Tutoriais Telefonia Celular: Redes 3G e 4G: Introdução

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1 Tutoriais Telefonia Celular: Redes 3G e 4G: Introdução A cada dia que passa a necessidade por serviços de banda larga cresce. Alguns serviços que há poucos anos eram praticamente inacessíveis à maioria da população e das empresas, hoje são considerados essenciais e se tornaram amplamente difundidos. Serviços como videoconferência, download de vídeos, jogos interativos e Voz sobre IP, que já são considerados por muitos como necessários, e outros serviços como Cloud computing (nome que se dá ao crescente fenômeno de estocar dados e rodar programas não no próprio computador, mas em servidores gigantes e remotos acessados pela Internet) devem aumentar cada vez mais a demanda por largura de banda. Aliado a isso, outros dois fatores que tem contribuído para esse crescimento são o aumento do rendimento das famílias pobres, que passam a poder satisfazer algumas necessidades, entre elas o acesso à banda larga, e a queda acentuada do preço dos computadores pessoais, principalmente dos notebooks. O grande consumo de notebooks, que já representam quase metade do total dos PC s no Brasil, vem contribuindo para demanda de banda larga móvel. A ascensão da classe pobre, que na maioria dos casos reside em regiões com infra-estrutura mais precária e muitas vezes não é atendida pela prestadora de banda larga fixa, tem representado um mercado atraente para as empresas de telefonia móvel. Na maioria dos casos essas pessoas não necessitam de mobilidade, contudo a operadora de telefonia móvel tem maior facilidade em atender esse tipo de região. São regiões onde existe demanda reprimida para banda larga. Existem também pessoas de poder aquisitivo mais elevado e empresários que viajam muito, e que necessitam de conexão banda larga para os seus notebooks, em qualquer lugar e a qualquer momento. Esse tipo de usuário tem representado uma parcela cada vez maior da população e basicamente deve ser atendida por banda larga móvel. Os sistemas de banda larga móvel combinam a nova necessidade de serviços dados em alta velocidade com a mobilidade. É considerando o cenário apresentado acima que o grupo que padroniza o desenvolvimento dos sistemas celulares, o 3GPP (3rd Generation Partnership Project), vem trabalhando para desenvolver padrões que atendam às necessidades das pessoas. Tal trabalho consiste na implementação de ferramentas que melhorem o desempenho dos sistemas celulares. As principais características que têm demandado esforço ao comitê são o aumento da velocidade para transferência de dados (chamado throughput) e da eficiência espectral dos sistemas (trata-se da relação entre velocidade oferecida e banda disponível), e a redução da latência da rede (tempo que os dados levam para atravessar toda a rede). Foi o 3GPP que padronizou as redes GSM/GPRS/EDGE e que vem concentrando esforços para desenvolver as redes 3G atuais e alcançar o nível esperado para as redes 4G do futuro próximo. Redes 3G e 4G: Implantação 3G:

2 Redes 3G e 4G: Evolução 3G Evoluções das tecnologias 3GPP Existem também outras padronizações já definidas ou ainda em desenvolvimento pelo grupo de estudos do 3GPP que aumentarão significativamente o throughput e a eficiência espectral e reduzirão a latência das futuras redes banda larga sem fio. Elas estão contempladas nos releases 6, 7 e 8. HSUPA e HSPA O High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA) está posicionado para dar seqüência ao High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA), sendo a combinação das duas tecnologias chamada simplesmente de High Speed Packet Access (HSPA). O HSUPA é padronizado pelo release 6 do 3GPP. Uma escolha óbvia foi observar as técnicas aplicadas ao HSDPA e, se possível, aplicá-las também ao uplink. As técnicas abaixo são responsáveis pela velocidade de pico atingida no uplink de 5,7 Mbit/s e redução da latência (a tabela 2 resume algumas das principais características e se são usadas pelo R99, HSDPA e/ou HSUPA): Criação de um novo canal de transporte para o uplink chamado Enhanced Dedicated physical channel (E-DCH); Utilização do TTI de 2 ms ou 10 ms no uplink; Fast Scheduling baseado na Node-B; Fast HARQ; Latência próxima aos 70 ms. Tabela 2: Características do HSPA Funcionalidade Spreading Factor variável DCH HSDPA (HS- DSCH) Sim Não Sim HSUPA (E- DCH)

3 Fast power control Sim Não Sim Adaptive modulation Não Sim Não BTS based scheduling Não Sim Sim Fast L1 HARQ Não Sim Sim Soft handover Sim Não Sim TTI [ms] 80,40,20, ,2 Fonte: HSDPA / HSUPA for UMTS High Speed Radio Access for Mobile Communications ebook, página 63, Spy (Edited by Harri Holma and Antti Toskala) O HSUPA, diferente do que acontece no HSDPA, utiliza o soft handover e não usa um Spread Factor fixo, conforme a tabela 3, para atingir variadas taxas de dados. Também não usa modulação adaptativa porque não suporta nenhum esquema de modulação de alta ordem, sendo a modulação BPSK o único tipo suportado pelo HSUPA. Tabela 3: Taxas de pico de throughput do HSUPA HSUPA Codes x Transport Block TTI Data Rate Category Spreading Size 1 1 x SF ,73 Mbit/s 2 2 x SF ,46 Mbit/s 2 2 x SF ,46 Mbit/s 3 2 x SF ,46 Mbit/s 4 2 x SF Mbit/s 4 2 x SF ,9 Mbit/s 5 2 x SF Mbit/s 6 2 x SF2 + 2 x SF Mbit/s 6 2 x SF2 + 2 x SF ,76 Mbit/s Fonte: EDGE, HSPA and LTE: The Mobile Broadband Advantage 3G Americas, Página 74 Evolução do HSPA (HSPA+) Sistemas Orthogonal Frequency-Division Multiple Access OFDMA têm atraído considerável atenção através de tecnologias tais como 3GPP LTE, Wimax e UMB. Contudo o desempenho de sistemas CDMA podem equivaler a sistemas OFDMA em reduzidas larguras de banda. O objetivo do HSPA+ é explorar as tecnologias de rádio disponíveis para maximizar o desempenho dos sistemas baseados no CDMA. Velocidades de até 42 Mbit/s podem ser suportadas pelo HSPA+. Essas velocidades podem ser atingidas através da combinação de nova tecnologia de modulação de alta ordem (64QAM no downlink e 16QAM no uplink), em conjunto com a tecnologia de antena 2X2 MIMO (Multiple Input Multiple Output). Algumas melhorias para o HSPA são definidas principalmente no release 7 do 3GPP. A introdução dos receptores 2i e 3i, Modulação de alta ordem e pesquisas na evolução da arquitetura para HSPA

4 são áreas de grande relevância e que merecerão destaque. Uma importante melhoria é o avanço dos receptores que podem implementar os seguintes projetos: Diversidade de recepção combinação de sinais provenientes de duas antenas diferentes no lado do receptor; Equalização de canal LMMSE (Linear minimum mean square error) trabalha em conjunto com a diversidade de recepção para proporcionar um ganho ao sinal recebido pelo móvel; Cancelamento de interferência estimativa da interferência produzida pelo acesso múltiplo e pelo multipercurso e posterior subtração dessa interferência estimada. Outra melhoria implementada é o CPC (Conectividade Contínua de Pacote). Ele é responsável por introduzir a transmissão descontínua (DTX) e recepção descontínua (DRX). O DTX permite ao UE (User Equipment) desligar os canais de controle reduzindo a interferência total na Node B, aumentando a capacidade do sistema, e reduzir o consumo do móvel, conforme mostrado na figura 4. Da mesma forma o DRX permite que o UE desligue o receptor no momento em que a Node B não está transmitindo. Isso permite redução do consumo do equipamento móvel. Figura 4: Transmissão e recepção com CPC Fonte: EDGE, HSPA and LTE: The Mobile Broadband Advantage 3G Americas, Página 77 A arquitetura também é otimizada com o objetivo de reduzir o número de nós da rede, reduzindo assim a latência do sistema, conforme a figura 5, com a introdução da solução de um túnel (One- Tunnel Solution OTS). Figura 5: Solução One-Tunnel do HSPA Fonte: UMTS Evolution From 3GPP release 7 to release 8. HSPA and SAE/LTE, Página 16, June 2008 Update 3G Americas Ainda no release 7 foi padronizada uma técnica chamada MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), que implementa múltiplas antenas transmissoras e múltiplas antenas receptoras, geralmente

5 combinados com múltiplos rádios e múltiplos fluxos de dados paralelos. O uso mais comum do termo MIMO se aplica a multiplexação espacial. O transmissor envia diferentes fluxos de dados em cada antena. O MIMO conforme mostra a figura 6 explora o multipercurso, reforçando os sinais que atravessam diferentes caminhos. Isso resulta em diversos caminhos de dados efetivamente operando em paralelo e, através de decodificação apropriada, em uma multiplicação do ganho e do throughput. Figura 6: Exemplo de uso do MIMO Fonte: UMTS Evolution From 3GPP release 7 to release 8. HSPA and SAE/LTE, Página 76, June 2008 Update 3G Americas Com relação a sistemas comuns de antenas 1x1, os sistemas MIMO 2x2 podem oferecer ganhos de throughput nas células de até 80%. O sistema HSPA+, padronizado no release 8, utilizando MIMO 2x2, 64QAM no downlink e 16QAM no uplink, poderá atingir throughput de até 42 Mbit/s no downlink e até 11,5 Mbit/s no uplink. O HSPA+ também reduzirá a latência para abaixo dos 25 ms. Redes 3G e 4G: Características do LTE Long Term Evolution LTE Na escala evolutiva do 3GPP, o primeiro padrão que apresenta como técnica de acesso ao meio o OFDMA (acesso múltiplo por divisão de freqüências ortogonais) é o LTE. O OFDMA já é usado nos mais modernos sistemas, tais como padrões de TV e rádio digital, redes Wifi e Wimax, dentre outros. Essa técnica consiste na divisão da banda disponível em milhares de subportadoras, e na transmissão dos dados de um ou mais usuários, de forma simultânea, em várias dessas subportadoras, conforme mostra a figura 7. Dessa forma o sistema se torna mais resistente a interferência seletiva, multipercurso e pode ser projetado para ser praticamente imune à interferência intersimbólica, introduzindo-se um intervalo de guarda adequado.

6 Figura 7: Composição das portadoras e subportadoras no OFDM Fonte: HSDPA and Beyond, página 25, (By Nortel) As redes LTE são a evolução apresentada pelo 3GPP para aproveitar de forma mais eficiente bandas acima de 5 MHz. Para bandas disponíveis de até 5 MHz, as tecnologias baseadas em CDMA já apresentadas até aqui, fazendo uso de técnicas também apresentadas (como MIMO, avanço dos receptores, modulação de alta ordem, dentre outras) apresentam uma eficiência semelhante. Contudo, para bandas maiores, as redes LTE oferecem ao usuário um desempenho superior, conforme listado abaixo: Uso do OFDMA no downlink e o SC-FDMA no uplink, para reduzir o alto PAPR Peak Average Power Rate do OFDM que encarece os amplificadores e obriga que eles sejam ineficientes, por não poderem apresentar alto ganho. Procura-se com isso reduzir a complexidade do equipamento móvel. Latência abaixo de 5 ms com 5 MHz ou largura de banda maior. Com alocação de banda abaixo de 5 MHz, a latência menor que 10 ms pode ser viabilizada. Largura de banda escalável até 20 MHz, com bandas menores cobrindo 1,25 MHz, 2,5 MHz, 5 MHz, 10 MHz e 15 MHz. A banda de 1,6 MHz também é considerada para casos específicos. Suporta somente comutação por pacote (Packet Switching PS). O serviço de Voz para o usuário é fornecido através de VoIP ou utilizando as tecnologias legadas. Taxa máxima de dados no downlink de até 100 Mbit/s e no uplink de até 50 Mbit/s com largura de banda de 20 MHz. Redução do valor do TTI para 1 ms. Técnicas Chave Empregadas Visando a melhoria de desempenho dos sistemas 3G em direção aos sistemas 4G, algumas técnicas estão sendo ou serão empregadas. Muitas delas já foram descritas anteriormente e as mais importantes estão listadas abaixo: Utilização de modulação de níveis superiores (16QAM, 64QAM). Técnicas de cancelamento sucessivo de interferência e diversidade de recepção no downlink. CPC (continuous packet conectivity). Sistemas MIMO (2X2, 4X2, 4X4). Beamforming, que é a técnica na qual uma Antena Inteligente ou Matriz Adaptativa pode alterar dinamicamente seu diagrama de radiação de forma a atender os clientes da melhor forma, como ilustra a figura 8. Eliminação de nós na rede (Arquitetura IMS), conforme mostra a figura 5. Desenvolvimento do Evolved Packet System EPS para permitir interoperabilidade entre

7 GSM/UMTS/HSPA com o LTE. Utilização da técnica OFDMA para acesso ao meio conforme mostra a figura 7. O OFDMA proverá maior eficiência espectral e maior troughput máximo para bandas maiores que MHz. Utilizando a banda de MHz o HSPA+, fazendo uso do CDMA e de técnicas avançadas já descritas, possui eficiência espectral muito próxima ao LTE que utiliza o OFDMA. Figura 8: Exemplo de uso do Beamforming Fonte: UMTS Evolution From 3GPP release 7 to release 8. HSPA and SAE/LTE, Página 76, June 2008 Update 3G Americas As técnicas descritas são responsáveis por grande parte da evolução dos padrões 3GPP, conforme ilustra a figura 9. Figura 9: Evolução dos padrões do 3GPP Fonte: UMTS Networks Services, Apresentação AIRCOM Perspectivas para o 4G Conforme é comum se ensinar nas escolas, a história é o estudo do que ocorreu no passado para que possamos nos preparar e até predizer o que acontecerá no futuro. Esse pensamento é muito utilizado na estatística e na economia. É muito comum armazenar certos tipos de dados de acontecimentos passados para que seja traçada uma tendência para o futuro. Essa característica é bastante usada no mundo das telecomunicações para se prever, por exemplo, quando serão necessários novos investimentos para ampliação de capacidade das redes em função do crescimento da demanda de tráfego.

8 Levando em consideração o comportamento do 3GPP para escolha das técnicas de múltiplo acesso das gerações anteriores e com ajuda da figura 10, teremos uma indicação da técnica de múltiplo acesso que será escolhida para a próxima geração de celulares. Nos anos 90, o TDMA foi escolhido em detrimento do CDMA para a segunda geração. Em 2000, o CDMA foi escolhido em detrimento do Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM para o 3G. Seguindo essa lógica e com base na utilização dessa técnica em grande parte dos sistemas de comunicações mais modernos, espera-se que o OFDM seja escolhido pelo 3GPP para viabilizar os sistemas 4G do futuro. Figura 10: Adoção de técnicas de múltiplo acesso pelo 3GPP Conforme mencionado, outra indicação que o OFDM tem grandes chances de ser escolhido é a sua utilização difundida em sistemas mais modernos. São eles: WLAN (IEEE a, g, n), Rádio Digital (DAB, DRM, ISDB-TSB), TV Digital (DVB-T, ISDB), TV móvel (DVB-H, ISDB-T, MediaFLO), 3GPP LTE, WMAN fixo (IEEE Wimax), WMAN móvel (IEEE e, IEEE , WiBro). Espera-se que o novo padrão seja capaz de atingir até 1 Gbit/s, para usuários até 15 km/h, e até 100 Mbit/s para usuários com velocidades superiores, conforme mostra a figura 11. Espera-se também que as redes 4G sejam projetadas para operar conjuntamente com as redes UMTS e GSM legadas. O relatório ITU-R M.2079 indica que serão priorizadas bandas dentro do intervalo de 400 MHz a 5 GHz para implementação da nova geração. Figura 11: Velocidades para cada tecnologia e geração Fonte: UMTS Networks Services, Apresentação AIRCOM

9 Ainda há muito que ser definido para padronização das futuras redes de 4ª geração de telefonia celular e existe a perspectiva que muito seja definido até o final de Apesar disso, algumas operadoras pelo mundo afirmam que irão adotar as redes LTE como suas futuras redes de 4ª geração. Contudo as redes LTE não satisfazem alguns requisitos desejados para redes 4G e, portanto, essas afirmações devem ser analisadas sob olhar mais crítico. Redes 3G e 4G: Considerações finais A tecnologia vem evoluindo numa velocidade impressionante nos últimos anos. Na vanguarda dessa tendência está situada a telefonia móvel que, com a implementação plena das redes 3G, pode passar a ser chamada também de banda larga móvel. A implantação efetiva de 3 gerações de sistemas celulares, num período inferior a 15 anos, e a preparação para o surgimento de uma quarta geração suscitam a questão de como se dará a convivência entre as tecnologias mais novas e as chamadas tecnologias legadas. Um exemplo de como isso pode ocorrer são as redes das operadoras que possuem a tecnologia GSM e UMTS funcionando simultaneamente, nas quais é possível até mesmo o handover entre os dois sistemas. Outro aspecto interessante a ser observado na escala evolutiva do 3GPP é a futura transição do CDMA para o OFDMA, que ocorrerá quando da implementação do LTE. Conforme já mencionado, o OFDMA possui melhor desempenho para bandas acima de 5 MHz. A redução da latência também é um aspecto importante que, conforme já mencionado, deve ser alcançada principalmente com a aplicação da Solução de um Túnel (OTS) que implica na redução do número de nós das redes. Analisando com cuidado as técnicas apresentadas na escala evolutiva do 3GPP, observamos a preocupação com dois aspectos complementares: de um lado a tentativa de aumentar a eficiência espectral com a adoção técnicas de modulação de alta ordem, como o 64QAM, e de outro a tentativa de melhorar o C/I com a adoção de técnicas como o MIMO, a diversidade de recepção e o cancelamento sucessivo de interferência. As primeiras tendem a aumentar a vulnerabilidade do receptor no caso de ocorrência de interferências e as segundas tentam minimizar o efeito da interferência percebida, viabilizando o uso mais eficiente do espectro de freqüência. Referências EDGE, HSPA and LTE: The Mobile Broadband Advantage 3G Americas Defining 4G: Understanding ITU Process for the next Generation of Wireless Technology 3G Americas Wiley - WCDMA for UMTS - Radio Access for Third Generation Mobile Communications, 3rd Ed (By Laxxuss) HSDPA and Beyond (By Nortel). Wiley HSDPA HSUPA for UMTS High Speed Radio Access for Mobile Communications ebook Spy (Edited by Harri Holma and Antti Toskala) UMTS Evolution. From 3GPP release 7 to release 8. HSPA and SAE/LTE. June 2008 Update 3G Americas Overview of Multiuser Detection/Interference Cancellation for DS-CDMA Tero Ojanpera, Nokia Research Center, 2300 Valley View Lane, Irving, TX 75038, USA Lopes, Estevan Marcelo. TP-100 Sistemas de Comunicações Móveis e TV Digital,

10 Apresentação INATEL. Redes 3G e 4G: Teste seu entendimento: 1. Apesar do sistema UMTS usar várias ferramentas do sistema IS-95 (CDMA), qual alternativa abaixo representa uma das diferenças entre eles que devem ser observadas? Necessidade de sincronismo para inter-operação entre as estações base no IS-95, que é ( ) opcional no UMTS. Por essa razão os sistemas UMTS não necessitam das antenas GPS presentes nas estações do sistema IS-95. A taxa de chips utilizada para o IS-95 é de 1,2288 Mcps, numa banda de 1,25 MHz, enquanto ( ) que para o UMTS a taxa é de 3,84 Mcps, numa banda de 5MHz. O UMTS é projetado para operar conjuntamente com o GSM, portanto, o handover entre os ( ) dois sistemas é suportado permitindo manter o nível mínimo do GSM durante a introdução da rede UMTS. ( ) Todas as alternativas anteriores. 2. Qual das alternativas abaixo não representa uma das alterações em relação ao WCDMA implementada pelo HSDPA? ( ) Utiliza o soft ou softer handover (não ocorre hard handover). ( ) Utilização de Spread Factor fixo e igual a 16 (SF=16). ( ) Decisão de Scheduling realizada pela Node B. ( ) Utilização de modulação de alta ordem (16 QAM). 3. O que permitiu que o LTE fosse interoperável com as outras tecnologias 2G e 3G (GSM/UMTS/HSPA)? ( ) A existência de largura de banda escalável até 20 MHz. ( ) Desenvolvimento do Evolved Packet System EPS. ( ) O serviço de Voz fornecido através de VoIP. ( ) Uso do OFDMA no downlink e o SC-FDMA no uplink.