Evolução da Telefonia Móvel: 1G ao 4G

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I SRST –SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES

INSTITUTO NACIONAL E TELECOMUNICAÇÕES –INATEL ISSN2358-1913

SETEMBRO DE 2014

Abstract— This article describes the evolution of mobile telephony from the first generation -analog- to the successive digital standards under a historical and technological point of view. The first generation (1G) of mobile communications allowed only voice communication using an analog system. This technology has been replaced by the second generation (2G), which enabled messaging, fax and data services. The third generation (3G) made possible multimedia applications, with Internet access and e-mails at much higher data rates. 4G mobile technology, which allows more advanced features including higher bandwidth and spectral efficiency, has been gowning exponentially. The characteristics and main features of each generation will be explained with emphasis on the fourth generation that came to Brazil in 2013 and has been rapidly expanding in the global market.

Index Terms— Cellular, Mobile Communications, LTE and WCDMA.

Resumo— Este artigo descreve a evolução da telefonia móvel desde a sua primeira geração analógica aos posteriores padrões digitais sob pontos de vista histórico e tecnológico. A primeira geração das comunicações móveis (1G) só permitia comunicação por voz utilizando um sistema analógico. Essa foi substituída pela segunda geração (2G) digital que acrescentou os serviços de mensagens, fax e dados. A terceira geração (3G) permitiu aplicações multimídia, com acesso à internet e e-mails a uma taxa de dados bem superior à geração anterior. Atualmente as apostas do mercado estão sobre a tecnologia móvel 4G, que agregará recursos mais avançados, tais como maior banda e alta eficiência espectral. As características de cada geração serão exploradas com ênfase à quarta geração que chegou ao Brasil em 2013 e está em crescente expansão nos mercados mundiais.

Palavras chave— Celular, Comunicações Móveis, LTE e WCDMA.

I. INTRODUÇÃO

A telefonia celular é setor de maior crescimento das telecomunicações [1]. As previsões de crescimento dos usuários móveis no mundo vêm sendo massivamente ultrapassadas. Esse sucesso foi impulsionado com o nascer da Internet [3] em meados de 1993 tornando o serviço de banda larga móvel uma necessidade mundial.

A evolução das tecnologias de acesso possibilitou o uso mais eficiente do espectro de rádio frequências disponibilizando aos usuários acesso às informações em mídia digital em seus aparelhos móveis. Desde a primeira chamada celular ocorrida na cidade de Nova York em 1973 as gerações

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. Arismar Cerqueira Jr. Trabalho aprovado em Julho/2014.

da telefonia móvel sofreram drásticas modificações, adaptando-se para atender ao novo estilo de vida de seus usuários.

Olhando a um passado não tão distante, com menos de 10 anos, existem redes comerciais digitais da segunda a quarta geração, destacando a telefonia móvel como o ramo mais bem sucedido de negócios do século 21, capaz de transformar o mundo num centro de informações aberto e acessível.

Sob essa óptica será discutido a seguir, o desenvolvimento de sistemas e padrões que definem a tecnologia empregada em cada geração de redes celulares. O texto discorrerá tecnicamente sobre os principais aspectos técnicos das seguintes gerações: 1G, 2G, 2.5G, 2.75G, 3G e 4G.

II. PRIMEIRA GERAÇÃO MÓVEL (1G)

Os primeiros sistemas que ofereciam o serviço de telefonia móvel foram introduzidos no final dos anos 1940 nos EUA e em início de 1950 na Europa. Nos Estados Unidos, na metade da década de 40, o FCC (Federal Communications Commission), órgão regulamentador da área de telecomunicações aprovou a exploração do serviço de telefonia móvel pela AT&T. No início, o serviço analógico, com foco na transmissão de voz (tipicamente com banda de 3kHz) era bem limitado, com mobilidade reduzida, grande potência de transmissão, baixíssima capacidade e pobre em qualidade [4]. Esse serviço tornou-se pouco atrativo, restringindo-se apenas a poucos milhares de assinantes espalhados pelo mundo.

Bem mais tarde com a entrada de novos assinantes houve a necessidade do desenvolvimento de sistemas que oferecessem razoável qualidade de voz, com baixa interferência, ligeira mobilidade, baixa potência de transmissão e continuidade das chamadas. Em meio a essas exigências nascem os sistemas analógicos para telefonia celular de primeira geração [4]:

• AMPS (Advanced Mobile Phone System) usado nas Américas, Austrália e alguns outros países;

• TACS (Total Access Communication System) usado no Reio Unido, Itália, Kuwait, Emirados Árabes, Malásia, Hong Kong, China e outros;

• NMT 900 (Nordic Mobile Telecommunications) usado nos países nórdicos, na Suíça, Holanda, Espanha, Tunísia, Marrocos, Iugoslávia e outros;

• NTT (Nippon Telephone and Telegraph) usados no Japão.

Será tomado como referência aqui, o padrão AMPS, especificado pelo consórcio norte-americano TIA/EIA/ANSI. O padrão da interface aérea do AMPS está baseado na norma

Evolução da Telefonia Móvel: 1G ao 4G

Tércio Naves Rodovalho

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e Arismar Cerqueira Sodré Junior

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EIA/TIA-553. Este sistema era analógico utilizando uma largura de banda de 50MHz compreendida na faixa entre 824MHz e 894MHz do espectro de frequências. Essa largura de 50MHz foi dividida em duas partes iguais de 25MHz (Figura 1), denominadas Banda A e Banda B. Cada banda de operação foi dividida em faixas mais estreitas (canais) de 30KHz, isto é, empregou-se a técnica de múltiplo acesso por divisão de frequências, FDMA (Frequency Division Multiple Access). Mais detalhes sobre cada sistema aqui apresentado podem ser vistos nas referências [5-7][10].

Nos sistemas celulares, em geral, denomina-se Uplink, ou canal (enlace) reverso, ao canal suportado pela portadora transmitida pelo móvel. Por outro lado, denomina-se Downlink, ou canal (enlace) direto, ao canal suportado pela portadora transmitida pela Estação Rádio Base.

Fig. 1. Bandas de telefonia celular no AMPS [2].

III. SEGUNDA GERAÇÃO MÓVEL (2G)

Até o ano de 1991 os sistemas de telefonia móvel sujeitavam-se à classe analógica, com canais de tráfego de 30kHz e modulação FM. O caminho de transmissão entre as centrais e as estações rádio base já haviam sido digitalizados. A explosão acelerada das redes celulares analógicas levou o sistema a operar na sua capacidade máxima. A solução para permitir a expansão da rede estava na digitalização da interface aérea.

Assim como não houve padronização mundial durante a primeira geração, também não houve padronização durante a segunda. O uso de um sistema uniforme compatível com o AMPS analógico deu às questões de padronização na América um enfoque diferente das discussões realizadas na Europa.

Nos Estados Unidos, o AMPS havia esgotado a sua capacidade de expansão e, para instalar mais celulares, teriam que usar um sistema digital que permitisse acesso de múltiplos usuários em apenas um canal de tráfego da estação rádio base. Desenvolvido pela TIA (Telecommunications Industry Association) denominado D-AMPS (conhecido como AMPS Digital), padrão IS-54, traduziu-se num conjunto de novas normas contendo as seguintes especificações [4]: triplica a capacidade do sistema analógico AMPS (3 usuários por canal); privacidade para os usuários; introdução de novos serviços (início do tráfego de dados na rede móvel); continuidade das chamadas entre as estações; compatibilidade com o sistema analógico existente e com custos razoáveis de infraestrutura e terminais móveis. O IS-54 adotou o acesso múltiplo por divisão de tempo TDMA (Time Division Multiple Access). Posteriormente, em 1993, a TIA lançaria um novo padrão IS-95 designado por CDMA (Code Multiple Access) [4].

A Europa tinha necessidade de usar um sistema padrão para

possibilitar sua integração. Antes de 1992, existiam diversos sistemas móveis celulares em operação, como o NMT450, TACS, NMT900 e R2000. Nessa época foi criado um grupo, dentro do CEPT (Conférence Européenne des Postes et Télécommunicatios), responsável pela padronização de um novo sistema. A Europa desenvolvera o padrão GSM (Global System for Mobile Communications) que originalmente significava groupe spéciale mobile, com base no trabalho do ETSI (European Telecommunications Standards Institute).

Originalmente o padrão GSM não previa nenhuma compatibilidade com sistemas analógicos, utilizando faixas de frequência diferentes – 900, 1800 e 1900MHz. Como no IS-54, o padrão de múltiplo acesso na interface aérea adotado foi o TDMA. Em março de 1992, foi implantado o primeiro sistema GSM. Por outro lado, o Japão ingressou na segunda geração lançando o seu próprio sistema digital nomeado PDC (Personal Digital Cellular), selecionando o TDMA como técnica de múltiplo acesso.

No Brasil, nessa época quando acabavam de serem definidos os primeiros sistemas digitais, por falta de decisão governamental, foi adotado em 1992 o padrão AMPS analógico e não havia mais tempo para sucessão ao digital. Infelizmente, por apenas um ano, o Brasil perdeu a oportunidade de instalar o sistema celular digital de maior sucesso no mundo. No primeiro semestre de 1993, o GSM além de disponível na Europa estava ganhando mercados em Hong Kong e Austrália. Apenas em 1998 o Brasil modernizou sua rede com sistemas digitais D-AMPS (TDMA) e IS-95 (CDMA). Não muito distante, em novembro de 2000 com o edital das bandas “C”, “D” e “E” na faixa de 1800MHz, promovido pela ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) o Brasil abria as suas portas para a tecnologia GSM.

A. D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) A segunda geração dos sistemas AMPS é o D-AMPS, totalmente digital. O D-AMPS foi cuidadosamente planejado para coexistir com o AMPS, para que tanto os celulares da primeira como da segunda pudessem operar simultaneamente numa mesma célula da estação rádio base. Ele é descrito na norma internacional IS-54 e seu sucessor IS-136 que incorporou funcionalidades avançadas (exemplos: canal de controle digital que proporciona grande economia no consumo de energia, handover e roaming sem interrupção das chamadas em curso) e maior capacidade ao sistema [4].

O padrão IS-54 baseia-se nas técnicas de acesso múltiplo FDMA (Frequency Division Multiple Access) e TDMA (Time Division Multiple Access). A IS-54 incorpora o sistema AMPS (analógico) e uma tecnologia de transmissão digital. Apesar da IS-54 apresentar duas técnicas de acesso múltiplo, FDMA e TDMA, popularmente ela é conhecida como sistema TDMA. Pode-se assim resumir que o D-AMPS é um sistema TDMA-FDMA-FDD, isto é, um sistema que usa simultaneamente o múltiplo acesso por divisão de frequências das portadoras (FDMA), o múltiplo acesso por divisão no tempo (TDMA) de cada portadora e usa uma faixa de frequências para cada

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sentido de transmissão (uplink/downlink) FDD (Frequency Division Duplex) [4].

Tal como no sistema AMPS, o IS-54 apresenta a modalidade de comunicação full-duplex, por divisão de frequência, isto é, utiliza uma portadora para transmissão no sentido de downlink e outra, no sentido de uplink. A distância entre as portadoras empregadas em um canal de comunicação é de 45MHz. O sistema IS-54 utiliza para seus canais físicos exatamente a mesma numeração dos canais AMPS. Portanto, encontra-se disponível um total de 416 canais físicos, ou par de portadoras de RF, por banda de operação. Facilitando desta maneira o upgrade da rede 1G para a 2G.

O sistema D-AMPS é uma versão do AMPS que foi ampliado para usar mais canais de tráfego digitais. Graças à técnica de acesso utilizada (TDMA, três intervalos de tempo), um canal de 30kHz (mesma largura de banda utilizada pelos canais analógicos AMPS) tem capacidade para três canais de tráfego à taxa de codificação total [4]. O padrão IS-54, permitiu ao D-AMPS incluir tanto canais de tráfego analógico quanto canais de tráfego digital em uma e mesma rede, mesmo numa mesma célula [5]. Os usuários deste tipo de rede móvel têm menor taxa de bloqueio, se os seus aparelhos móveis puderem alternar entre canais de tráfego analógicos e digitais, mesmo durante o período de handover [5].

B. GSM (Global System for Mobile Communications) O Global System for Mobile Communications (GSM) foi especificado pelo ETSI e entrou em operação comercial em 1992. O sistema especificado deveria possuir roaming internacional, interfaces abertas entre os elementos de rede, melhor qualidade de voz e com possibilidade para comunicação de dados.

A estrutura do GSM é semelhante a outros sistemas celulares já existentes. O sistema é implementado através de uma rede de rádio, que juntas fornecem cobertura para a área de serviço. Para controlar esta rede de células, são implementados sistemas de comutação, controle e monitoração de rede.

O sistema pode operar em três faixas de frequências diferentes – 900MHz (890-960MHz), 1800MHz (1710-1880MHz) e 1900MHz (1850-1990MHz). Por isso, os padrões correspondentes (chamados GSM900, GSM1800 e GSM1900) seguem a mesma especificação. Como no D-AMPS, o sistema utiliza o trio da interface aérea, TDMA-FDMA-FDD, ou seja, é um sistema que usa simultaneamente o múltiplo acesso por divisão de frequência das portadoras (FDMA), o múltiplo acesso por divisão no tempo (TDMA) de cada portadora e usa uma faixa de frequência para cada sentido de transmissão (FDD, Frequency Division Duplex) [4] [5].

O canal físico do sistema GSM, intervalo de tempo em um canal de frequência específico no sistema TDMA, apresenta-se com largura de banda de 200kHz (Figura 2). Sabendo-se que o sistema apresenta modalidade de comunicação full-duplex, por divisão de frequência, verifica-se que na faixa de 50MHz do espectro destinada à operação, pode-se ter 125 canais físicos

ou portadoras separadas por 200kHz em cada sentido de transmissão [4]. No entanto, somente 124 estão disponíveis porque foram destinadas duas faixas de 100KHz, equivalente à meia largura de banda GSM, uma no início e outra no final da faixa de operação como bandas de guarda. A quantidade de 124 canais duplex, ou 124 pares de canais simplex, resulta em 992 canais físicos, pois a portadora está dividida em oito intervalos de tempo [4]. Em comparação, no D-AMPS, cada canal de frequência é normalmente usado para três canais de tráfego.

Fig. 2. Bandas de telefonia celular no AMPS [2].

Os padrões de primeira geração e o D-AMPS foram projetados para serviços de faixa estreita com uma pequena largura de banda, como a voz. Com a entrada do GSM, foi possível oferecer serviços que combinam a conveniência da mobilidade com o conteúdo multimídia da Internet. O mundo da rede de pacotes aproximava-se da telefonia celular e desencadeou a febre da banda larga móvel.

C. GPRS (General Packet Radio Services)

A evolução do GSM para redes 3G acrescentou gradualmente novas funcionalidades para melhorar a capacidade de dados oferecida aos seus usuários. A evolução começou com uma atualização da rede GSM para 2,5G, onde a tecnologia GPRS (General Packet Radio Services) introduziu um serviço orientado a pacotes, permitindo as estações móveis enviar e receber pacotes IP sobre o sistema de voz existente.

O GPRS introduziu um novo domínio na arquitetura das redes móveis, o Packet Switched (PS). Na rede de acesso, voz e dados compartilham o mesmo caminho, mas na parte central da rede, cada serviço é separado e segue o seu respectivo domínio (Figura 3).

Fig. 3. Arquitetura de rede GPRS-EDGE [11].

A tecnologia GPRS ofereceu inicialmente apenas taxas em torno dos 171kbps. Logo após o GPRS surgiu a tecnologia Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE), capaz de lidar com três vezes mais assinantes de dados do que GPRS, ou triplicar a taxa de dados, atingido a capacidade máxima teórica de até 384kbps, com modulações de maior eficiência

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espectral e codificação dentro da mesma largura de banda (200kHz) usada pelos transceptores GSM.

A tecnologia EDGE não incluiu quaisquer alterações à rede que não sejam de codificação e modulação na interface aérea. Portanto, com o sistema EDGE apenas os móveis e as Estação Rádio Base sofreram mudanças. A tecnologia EDGE utiliza as modulações GMSK, parte do GPRS, e 8-PSK. A 8-PSK é um novo esquema de modulação que usa 8 símbolos, definidos por 3 bits. A GMSK utiliza 1 bit, podendo gerar 2 símbolos diferentes, daí a capacidade de dados teórica no EDGE transmitir três vezes mais rápido que no GPRS [4] [10].

Considerada como a geração 2,75G, a tecnologia EDGE tangenciou a evolução para redes de terceira geração. Foi o primeiro passo no sentido de facilitar a transição para redes de terceira geração com maior largura de banda e altas velocidades de dados.

IV. TERCEIRA GERAÇÃO MÓVEL (3G)

À medida que o número de assinantes móveis foi crescendo e as necessidades de se obter altos débitos binários, o sistema GSM mostrou-se incapaz de oferecer esses tipos de serviços. Como resposta, nasceram as redes de terceira geração, destinadas a trazer alta qualidade de conteúdo multimídia móvel, com streaming de vídeo HD, jogos online, vídeo ao vivo, Rede Social, e trocas de arquivos Peer2Peer. Por esses motivos, as redes móveis estão em constante atualização para fornecerem capacidade suficiente ao desejo de um maior acesso, maior velocidade, e mais aplicações para seus usuários.

A ITU-T (International Telecommunication Union) conduziu o projeto para o estabelecimento de futuros padrões móveis: o IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000), que tem por objetivo o desenvolvimento de sistemas móveis com características de faixa larga. O 3GPP (Third Generation Partnership Project), organização que agrega fornecedores, operadoras, órgãos controladores (como o ETSI) continuou com esse projeto e definiu o UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) como o sistema de telecomunicações móvel universal para redes de terceira geração [3].

As características mais destacadas das redes de terceira geração são a nova interface aérea capaz de proporcionar maiores taxas de dados e larguras de faixa mais largas e mais flexíveis com compatibilidade a nível mundial.

As principais redes 3G são baseadas na tecnologia FDD-WCDMA (Frequency Division Duplex-Wideband Code Division Multiple Access), parte do IMT-2000, também chamada como FDD-UMTS (Frequency Division Duplex - Universal Mobile Telecommunication System). Esta tecnologia permite utilizar a mesma frequência ao mesmo tempo, ou seja, toda informação da interface aérea é transportada numa banda de 5MHz e os usuários são identificados por um código criptográfico [3]. O padrão WCDMA foi desenvolvido como projeto de terceira geração do 3GPP, que visa garantir a interoperabilidade entre redes 3G e GSM [3].

Como no sistema GSM, o modo de operação é FDD no acesso rádio, significando que as estações rádio base e os aparelhos móveis precisam ser capazes de transmitir e receber simultaneamente, requerendo duas faixas de frequências suficientemente separadas uma da outra. A combinação de duas frequências constitui um canal de rádio duplex. O projeto do IMT-2000, especificação 3GPP [14], determinou as faixas de operação do sistema FDD-WCDMA: a faixa de 1920-1980 MHz foi reservada à transmissão no sentido de Uplink (da estação móvel para a rádio base) e a faixa de 2110-2170 MHz foi reservada à transmissão no sentido de Downlink (da rádio base para estação móvel). Como o espaçamento entre portadoras no UMTS é de 5MHz, a largura de banda disponível para a parte FDD fornece 12 diferentes canais duplex. Dependendo do país, essas 12 licenças disponíveis são concedidas, através de leilão dos órgãos reguladores, às diferentes operadoras. Esta pequena quantidade de canais duplex disponível é devido ao fator de reutilização das frequências igual a 1 empregado nos sistemas UMTS [6].

Na padronização do UMTS dentro do 3GPP estão definidas várias centenas de especificações e são classificados em fases, ou lançamentos, denominadas do inglês, como Releases, e podem ser vistas na Tabela I.

TABELAI

EVOLUÇÃO DOS PADRÕES 3GPP[8]

Padrão Release Pico DL Pico UP Latência

GPRS 97/99 40-80kbps 40-80kbps 700ms EDGE 4 237-474kbps 237kbps 450ms UMTS 4 384kbps 384kbps <200ms HSDPA 5 1,8Mbps 384kbps <120ms HSPA 6 3,6-7,2Mbps 2Mbps <100ms HSPA+ 7 28-42Mbps 11,5Mbps <80ms LTE 8 173-326Mbps 86Mbps <10ms O sistema WCDMA foi projetado para suportar voz, videoconferência, aplicações multimídia e acesso a Internet a uma taxa de 384 kbps com total mobilidade, com um máximo teórico de 2 Mbps. Com uma largura de faixa de 5 MHz em comparação com a portadora de 200 kHz do GSM esta é uma razão básica pela qual o WCDMA oferece maiores taxas de dados e capacidade em comparação com as redes anteriores caracterizado como sendo um sistema de faixa larga.

A. 3GPP Release-99

O UMTS Release-99 (Rel-99) [14], algumas vezes referido como Release-3 ou Rel-3, é o primeiro lançamento do 3GPP que define a interface de rádio de um sistema de terceira geração móvel. A tecnologia TDMA utilizada na interface de rádio pelo GSM, utilizando 200 kHz de largura de banda é substituída pela tecnologia WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) com largura de banda de 5 MHz.

Na rede de acesso os elementos do BSS GSM (Base Station Subsystem) como a BTS (Base Transmission Station) e BSC (Base Station Controller) foram substituídos pelo nodeB e RNC (Radio Network Controller) respectivamente formando

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um novo sistema, o UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), utilizando inicialmente as tecnologias ATM (Assynchronous Transfer Mode) na rede de transporte (nodeB ao RNC). No núcleo da rede, já existente utilizado pelo GSM, apenas algumas melhorias foram introduzidas.

Esta versão, chamada Release-99 (Figura 4) contém todas as especificações necessárias para satisfazer aos requisitos do IMT-2000, incluindo taxa de dados até 2 Mbps, suporte a multisserviços, entrega confiável e com qualidade dos pacotes no domínio PS. Além disso, a funcionalidade necessária para handovers intersistemas GSM/WCDMA.

Fig. 4. Arquitetura de rede 3GPP Release-99 [11].

B. 3GPP Release-4

Ao contrário da versão anterior o Release-4 [15] introduz uma modificação no CORE (núcleo da rede), a separação do MSC em dois novos elementos no Domínio CS (Circuit Switch): MSC Server (Mobile Station Controller Server), responsável pelo controle da sinalização (plano de controle) das chamadas e MGW (Media Gateway), responsável por manter a capacidade da conexão (plano do usuário) e conexões físicas com os demais elementos da rede (Figura 5). Isso permitiu que os dados do usuário e de sinalização fossem separados logicamente de modo a possibilitar a prestação de serviços por diferentes recursos de transporte, como por exemplo, o Internet Protocol (IP).

O plano do usuário pode agora ser transportado em IP entre as MGW e a PSTN (Public Switched Telephone Network) o que se tornou uma alternativa mais econômica e flexível.

C. 3GPP Release-5: HSDPA

A partir do Release-5 [16] ocorreram grandes mudanças na rede UMTS. Uma das principais alterações foi a introdução do IMS (IP Multimedia Subsystem) no CORE PS (Packet Switch)

para permitir serviços multimídia em tempo real (Figura 6). Para atingir as altas taxas requeridas pelos novos serviços agora disponíveis, no 3GPP Rel-5 foi implementado na interface aérea o HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) uma melhoria nos recursos de rádio no enlace de descida downlink, empregando novas técnicas na camada física de transmissão, como: modulação e codificação adaptativas – AMC (Adaptive Modulation and Coding) adequadas às condições do canal, selecionando desde o QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), o 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ou até mesmo o 64-QAM; retransmissão através do protocolo HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) com reduzido intervalos de tempo; TTI (Transmission Time Interval) próximo aos 2ms (nos releases anteriores o TTI situava-se ente 10ms e 80ms) o que torna o sistema mais reativo às degradações do canal podendo realocar rapidamente o usuário e a técnica Fast Data Traffic Scheduling (Escalonamento Rápido do Tráfego de Dados) onde um usuário é capaz de receber dados, por um curto intervalo de tempo, tanto quanto as condições de rádio permitir.

Graças a essas melhorias tornou-se possível atingir taxas de transmissão entre 10 e 14 Mbps. No enlace reverso, uplink, preservou-se a modulação dos releases anteriores, a QPSK, mantendo a taxa de uplink em torno dos 384Kbps.

D. 3GPP Release-6: HSUPA

A evolução da tecnologia UMTS continua com o Release-6 do 3GPP [17]. Lançado no primeiro trimestre de 2005, o Release-6 foi capaz de introduzir, na interface aérea, melhorias significativas na velocidade de dados de pico de uplink através do uso de um canal de transporte dedicado denominado E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) com atraso muito baixo (Figura 7). O E-DCH pode ser transmitido com TTI de 2 ou 1ms apenas. E-DCH é o nome adotado pelo 3GPP para definir a tecnologia HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). As técnicas empregadas no HSUPA Rel-6 para recuperação de erros na camada física são as mesmas utilizadas no HSDPA Rel-5 anterior.

Além de canais de transporte dedicados para diminuir os atrasos de transmissão melhorando a cobertura e aumentando a taxa de transferência para até 5,76 Mbps no uplink, o HSUPA introduziu o MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) que define a capacidade para lidar com a mesma informação para muitos usuários de uma célula utilizando os

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mesmos recursos de rádio. O MBMS é um serviço unidirecional ponto a multiponto, em que os dados são transmitidos a partir de uma única fonte para múltiplos destinatários. Ao se transmitir os mesmos dados para vários destinatários há compartilhamento da rede com ênfase na eficiência do uso na interface de rádio.

E. 3GPP Release-7: HSPA+

O 3GPP Release-7 publicado em junho de 2007 introduziu melhorias substanciais na tecnologia de acesso UMTS [18]. O Release-7, por vezes referido como HSPA+ (High Speed Packet Access Plus), contém uma série de características adicionais que melhorariam a capacidade do sistema (Figura 8). As seguintes técnicas mais importantes incluídas no HSPA+ são:

• Modulação de alta ordem e MIMO (Multiple Input Multiple Output) para alcançar altas taxas de dados: o HSPA+ adicionou novas ordens de modulação 64QAM para downlink e 16QAM para uplink. Esquemas de modulação de alta ordem exigem uma alta relação sinal-ruído e apenas pode ser praticamente utilizado em uma minoria de situações podendo assim, elevar apenas taxa de pico. A utilização de 64QAM e 16QAM empurra os picos nas taxas de downlink e uplink para 21,1Mbps e 11,5Mbps, respectivamente. HSPA+ também define o uso de até duas antenas de transmissão da estação rádio base e duas antenas receptoras no terminal móvel para MIMO melhorando os modos de transmissão com diversidade e multiplexação espacial. O uso de 2x2 MIMO multiplexação espacial aumenta a taxa teórica para até 28Mbps no downlink. O Release-7 HSPA+ não permite a utilização simultânea de 64QAM e MIMO como no Release-8 que será discutido mais adiante.

• Operação com Dual-Portadora no downlink: Esta operação Dual-Portadora, ou do inglês Dual-Carrier, oferece um meio muito atraente para alcançar altas taxas de dados. Usando essa abordagem duplica-se a taxa de pico de 21Mbps para 42Mbps, bem como duplica-se a taxa média de dados e aumenta substancialmente a capacidade global do sistema. Isto é diferente do caso de usar MIMO, que só oferece melhorias nas taxas de pico e também incorre a desafios de implementação de múltiplos cabos e antenas na estação rádio base.

• Conectividade contínua de pacotes para melhorar o

tempo de vida da bateria: No 3GPP Release-6 HSPA exigia

que os terminais móveis transmitissem continuamente o canal

físico de controle mesmo na ausência de qualquer tipo de transmissão de dados, o que faz um consumo desnecessário da bateria. O Release-7 HSPA+ permite uma transmissão descontinua no uplink de tal modo que o transmissor móvel pode ser completamente desligado quando não há dados a transmitir. No downlink, do mesmo modo, a recepção descontínua também é suportada onde é permitido ao móvel “acordar” apenas para quando há dados a receber. Transmissão e recepção descontínuas são técnicas de economia de energia muito úteis para aplicação de dados em rajada, como, por exemplo, em navegação Web.

F. 3GPP Release-8: LTE (Long Term Evolution)

Como a adoção de linhas fixas de banda larga começou a crescer rapidamente em todo o mundo, a comunidade móvel reconheceu a necessidade para desenvolver um sistema de banda larga móvel que fosse concorrente/compatível com DSL (Digital Subscriber Line) e capaz de suportar o rápido crescimento do tráfego IP. Por volta de 2005, dois grupos dentro 3GPP começaram a trabalhar no desenvolvimento de um padrão para suportar o esperado crescimento do tráfego de dados IP dentro da rede móvel. Um grupo trabalhou na tecnologia da interface de rádio e desenvolveu o projeto LTE (Long Term Evolution) o outro grupo desenvolveu o projeto de arquitetura da rede denominado SAE (Systems Architecture Evolution). No final de 2008, os estudos evoluíram e as especificações estavam suficientemente estáveis para o lançamento do Release-8 do 3GPP com a aprovação do ETSI.

O LTE Rel-8 [19-24], popularmente chamado de 4G, introduz uma nova terminologia para descrever a arquitetura. O Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) consiste no equipamento do usuário (UE, User Equipament), Evolved Node B (eNodeB) e suas interfaces associadas. O E-UTRAN também é conhecido como Long Term Evolution (LTE).

O Evolved Packet Core (EPC) é totalmente IP. O EPC é uma rede de comutação de pacotes que consiste basicamente (Figura 9):

• Mobility Management Entity (MME): nó de controle chave para o plano de controle da rede de acesso LTE (autenticação, gerenciamento de mobilidade, gerenciamento de perfil do usuário, conexão e autorização de serviços);

• Serving Gateway (S-GW): controle de rotas e encaminha pacotes de dados (plano do usuário);

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endereços IP para UE e também fornece conectividade para redes de pacotes externas.

O EPC (Figura 10) também é conhecido como System Architecture Evolution (SAE). Juntos, E-UTRAN e EPC são formalmente chamados EPS (Evolved Packet System).

Fig. 10. Arquitetura de rede 3GPP Release-8 Evolved Packet System [11].

V. QUARTA GERAÇÃO MÓVEL:DADOS –RELEASE-8 O LTE é uma solução de banda larga móvel, que oferece um rico conjunto de recursos com grande flexibilidade em termos de opções de implantação e ofertas de serviços. Totalmente baseada em comutação de pacotes (ao contrário do 3G) com suporte a IPv6, o LTE possui características importantes que merecem destaque (Tabela II).

TABELAII

CARACTERÍSITCASRELEASE-8(LTE)[12-13]

Parâmetro Valor

Tecnologia Acesso Uplink SC-FDMA Tecnologia Acesso Downlik OFDMA

Flexibilidade Espectral 1,4; 3; 5; 10; 15 e 20 MHz

TTI mínimo 1ms

Espaçamento entre portadoras 15 kHz

Modulação QPSK, 16QAM, 64QAM

Taxa de pico Downlink De 3-4 vezes Rel-6 podendo atingir 100Mbps (5bps/Hz – 20MHz)*

Taxa de pico Uplink De 2-3 vezes Rel-6 podendo atingir 50Mbps (2,5bps/Hz – 20MHz)*

Latência Plano de Usuário Menor que 5ms

* Dentro de um espectro de 20 MHz, o LTE suporta taxas de dados de pico instantânea teóricas de 100 Mbps de downlink (5bps/Hz) e 50 Mbps de uplink (2,5bps/Hz).

OFDM de alta eficiência espectral é a base da camada física: No downlink emprega-se OFDMA (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing Access – Acesso Múltiplo por Divisão Ortogonal de Frequência), uma técnica de múltiplo acesso que distribui subportadoras sobrepostas para os usuários permitindo a transmissão dos tráfegos individuais simultaneamente resultando num ganho de largura do espectro em até 50%. Essa técnica traz robustez contra a interferência multi-percurso e pode ser utilizada com um sistema de antenas MIMO. No uplink o esquema de transmissão empregado será o SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access – Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência com Portadora Única). Tal tecnologia de acesso consiste em transmitir uma única onda subportadora de cada vez por um determinado instante de tempo, ao invés de transmitir diversos conjuntos de sinais ao mesmo tempo como no OFDMA. Isso implicará em um menor consumo de energia no UE (User Equipament).

Suporte para TDD e FDD: As especificações do LTE

descrevem a operação nos modos duplex em Frequency Division Duplex (FDD) ou Time Division Duplex (TDD).

Modulação e Codificação Adaptativa (AMC): AMC é um

mecanismo eficaz para maximizar o rendimento em um canal variante no tempo. O algoritmo de adaptação normalmente exige o uso da maior modulação e esquema de codificação que pode ser suportada pelo sinal de tal forma a maximizar a relação sinal ruído e oferecer ao receptor a maior taxa de dados possível.

Suporte a largura de banda variável: O LTE pode operar

em alocações de espectro de diferentes tamanhos, incluindo 1,25 , 1,6 , 2,5 , 5 , 10 , 15 , e 20 MHz em ambos sentidos de uplink e downlink. Esta é uma característica atraente para as operadoras utilizarem as diversas bandas de frequências que já dispõem e tirarem o máximo partido do LTE. Oferecer canais com dimensões espectrais flexíveis permite o sistema minimizar a interferência e aumentar a eficiência espectral.

Altas taxas de dados: O LTE é capaz de suportar elevados

picos de taxa de dados. Para uma alocação espectro de 20MHz a taxa de dados de pico teórico em downlink pode chegar aos 100Mbps (eficiência = 5bps/Hz), ao mesmo tempo que no uplink pode oferecer 50Mbps (eficiência = 2,5bps/Hz).

Mobilidade: Otimizado para baixa velocidade móvel (0 a

15Km/h) com elevado desempenho, embora suporte velocidades de até 350Km/h.

Retransmissões na camada de enlace: O LTE utiliza o

mecanismo HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) aplicado para corrigir erros nos pacotes na camada física. Além disso, pode haver uma chance de que alguns pacotes com erros não são descartados, e podem ser aceitáveis para algumas aplicações. Assim, estes são passados para as camadas superiores. Um segundo mecanismo ARQ (Automatic Repeat Request) é empregado na camada de rádio e cuidará desses erros residuais, ele corrige esses erros ou descartará os pacotes.

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ida e volta por um pequeno pacote IP viajar do móvel através da rede ao servidor de Internet, na especificação do LTE situa-se abaixo dos 10ms permitindo excelente qualidade nas aplicações multimídia.

Multiple Input Multiple Output (MIMO): O arranjo de

antenas também já está plenamente disponibilizado para a operação do LTE. Essa técnica emprega a utilização de várias antenas para transmitir e receber sinais através da diversidade espacial. O uso de múltiplas antenas no transmissor e receptor melhora a eficiência da rede podendo até duplicar a taxa de throughput experimentada pelos usuários, sob condições favoráveis de rádio.

Suporte a múltiplas tecnologias de acesso: Na interface de

acesso não há qualquer interação entre as tecnologias LTE,

WCDMA, GSM, WiMAX, WLAN e etc. A ideia proposta pelo 3GPP nas especificações do LTE era trazer essa convergência usando uma rede com um único núcleo oferecendo vários serviços baseados em IP sobre várias tecnologias de acesso. A interoperabilidade das redes é possível graças ao SAE GW (Service Architecture Evolution Gateway) definido no núcleo da rede LTE. Maiores detalhes sobre sistemas de quarta geração podem ser vistos nas referências.

A Tabela III finaliza esse trabalho mostrando a evolução das tecnologias móveis até o 4G (Release-8).

TABELAIII

EVOLUÇÃO PARA AS TECNOLOGIAS 4G[11-13]

Release Data Principais características Throughput

Taxa (pico)

Banda por portadora Fase-1 1992 GSM (introdução de redes móveis de segunda geração). 9,6kbps 200kHz

Fase-2 1995 GSM com codificação EFR (Enhanced Full Rate). 9,6kbps 200kHz

Rel-96 1997 GSM com canal de dados 14,4kbps. 14,4kbps 200kHz

Rel-97 1998 GSM com adição do GPRS (General Packet Radio Services) 171,2kbps 200kHz Rel-98 1998 GSM e uso de codificador AMR (Adaptive Multirate Codec)

Introdução do EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) 473,6kbps 200kHz

Rel-99 Mar/2000

UMTS (WCDMA FDD e TDD).

Sistema projetado para coexistir com o GSM. O GSM e UMTS passam a integrar uma única rede. Permite tráfego de voz com maior eficiência espectral.

Proporciona serviços de dados com maior velocidade que o EDGE (cerca de 2x).

384kbps 5MHz

Rel-4 Mar/2001

Suporte a mensagens Mutimídia. Primeiros passos para um Core IP. Interoperabilidade com GSM.

384kbps 5MHz

Rel-5 Jun/2002

HSDPA (High Speed Downlink Packet Access).

Sistema de banda larga (dados em alta velocidade) projetado para ser uma evolução do WCDMA - R99 (atualmente: cerca 4x mais rápido que o WCDMA e 8x mais rápido que o EDGE).

Iteroperabilidade com as redes WCDMA/GPRS/EDGE.

7,2Mbps (Dl)

384kbps (Up) 5MHz

Rel-6 Mar/2005

HSUPA (High Speed Uplink Packet Acess, ou canal E-DCH,

Enhanced Dedicated Channel).

Grande foco no aumento da eficiência espectral (capacidade e taxas de transmissão).

Possibilidade de coexistir com redes WLANs.

Técnicas de modulação e técnicas de códigos corretores de erro (Turbo Coding).

Redução RTT e latência da rede.

Evolução na gerência de mobilidade e uso eficiente dos canais lógicos.

14,4Mbps (Dl)

5,8Mbps (Up) 5MHz 1992

Rel-7 Dez/2007 HSPA+ (64QAM Downlink, MIMO 2x2, 16QAM Uplink) LTE e SAE (estudos de viabilidade).

42Mbps (Dl)

11,5Mbps (Up) 5MHz

2008 Rel-8 Dez/2008

LTE Especificações – OFDMA air interface (uso simultâneo de MIMO e 64QAM).

SAE Especificações – New IP core network (definição do EPC, nova arquitetura do Core Network).

UMTS Femtocells, Dual Carrier HSDPA.

100Mbps (Dl) 50Mbps (Up)

1,4; 3; 5; 10; 15; 20MHz

VI. CONCLUSÕES

Este trabalho proporcionou uma visão abrangente da evolução das tecnologias móveis desde a versão básica analógica 1G que proporcionava apenas serviço de voz até uma das recentes gerações móveis, o 4G Release-8 do 3GPP.

Longe de ser exaustivamente completo das tecnologias

apresentadas, esse trabalho é um convite ao leitor a buscar novos conhecimentos no campo das comunicações móveis celular, apresentando de forma sucinta os elementos essenciais e fundamentais dos componentes sucessores de cada geração móvel.

A comunicação por voz foi a aplicação primária da rede móvel. O serviço de dados foi posteriormente adicionado e

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tornou-se um sucesso em função do crescimento explosivo da Internet na última década com a possibilidade de acesso de qualquer lugar e em movimento, ou seja, mobilidade sem restrições.

Todos os esforços de melhoria dos serviços na rede móvel apontam para uma rede por comutação de pacotes que visa entregar ao usuário final uma grande variedade de conteúdos e aplicações multimídia. Assim desde que surgiu o GPRS na rede 2G o serviço de dados passou por inúmeras melhorias até chegar a atual evolução da rede celular, o LTE. Com essa nova tecnologia, na interface de acesso pretende-se alcançar débitos binários nunca antes experimentados pela rede móvel, chegando, em teoria, muito próximo ao limite da capacidade de canal proposta por Shannon o que se traduz como um marco para a conectividade da banda larga móvel e deve se tornar a principal solução para transmissão de informações, comunicações e entretenimento.

A evolução das redes móveis não pára por aqui, outras versões e gerações trarão novas capacidades e melhorias às existentes elevando ao máximo às expectativas dos usuários. No próprio 3GPP estudos para novos Releases já estão prontos aguardando o amadurecimento comercial das redes 4G atuais, como o Release-9 (Dezembro/2009), o Release-10 (Março/2011, denominado LTE Advanced), o Release-11 (Setembro/2012) e o Release-12 (Março/2014). Além de todos esses estudos desenvolvidos para evolução do 4G, vários institutos de pesquisa estão pensando bem mais longe para elaboração de uma nova geração de redes móveis, o 5G, com previsão de lançamento comercial apenas para 2020. Desenvolvida para operar em altas frequências com grande eficiência espectral (bits/segundo/Hertz/célula), o 5G será capaz de entregar velocidades cada vez maiores em regiões de grande densidade demográfica. O 5G prevê a implantação de redes heterogêneas inteligentes, redes auto-organizáveis (SON, Self Organizing Network) com suporte às tecnologias anteriores, como LTE (e LTE-Advanced), 3G e Wi-Fi. Quanto ao througput, em testes realizados recentes em laboratório, na Suécia, foi possível atingir a taxa de 5Gbps utilizando espectro de 15 GHz. A previsão é de que na quinta geração a taxa de dados possa superar os 10Gbps, aumentando espantosamente o tráfego das redes móveis [33].

REFERÊNCIAS

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http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white_paper_c11-520862.html.

Acessado em: 19 de julho de 2014.

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[9] Machado, P. E. F. e Sodré, T. B. “Análise Comparativa da Razão Entre a Potência de Pico e a Potência média dos sinais OFDMA e SC-FDMA”. Monografia de Graduação em Engenharia de Comunicação. Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia, Dezembro de 2009. [10] K. Amit, L. Yun-fei e S. Jyotsna. “Evolution of Mobile Wireless

Communication Networks: 1G to 4G”. International Journal of Electronics & Communication Technology – IJECT. Vol. 1, Issue 1, December 2010, pp. 68-72.

[11] LTE Release 3.0, LTE 100: “LTE 100: Introduction to Long Term Evolution”. Nokia Simens Network, 2011.

[12] A. Ghosh, J. Zhang, J. G. Andrews, e R. Muhamed, “Fundamentals of LTE”. Prentice Hall, 2010.

[13] T. Ali-Yahiya e K. Al Agha, “Understanding LTE and its Performance”. Springer, 2011.

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[15] 3GPP Technical Specification 21.101, V4.9.0. Reports for a

UTRAN-based 3GPP system (Release-4). France: 3GPP, 2003.

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[22] 3GPP Technical Specification 36.104. Base Station (BS) radio

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[32] N. João Felipe, Análise de Desempenho em Redes Móveis. Tese de Mestrado, Instituto Superior de Engenharia de Lisboa - ISEL, Outubro. [33] Ericsson 5G delivers 5 Gbps speeds. Disponível em:

http://www.ericsson.com/news/1810070. Acesso em: 22 de julho de

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Tércio Naves Rodovalho nasceu em Uberaba, MG, em 28 de abril de 1976.

Possui os títulos: Engenheiro Eletricista (UNESP, 1999), Licenciado em Física (IFSP, 2009). Iniciou sua carreira profissional em 2000 na empresa Ericsson trabalhando com sistema de transmissão digital (rádios e multiplexadores) até meados de 2002. Em fevereiro de 2002 ocupou o cargo de Engenheiro de Transmissão na Empresa Techosson participando do start-up da rede da Tim São Paulo. Desde 2004 ocstart-upa o cargo de Especialista na Empresa Tim Celular S/A na área de operação e manutenção. Atualmente foca seus trabalhos nas redes 3G/4G e busca aprimorar os conhecimentos técnicos com a expansão da banda larga móvel no Brasil.

Arismar Cerqueira Sodré Junior nasceu em Salvador-BA no dia 06 de

Maio de 1978. Ele possui Graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal da Bahia (2001), Mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (2002), Ph.D. em Engenharia de Telecomunicações pela Scuola Superiore Sant´Anna - Itália e University of Bath - Inglaterra (2006) e Pós-Doutorado em Engenharia Elétrica pela UNICAMP (2009). Trabalha atualmente como Professor Adjunto IV do Instituto Nacional de Telecomunicações (INATEL). De Março de 2009 a Agosto de 2011, foi Professor concursado da UNICAMP na área de Telecomunicações. Por diversas vezes foi Invited Researcher de universidades renomeadas internacionalmente, tais como University of Bath - Inglaterra (2004,2005 e 2007), Max Planck Institute- Alemanha (2010) e Technical University of Denmark-Dinamarca (2013). As suas principais áreas de pesquisa são: Fotônica de Micro-ondas, Antenas e Radares, Sistemas Rádio sobre Fibra (RoF), Comunicações Ópticas, Óptica Não-linear, Comunicações Móveis, Projeto e Fabricação de Fibras de Cristais Fotônicos (PCFs), Rádio Cognitivo e Rede de Sensores sem Fio (WSN). Arismar tem 03 patentes internacionais e 107 artigos publicados em periódicos e congressos internacionais e nacionais.