estudo comparativo entre sistemas propostos para 4g lte e wimax móvel
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Abstract- With the expansion of technology and the need to obtain
better results in the quality of data transmission (throughput) and
voice, was begun the exploration and implementation
of 4th generation mobile telephony. We will address the
two competing 4G technology, LTE (Long Term
Evolution) and WiMAX (Worldwide Interoperability for
MicrowaveAccess), comparing their characteristics and way of
functioning.
Resumo— Com a expansão da tecnologia e a necessidade de se
obter melhores resultados na qualidade de transmissão de dados
(throughput) e voz, deu-se início a exploração e a implementação
da 4° geração de telefonia móvel. Iremos abordar as duas
tecnologias concorrentes do 4G, o LTE(long Term Evolution) e o
WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access),
comparando suas características e forma de funcionamento.
Palavras chave— LTE e WiMAXe
I. INTRODUÇÃO
Devido à necessidade cada vez maior por serviços de banda
larga, a 4° geração de telefonia móvel vem se destacando no
cenário mundial pelos serviços oferecidos. Alguns serviços
como videoconferência, download de vídeos, jogos interativos
e Voz sobre IP, já são considerados hoje como essenciais e a
sua demanda certamente aumentará. Veremos que os dois
universos as serem seguidos (LTE e WiMAXe) coexistirão,
pois utilizam IP(Internet Protocol) como base em sua
comunicação e algumas tecnologias comum em ambos,
facilitando assim o acesso entre as redes.
II. WIMAXE E LTE
WiMAXe
O WiMAX (IEEE.802.16) vem sendo desenvolvido desde
2001 com o objetivo de proporcionar comunicação sem fio
de banda larga para áreas metropolitanas. O IEEE (Institute
of Electrical and Electronics Engineers) padronizou em
2005 o WiMAX móvel (IEEE802.16e) tornando-o um forte
concorrente para o LTE. Atingindo taxas de 75 Mbps num
raio de 50 km de cobertura e faixa de freqüência
estabelecida em 2,5GHz pelo WiMAX Forun, o WiMAXe
utiliza algumas tecnologias que definem a sua performance
como, SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division
Multuplexing Access), AAS (Adaptive Antenna System) e
MIMO( multiple-input and multiple-output), além da
qualidade de serviço (QoS) e interfaces para rede IP, ATM,
E1/T1 e Ethernet. É também dividido em duas camadas,
camada 1 (física - PHY) e camada 2 (MAC).
A. CAMADA (PHY)
Esta camada se caracteriza pela transmissão dos dados.
Dentre suas principais funções podemos destacar a transmissão
de MAC PDUs, definição das técnicas de transmissão digital:
modulação e codificação, definição de espectro, correção de
erro, técnica Duplexing, construção de frames e sub-frames de
transmissão. [1].
Tabela. 1. Tabela sobre os tipos de camada física.
Por utilizar a técnica de multiplexagem OFDM e se adequar
em ambientes NLOS(Non-line-of-sight) o WiMAX oferece
elevadas taxas de transmissão e uma área maior de cobertura.
Quando falamos da camada física os padrões IEEE 802.16
definem 5 variantes. No IEEE 802.1e a última variante possui
uma escalabilidade em suas subportadoras conforme a tabela
[1]
A.1. Variantes SC(Single Carrier)
WirelessMAN SC: Possui apenas uma portadora e
opera em faixas de frequência acima de 11GHz.
Devido à elevada freqüência de operação é
necessário a garantia de linha de visada da fonte
com o destino, ou seja, sua comunicação é feita em
ambientes LOS (Line-of-sight).
Em relação ao quadro e duplexação, cada quadro é
dividido em sub-quadro de downlink e sub-quadro
de uplink. A duplexação fica por conta das técnicas
FDD(Frequency Division Duplex) onde os dois
canais são alocados em freqüências diferentes ou
TDD(Time Division Duplex), onde os canais são
divididos no tempo, e utilizam a mesma freqüência.
Estudo comparativo entre sistemas propostos
para 4G: LTE e WiMAX móvel
Luiz Gustavo de Campos Ferraz & Rodolpho Ricardino Gontijo Garcia &Daniel Nunes
ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 73
Como a transmissão no canal de downlink pode ser
feita em rajadas, existe suporte a estações cliente
tanto full-duplex quanto half-duplex. Embora o
quadro possua tamanho fixo na duplexação por
tempo, a divisão entre os tempos fornecidos
para downlink e para uplink pode ser desigual. São
usados 3 tipos de modulação QPSK (maior área de
atuação), 16-QAM (maior taxa de transmissão)
opcional para o uplink, 64-QAM (maior taxa de
transmissão), opcional para o downlink e para
o uplink. . A figura 1 abaixo nos mostra o raio de
cobertura das respectivas modulações.
Fig.1. Modulações usadas no WirelessMAN SC
WirelessMAN SCa: Utiliza apenas uma portadora
para as freqüências entre 2GHz e 11GHz em
ambientes NLOS Deve existir suporte a pelo
menos um tipo de duplexação FDD ou TDD. O
uplink utiliza TDMA e o downlink utiliza TDM ou
TDMA. As modulações usadas são: Spread BPSK,
BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM e 256-QAM,
sendo a última opcional.
A.2. Variantes OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing)
WirelessMAN OFDM: Opera com 256 sub-
portadoras na faixa de freqüência entre 2GHz e
11Ghz em ambientes NLOS. Utiliza FTT (Fast
Fourier Transform ). Para bandas licenciadas, a
duplexação pode ser FDD quanto TDD. Em bandas
não licenciadas, a duplexação deve ser TDD. As
modulações usadas são BPSK, QPSK com
mapeamento de Gray, 16-QAM e 64-QAM
(opcional em bandas que não precisem de
licenciamento).
WirelessMAN OFDMA: Se assemelha com à
WMAN OFDM por operar na mesma faixa de
freqüência e ambientes NLOS, porém utiliza a
técnica de múltiplo acesso OFDMA com 2048 sub-
portadoras. Na especificação IEEE 802.16e, esta
modulação foi alterada para SOFDMA (scalable
OFDMA), com 128, 512, 1024 ou 2048 sub-
portadoras. As modulações utilizadas são QPSK
com mapeamento de Gray, 16-QAM e 64-QAM
(opcional).
WirelessHUMAN: É utilizada em faixas de
freqüência não licenciadas de 5 a 6 GHz.
B. CAMADA MAC
Dentre as principais funções da camada de MAC
(Medium Access Control) do WiMAX podemos destacar:
controle de acesso ao meio, gerenciamento QoS, suporte
para as camadas PHY OFDM e OFMDA, segurança,
sincronismo, interface para IP, ATM, E1/T1, Ethernet,
suporte a sistemas com antenas adaptativas, suporte a
topologia Mesh (opcional).
Esta camada é dividida em três subcamadas:
CPS (Common Part Sublayer): é onde estão
concentradas as principais funções do MAC.
Promove a função de acesso do sistema,
manutenção e estabelecimento da conexão,
alocação de banda, requisição e garantia de
banda.
CS (Service – Specific Convergence Sublayer):
A subcamada de convergência de serviços
específicos (CS) transformam os dados de rede
externos recebidos pela SAP (Service Access
Point), em unidades MAC serviços de dados
(SDUs) este dados são recebidos pela
subcamada de parte comum (CPS), através da
SAP MAC.
Security Sublayer: Onde ocorre a autenticação e
a segurança pela troca de chaves e pela
criptografia dos dados, garantindo assim a
segurança durante as transmissões.
A figura 2 abaixo define a ordem das subcamadas
descritas no texto.
Fig.2. Pilha de Protocolos
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LTE
Diferente do WiMAX que se destaca por ser uma tecnologia
nova, o LTE é uma evolução da família GSM(Global System
for Mobile Communications) desenvolvida na Europa e que
esta em operação desde a 2° geração de telefonia em diversos
países do mundo. É também uma tecnologia completamente
nova para plataformas de rádio com padrões desenvolvidos
pelo 3GPP(3rd Generation Partnership Project). A figura 3
demonstra a evolução do 2G para o 4G.
Fig.3. Evolução da tecnologia 4G
O LTE foi inicialmente projetado para promover serviços de
dados, com a intenção de melhorar o throughput do usuário, a
capacidade do setor e a redução de latência, fornecendo uma
maior qualidade nas comunicações móveis. Esta tecnologia é
baseada em IP com QoS fim-a-fim e assim como WiMAX
conta com o apoio de outras tecnologias como OFDMA e
MIMO para alcançar os objetivos propostos pelo 3GPP.
O principal aspecto do LTE é que permite velocidades de até
100Mb/s de downlink e 50Mb/s de uplink e pode larguras de
banda de 1.4Mhz a 20Mhz operando com FDD e TDD. Como
o LTE é baseado no padrão IP o protocolo principal da
internet, o trafego de voz será principalmente através da
tecnologia VoIP (Voice over Internet Protocol ).
A faixa de freqüência estabelecida para o LTE no Brasil é de
2,5 Ghz embora os Estados Unidos tenham optado por 700
Mhz, que no Brasil é ocupado pelo setor de radiodifusão.
O LTE tem certa semelhança com WiMAXe em relação as
duas primeiras camadas, ou seja, a camada física e a camada
MAC. O que difere de um sistema para o outro é que o LTE
apresenta uma terceira camada a RRC, responsável pelo
controle dos recursos de rádio.
A. CAMADA FÍSICA
A camada física oferece serviços de transmissão de dados para
as camadas superiores. O acesso a esses serviços é através do
uso de um canal de transporte através da sub-camada MAC.
Dentre as suas funções podemos destacar:
A detecção de erros no canal de transporte e
indicação para as camadas superiores;
Modulação e demodulação de canais físicos;
Sincronização de frequência e tempo;
Multiple Input Multiple Output (MIMO);
Processamento de RF.
B. CAMADA MAC
Os principais serviços e funções realizados pela camada
MAC incluem mapeamento entre canais lógicos e canais de
transporte, seleção do formato de transporte mais adequado
para transmissão, apresenta medição gerando relatórios de
tráfego e correção de erros através da HARQ.
Topologia de rede do LTE
Podemos dividir a rede LTE em quatro partes:
I. SERVIÇOS: Tem como função possibilitar a
interligação do LTE com outras redes externas.
II. E-UTRAN: É composto por uma camada de eNodeBs
interligados entre si. As eNodeBs são compostas pela
camada física (PHY), Medium Access Control
(MAC), Radio Link Control (RLC), tendo como
dever, criptografia, controle do QoS no Uplink e
Downlink contendo informação da célula,.
III. ARQUITETURA DE REDE EPC: Foi elaborada para
permitir a comunicação com outras redes baseadas no
protocolo IP, esta utiliza comutação por pacotes.
Onde os principais elementos da rede estão contidos
nesta arquitetura, e eles são:
MME (Mobility Management Entity): responsável por
segurança, autenticação, autorização de serviços,
conexão e outras funções importantes dentro da rede.
S-GW (Serving Gateway): responsável por fazer o
roteamento dos usuários de tecnologias 2G/3G com a
rede LTE utilizando interface S4. Gerencia e
armazena informações no UE (User Equipament).
P-GW (Packet Data Network Gateway): responsável
pelo roteamento de borda entre o EPC e redes de
pacotes externas da tecnologia UMTS LTE. Aloca
endereços de IP para o UE (User Equipament) para
que este possa se comunicar com dispositivos
encontrados em redes externas.
PCRF (Policy and Charging Resource Function)
fornece acesso, recursos e qualidade de serviço
(QoS), elemento responsável pela politica de
tarifação.
HSS (Home Subscriber Server) tem como
funcionalidade banco de dados do usuário.
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IV. UE (User Equipament) dispositivo usado pelo usuário
para acesso a rede.
III. TECNOLOGIAS ENVOLVIDAS
O LTE e WiMAX são concorrentes mas ao mesmo tempo
andam caminham juntos por possuírem tecnologias
semelhantes e que permite a coexistência de ambos.
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple
Access)
No WIMAXe o OFDMA opera tanto no downlink quanto no
uplink, já no LTE opera somente no downlink, sendo o uplink
baseado em SC-FDMA (Single Carrier Frenquency Division
Multiple Access). A utilização deste método tem como
objetivo melhorar o desempenho em relação a sinais OFDMA
e redução nos custos dos projetos dos amplificadores
utilizados pelo EU (User Equipament). Uma forma de gerar o
SC-FDMA é a transformada discreta de Fourier que foi
escolhido para E-UTRAN (Evolved Universak Terrestrial
Radio Access Network). Podemos ver na figura 4:
Fig. 4: Diagrama de bloco do DTF-s-OFDM
O fluxo de dados é primeiramente convertido de sério para
paralelo, depois cada bit é modulado e transformado do
domínio do tempo para o domínio da freqüência através da
FFT (Transformada Rápida de Fourier) e o resultado é
mapeado nas subpotadoras disponíveis. Depois o sinal é
submetido IFFT (Transformada Inversa de Fourier), e
convertido de paralelo para serial novamente.
MIMO (Multiple-input Multiple-output)
A técnica MIMO está presente no WIMAXe com a
configuração de duas antenas transmissoras e duas antenas
receptoras tanto no downlink, quanto no uplink, podendo
também existir outras configurações. No LTE está técnica
apresenta uma diferença no downlink e uplink. No primeiro a
configuração usada é igual a do WIMAXe, já no segundo é
conhecida como MU-MIMO, essa modalidade apresenta o
eNodeB com múltiplas antenas e o móvel com apenas uma
antena, o que reduz o custo do mesmo. A figura 5 apresenta a
configuração padrão do MIMO comentado acima.
Fig. 5: Sistema MIMO 2x2
A figura 6 mostra a configuração do MIMO no uplink do LTE:
Fig. 6: Sistema MU-MIMO
TDD (Time Division Duplex) e FDD (Frequency
Division Duplex)
O LTE foi definido tanto para acomodar os modos FDD e
TDD, sendo os dois métodos usados para esquemas duplex,
onde o transmissor e receptor possam se comunicar em ambas
as direções.
Já o WIMAXe só inclui o TDD, sendo uma tecnologia de
freqüência única que é compartilhada no domínio do tempo
para downlink e uplink. A grande vantagem deste padrão é a
possibilidade de alocar largura de banda entre o link reverso
(uplink) e o link direto (downlink). Que no padrão FDD utiliza
duas bandas separadas de frequência, como mostra a figura 7:
Fig. 7: Resumo do esquema FDD e TDD
AAS (Adaptative Antenna System)
São antenas que focam o raio de cobertura exatamente na
área de transmissão ou recepção do sinal, como podemos ver
na figura 8 logo a baixo. Tanto o WIMAX, quanto o LTE,
possuem suporte para antenas inteligentes, proporcionando
uma melhoria na transmissão, na qual uma matriz de antenas é
utilizada na estação rádio base (BS), aumentando o ganho em
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direção aos usuários (SS), ou reduzir conexões inválidas para
reduzir as interferências.
Figura 8: Sistema AAS (Adaptative Antenna System)
IV. CONCLUSÃO
Este artigo teve como foco principal fazer uma breve
comparação entre os sistemas concorrentes do 4G,
apontando suas principais características, gerando duas
tabelas, que possui informações de ambos os sistemas.
Tanto o LTE quanto o WiMAXe atendem os requistos da
telefonia de 4º geração, e apesar de serem concorrentes,
podem coexistir, pois utilizam IP em sua comunicação e
algumas tecnologias iguais. Fornecendo aos usuários um
melhor serviço de banda larga móvel. As tabelas 2 e 3 logo
abaixo abordam informações colhidas durante a pesquisa.
Tab. 2: Comparativo LTE vs WiMAXe
Tab. 3: Comparativo LTE vs WiMAXe
V.REFERÊNCIA
[1] Antônio M. Alberti 2007, Visão Geral da Tecnologia WiMAX, Disponível
em: http://www.slideshare.net/antonioalberti/tutorial-wimax
[2] TELECO LTE Introdução, Disponível em: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialintlte/pagina_1.asp
[3] TELECO.Wi-FI e WiMAX:Características do WiMAX.Disponível em: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialww2/pagina_3.asp
[4] MOBILEDEV&DESIGN.The Principles of OFDM.Disponível em:
http://mobiledevdesign.com/tutorials/radio_principles_ofdm/index6.html
Fig.1: http://www.gta.ufrj.br/grad/04_2/wimax/caracTecnicas.html
Fig. 2: http://www.slideshare.net/antonioalberti/wimax-tutorial
Fig. 3 http://www.teleco.com.br/tecnocel.asp
Fig. 4: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialintlte/pagina_3.asp
ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 77
Fig. 5: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialintlte/pagina_3.asp
Fig. 6: http://3g4g.blogspot.com/2009/02/mimo-schemes-in-lte.html
Fig. 7: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialhspawimax1/pagina_4.asp
Fig. 8: http://www.conniq.com/WiMAX/aas.htm
Rodolpho Ricardino Gontijo Garcia nasceu em Lavras, MG, em 02 de julho
de 1991. Concluiu o ensino médio na Escola Abreu Carvalho em 2008 e
atualmente cursa o 7º Período de Engenharia Elétrica no Instituto Nacional de
Telecomunicações INATEL.
Luiz Gustavo de Campos Ferraz nasceu em Cunha, SP, em 05 de Dezembro
de 1990. Concluiu o ensino médio na Escola Estadual Paulo Virgíneo em 2008
e atualmente cursa o 7º Período de Engenharia Elétrica no Instituto Nacional de
Telecomunicações INATEL e faz parte do Diretório Central dos Estudantes do
INATEL na área administrativa.
Daniel Andrade Nunes nasceu em Santa Rita do Sapucaí em 1973, formado
como Técnico em Eletrônica na Escola Técnica de Eletrônica Francisco
Moreira da Costa em 1992 e graduado em Engenharia elétrica em 1998 pelo
INATEL – Instituto Nacional de Telecomunicações. Obteve o grau de Mestre
em Telecomunicações, também pelo INATEL em agosto de 2007.
Trabalhou 5 anos na multinacional Ericsson como instrutor técnico e gerente
de projetos principalmente na área de sistemas celular no planejamento,
otimização e desenvolvimento de cursos para sistemas AMPS, DAMS, CDMA
e GSM em 10 países da America latina, Estados Unidos e Europa. Atualmente
é professor de matérias relativas a comunicações móveis e transmissão digital
no programa de Graduação do INATEL, ministra matérias referentes às
tecnologias GSM, WCDMA, LTE, WiMAX, WiFI, XDSL e DocSYS no
programa de Pós Graduação do Inatel além de ministrar cursos nas áreas de
planejamento e otimização para sistemas GSM, WCDMA, WiFI e WiMAX
pelo ICC – Inatel Competence Center.
ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 201278