REDES 4G

O conceito 4G vai muito além de telefonia móvel, já que não pode ser considerada uma evolução dos padrões de telefonia celular, tais como as existentes no mercado até 3G. As novas tecnologias de redes banda larga móvel (sem fio) permitiram o acesso a dados em dispositivos que operam com IP, desde handsets até CPEs (equipamentos para conversão de dados para uso em equipamentos finais tais como TVs e telefones). Atualmente há duas tecnologias que são mais exploradas na indústria: WiMAX e LTE (Long Term Evolution), ambas ainda passíveis de definições de uso por questões regulatórias por parte de governos e padronizações nas indústrias de hardware.

Os grandes atrativos do 4G são a convergência de uma grande variedade de serviços até então somente acessíveis na banda larga fixa, bem como a redução de custos e investimentos para a ampliação do uso de banda larga na sociedade, trazendo benefícios culturais, melhoria na qualidade de vida e acesso a serviços básicos tais como comunicação e serviços públicos antes indisponíveis ou precários à população.

4G foi desenvolvido prevendo oferecer serviços baseados em banda larga móvel tais como Multimedia Messaging Service (MMS), video chat, mobile TV, conteúdo HDTV, Digital Video Broadcasting (DVB), serviços básicos como voz e dados, sempre no conceito de uso em qualquer local e a qualquer momento. Todos os serviços deverão ser prestados tendo como premissas a otimização do uso de espectro, troca de pacotes em ambiente IP, grande capacidade de usuários simultâneos, banda mínima de 100 Mbit/s para usuários móveis e 1 Gbit/s para estações fixas, interoperabilidade entre os diversos padrões de redes sem fio.

Historicamente, cada país utiliza o espectro com serviços e tecnologias diferentes, e os fabricantes de equipamentos definem individualmente como desenvolver seus produtos. Com objetivo de eliminar estes obstáculos, a organização ITU (International Telecommunications Union) formulou um plano para definição de frequências e padrões globais para as tecnologias móveis 3G chamado IMT-2000 (International Mobile Telecommunications).

Com a necessidade de oferecer mais banda na interface aérea dos celulares no final da década de 90, a padronização dos sistemas que seriam os sucessores da tecnologia 2G passou a ser muito importante por diversos fatores. Podemos ressaltar aqui dos três mais importantes:

Criar uma interoperabilidade entre plataformas de fabricantes distintos.
Reduzir o tempo e o dinheiro para pesquisa de novas tecnologias, pois isso agora passa a ser feito por um grupo de empresas.
Permitir que os usuários possam fazer roaming internacional.

Em 1999 ITU-T criou um grupo denominado IMT-2000 para homologar padrões para as interfaces de rádio. Na europa, o desenvolvimento de novos padrões para tecnologia GSM era conduzido pelo ETSI, European Telecommunications Standards Institute.

Mas decidiu-se unir esforços para que nesses grupos de definições, houvesse uma maior participação dos fabricantes. No ano de 2001 foi criado o UMTS Forum (Universal Móbile Telecommunications System) para definir as padronizações do sistema GSM. O UMTS então delegou para o 3GPPP -3rd Generation Partnership Project os estudos, homologações e padronização das tecnologias que seriam adotadas. O 3GPP é um acordo de colaboração estabelecido em dezembro de 1998 que agrega diversas entidades de padronização das telecomunicações. Pesquisadores e engenheiros de desenvolvimento de todo o mundo – representando mais de 60 operadoras, fornecedores e institutos de pesquisa – estão participando no esforço conjunto de padronização do LTE.

O objetivo do UMTS é prover um padrão universal para as comunicações pessoais com o apelo do mercado de massa e com a qualidade de serviços equivalente ao existente na rede de telefonia fixa.

Aspectos para Padronização das Redes de Nova Geração

LTE ou WIMAX

Quando surge uma nova tecnologia, a dúvida sempre acompanha o mercado: permanecer com o que temos, ou migrar para a nova tendência? Isso ocorreu num passado recente quando tivemos a briga CDMA x GSM, e com o 4G envolve as tecnologias WiMax móvel e LTE. A evolução tecnológica é natural. E a dúvida permanece: quem venceu, o LTE se deu muito em sendo utilizado na maioria dos paises.

Em muitos paises elas coexistem. A chegada das redes 4G se dá com um ritmo cada vez mais acelerado. O primeiro passo é saber qual faixa de espectro o governo local irá leiloar para que ela se desenvolva. Embora ambas sejam baseadas na mesma frequência de rádio conhecida como OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex Access), vale lembrar que a tecnologia WiMax móvel é fornecida hoje
apenas na faixa de 2,5 GHz, enquanto a LTE (Long Term Evolution) permite além da 2,5 GHz, a de 700 MHz para comercialização. Nesses casos, definir a estratégia de negócios é fundamental. Para o novo operador que irá adquirir essa nova tecnologia, o primeiro passo é checar qual rede vai lhe permitir implantar os serviços de telecomunicações a um custo mais baixo. Depois é necessário saber se esse serviço sairá para o consumidor final de forma acessível.

Não adianta implantar uma tecnologia em que o usuário final tenha custos altos de terminais de acesso (aparelhos e modems) e o retorno não seja proporcional. Mas não há uma regra para adquirir essas tecnologias. Os novos operadores, por exemplo, não precisam necessariamente começar com o WiMax, e os operadores que já tem uma carteira de clientes compatíveis com HSPA, da família de tecnologia GSM, não precisam migrar para o LTE. Como exemplo, um novo operador na Colômbia de redes fixas nacionais (UNE) garantiu a frequência de 50 MHz no espectro de 2,5 GHz no leilão que aconteceu recentemente no país. Eles preferiram implementar a LTE ao WiMax móvel por não encontrarem vantagens para seus clientes e com base nos últimos movimentos e anúncios das operadoras do mercado mundial que já trabalharam com a tecnologia WiMax.

Outra operadora também optou pela troca da tecnologia. A russa Yota havia anunciado a implementação do WiMax em mais de 15 cidades na Europa, mas diante da economia e custos que a rede LTE oferece, eles optaram por mudar para a LTE. A operadora ainda fez um investimento de US$ 100 milhões para o ano de 2010. E eles não são os únicos. E durante o evento da CTIA, em abril de 2010, a Clearwire, maior operadora de WiMax móvel nos Estados Unidos, revelou a sua intenção de considerar a tecnologia LTE para seus futuros assinantes.

PADRÃO LTE

O LTE Long Term Evolution é o maior representante atualmente do 4G ele foi padronizado em 2008 pelo 3GPP (3rd Generation PArtnership Project) e foi introduzido no release 8 do 3GPP.

O 3GPP é um acordo de colaboração estabelecido em dezembro de 1998 que agrega diversas entidades de padronização das telecomunicações. Pesquisadores e engenheiros de desenvolvimento de todo o mundo – representando mais de 60 operadoras, fornecedores e institutos de pesquisa – estão participando no esforço conjunto de padronização do LTE.

Além do LTE, o 3GPP está também definindo arquitetura de rede baseada em IP. Esta arquitetura é definida como parte do esforço da SAE – Evolução da Arquitetura de Sistema. A arquitetura e os conceitos LTE-SAE foram planejados para um suporte eficiente ao mercado de massa de qualquer serviço baseado em IP. A arquitetura baseia-se numa evolução do núcleo de rede GSM/WCDMA, com operações e implementação simples e econômica.

Além disso, iniciou-se recentemente um trabalho entre o 3GPP e o 3GPP2 (a entidade de padronização CDMA) para otimizar a cooperação entre CDMA e LTE-SAE. Isso significa que as operadoras de CDMA poderão evoluir suas redes para LTE-SAE, desfrutando das economias de escala e dos volumes globais de chipsets GSM e WCDMA.

O ponto de partida para a padronização do LTE foi o 3GPP RAN Evolution Workshop, conduzido em novembro de 2004 em Toronto, no Canadá. Iniciou-se um estudo em dezembro de 2004 com o objetivo de desenvolver uma estrutura para a evolução da tecnologia de acesso a rádio 3GPP em direção a:

Redução no custo por bit.
Melhor provisionamento de serviço – mais serviços a baixo custo com melhor experiência do usuário.
Uso flexível das bandas existentes e novas frequências.
Arquitetura simplificada e interfaces abertas.
Baixo consumo de potência do terminal.

O desempenho do LTE foi avaliado nos assim chamados pontos de checagem e os resultados foram acordados em seções plenárias do 3GPP, em maio e junho de 2007, na Coréia do Sul. Os resultados mostram que o LTE atende, e em alguns casos excede, as metas para os picos das taxas de dados, throughput de usuário na borda da célula e eficiência espectral, bem como VoIP e desempenho de MBMS – Multimedia Broadcast Multicast Service.

CARACTERÍSTICAS

OFDMA – Orthogonal Frequency Division Multiple Access
Uma das grandes diferenças que vemos no LTE em relação aos releases anteriores do UMTS, é a forma de acesso múltiplo. Até o HSPA+, a forma padrão era o W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) sendo que com o LTE, o acesso múltiplo é OFDMA. Algumas das motivações para esta mudanças são:

Excelente desempenho do OFDMA em canais com presença de fading seletivo em freqüência.
Baixa complexidade do receptor banda base.
Boas propriedades espectrais e gerenciamento de múltiplas larguras de banda.
Adaptação de enlace e agendamento de domínio de frequências.
Compatibilidade com receptores avançados e novas tecnologias de antenas.

SC-FDMA: Sigle Carrier Frequency Division Multiple Access

No uplink do LTE, uma forma diferente de acesso múltiplo é utilizada, SC-FDMA. Apesar de ser uma forma de tecnologia OFDMA, a implementação é um pouco diferente.

O motivo para a utilização do SC-FDMA é o consumo de bateria do móvel. Sabemos que o consumo de potência é algo chave para o handset sendo que no eNodeB, isto não é problema tão sério. A eficiência na utilização de energia é muito afetada pela modulação utilizada na transmissão de RF, sendo que infelizmente o OFDMA tem um tem uma alta relação pico/média, o que exige um esquema de amplificação linear, não muito eficiente.

Por isso a tecnologia LTE utiliza o esquema de modulação SC-FDMA – Single Carrier Frequency Division Multiplex que tem um forma híbrida, combinando uma baixa relação pico/média com a boa eficiência contra múltiplos percursos e alocação flexível de sub-portadoras do OFDM.

Os blocos de transmissão SC-FDMA são baseados em um espaçamento de 15 kHz, semelhante ao utilizado no enlace direto, sendo que na forma mais simples, o móvel utilizará pelo menos 12 sub-portadoras, perfazendo um total de 180 kHz.

ARQUITETURA 4G

Nela podemos verificar mudanças em relação aos releases anteriores, sendo que no LTE, a arquitetura de rede tem 4 grandes domínios:

UE – User Equipment
E-UTRAN – Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network
EPC – Evolved Packet Core Network
Services

As grandes diferenças podem ser verificadas na E-UTRAN e no EPC. Na E-UTRAN, temos a supressão do antigo RNC e uma mudança de sigla do NodeB para eNodeB. De fato, a E-UTRAN é composta de uma rede mesh de eNodeBs que se comunicam através da interface X2. No EPC temos diversos equipamentos como MME, S-GW, HSS, P-GW e PCRF.

Os equipamentos que são encontrados no EPC (Evolved Packet Core Network) são:

MME é a sigla para Mobility Management Entity e é o elemento de controle principal no EPC. Entre as suas funções estão autenticação, segurança, gerenciamento de mobilidade, gerenciamento de perfil do usuário, conexão e autorização de serviços.
S-GW é a sigla de Serving Gateway que faz o gerenciamento e comutação dos túneis do User Plane.
P-GW é a sigla de Packet Data Network Gateway que é o roteador de borda entre o EPS e redes de pacotes externas. Realiza também filtragem e controle de pacotes requeridos para os serviços em questão. Tipicamente, o P-GW aloca endereços IP para o UE, utilizado pelo mesmo para comunicação com outros hosts em redes externas (como é o caso da Internet).
PCRF é a sigla de Policy and Charging Resource Funcion e se refere ao elemento de rede LTE que é responsável pelo PCC – Policy and Charging Control. O PCRF decide quando e como se deve gerenciar os serviços em termos de QoS e dá informações a respeito para o P-GW e se é aplicável para o S-GW. Desta forma, os bearers apropriados e a política adequada podem ser configuradas para um determinado serviço.
HSS é a sigla de Home Subscriber Server e se refere ao elemento LTE que é o banco de dados de registro do usuário. Executa de fato, funções equivalentes às do HLR, do AuC e do EIR antigos.

MIMO: Multiple Input Multiple Output

Uma das tecnologias fundamentais do release LTE é a operação MIMO (Multiple Input Multiple Output). Este é um conceito que utiliza diversidade para aproveitar os sinais propagados em múltiplos percursos presentes no ambiente rádio-móvel. Certamente os múltiplos percursos (multipath) podem causar interferência, porém com um esquema de diversidade, pode-se tirar alguma vantagem.

A técnica MIMO está gradativamente sendo mais e mais utilizada na transmissão de dados wireless, e essencialmente emprega antenas múltiplas no receptor e no transmissor para utilizar favoravelmente os múltiplos percursos. Os esquemas MIMO empregados no LTE são um pouco diferentes no uplink e no downlink. No caso do terminal do usuário, existe uma restrição forte do fator custo do produto o que acaba limitando as possibilidades de projeto.

No downlink, a configuração de duas antenas transmissoras na estação base e duas antenas receptoras no terminal do usuário é a configuração padrão. Porém, existem outras possibilidades que podem ser consideradas.

Para o uplink, o LTE utiliza o que é conhecido como MU-MIMO, ou ainda, Multi-User MIMO. Esta modalidade tem o eNodeB com múltiplas antenas e o móvel transmitindo em apenas uma, o que reduz o custo do móvel. Durante a operação, os vários móveis transmitem simultaneamente nos mesmos canais, porém a interferência mútua é baixa devido aos padrões de piloto ortogonais utilizados (SDMA – Spatial Domain Multiple Access).

A tecnologia LTE teve como uma de suas principais motivações de mercado a ampliação da largura de banda para possibilitar novos serviços e melhor desempenho dos serviços já existentes. As especificações do 3gpp propõem uma ampliação significativa nas taxas de transmissão, sendo sempre bom enfatizar que os valores da tabela seguinte são de taxa de pico.

PADRÃO WIMAX

O WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access, foi padronizado pelo IEEE com o código 802.16e, ou IEEE 802.16-2005 para ser uma solução wireless banda larga de grande flexibilidade que apresenta inúmeras formas de aplicação e serviços a oferecer, incluindo Voz sobre IP e vídeo sob demanda.

Talvez a maior deficiência do padrão anterior (802.16-2004) tenha sido a falta de suporte para mobilidade. O IEEE abordou essa questão desenvolvendo especificações para uma versão separada da norma, a 802.16e aprovada em dezembro de 2005. Também conhecida como WiMAX móvel, a norma é considerada concorrente das tecnologias celulares 3G. Seu método de acesso ao canal de rádio é mais sofisticado do que o do wiMAX fixo já que utiliza OFDMA escalável e, consequentemente obtém um melhor desempenho no enlace. A contrapartida é o aumento da complexidade no processamento da camada física. A sinalização para o handover rápido é admitida, por exemplo para permitir que os usuários em veículos em movimento troquem, ininterruptamente, de estações radiobase.

O WiMAX móvel opera nas faixas de 2 a 6 GHZ que consistem, principalmente, em faixas licenciadas. As aplicações móveis são aptas para operar abaixo de 3 GHz, enquanto algumas aplicações fixas utilizam a 802.16e devido às suas melhores características. Entretanto, deve ser notado que não há compatibilidade com versões anteriores de WiMAX fixo. Espera-se que os raios de célula sejam normalmente de 2 a 5 Km, e as taxas de até 30 Mbit/s sejam, em teoria, obtidas com canais completos de 10 MHz.

A Coréia do Sul tem sua própria variante do WiMAX móvel, denominado WiBRO, que foi desenvolvido pela SamSung e padronizado pela TTa. Ela utiliza canais de 10 MHz na faixa de 2,3 GHz e tem como objetivo a interoperabilidade com os equipamentos 802.16e. De acordo com a recente análise de desempenho, o WiBRO opera favoravelmente em comparação com o HSDPA – Hight-Speed Downlink Packet Access de 3G em canais com desvanecimento de múltiplos caminhos. Mas de qualquer forma o WiBRO está caindo em desuso pelo avanço do WiMAX.

IEEE 802.16e (ou IEEE 802.16-2005): Conhecido WiMAX Móvel, assegura conectividade em dispositivos móveis. Opção para 4G.

IEEE 802.16m (ou IEEE 802.16-2009: Também conhecido como WiMAX2, é o substituto do 802.16e. É outra opção para 4G.

Legenda:

LOS – Linha de Visada

NLOS – Sem Linha de Visada

OFDM – Modulação por Divisão de Freqüência Ortogonal

QPSK – Modulação por Mudança de Fase

QAM – Modulação por Quadratura de Amplitude