4G e LTE (Long Term Evolution)

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4G e LTELong Term Evolution

Lucas Martins SabadiniMateus Boni DiasMateus Matias CriadoOtavio da Silva CavalcanteWander Pereira

ROTEIRO

CamadaSistêmica

CamadaFísica Modulação Referências

CAMADA SISTÊMICA

C A M A D A S I S T Ê M I C ATelefonia Celular 4G

• Long Term Evolution (LTE). A tecnologia da quarta geração de

telefonia celular;

• Tecnologia de transmissão de dados móveis criada com base no

GSM (Global System for Mobile) e WCDMA (Wide-Band Code-

Divison Multiple Access);

• Prioriza o tráfego de dados ao invés do de voz, proporcionando

uma rede mais rápida e estável.4

• A principal diferença entre a rede 4G e as antigas conexões, é a

velocidade de conexão;

• De acordo com Sanches (2016), a rede 4G oferece em torno de 50 à

100 Mbps, enquanto a 3G chega no máximo de 4Mbps;

• Segundo Grasel (2016), além da tecnologia LTE ser mais rápida e

mais estruturada, pode atender cerca de 200 à 300 acessos

simultâneos a rede de trafego de dados.

• O núcleo das redes 4G é fundamentalmente baseado em TCP/IP;

• A latência (tempo de resposta) da rede chega no máximo em 30ms;

• Mantém a velocidade e latência quando utilizado em movimento

até 350km/h;

• Possibilita a transmissão e recepção ao mesmo tempo.

CAMADA FÍSICA

C A M A D A F Í S I C A

Notamos que existem 2 camadas na rede 4G, MAC (Medium Access Control –Controle de Acesso ao Meio) e PHY

(Physical Layer – Camada Física), onde a camada MAC possui três sub-camadas,

CS (Service-Specific ConvergenceSublayer – Sub-camada de Convergência

Específica), CPS (Common Part Sublayer –Sub-camada de Convergência Comum) e

Sub-camada de Segurança (Security Sublayer). Ambas sendo divididas em

Usuário, Controle e Gerência.

Figura 1: Pilha de protocolos do IEEE 802.16Fonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialintlte/pagina_3.asp

C A M A D A F Í S I C A

• Subcamada de convergência: Transformação ou mapeamento de dados da redeexterna em SDU’s (Service Data Unit) MAC (Oferece suporte a ATM –Asynchronous Transfer Mode e protocolos baseados em pacotes);

• Parte Comum da Subcamada MAC: Funcionalidade do núcleo MAC do sistemade acesso, alocação de largura de banda, estabelecimento e manutenção de conexão;

• Subcamada de Privacidade: Troca de chaves seguras, criptografia e autenticação;

• Camada Física (PHY): Apresenta diversas especificações, onde cada uma delas éapropriada a uma dada faixa de frequência.

• A camada física contém a região física que provê características mecânicas,elétricas, funcionais e procedimentais para ativar, manter e desativar conexõesfísicas para transmissão de bits entre entidades da camada de enlace. Utilizatecnologias OFDMA, SC-FDMA, MIMO e codificação TURBO.

• O processo de codificação e de transmissão é disponibilizado pela camada físicapara a camada MAC na forma de serviços, através de blocos de transporte. Acada intervalo de transmissão (Transmission Time Interval – TTI, sendo 1 TTI = 1subframe = 1 ms), até dois blocos de transporte são codificados, modulados emapeados para os recursos de rádio do OFDMA.

C A M A D A F Í S I C AMAC (Media Access Control)

• A camada L2/L3 é responsável pelo acesso e pelo controle dos recursos de rádio.Utiliza tecnologias Enlace Adaptativo, Scheduling e HARQ.

• A camada de enlace tem como objetivo detectar e opcionalmente corrigir os errosque porventura ocorram no nível físico durante a transmissão de bits. Sendoresponsável por implementar o método de acesso ao meio, delimitar a estruturade quadro de enlace e reconhecer os endereços físicos MAC.

C A M A D A F Í S I C ACamada de Controle (L2/L3)

• Algorítmos de scheduling e de controle do enlace adaptativo operam emconjunto nessa camada para otimizar a vazão total da célula e do enlace deusuário.

• Em linhas gerais, a principal tarefa do scheduling no OFDMA é alocar pares deblocos de recursos de rádio (1 ms e 12 subportadoras) inteligentemente paradiferentes usuários, de modo a alcançar a maior vazão possível na célula.

• O HARQ é uma combinação de correção de erros de canal (Forward ErrorCorrection – FEC) e solicitação automática de repetição (Automatic RepeatRequest – ARQ) baseada em código CRC de detecção de erros.

C A M A D A F Í S I C ACamada de Controle (L2/L3)

C A M A D A F Í S I C AMIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs)

• Técnicas de múltiplas antenas são uma forma de se obter taxas detransmissão elevadas;

• Mais facilmente empregadas em sistemas OFDMA e resultam emganho de desempenho obtendo vantagem da propagação múltiplospercursos;

• Ambas as cadeias de transmissão e de recepção do OFDM podemser paralelizadas em mais de uma camada;

C A M A D A F Í S I C AMIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs)

• Formas de processamento suportadas pelo LTE classificadas em:

• Pré-codificação ou formatação de feixe: que envolve apenasprocessamento espacial;

• Codificação por diversidade: que envolve codificação espaço-frequência sobre um único fluxo de dados para aumentar arobustez da transmissão;

• Multiplexação espacial: que envolve a transmissão simultâneade fluxos distintos em antenas distintas, de forma a seaumentar a vazão do sistema.

MODULAÇÃO

• Modulação é o processo que varia a altura (amplitude),

intensidade e frequência de uma onda eletromagnética.

• O Transmissor envia dados numa onda de tal forma que poderá

ser recuperada na outra parte através de um processo reverso

chamado Demodulação.

M O D U L A Ç Ã ODefinição

• O nosso idioma é uma forma de Modulação;

• Conforme nossas cordas vocais vibram, expulsam o ar da laringe,

o deslocamento do ar produz o som.

• Dependendo da intensidade dessas vibrações, sons distintos são

produzidos, dando origem as palavras.

• Ou seja, o ar sofre Modulação para originar novas palavras.

M O D U L A Ç Ã OAnalogia

Num sistema convencional de

transmissão, os dados são enviados

em sequência através de uma única

portadora, cujo espectro ocupa toda a

faixa de frequência disponível.

M O D U L A Ç Ã OSistema Convencional

Figura 2: Transmissão convencional Fonte: Autores.

Adote:

1. Uma estrada qualquer seja o canal de transmissão.

2. A largura da estrada é o "tamanho" da frequência.

Imagine:

Que a estrada possua 10 metros de largura, e contém apenas uma faixa por onde passam os

carros. Essa seria uma modulação convencional.

Mas podemos subdividir essa estrada em 5 faixas de 2 metros cada.

Dessa forma podemos passar vários carros na mesma velocidade utilizando faixas distintas.

M O D U L A Ç Ã OSistema Convencional - Analogia

O OFDM, também conhecido como

Discrete Multitone Modulation

(DMT), é uma técnica de modulação

baseada na ideia de multiplexação por

divisão de frequência (FDM) onde

múltiplos sinais são enviados em

diferentes frequências.

M O D U L A Ç Ã OOFDM (Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais)

Figura 3: Modulação OFDMFonte: www.iss.rwth-aachen.de/Projekte/Theo/OFDM/OFDM_en.html

Na OFDM é feita transmissão paralela

de dados em diversas sub-portadoras,

com modulação QAM ou PSK e com

taxas de transmissão por

sub-portadora tão baixas quanto

maior for o número possível.

Figura 4: Transmissão OFDMFonte: http://www.img.lx.it.pt/~fp/cav/ano2009_2010/Trabalhos_MEEC_2010/Artigo_MEEC_7/myweb3/ofdm.htm

O espaçamento entre sub-portadoras é

escolhido de forma que cada uma

esteja centrada nos zeros das restantes.

Dessa forma existe ortogonalidade (duas retas ou

planos que fazem um ângulo de 90º entre os sinais)

Embora exista sobreposição dos espectros

das sub-portadoras, é possível extrair cada um

deles através de tratamento do sinal.

Figura 5: Espaçamento entre portadoras OFDMFonte: http://www.img.lx.it.pt/~fp/cav/ano2009_2010/Trabalhos_MEEC_2010/Artigo_MEEC_7/myweb3/ofdm.htm

A sobreposição espectral causada pelo

OFDM produz ainda uma significativa

economia de banda, se comparada com a

técnica FDM tradicional.

Calcula-se que a economia seja de

aproximadamente 50% de banda.

Figura 6: Banda utilizada pelo OFDM (adaptado)Fonte: http://www.cricte2004.eletrica.ufpr.br/ufpr2/tccs/27.pdf

Convencional

Em relação ao domínio do tempo, a característica

de ortogonalidade entre subportas implica

que duas sub-portadoras quaisquer diferem

exatamente por um número inteiro de ciclos

durante um intervalo de símbolo OFDM,

uma vez que estas estarão separadas em

frequência por um valor múltiplo de 1/T

Figura 7: Sub-portadoras no domínio do tempoFonte: http://www.cricte2004.eletrica.ufpr.br/ufpr2/tccs/27.pdf

• Para o LTE, o OFDM divide a banda de frequência da portadora em

pequenas subportadoras espaçadas de 15kHz, e modula cada uma

individualmente usando QPSK, 16QAM ou 64 QAM.

M O D U L A Ç Ã O4 G

• A modulação QPSK é uma técnica de modulação derivada do PSK,

porém neste caso, são utilizados parâmetros de fase e quadratura

da onda portadora para modular o sinal de informação. Como

agora são utilizados dois parâmetros, existem mais tipos possíveis

de símbolos nesta constelação, o que permite que sejam

transmitidos mais bits por símbolo.

M O D U L A Ç Ã OQPSK

Por exemplo, se quisermos transmitir 2 bits por

símbolo, ao invés de 1 bit por símbolo, neste

caso, como teremos 4 tipos de símbolos possíveis,

a portadora pode assumir 4 valores de fase

diferentes, cada um deles correspondendo a um

dibit, como por exemplo 45o, 135o, 225o e 315o.

A figura abaixo ilustra em um diagrama de fase e

quadratura (IQ) os 4 possíveis símbolos gerados

pela modulação QPSK usando 2 bits por símbolo. Figura 8: Modulação QPSKFonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialplcalt1/pagina_4.asp

M O D U L A Ç Ã OQPSK

• Nesta forma de modulação, os símbolos são mapeados em um

diagrama de fase e quadratura, sendo que cada símbolo apresenta

uma distância específica da origem do diagrama que representa a

sua amplitude, diferentemente da modulação PSK, na qual todos os

símbolos estão à igual distância da origem. Isto significa que as

informações são inseridas nos parâmetros de amplitude e

quadratura da onda portadora.

M O D U L A Ç Ã OQAM

No caso do 16 QAM, a constelação apresenta 16

símbolos, sendo 4 em cada quadrante do

diagrama, o que significa que cada símbolo

representa 4 bits. Podemos ter também, por

exemplo, o modo 64 QAM, cuja constelação

apresenta 64 símbolos, cada um deles

representando 6 bits.

Figura 9: Modulação QAMFonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialplcalt1/pagina_4.asp

• Pode-se notar que no modo 16QAM alcança-se uma taxa de transmissão

menor do que no modo 64 QAM, uma vez que cada símbolo transporta

um número menor de bits. No entanto, no modo 16 QAM, a distância

euclidiana entre os símbolos é maior do que no caso do modo 64QAM.

Isto permite que o modo 16QAM possibilite uma melhor qualidade de

serviço (QoS), pois a maior distância entre os símbolos dificulta erros de

interpretação no receptor quando este detecta um símbolo.

Há uma pequena diferença entre o OFDM e o

OFDMA, pois no primeiro caso a banda de

frequência é destinada a um único usuário

enquanto no segundo caso vários usuários

compartilham a banda ao mesmo tempo

conforme mostrado na figura. A divisão dos

canais em pequenos subcanais ajuda o OFDM a

combater o efeito de desvanecimento seletivo.

Figura 10: Diferença entre OFMD e OFDMA Fonte: ANRITSU, 2010.

• Várias alternativas continuam a ser estudas pelos órgãos responsáveis

pela padronização do LTE para utilizar o melhor esquema de transmissão

para o uplink. Apesar de o OFDMA atender aos requisitos de downlink,

suas propriedades são menos favoráveis para o uplink, principalmente

devido ao desvanecimento do parâmetro chamado Peak to Average

Power Ratio (PAPR) no uplink.

M O D U L A Ç Ã OSC-FDMA

• Assim, o esquema de transmissão para uplink LTE em FDD e TDD é o

modo baseado em SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple

Access) com prefixo cíclico. A utilização deste método tem como objetivos

melhorar o desempenho em comparação a sinais OFDMA e a redução de

custos nos projetos dos amplificadores utilizados pelo UE.

Inicialmente o fluxo de dados é convertido de

serial para paralelo. Cada bit é modulado e

transformado do domínio do tempo para o

domínio da frequência através da Transformada

Rápida de Fourier (FFT) e o resultado é

mapeado nas subportadoras disponíveis. Após

o sinal ser submetido a Transformada Inversa

de Fourier (IFFT) é adicionado o prefixo cíclico,

que é utilizado como um tempo de guarda entre

os símbolos. Ao final do processo o sinal é

convertido novamente de paralelo para serial.

34Figura 11: Diagrama de bloco do DFT-s-OFDMFonte: Rohde & Schwarz, 2009.

• O DFT-s-OFDMA é a diferença fundamental entre a geração de sinal do

SC-FDMA e do OFDMA. Em um sinal SC-FDMA, cada subportadora

utilizada para transmissão contém informação de todos os símbolos

modulados transmitidos. Em contrapartida, cada subportadora com um

sinal OFDM carrega informações relacionadas a um símbolo específico.

REFERÊNCIAS

R E F E R Ê N C I A S

• CARDOSO, Fabbryccio A. C. M., et al. Tecnologias de camada física e MAC para redes LTE. Disponível em<https://www.cpqd.com.br/cadernosdetecnologia/Vol7_N1_jul2010_jun2011/pdf/artigo1.pdf>. Acesso em: 09 nov. de2016.

• COSTA, Luís Henrique Maciel Kosmalski; DUARTE, Otto Carlos Muniz Bandeira. Redes de Computadores II. Disponívelem: <http://www.gta.ufrj.br/grad/07_2/jefferson/Page4.html>. Acesso em: 31 de out. de 2016.

• GRASEL, Grasiel Felipe. O que é e como funciona a 4G?. Disponível em:<https://www.oficinadanet.com.br/post/12569-o-que-e-e-como-funciona-4g>. Acesso em: 01 de nov. de 2016.

• PINTO, Ernesto Leite; ALBUQUERQUE, Claudio Penedo de. A técnica de Transmissão OFDM. Disponível em:<http://www.cricte2004.eletrica.ufpr.br/ufpr2/tccs/27.pdf>. Acesso em: 01 de nov. de 2016.

• SANCHES, Cleiton Roberto. Conexão 4G: o que é e como funciona?. Disponível em:<https://www.cissamagazine.com.br/blog/conexao-4g>. Acesso em: 31 de out. de 2016.

• TELECO. Redes LTE I: Implantações e Características Básicas. Disponível em:<http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialredeslte/pagina_2.asp>. Acesso em: 09 nov. de 2016.

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