HSPA e WiMax Móvel I: Como comparar o desempenho na teoria e na prática

HSPA e WiMax Móvel I: Como comparar o desempenho na teoria e na prática Esta série de tutoriais apresenta um panorama técnico e de desempenho do HSPA e do WiMAX Móvel. Seu objetivo é comparar o desempenho dessas tecnologias de rede sem fio na teoria e na prática. Este tutorial parte I apresenta o histórico e a principais características do HSPA e do WiMax Móvel, suas principais semelhanças e diferenças, e finaliza com uma tabela comparativa das características técnicas avaliadas. Este tutorial foi produzido a partir do White Paper TECHNICAL OVERVIEW AND PERFORMANCE OF HSPA AND MOBILE WIMAX - HOW THE PERFORMANCE OF HSPA AND MOBILE WIMAX COMPARE, IN THEORY AND IN PRACTICE, de Janeiro de 2009, elaborado pela Ericsson. Categorias: Redes de Dados Wireless, Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 20 minutos Publicado em: 13/07/2009 1

HSPA e WiMax Móvel I: Introdução Em poucos anos, a internet teve um impacto dramático nas nossas vidas particulares e profissionais. E continua a crescer em importância na nossa vida diária: para desfrutar plenamente dos benefícios da Internet, os usuários precisam de uma conexão banda larga. E nos próximos anos, milhões de pessoas vão utilizar a tecnologia sem fio para essa finalidade. Uma série de tecnologias está competindo para fornecer serviços de banda larga móvel. O mais bem sucedido desses serviços, com larga vantagem, é o High Speed Packet Access (HSPA), que foi implantado comercialmente em mais de 100 operadoras de mais de 50 países, e que adicionalmente contabiliza outras 50 operadoras (esse número continua aumentando) empenhadas em lançar o serviço em escala comercial, de acordo informações de Abril de 2007 da Global mobile Suppliers Association (GSA). O HSPA é uma tecnologia no nível de estado da arte, que pode oferecer serviços móveis e de banda larga sem fio com desempenho insuperável e com economia de escala para a grande maioria do mercado. Em 2010, espera-se que existam mais de 600 milhões de assinantes de banda larga móvel, aumentando para 900 milhões até 2012, e que a grande maioria, 70%, será servida por redes HSPA e 20% por redes CDMA EV-DO. Um bom sistema de banda larga móvel deve atender determinados critérios, que incluem alta velocidade, alta capacidade, baixo custo por bit, baixa latência, boa qualidade de serviço (QoS), e boa cobertura. Diversas técnicas podem ser utilizadas para atender a esses critérios em um sistema sem fio: Para maiores taxas de dados (e capacidade): Uso de sistemas de modulação de ordem superior, tais como o QAM16 (Quadrature Amplitude Modulation, ou modulação de amplitude em quadratura) e o QAM64; Uso sistemas avançados de antena do tipo MIMO (Multiple-Input Multiple-Output, ou múltiplas-entradas múltiplas-saídas) que dependem de múltiplas antenas no transmissor e no receptor, efetivamente multiplicando a taxa de pico; Uso de agendamento ou despacho dinâmico, priorizando o tráfego dos usuários finais de acordo com os respectivos contratos de prestação de serviços; Uso de intervalos de tempo de transmissão (Transmission Time Intervals TTI) reduzidos, de forma a obter tempos de transmissão de ida e volta (round-trip) próximos dos serviços equivalentes com fio (tais como o DSL); Para maior capacidade: Transmissão em canal compartilhado para fazer uso eficiente dos recursos disponíveis de tempo, freqüência, códigos e energia; Uso de enlace adaptativo para otimizar dinamicamente os parâmetros de transmissão, dependendo das condições reais do rádio enlace; Uso de agendamento ou despacho dependente do canal para atribuir os recursos do rádio enlace para os usuários que tiverem as condições de transmissão mais favoráveis; Uso do mecanismo híbrido de requisição e repetição automática (Hybrid Automatic Repeat request H-ARQ) para permitir a retransmissão rápida dos dados faltantes, e do mecanismo de combinação suave (soft combining) para melhorar significativamente o desempenho e a robustez; Para maior cobertura: Uso de sistemas de antena avançados e de receptores avançados para reforçar o rádio enlace e melhorar o alcance das células. 2

Tanto o HSPA como o WiMAX móvel empregam a maioria destas técnicas, e seu desempenho é muito semelhante. Entretanto, essas tecnologias diferem em áreas tais como o regime duplex (Frequency Division Duplexing FDD versus Time Division Duplexing TDD), bandas de freqüência, tecnologia de múltiplo acesso, e projeto do controle de canal, dando origem a diferenças principalmente nas taxas de dados do uplink e na cobertura. Este tutorial parte I apresenta o histórico e a principais características do HSPA e do WiMax Móvel, suas principais semelhanças e diferenças, e finaliza com uma tabela comparativa das características técnicas avaliadas. O tutorial parte II apresentará as características de desempenho, a arquitetura das redes e a conclusão final sobre o comparativos das tecnologias HSPA e do WiMax Móvel. 3

HSPA e WiMax Móvel I: Tecnologias HSPA O 3GPP (3rd Generation Partnership Project) é uma associação que reúne uma série de órgãos normativos de telecomunicações. O 3GPP foi formado por um conjunto das associações de telecomunicações os E.U.A., Europa, Japão, Coréia do Sul e China. Atualmente tem mais de 400 empresas membros e instituições. O 3GPP define especificações GSM e WCDMA para um sistema móvel completo, incluindo aspectos relativos aos terminais, redes de acesso de rádio, redes principais, e partes da rede de serviços. Órgãos de normatização em cada região do mundo têm autorização para receber os resultados do 3GPP e publicá-los na sua região, como normas ou recomendações formais. As especificações do 3GPP estão estruturadas em versões. Normalmente, as discussões de tecnologias do 3GPP referem-se à funcionalidades em uma ou outra versão. É interessante notar que todas as novas versões são compatíveis com versões anteriores. O caminho do desenvolvimento da tecnologia do 3GPP (GSM / WCDMA / HSPA) foi espetacular. No prazo de dez anos, por exemplo, houve um aumento de 1000 vezes nas taxas de dados suportadas. E, no entanto, as tecnologias do 3GPP continuam evoluindo. A recomendação do WCDMA contida no 3GPP Release 99 fornecia taxas de dados de 384kbit/s para áreas de cobertura abrangente (wide-area coverage). No entanto, velocidades (taxas de dados) e capacidade maiores rapidamente tornaram-se necessárias (com menor custo de produção), com o aumento do uso de serviços de dados e com a oferta de novos serviços. Entre outras coisas, o WCDMA 3GPP Release 5 ampliou a especificação com a adoção de um novo canal de transporte para o downlink, o canal compartilhado de downlink de alta velocidade (high speed downlink shared channel), que reforçou o suporte para aplicações baseadas em pacotes de dados de alta performance. Comparado com Release 99, o downlink aperfeiçoado proporcionou um considerável aumento da capacidade, o que se traduziu na redução do custo por bit. Ele também reduziu significativamente a latência e permitiu a oferta de taxas de dados de até 14 Mbit/s no downlink. Esses aperfeiçoamentos, que comumente são agrupados sob a denominação HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), foram o primeiro passo na evolução do WCDMA. Embora um grande volume de tráfego ocorra no sentido downlink, várias aplicações também se beneficiam com o uplink aperfeiçoado. Exemplos incluem o envio de grandes emails, fotos, vídeos e blogs. O aperfeiçoamento chave no WCDMA 3GPP Release 6 foi o novo canal de transportes no uplink, o uplink aperfeiçoado (enhanced uplink EUL) também por vezes referenciado como HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), o que melhorou o throughput, reduziu a latência e aumento da capacidade. O EUL proporciona taxas de dados de até 5,8 Mbit/s. A combinação de HSDPA e EUL é denominada HSPA (High Speed Packet Access). O 3GPP Release 7 apresentou a evolução do HSPA (também conhecida com HSPA+), que suporta as técnicas MIMO, QAM64 no downlink e QAM16no uplink, para reforçar o pico de velocidade e a capacidade. A evolução do HSPA suporta taxas de dados de até 42 Mbit/s no downlink e 11,5 Mbit/s no uplink. O LTE (Long Term Evolution), que atualmente está sendo especificado pelo 3GPP para o Release 8 (previsto para conclusão até o final de 2007), apresenta as técnicas OFDM (Orthogonal Frequency Division 4

Multiplexing) / OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) no downlink e FDMA com portadora única (single-carrier FDMA SC-FDMA) no uplink. O LTE suporta taxas de dados muito elevadas, superiores a 300 Mbit/s no downlink e 80 Mbit/s no uplink. O LTE vai suportar a operação tanto FDD (espectro pareado) como TDD (espectro não pareado) utilizando canais com bandas de aproximadamente 1,25 MHz até pelo menos 20 MHz. Tabela 1: Evolução das normas do 3GPP VERSÃO DATA CONTEÚDO Release 99 1T/2000 Especificadas as primeiras redes 3G UMTS, incorporando a interface de rádio WCDMA Release 4 2T/2001 Novas funcionalidades adicionadas, incluindo um núcleo de rede IP plena (all-ip core network) Release 5 1T/2002 Adicionadas as funcionalidades IMS (IP Multimedia Subsystem) e HSPA (High Speed Packet Access) Release 6 4T/2004 Adicionado o funcionamento integrado com redes LAN sem fio, o uplink aperfeiçado, o serviço MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service), e aperfeiçoamentos do IMS tais como o PoC (Push to Talk over Cellular) Release 7 1T/2007 Adicionado o downlink MIMO, a latência reduzida, a melhoria do QoS e melhorias para aplicações em tempo real, tal como o VoIP (Voice over IP) Release 8 Em andamento Adicionado o E-UTRA (LTE), a arquitetura Evolved Packet Core (SAE), e outras melhorias do HSPA Mobile WiMAX O Grupo de Trabalho IEEE 802.16 para normas de acessos banda larga sem fios, que foi estabelecido pelo IEEE Standards Board em 1999, preparou as especificações formais para redes metropolitanas de banda larga sem fio (WirelessMAN, a família de normas 802.16 é a base do WiMAX móvel). O IEEE 802.16-2004 (também chamado simplesmente 802.16d) fornece suporte para transmissão sem linha de visada (Non-Line Of Sight NLOS) e terminais internos para usuários finais (indoor end-user terminals) para a banda larga fixa sem fio. Em 2005, a norma foi alterada (IEEE 802.16e-2005 ou 802.16e) e foi adicionando suporte para mobilidade em serviços de dados. O IEEE 802.16e, ou WiMAX Móvel, aperfeiçoou os esquemas de modulação utilizados no padrão WiMAX original (fixo), apresentando o SOFDMA (Scalable Ortogonal Frequency Division Multiple Access). O perfil de sistema no IEEE 802.16e-2005 não é compatível com o perfil de sistema do WiMAX fixo. O objetivo do WiMAX Fórum, que tem mais de 400 membros, é promover e certificar a compatibilidade e a interoperabilidade dos equipamentos de acesso banda larga sem fio que estejam em conformidade com as norma IEEE 802.16 e com norma HiperMAN da ETSI (European Telecommunications Standards Institute). 5

Desta forma, o WiMAX Fórum define e conduz os testes de conformidade e interoperabilidade para garantir que os sistemas de diferentes fornecedores funcionem perfeitamente uns com os outros. Os perfis de certificação do WiMAX especificam características do espectro que incluem a banda utilizada, as freqüências para a transmissão duplex (duplexing) e a canalização. Existem vários perfis para WiMAX fixo e móvel. Existem atualmente duas ondas (waves) de certificação previstas para equipamentos compatíveis com o WiMAX Móvel: Onda 1 (Wave 1): perfil de sistema WiMAX móvel com terminais do tipo entrada-única saída-única (Single-Input Single-Output SISO) para as bandas de 2,3 GHz e 3,5 GHz. Onda 2 (Wave 2): perfil de sistema WiMAX móvel com terminais do tipo múltiplas-entradas múltiplassaídas (Multiple-Input Multiple-Output MIMO) e suporte para beamforming para a banda de 2,6 GHz (algumas vezes referenciada como a banda 2,5 GHz). Uma vez que norma IEEE 802.16 só abrange a conectividade básica até o nível de controle de acesso ao meio (Media Access Control MAC), o WiMAX Fórum também aborda aspectos da arquitetura de rede para as redes WiMAX móveis. O enfoque da primeira especificação de arquitetura rede (Release 1.0) é fornecer um serviço de acesso sem fios à Internet com mobilidade. O Release 1.5 vai adicionar o suporte para os serviços móveis de telecomunicações, suportando plenamente o interfuncionamento do IMS (IMS interworking), os serviços de telefonia VoIP (carrier-grade VoIP), aplicação de broadcast, tais como o IPTV, e o provisionamento de serviço pela rede (over-the-air provisioning). oferece a promessa de alta velocidade sem fios, carrier-grade VoIP, serviços de banda larga difusão, ainda é muito grande em suas aplicações, tais como a televisão móvel, e mais -infância e na vida real desempenho ainda não foi ao ar provisionamento. Embora o WiMax Móvel prometa oferecer serviços de banda larga sem fio de alta velocidade (taxa de dados), o padrão ainda está no início de sua jornada, e o desempenho efetivo desse serviço ainda deve ser comprovado. Tabela 2: Evolução do WirelessMAN (família de normas 802.16) VERSÃO DATA INFO IEEE 802.16d IEEE 802.16-2004 IEEE 802.16e IEEE 802.16e-2005 WiMAX Forum Network Architecture Specification Release 1.0 WiMAX Forum Network Architecture 2T/2004 4T/2005 1T/2007 Em Andamento Substituiu todas as especificações 802.16 anteriores. Adicionou suporte para operação sem linha de visada (non-line of sight) Aperfeiçoou a norma 802.16-2004, adicionando suporte para mobilidade em serviços de dados Apresenta a especificação de Rede para sistemas WiMax fixos, nomádicos, portáteis, e móveis, O Release 1.0 inclui aplicações para internet e mobilidade, inclusive para serviços de dados. Aperfeiçoou Release 1.0 para os servicos VoIP (carrier-grade VoIP), serviços de localização, 6

Specification Release 1.5 MBMS, interfuncionamento pleno para IMS (interworking) e provisionamento pela rede (overthe-air client provisioning) Comparação Técnica As tecnologias HSPA e WiMAX Móvel foram concebidas para serviços de dados de alta velocidade (high-speed packet data). Elas usam tecnologias de suporte semelhantes, incluindo o agendamento ou despacho dinâmico, enlaces adaptativos, H-ARQ com combinação suave (soft combining), QoS multi-nível, e sistemas de antena avançados. Não obstante, seu desempenho é diferente devido a diferenças de: formato do sinal na camada física, regime duplex, mecanismos de handover, e bandas de freqüências de operação. Esta seção fornece uma descrição de alto nível das semelhanças e diferenças entre HSPA e Mobile WiMAX. Detalhes técnicos do HSPA podem ser encontrados nas especificações 3GPP. Do mesmo modo, os detalhes do WiMAX móvel podem ser encontrados no padrão IEEE 802.16e2005 e no Perfil do Sistema Móvel do WiMAX Fórum. 7

HSPA e WiMax Móvel I: Semelhanças Agendamento ou Despacho Dinâmico Os sistemas tradicionais de telefonia comutada criam as conexões usando circuitos dedicados durante toda a sessão (chamada). Esta abordagem desperdiça recursos de comunicação para pacotes de dados, porque o circuito dedicado é reservado mesmo durante períodos ociosos. Para sistemas de dados de alta velocidade com tráfego em rajadas, faz mais sentido alocar recursos de rádio somente durante períodos ativos. Dada a natureza volátil dos canais sem fio, os rádio enlaces freqüentemente experimentam flutuações no sinal. É, portanto, mais eficaz para programar a estação radiobase e os terminais móveis (celulares, etc.) para comunicar apenas quando as condições de propagação estiverem boas. O sistemas HSPA e WiMAX Móvel utilizam agendamento ou despacho dependente do canal (figura 1) para fazer uso eficaz e eficiente dos recursos para pacotes de dados. Figura 1: Agendamento ou despacho dependente do canal Notar que: Agendamento ou despacho: determina para qual usuário final deve ser transmitido o sinal, num dado instante; Agendamento ou despacho dependente do canal: transmite durante os picos do sinal no canal. Enlace Adaptativo Quando a transmissão está programada para um dispositivo móvel, a qualidade do rádio enlace irá variar no tempo. O esquema de modulação e a taxa codificação de canal para um rádio enlace programado podem ser adaptados para minimizar erros em uma variedade de condições de rádio propagação. O enlace adaptativo (figura 2) permite a plena utilização da capacidade do canal para cada enlace de comunicação num ambiente sem fio e, portanto, maximiza a capacidade dos sistemas baseados em agendamento ou despacho. O HSPA e WiMAX Móvel suportam a seleção dinâmica dos esquemas de modulação QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying), QAM16 e QAM64, bem como da taxa de codificação de canal, onde a menor taxa de codificação sem repetição é 1/2 para o WiMAX Móvel e 1/3 (ganho adicional de codificação) para HSPA. Numa visão mais abrangente, o HSPA tem granularidade mais fina de modulação e de formatos de codificação que o WiMAX Móvel. 8

H-ARQ com Combinação Suave (soft combining) Figura 2: Enlace adaptativo Devido a atrasos na realimentação da qualidade do canal, o enlace adaptativo pode sofrer com erros ocorridos entre o tempo de recepção da informação e o tempo de agendamento ou despacho. O H-ARQ com combinação suave (soft combining) no downlink e uplink corrige rapidamente esses pacotes com erro sem ter que depender da camada superior ARQ. O H-ARQ com combinação suave (soft combining) é uma solução eficaz para os erros ocorridos no enlace adaptativo e reduz os atrasos de retransmissão, que são vitais para o desempenho da camada superior. No uplink, o H-ARQ com combinação suave (soft combining) também reduz a potência de transmissão e melhora a capacidade do sistema, graças à menor interferência e ao controle de potência mais estável. No HSPA a redundância incremental é usada para obter um ganho de codificação extra da taxa de codificação mais baixa que ocorre junto com a retransmissão. No WiMAX Móvel só está disponível a combinação Chase para o ganho de energia. A taxa de codificação não é ajustada após retransmissão. Qualidade de Serviço Multi-nível Figura 3: H-ARQ com combinação suave (soft combining) O HSPA e WiMAX Móvel suportam múltiplos níveis de QoS. No HSPA, os níveis de QoS são divididos em quatro categorias: conversação, streaming, interativa, e segundo plano. No WiMAX Móvel, existem cinco mecanismos de agendamento ou despacho definidos para os diferentes 9

níveis de QoS no uplink: unsolicited grant service (UGS), extended real-time polling service (ertps), real-time polling service (rtps), non-real-time polling service (nrtps), e best-effort. Tecnologias Avançadas de Antenas Tecnologias avançadas de antena múltiplas melhoram o desempenho e a capacidade dos modernos sistemas de comunicação móvel. Em geral, elas dependem do uso de múltiplas antenas de transmissão e / ou recepção para alcançar: Diversidade contra o desvanecimento (fading) no canal de rádio; Beamforming, para melhorar a relação sinal-ruído / interferência do rádio enlace; Multiplexação espacial, muitas vezes referenciada como antena de processamento MIMO (multiple-input, multiple-output), para aumentar as taxas de dados de pico e utilizar alta relação sinal-ruído / interferência no rádio enlace de forma mais eficiente. O WCDMA suporta dois sistemas de transmissão multi-antena: diversidade de transmissão em enlace aberto (open-loop transmit diversity) e diversidade de transmissão em enlace fechado (closed-loop transmit diversity). O mecanismo de diversidade de transmissão em enlace aberto (open-loop transmit diversity)do WCDMA utiliza a codificação de Alamouti modificada e pode ser aplicada tanto a canais dedicados, como a canais comuns. Esse mecanismo prove diversidade contra o desvanecimento (fading) do canal de rádio. O mecanismo de diversidade de transmissão em enlace fechado (closed-loop transmit diversity) do WCDMA permite o ajuste de amplitude e fase da transmissão, com base nas condições instantâneas do canal no downlink. Assim, além da diversidade, esse mecanismo permite obter ganhos de beamforming. Os mecanismos de diversidade de transmissão em enlace fechado e fechado (open and closed-loop transmit diversity) do WCDMA também estão disponíveis para o HSPA. Além disso, a multiplexação espacial 2x2 (no HSPA Release 7) efetivamente duplica a taxa de dados de pico no downlink. O perfil de sistema do WiMAX Móvel especifica dois tipos esquemas de transmissão multi-antenas: Diversidade de transmissão usando o código espaço-tempo de Alamouti (Space-Time Code STC), que é semelhante ao mecanismo de diversidade de transmissão em enlace fechado e fechado (open-loop transmit diversity) do WCDMA / HSPA; Multiplexação espacial (MIMO). O WiMAX Móvel suporta também o mecanismo beamforming, que é ativado pela amostragem de sinal no uplink (uplink sounding). Ao fazer uso do mecanismo de reciprocidade de canal do TDD, as características espaciais medidas na estação radiobase podem ser usadas para formar feixes (beams) no downlink. Na prática, porém, o desempenho é limitado pela assimetria de interferência e diferentes configurações de antena no terminal e na estação radiobase. 10

Figura 4: Resumo dos diferentes esquemas de antenas de transmissão 11

HSPA e WiMax Móvel I: Diferenças Formato Físico do Sinal As principais diferenças entre o WiMAX Móvel e o HSPA na camada física estão no formato do sinal. O WiMAX Móvel é baseado na multiplexação no domínio de freqüência ortogonal (orthogonal frequency domain multiplexing, OFDM), enquanto o HSPA é um sistema baseado na tecnologia de espalhamento espectral de seqüência direta (direct-sequence spread-spectrum system). Uma das características mais importantes do OFDM é a sua robustez à propagação multi-caminhos (multi-path propagation). O principio determinante desse recurso é a utilização de tons de banda estreita em combinação com um prefixo cíclico. O prefixo cíclico serve a dois propósitos: fornece um tempo de guarda contra interferência inter-símbolo, e que garante que o canal multi-caminho só impõe uma distorção escalar em cada tom, fazendo com que a equalização seja simples e eficaz. Quando adequadamente sincronizados e protegidos pelo prefixo cíclico, os tons de um sinal OFDM permanecem mutuamente ortogonais mesmo depois de passar por canais multicaminho. A desvantagem do uso de prefixo cíclico é o cabeçalho maior (increased overhead), o que efetivamente reduz a eficiência da largura de banda. A capacidade de um sinal OFDM de manter a ortogonalidade sob condições de multi-caminho da origem a um sistema livre de interferências intra-células que é adequado para a transmissão de dados em alta velocidade. No entanto, surgem interferências inter-tom (degradando o desempenho), quando há grande espalhamento Doppler no OFDM. Quando os sinais OFDM são utilizados para múltiplos acessos no uplink, as estações radiobase do WiMAX Móvel devem fazer um ajuste fino dentro de faixa toleráveis nos erros ou desvios de freqüência de cada terminal, e minimizar nível total de interferência, através do controle da potência. Os sinais OFDM também têm uma relação pico-valor médio de potência (peak-to-average power ratio PAPR) relativamente grande, o que significa que para uma dada potência média, o amplificador de potência deve ser capaz de lidar com picos significativamente grandes de potência, evitando a distorção do sinal transmitido. O HSPA usa a agregação de códigos CDM (orthogonal Walsh code) para oferecer um canal de alta velocidade downlink, e o DS-CDMA (Direct-sequence Code Division Multiple Access) para o uplink. Embora este método seja menos sensível ao espalhamento Doppler (spread Doppler), a perda de ortogonalidade em canais de tempo-dispersivo cria uma interferência intra-célula que limita a utilização de modulação de alta ordem. O uso generalizado receptores Rake pode atenuar a interferência através de avançado processamento de sinais no lado do receptor ao custo moderado de complexidade adicional no receptor. Quando comparado com sinais OFDM, sinais uplink do HSPA têm menor PAPR o que implica num menor amplificador de potência de menor complexidade. Como alternativa, para uma determinada complexidade uma potência média maior pode ser utilizada, dando uma maior cobertura. Regime Duplex Outra diferença entre o HSPA e o WiMAX Móvel é o regime duplex. O HSPA é uma tecnologia FDD, com transmissão uplink e downlink ocorrendo em canais de freqüências separadas (geralmente denominado 2 x 5 MHz para indicar dois canais separados de 5 MHz, um para o uplink e um para o downlink). 12

O perfil de sistema do WiMAX Móvel, tal como atualmente definido no WiMAX Forum, é uma tecnologia TDD com um canal de freqüência única (10 MHz, por exemplo) que é compartilhado no domínio do tempo para a transmissão uplink e downlink. A relação entre o uplink e downlink define como a freqüência do canal é compartilhada. Uma relação 2:1 significa que o canal é utilizado dois terços do tempo para o downlink e um terço do tempo para o uplink (figura 5). Figura 5: Resumo dos esquemas FDD e TDD A recomendação IEEE 802.16 permite a operação FDD, mas por enquanto o perfil de sistema do WiMAX Móvel só especifica o TDD. O TDD tem a flexibilidade de mudar relação downlink/uplink para acomodar uma grande variedade de assimetrias de tráfego, embora, na prática, essa relação necessite ser fixada em todo o sistema (a menos que bandas de guarda sejam utilizadas para limitar os efeitos da interferência). Além disso, sistemas TDD com uma grande relação downlink/uplink terão um orçamento de potência (link budget) penalizado, já que a potência média no uplink é reduzida para uma dada potência de pico. Os cenários de interferência são diferentes entre os sistemas FDD e TDD (figura 6). Os sistemas FDD utilizam uma diferença de freqüência duplex entre o uplink e o downlink para impedir a interferência entre transmissões. Os sistemas TDD utilizam um tempo de guarda entre o uplink e o downlink. Ao construir uma rede TDD, é preciso lidar com uma variedade de cenários de interferências: Interferência dentro da rede: interferência entre estações radiobase e entre os terminais. O tempo deve estar totalmente sincronizado entre todas as estações radiobase (por exemplo, usando um receptor GPS em cada estação radiobase). Entre uma rede e uma rede TDD adjacente: duas ou mais redes TDD usando a mesma freqüência na mesma área geográfica. Para evitar interferências, o sincronismo deve ser coordenado entre redes vizinhas, ou bandas de guarda devem ser utilizadas. Este cenário poderia ocorrer na fronteira entre nações ou estados, especialmente quando apenas licenças locais foram outorgadas. Entre uma rede e outra rede TDD de espectro adjacente: uma rede TDD utiliza freqüências adjacentes, dando origem a uma interferência entre estações radiobase de redes diferentes se estas estações radiobase estão muito próximas. O uplink de uma estação radiobase pode sofrer interferência a partir de outra estação radiobase se houver uma fuga de freqüência na estação adjacente (Adjacent Channel Leakage Ratio ACLR). Esta interferência pode ser reduzida através do sincronismo entre as redes, ou do uso de bandas de 13

guarda. Fronteiras do espectro FDD e TDD: uma rede FDD utiliza freqüências adjacentes à rede TDD, dando origem a uma interferência entre estações radiobase de redes diferentes se estas estações radiobase estão muito próximas. Esta interferência só pode ser resolvida utilizando bandas de guarda adequadas. Ajustes do ciclo de trabalho uplink / downlink na rede TDD em relação às redes adjacentes: além do sincronismo de tempo, ao definir a relação uplink / downlink em uma rede TDD, as relações dentro da rede e com as redes vizinhas devem ser coordenadas, para evitar todos os casos de interferências mencionados acima. Como alternativa, podem ser utilizadas bandas de guarda. Exigências rigorosas dos atuais serviços de satélite em bandas específicas tornam difícil a implantação de tecnologias TDD nessas freqüências. O ambiente de coexistência mais difícil para o TDD coloca requisitos pesados em matéria de filtros de RF, que são tão complexos quanto os requisitos de filtro duplex para o FDD. A especificação do 3GPP abrange o FDD e o TDD, mas não existem quaisquer grandes implantações de sistemas celulares baseados em TDD. Mecanismo de Handover Figura 6: Resumo dos cenários de interferência para sistemas FDD e TDD O HSPA suporta o mecanismo de soft handover no uplink, que produz ganho de combinação macro e melhora a orçamento de potência (aumenta 1,5 db em média). Ele também ajuda a aumentar a capacidade da rede através da redução da interferência intra-célula. O mecanismo de hard handover é utilizado para o handover do tipo intra-freqüência e para o handover do tipo inter-sistema para o GSM. O perfil de sistema do WiMAX Móvel do inclui apenas o hard handover. Bandas de Freqüência de Operação O HSPA suporta atualmente bandas de freqüência que vão de 800 MHz a 2600 MHz, incluindo a maioria das bandas 2G atuais que operam na Europa, África, nas Américas e na Ásia-Pacífico As bandas mais comuns para o HSPA são: 2,1 GHz, implantada em todo o mundo, e 850 MHz implantada nas Américas, Austrália, Nova Zelândia e partes da Ásia. 14

Várias bandas estão em discussão para o WiMAX Móvel, mas os perfis de certificação atuais apenas cobrem as bandas de freqüências de 2,3 GHz, 2,6 GHz e 3,3-3,8 GHz. Atualmente, existem apenas algumas implementações de WiMAX Móvel, principalmente na banda 2,3 GHz. Aproximadamente 90% de todo o espectro alocado no mundo é FDD. 15

HSPA e WiMax Móvel I: Considerações finais A tabela 3 resume as semelhanças e diferenças técnicas entre o HSPA e o WiMAX Móvel. Tabela 3: Comparação técnica entre o HSPA e o WiMAX Móvel DL: downlink; UL: uplink HSPA WiMAX Móvel Formato do sinal físico Hybrid ARQ com combinação suave (soft combining) DL: agregação de códigos (code aggregation) UL: DS-CDMA IR Adaptativo + combinação Chase QoS Multi-nível Sim Sim Enlace adaptativo QPSK, QAM16, QAM64 Menor taxa de codificação: 1/3 Esquema Duplex FDD TDD Bandas de frequências Handover 850MHz 2,600 MHz Hard handover Soft handover Reuso de freqüência (1) Sim Sim Tecnologia avançada de antenas Diversidade de transmissão de enlace aberto e fechado Multiplexação espacial Beamforming OFDMA para DL e UL Combinação Chase QPSK, QAM16, QAM64 Menor taxa de codificação: 1/2 2,3 GHz, 2,6 GHz e 3,4-3,8 GHz Hard handover Diversidade de transmissão de enlace aberto Multiplexação espacial Beamforming Este tutorial parte I procurou apresentar o histórico e a principais características do HSPA e do WiMax Móvel, suas principais semelhanças e diferenças, e finalizou com uma tabela comparativa das características técnicas avaliadas. O tutorial parte II apresentará as características de desempenho, a arquitetura das redes e a conclusão final sobre o comparativos das tecnologias HSPA e do WiMax Móvel. Referências [1] 3GPP. Outubro de 2006. TR 25.814, Physical layer aspect for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA). Disponível em: http://www.3gpp.org/ftp/specs/html-info/25814.htm Acessado em 08/12/2008 [2] 3G Americas. Setembro de 2006. Mobile Broadband: EDGE, HSPA and LTE. Disponível em: http://www.3gamericas.org/english/technology_center/whitepapers/ 16

Acessado em 08/12/2008 [3] 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Disponível em: http://www.3gpp.org/ Acessado em 08/12/2008 [4] WiMAX Fórum. Disponível em: http://www.wimaxforum.org/ Acessado em 08/12/2008 [5] IEEE-SA. Junho de 2004. IEEE 802.16-2004 Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. Part 3: Radio Conformance Tests (RCT)for 10 66 GHz WirelessMAN-SC Air Interface. Disponível em: http://standards.ieee.org/getieee802/802.16.html Acessado em 08/12/2008 [6] IEEE-SA. Fevereiro de 2006. IEEE 802.16e-2005 Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems. Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems. Disponível em: http://standards.ieee.org/getieee802/802.16.html Acessado em 08/12/2008 17

HSPA e WiMax Móvel I: Teste seu entendimento 1. Quais são algumas das diferenças entre os formatos dos sinais físicos do HSPA e do WiMax Móvel? Uplink: DS-CDMA no HSPA e OFDMA no WiMax Móvel. Downlink: OFDMA no HSPA e no WiMax Móvel. Downlink e Uplink: agregação de códigos no HSPA e OFDMA no WiMax Móvel. Uplink: agregação de códigos no HSPA e OFDMA no WiMax Móvel. 2. Quais são os principais esquemas duplex usados pelo HSPA e pelo WiMax Móvel? TDD no HSPA e FDD no WiMax Móvel. TDD no HSPA e no WiMax Móvel. FDD no HSPA e no WiMax Móvel. FDD no HSPA e TDD no WiMax Móvel. 3. Quais são as semelhanças ou as diferenças dos Enlaces Adaptativos do HSPA e do WiMax Móvel? Semelhanças: a menor taxa de codificação é 1/3. Diferenças: a modulação no HSPA pode ser QPSK, QAM16, e no WiMax Móvel pode ser QAM16, QAM64. Semelhanças: a modulação pode ser QPSK, QAM16 e QAM64. Diferenças: a menor taxa de codificação no HSPA é 1/2, e no WiMax Móvel é 1/3. 18