonal Variable Spreading Funtion) Fator de Espalhamento (SF Spread Factor) relação entre a taxa de transmissão do sinal espalhado e a taxa de transmissão do sinal em banda base. Em db o fator de espalhamento corresponde ao Ganho de Processamento. No WCDMA utilizam-se até 512 códigos OVSF permitindo teoricamente um máximo de 512 canais por portadora de 5MHz. Os códigos OVSF são de tamanho variável e a alocação de códigos de tamanho menor, apesar de permitir maiores taxas de transmissão, reduz o número de códigos possíveis

21 CONTROLE DE POTÊNCIA (malha aberta) 1. O terminal móvel mede a potência do sinal recebido; 2. Esta medida é uma indicação da atenuação no percurso; 3. O terminal móvel transmite para a ERB com um nível de potência compatível com a atenuação do percurso. Equacionamento P R xp T = K constante de proporcionalidade ou P T = K / P R Em db P T (dbm) = 10logK P R (dbm) IS-95 10logK = 73 db P T (dbm) = 73 P R (dbm) P T Potência transmitida; P R Potência recebida Exemplo: P R = 90 dbm P T = 17 dbm Obs. Este controle de potência não é capaz de compensar o desvanecimento multipercurso

22 CONTROLE DE POTÊNCIA (malha fechada) 1. O terminal móvel transmite; 2. A ERB compara com uma referência; 3. A ERB envia uma mensagem de correção. Quando o sinal recebido está abaixo de um determinado limiar, a ERB envia um bit de controle de potência ZERO. O terminal móvel aumenta em 1 db a sua potência de saída; Quando o sinal recebido está acima deste limiar, a ERB envia um bit de controle de potência UM. O terminal móvel diminui em 1 db a sua potência de saída. Esta correção é transmitida na taxa de 800 bits/s.

23 CDMA RECEPTOR RAKE OBJETIVO Compensar o efeito do desvanecimento multipercurso RESOLUÇÃO 0,26 s (duração de um chip na taxa de 3,84 Mcps) ESTRUTURA DE 4 BRAÇOS A ERB utiliza os 4 braços. O terminal móvel utiliza apenas 3, ficando o quarto para o searcher que monitora a intensidade do sinal nas células vizinhas para o procedimento de handover

24 CDMA RECEPTOR RAKE

25 CDMA SOFT HANDOVER

26 CDMA SOFTER HANDOVER

27 CDMA HARD HANDOVER

28 3ª GERAÇÃO TG 8/1 (UIT-R/1986) FPLMTS / IMT-2000 / UIT SERVIÇOS QUALIDADE EQUIVALENTE À RTPC VÍDEO TRANSMISSÃO DE DADOS (COMUTAÇÃO DE CIRCUITOS E DE PACOTES) CAPACIDADE UMTS / EUROPA VEICULAR: 144 kb/s PEDESTRE: 314 kb/s INTERIOR: 2 Mb/s UNIVERSAL MOBILE TELECOMMUNICATIONS SYSTEM

29 PROPOSTAS IMT-2000 PROPOSTA DESCRIÇÃO ORIGEM DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications ETSI (Europa) UTRA (WCDMA) UMTS Terrestrial Radio Access ETSI (Europa) CDMA xEV-DO TIA (USA) UWC-136 Universal Wireless Communications TIA (USA) TD-SCDMA Time-Division Syncronous CDMA CATT (China) WiMax Móvel IEEE e - Aprovado em 19/10/2007 USA

30 ESPECTRO DE FREQUÊNCIAS WARC MHz UIT IMT 2000 MSS IMT 2000 MSS 1885 MHz 2025 MHz 2110 MHz 2170 MHz Europa GSM 1800 DECT UMTS MSS UMTS MSS 1880 MHz 1980 MHz MHz 2170 MHz Japão PHS IMT 2000 MSS IMT 2000 MSS MHz 2160 MHz EUA PCS MSS Reservada MSS

31 ESPECTRO DE FREQUÊNCIAS Situação atual UIT IMT IMT IMT S IMT S IMT M S M S WARC - 92 WRC 2000 Europa E GSM GSM D FDD D C T T D M S S T D D FDD M S S Celular China GSM GSM, PCS IMT M S S IMT M S S P PDC Japão H IMT S M S S IMT M S S Coréia P P Celular C C IMT S S M S S IMT M S S Celular América do Norte PCS A B C D EF A B C D EF M S S Reser M S S

32 HARMONIZAÇÃO REQUISITOS DOS PROVEDORES DE SERVIÇO EVOLUÇÃO A PARTIR DA INFRAESTRUTURA EXISTENTE MINIMIZAR CONFLITOS NO USO DO ESPECTRO CONCORRÊNCIA x REDUÇÃO DE CUSTO REQUISITOS DOS FABRICANTES PADRÃO GLOBAL COMERCIALIZAÇÃO REDUÇÃO DO CUSTO DE P&D DIREITO DE PROPRIEDADE INDUSTRIAL REQUISITOS DOS USUÁRIOS ROAMING GLOBAL CUSTO TERMINAL SERVIÇO QUALIDADE DO SERVIÇO

33 HARMONIZAÇÃO PROJETOS ASSOCIADOS 3GPP Evolução do GSM ETSI ; ARIB ; ATIS ; CCSA ; TTA ; TTC 3GPP2 Evolução do CDMA ANSI ; ARIB ; TIA ; TTA ; TTC ETSI European Telecommunications Standard Institute Europa ARIB Association of Radio Industries and Business Japão ATIS Alliance for Telecommunications Industry Solutions USA CCSA China Communications Standard Association China TTA Technological Telecommunications Association Coréia do Sul TTC Telecommunications Technology Committee Japão TIA Telecommunications Industry Association USA

34 3GPP OBJETIVOS MANUTENÇÃO E DESENVOLVIMENTO DO PADRÃO GSM ESPECIFICAÇÕES E RELATÓRIOS TÉCNICOS RELATIVOS À 3ª G EVOLUÇÃO A LONGO PRAZO RELEASES AS INFORMAÇÕES DO 3GPP SÃO DIVULGADAS ATRAVÉS DE RELEASES. ESPECIFICAÇÕES RELATIVAS À 3ªG COMEÇARAM A SER DIVULGADAS A PARTIR DO RELEASE 99. OS RELEASES ANTERIORES REFEREM-SE AOS PADRÕES GSM, GPRS E EDGE.

35 RELEASES UMTS Universal Mobile Telecommunications System HSPA /DL (HSDPA) High Speed Downlink Packet Access HSPA/UL (HSUPA) High Speed Uplink Packet Access LTE Long Term Evolution LTE Adv Long Term Evolution Advanced

36 CARACTERÍSTICAS DO WCDMA RECEPTOR RAKE CONTROLE DE POTÊNCIA (1,5 khz) Malha aberta Malha fechada HANDOVER CÓDIGOS Soft Handover Softer Handover Hard Handover Canalização OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Embaralhamento Sequência PN (2 41 1)

37 WCDMA X 1xEV-DO Largura de faixa 5 MHz 1,25 MHz Taxa de chip 3,84 Mc/s 1,2288 Mc/s Canalização OVSF Walsh Modulação QPSK (direto) / BPSK (reverso) QPSK (direto) / BPSK (reverso) Duração do quadro 10 ms 10 ms Taxa máxima 2 Mb/s 2,4 Mb/s Controle de potência Sincronismo das ERBs 1,5 khz 800 khz Assíncrona Síncrona (GPS)

38 WCDMA X GSM

39 External Networks UMTS System Architecture Uu Iu USIM Node B Node B RNC MSC/ VLR GMSC Cu Iub Iur HLR ME Node B Node B RNC SGSN GGSN UE UTRAN CN

40 UTRAN UE UTRAN CN UMTS Terrestrial Radio Access Network, Overview Two Distinct Elements : Base Stations (Node B) Radio Network Controllers (RNC) 1 RNC and 1+ Node Bs are group together to form a Radio Network Sub-system (RNS) Handles all Radio-Related Functionality Soft Handover Radio Resources Management Algorithms Maximization of the commonalities of the PS and CS data handling Node B Node B Node B Node B RNS RNC RNC RNS UTRAN

41 External Networks Core Network UE UTRAN CN Core Network, Release 99 CS Domain : cs MSC/ VLR GMSC Mobile Switching Centre (MSC) Switching CS transactions Visitor Location Register (VLR) Holds a copy of the visiting user s service profile, and the precise info of the UE s location Gateway MSC (GMSC) The switch that connects to external networks ps SGSN HLR GGSN PS Domain : Serving GPRS Support Node (SGSN) Similar function as MSC/VLR Gateway GPRS Support Node (GGSN) Similar function as GMSC Register : Home Location Register (HLR) Stores master copies of users service profiles Stores UE location on the level of MSC/VLR/SGSN

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43 GERAÇÃO DA INTERFERÊNCIA ENTRE SÍMBOLOS (ISI)

44 DESVANECIMENTO SELETIVO

45 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex Transmissão em paralelo de dados utilizando grande número de sub-portadoras com modulação PSK ou QAM. Este procedimento implica em pequenas taxas de transmissão por portadora, limitando a sensibilidade à dispersão no tempo e reduzindo a interferência entre símbolos (ISI).

46 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex O espaçamento entre portadoras é definido de tal forma que cada uma fique posicionada nos pontos de zero das demais (condição de ortogonalidade). No domínio do tempo um intervalo de tempo é adicionado antes de cada símbolo para reduzir a ISI. Este intervalo é calculado de forma que as componentes multipercurso de um símbolo não interfiram no símbolo subsequente.

47 REPRESENTAÇÃO TEMPO-FREQUÊNCIA DO SINAL OFDM

48 DESVANTAGENS DO OFDM 1. Suscetibilidade ao erro de frequência ocasionado pelo oscilador local ou por desvio Doppler. Este erro ocasiona a interferência entre portadoras (ICI Inter Carrier Interference); 2. Alta relação potência de pico / potência média (PAPR Peak-to-Average Power Ratio). Motivo: O OFDM não possui amplitude constante, ou seja, a potência de RF instantânea pode variar bruscamente durante a transmissão de um símbolo.

49 INTERFERÊNCIA ENTRE SUB-PORTADORAS (ICI INTERCARRIER INTERFERENCE)

50 MÚLTIPPLO ACESSO (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) ENLACE DIRETO OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access As sub-portadoras são alocadas dinamicamente entre os diversos usuários. Apresenta maior proteção para o desvanecimento seletivo, rejeição de interferências e flexibilidade de canalização. ENLACE REVERSO SC-FDMA Single Carrier-Frequency Division Access Equivalente ao OFDMA relativamente à proteção ao desvanecimento seletivo e flexibilidade de canalização, apresentando menor relação potência de pico / potência média (PAPR).

51 OFDM X OFDMA

52 COMPARAÇÃO OFDMA SC-FDMA

53 TECNOLOGIA MIMO (Multiple Input Multiple Output) Diversidade espacial melhoria no desempenho do sistema relativamente ao efeito do desvanecimento. A s antenas de recepção recebem a mesma informação Multiplexação espacial aumento da taxa de transmissão do através da utilização de percursos diferentes. As antenas transmitem informações distintas que são codificadas para serem reconhecidas no receptor

54 TECNOLOGIA MIMO (Multiple Input Multiple Output) DIVERSIDADE DE ESPAÇO

55 TECNOLOGIA MIMO (Multiple Input Multiple Output) A tecnologia MIMO aproveita a melhoria do efeito de diversidade e possibilita o aumento da taxa de transmissão. A transmissão de informações diferentes codificadas (multiplexação espacial) são recebidas em antenas separadas espacialmente (diversidade de espaço). Esta tecnologia pode ser aprimorada através do ajuste adaptativo do feixe das antenas (beamforming).

56 TECNOLOGIA MIMO (Multiple Input Multiple Output) AJUSTE ADAPTATIVO DO FEIXE (Beamforming) Os sistemas adaptativos são capazes de dirigir o feixe na direção desejada e movê-lo em tempo real. Neste caso, são utilizados conjuntos de antenas na recepção. Isto implica em complexidade e custo.

57 TECNOLOGIA MIMO (Multiple Input Multiple Output)

58 TECNOLOGIA MIMO (Multiple Input Multiple Output) Os dados a serem transmitidos são divididos em M feixes independentes Transmissão simétrica (m = n) M m Transmissão assimétrica (m > n) M n Teorema de Shannon Hartley Configurações usuais C = MBlog 2 [1 + S/N] 2 X 2 e 4 X 4

59 SITUAÇÃO MUNDIAL (DEZEMBRO 2010)

60 EVOLUÇÃO HSPA ENLACES DIRETO E REVERSO

61 EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA HSPA

62 COMPARAÇÃO HSPA / WiMAX / LTE

63 LATÊNCIA

64 COMPARAÇÃO LINHA FÍSICA / RÁDIO

65 FAIXAS DE FREQUÊNCIA UMTS/FDD

66 FAIXAS DE FREQUÊNCIA LTE/FDD TDD

67 EFICIÊNCIA ESPECTRAL ENLACE DIRETO

68 EFICIÊNCIA ESPECTRAL ENLACE REVERSO

69 LIMITE DE SHANNON

70 EVOLUÇÃO EDGE / HSPA / LTE / EV-DO

71 LTE SITUAÇÃO ATUAL (MARÇO 2011)

72 PREVISÃO DE MERCADO

73 IMT-ADVANCED / LTE- ADVANCED

74 LTE ADVANCED COBERTURA INDOOR COM REPETIÇÃO

75 FEMTOCELL Estação Rádio Base (ERB) de pequena dimensão desenvolvida para operar no interior de residências. As Femtocells empregam baixa potência nas frequências dos sistemas celulares e se conectam à rede da operadora através da conexão banda larga disponível na residência.