COMUNICAÇÕES MÓVEIS

WCDMA/HSPA/LTE

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)

MODULAÇÃO DIGITAL

BPSK – 1 bit por símbolo

4 PSK – 2 bits por símbolo

MODULAÇÃO DIGITAL

8PSK – 3 bits por símbolo

QAM16 – 4 bits por símbolo

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 LARGURA DA FAIXA

BPSK R

QPSK R/2

8PSK R/3

QAM16 R/4

QAM64 R/6

MODULAÇÃO DIGITAL

Probabilidade de

erro

Relação portadora-ruído em dB em função do tipo de modulação

BPSK QPSK 8PSK QAM16

1/1000 10-3 6,8 10,3 15,7 17,6

1/10000 10-4 8,4 11,8 17,1 19,0

1/100000 10-5

9,6 12,9 18,2 20,1

1/1000000 10-6

10,5 13,8 19,0 20,9

ESPALHAMENTO DO ESPECTRO

TEOREMA DE SHANNON – HARTLEY

C = Blog2[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)

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.

ESPALHAMENTO DO ESPECTRO

SEQUÊNCIA DIRETA (DS)

ESPALHAMENTO DO ESPECTRO

SEQUÊNCIA DIRETA (DS)

ESPALHAMENTO DO ESPECTRO

TRANSMISSÃO DS-CDMA

ESPALHAMENTO DO ESPECTRO

ACESSO MÚLTIPLO POR DIVISÃO EM CÓDIGO

(CDMA)

ESPALHAMENTO DO ESPECTRO

RECEPÇÃO DS-CDMA

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 = 2N -1

onde N é o número de registradores utilizados.

SEQUÊNCIAS DE MÁXIMO COMPRIMENTO

Exemplo: L = 7 (N = 3)

ESTADO INICIAL: 1 ; 0 ; 0 (semente)

Reg. 1 Reg. 2 Reg. 3 Saída

1 0 0 0

0 1 0 0

1 0 1 1

1 1 0 0

1 1 1 1

0 1 1 1

0 0 1 1

1 0 0 0

… … … …

SEQUÊNCIAS DE MÁXIMO

COMPRIMENTO

Polinômio gerador da realimentação da sequência

P(x) = anxn + an-1x

n-1+ … + a2x2 + a1x

1 +a0x0

ai = 1 com

ai = 0 sem realimentação

No exemplo, a0 = a2 = a3 =1, os demais são nulos, ou seja,

P(x) = x3 + a1x2 +1

FUNÇÃO AUTO-CORRELAÇÃO – FAC

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.

FAC = CC – CNC

CC – quantidade de chips coincidentes;

CNC – quantidade de chips não coincidentes.

dttFtFFAC )()(

FUNÇÃO AUTO-CORRELAÇÃO – FAC

Para o exemplo anterior, tem-se

Desl. de

fase

Fase da sequência

CC CNC FAC

0 0010111 7 0 7

1 0101110 3 4 -1

2 1011100 3 4 -1

3 0111001 3 4 -1

4 1110010 3 4 -1

5 1100101 3 4 -1

6 1001011 3 4 -1

7 0010111 7 0 7

CÓDIGO DE CANALIZAÇÃO (OVSF – Orthogonal Variable Spreading Funtion)

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

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

PRxPT = K – constante de proporcionalidade

ou

PT = K / PR

Em dB → PT(dBm) = 10logK – PR(dBm)

IS-95 → 10logK = – 73 dB → PT(dBm) = – 73 – PR(dBm)

PT – Potência transmitida; PR – Potência recebida

Exemplo: PR = – 90 dBm → PT = 17 dBm

Obs. Este controle de potência não é capaz de compensar o desvanecimento

multipercurso

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.

CDMA – RECEPTOR RAKE

OBJETIVO

Compensar o efeito do desvanecimento multipercurso

RESOLUÇÃO

0,26s (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

CDMA – RECEPTOR RAKE

CDMA – SOFT HANDOVER

CDMA – SOFTER HANDOVER

CDMA – HARD HANDOVER

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

• VEICULAR: 144 kb/s

• PEDESTRE: 314 kb/s

• INTERIOR: 2 Mb/s

UMTS / EUROPA

– UNIVERSAL MOBILE TELECOMMUNICATIONS SYSTEM

PROPOSTAS IMT-2000

PROPOSTA DESCRIÇÃO ORIGEM

DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications ETSI

(Europa)

UTRA

(WCDMA)

UMTS Terrestrial Radio Access ETSI

(Europa)

CDMA 2000 1xEV-DO TIA

(USA)

UWC-136 Universal Wireless Communications

TIA

(USA)

TD-SCDMA Time-Division Syncronous CDMA CATT

(China)

WiMax Móvel IEEE 802.16e - Aprovado em 19/10/2007 USA

ESPECTRO DE FREQUÊNCIAS – WARC 1992

1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250

1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250

UIT

Europa

Japão

EUA

1885 MHz 2025 MHz

IMT 2000

UMTS GSM 1800 DECT MSS

1880 MHz 1980 MHz

MSS

MSS IMT 2000 PHS

PCS

2010 MHz

IMT 2000

MSS UMTS

MSS Reservada

MSS IMT 2000

2160 MHz

2110 MHz

1893.5 MHz

1919.6 MHz

2170 MHz

2170 MHz

MSS MSS

ESPECTRO DE FREQUÊNCIAS – Situação atual

IMT IMT IMT IMTIMTM

S

S

M

S

S

GSM GSM FDDM

S

S

D

E

C

T

T

D

D

T

D

D

FDD

GSM GSM, PCS IMTM

S

SIMT

M

S

S

Celular

PDC IMTM

S

S

P

H

SIMT

M

S

S

Celular IMTM

S

SIMT

M

S

S

P

C

S

P

C

S

CelularM

S

S

Reser

800 900 1000 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2500

M

S

S

2600 2700

UIT

Europa

China

Japão

Coréia

América

do

Norte

M

S

S

PCS

A B CD EF A B C

D EF

WRC 2000

WARC - 92

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

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

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.

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

CARACTERÍSTICAS DO WCDMA

RECEPTOR RAKE

CONTROLE DE POTÊNCIA (1,5 kHz)

Malha aberta

Malha fechada

HANDOVER

Soft Handover

Softer Handover

Hard Handover

CÓDIGOS

Canalização

OVSF – Orthogonal Variable Spreading Factor

Embaralhamento

Sequência PN (241 – 1)

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

1,5 kHz 800 kHz

Sincronismo das

ERBs

Assíncrona Síncrona (GPS)

WCDMA X GSM

UMTS System Architecture

USIM

ME

Node B

Node B

RNC

Node B

Node B

RNC

MSC/

VLR GMSC

SGSN GGSN

HLR

UTRAN CN UE

Ex

tern

al N

etw

ork

s

Cu

Uu Iu

Iub Iur

UTRAN UE UTRAN CN

Node B

Node B

RNC

Node B

Node B

RNC

UTRAN

RNS

RNS

• 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

UMTS Terrestrial Radio Access Network, Overview

Core Network UE UTRAN CN

MSC/

VLR GMSC

SGSN GGSN

HLR

Ex

tern

al N

etw

ork

s

cs

Core Network, Release ‘99

• CS Domain :

– 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 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

ps

GERAÇÃO DA INTERFERÊNCIA ENTRE

SÍMBOLOS (ISI)

DESVANECIMENTO SELETIVO

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).

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.

REPRESENTAÇÃO TEMPO-FREQUÊNCIA

DO SINAL OFDM

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.

INTERFERÊNCIA ENTRE SUB-PORTADORAS

(ICI – INTERCARRIER INTERFERENCE)

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).

OFDM X OFDMA

COMPARAÇÃO OFDMA – SC-FDMA

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

TECNOLOGIA MIMO

(Multiple Input Multiple Output)

DIVERSIDADE DE ESPAÇO

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).

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.

TECNOLOGIA MIMO

(Multiple Input Multiple Output)

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

C = MBlog2[1 + S/N]

Configurações usuais

2 X 2 e 4 X 4

SITUAÇÃO MUNDIAL (DEZEMBRO 2010)

EVOLUÇÃO HSPA ENLACES DIRETO E REVERSO

EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA HSPA

COMPARAÇÃO HSPA / WiMAX / LTE

LATÊNCIA

COMPARAÇÃO LINHA FÍSICA / RÁDIO

FAIXAS DE FREQUÊNCIA

UMTS/FDD

FAIXAS DE FREQUÊNCIA

LTE/FDD – TDD

EFICIÊNCIA ESPECTRAL ENLACE DIRETO

EFICIÊNCIA ESPECTRAL ENLACE REVERSO

LIMITE DE SHANNON

EVOLUÇÃO EDGE / HSPA / LTE / EV-DO

LTE – SITUAÇÃO ATUAL (MARÇO 2011)

PREVISÃO DE MERCADO

IMT-ADVANCED / LTE- ADVANCED

LTE – ADVANCED COBERTURA INDOOR COM REPETIÇÃO

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.