4G e LTE (Long Term Evolution)

Apresentação de seminário 4G e LTE (Long Term Evolution) na disciplina de Princípios de Telecomunicações, do Centro Universitário de Votuporanga - UNIFEV.

1. 4G e LTE
LongTermEvolution
Lucas Martins Sabadini
Mateus Boni Dias
Mateus Matias Criado
Otavio da Silva Cavalcante
Wander Pereira

2. ROTEIRO
Camada
Sistêmica
Camada
Física
Modulação Referências
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3. CAMADA SISTÊMICA

4. C A M A D AS I S T Ê M I C A
Telefonia Celular 4G
•LongTermEvolution(LTE).Atecnologiadaquartageraçãode
telefoniacelular;
•Tecnologiadetransmissãodedadosmóveiscriadacombaseno
GSM(GlobalSystemforMobile)e WCDMA (Wide-BandCode-
DivisonMultipleAccess);
•Priorizaotráfegodedadosaoinvésdodevoz,proporcionando
umaredemaisrápidaeestável.
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5. •Aprincipaldiferençaentrearede4Geasantigasconexões,éa
velocidadedeconexão;
•DeacordocomSanches(2016),arede4Gofereceemtornode 50à
100Mbps,enquantoa3Gcheganomáximode4Mbps;
•SegundoGrasel(2016),alémdatecnologiaLTEsermaisrápidae
maisestruturada,podeatendercercade 200à300acessos
simultâneosarededetrafegodedados.
C A M A D AS I S T Ê M I C A
Telefonia Celular 4G
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6. •Onúcleodasredes4Géfundamentalmentebaseadoem TCP/IP;
•Alatência(tempoderesposta)daredecheganomáximoem 30ms;
•Mantémavelocidadeelatênciaquando utilizadoemmovimento
até350km/h;
•Possibilitaatransmissãoerecepçãoaomesmotempo.
C A M A D AS I S T Ê M I C A
Telefonia Celular 4G
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7. CAMADA FÍSICA

8. C A M A D AF Í S I C A
Notamos que existem 2 camadas na rede
4G, MAC (MediumAccess Control–
Controle de Acesso ao Meio) e PHY
(PhysicalLayer–Camada Física), onde a
camada MAC possui três sub-camadas,
CS (Service-SpecificConvergence
Sublayer–Sub-camadade Convergência
Específica), CPS (Common PartSublayer–
Sub-camadade Convergência Comum) e
Sub-camadade Segurança (Security
Sublayer). Ambas sendo divididas em
Usuário, Controle e Gerência.
8
Figura 1: Pilha de protocolos do IEEE 802.16
Fonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialintlte/pagina_3.asp

9. C A M A D AF Í S I C A
•Subcamadadeconvergência:Transformaçãooumapeamentodedadosdarede
externaemSDU’s(ServiceDataUnit)MAC(OferecesuporteaATM–
AsynchronousTransferModeeprotocolosbaseadosempacotes);
•ParteComumdaSubcamadaMAC :FuncionalidadedonúcleoMACdosistema
deacesso,alocaçãodelarguradebanda,estabelecimentoemanutençãodeconexão;
•SubcamadadePrivacidade:Trocadechavesseguras,criptografiaeautenticação;
•CamadaFísica(PHY):Apresentadiversasespecificações,ondecadaumadelasé
apropriadaaumadadafaixadefrequência.
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10. •Acamadafísicacontémaregiãofísicaqueprovêcaracterísticasmecânicas,
elétricas,funcionaiseprocedimentaisparaativar,manteredesativarconexões
físicasparatransmissãodebitsentreentidadesdacamadadeenlace.Utiliza
tecnologiasOFDMA,SC-FDMA,MIMOecodificaçãoTURBO.
•Oprocessodecodificaçãoedetransmissãoédisponibilizadopelacamadafísica
paraacamadaMACnaformadeserviços,atravésdeblocosdetransporte.A
cadaintervalodetransmissão(TransmissionTimeInterval–TTI,sendo1TTI=1
subframe=1ms),atédoisblocosdetransportesãocodificados,moduladose
mapeadosparaosrecursosderádiodoOFDMA.
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C A M A D AF Í S I C A
MAC (Media Access Control)

11. •AcamadaL2/L3éresponsávelpeloacessoepelocontroledosrecursosderádio.
UtilizatecnologiasEnlaceAdaptativo,SchedulingeHARQ.
•Acamadadeenlacetemcomoobjetivodetectareopcionalmentecorrigiroserros
queporventuraocorramnonívelfísicoduranteatransmissãodebits.Sendo
responsávelporimplementarométododeacessoaomeio,delimitaraestrutura
dequadrodeenlaceereconhecerosendereçosfísicosMAC.
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C A M A D AF Í S I C A
Camada de Controle (L2/L3)

12. •Algorítmosdeschedulingedecontroledoenlaceadaptativooperamem
conjuntonessacamadaparaotimizaravazãototaldacélulaedoenlacede
usuário.
•Emlinhasgerais,aprincipaltarefadoschedulingnoOFDMAéalocarparesde
blocosderecursosderádio(1mse12subportadoras)inteligentementepara
diferentesusuários,demodoaalcançaramaiorvazãopossívelnacélula.
•OHARQéumacombinaçãodecorreçãodeerrosdecanal(ForwardError
Correction–FEC)esolicitaçãoautomáticaderepetição(AutomaticRepeat
Request–ARQ)baseadaemcódigoCRCdedetecçãodeerros.
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C A M A D AF Í S I C A
Camada de Controle (L2/L3)

13. C A M A D AF Í S I C A
MIMO (MultipleInputs MultipleOutputs)
•Técnicasdemúltiplasantenassãoumaformadeseobtertaxasde
transmissãoelevadas;
•MaisfacilmenteempregadasemsistemasOFDMAeresultamem
ganhodedesempenhoobtendovantagemdapropagaçãomúltiplos
percursos;
•AmbasascadeiasdetransmissãoederecepçãodoOFDMpodem
serparalelizadasemmaisdeumacamada;
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14. C A M A D AF Í S I C A
MIMO (MultipleInputs MultipleOutputs)
•FormasdeprocessamentosuportadaspeloLTEclassificadasem:
•Pré-codificaçãoouformataçãodefeixe:queenvolveapenas
processamentoespacial;
•Codificaçãopordiversidade:queenvolvecodificaçãoespaço-
frequênciasobreumúnicofluxodedadosparaaumentara
robustezdatransmissão;
•Multiplexaçãoespacial:queenvolveatransmissãosimultânea
defluxosdistintosemantenasdistintas,deformaase
aumentaravazãodosistema.
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15. MODULAÇÃO

16. •Modulaçãoéoprocessoque variaaaltura(amplitude),
intensidadeefrequênciadeumaonda eletromagnética.
•OTransmissorenviadadosnumaondadetalformaquepoderá
serrecuperadanaoutraparte atravésdeumprocessoreverso
chamadoDemodulação.
M O D U L A Ç Ã O
Definição
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17. •OnossoidiomaéumaformadeModulação;
•Conformenossascordasvocaisvibram,expulsamoardalaringe,
odeslocamentodoarproduzosom.
•Dependendodaintensidadedessasvibrações,sonsdistintossão
produzidos,dandoorigemaspalavras.
•Ouseja,oarsofreModulaçãoparaoriginarnovaspalavras.
M O D U L A Ç Ã O
Analogia
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18. 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 O
Sistema Convencional
Figura 2: Transmissão convencional
Fonte: Autores.
18

19. Adote:
1.Umaestradaqualquersejaocanaldetransmissão.
2.Alarguradaestradaéo"tamanho"dafrequência.
Imagine:
Queaestradapossua10metrosdelargura,econtémapenasumafaixaporondepassamos
carros.Essaseriaumamodulaçãoconvencional.
Maspodemossubdividiressaestradaem5faixasde2metroscada.
Dessaformapodemospassarvárioscarrosnamesmavelocidadeutilizandofaixasdistintas.
M O D U L A Ç Ã O
Sistema Convencional -Analogia
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20. O OFDM, também conhecido como
DiscreteMultitoneModulation
(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 O
OFDM (Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais)
Figura 3: Modulação OFDM
Fonte: www.iss.rwth-aachen.de/Projekte/Theo/OFDM/OFDM_en.html
20

21. Na OFDM é feita transmissão paralela
de dadosem diversas sub-portadoras,
com modulação QAM ou PSK e com
taxas de transmissão por
sub-portadoratão baixas quanto
maior for o número possível.
M O D U L A Ç Ã O
OFDM (Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais)
Figura 4: Transmissão OFDM
Fonte: http://www.img.lx.it.pt/~fp/cav/ano2009_2010/Trabalhos_MEEC_2010/Artigo_MEEC_7/myweb3/ofdm.htm
21

22. O espaçamento entre sub-portadorasé
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.
M O D U L A Ç Ã O
OFDM (Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais)
Figura 5: Espaçamento entre portadoras OFDM
Fonte: http://www.img.lx.it.pt/~fp/cav/ano2009_2010/Trabalhos_MEEC_2010/Artigo_MEEC_7/myweb3/ofdm.htm
22

23. A sobreposição espectral causada pelo
OFDM produz ainda uma significativa
economia de banda, se comparada com a
técnica FDM tradicional.
Calcula-se que a economiaseja de
aproximadamente 50% de banda.
M O D U L A Ç Ã O
OFDM (Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais)
Figura 6: Banda utilizada pelo OFDM (adaptado)
Fonte: http://www.cricte2004.eletrica.ufpr.br/ufpr2/tccs/27.pdf
Convencional
OFDM
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24. Em relação ao domínio do tempo, a característica
de ortogonalidade entre subportasimplica
que duas sub-portadorasquaisquer 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
M O D U L A Ç Ã O
OFDM (Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais)
Figura 7: Sub-portadorasno domínio do tempo
Fonte: http://www.cricte2004.eletrica.ufpr.br/ufpr2/tccs/27.pdf
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25. •ParaoLTE,oOFDMdivideabandadefrequênciadaportadoraem
pequenassubportadorasespaçadasde15kHz,emodulacadauma
individualmenteusandoQPSK,16QAMou64QAM.
M O D U L A Ç Ã O
4 G
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26. •AmodulaçãoQPSKéumatécnicademodulaçãoderivadadoPSK,
porémnestecaso,sãoutilizadosparâmetrosdefaseequadratura
daondaportadoraparamodularosinaldeinformação.Como
agorasãoutilizadosdoisparâmetros,existemmaistipospossíveis
desímbolosnestaconstelação,oquepermitequesejam
transmitidosmaisbitsporsímbolo.
M O D U L A Ç Ã O
QPSK
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27. 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 QPSK
Fonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialplcalt1/pagina_4.asp
M O D U L A Ç Ã O
QPSK
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28. •Nestaformademodulação,ossímbolossãomapeadosemum
diagramadefaseequadratura,sendoquecadasímboloapresenta
umadistânciaespecíficadaorigemdodiagramaquerepresentaa
suaamplitude,diferentementedamodulaçãoPSK,naqualtodosos
símbolosestãoàigualdistânciadaorigem.Istosignificaqueas
informaçõessãoinseridasnosparâmetrosdeamplitudee
quadraturadaondaportadora.
M O D U L A Ç Ã O
QAM
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29. 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 QAM
Fonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialplcalt1/pagina_4.asp
M O D U L A Ç Ã O
QAM
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30. •Pode-senotarquenomodo16QAMalcança-seumataxadetransmissão
menordoquenomodo64QAM,umavezquecadasímbolotransporta
umnúmeromenordebits.Noentanto,nomodo16QAM,adistância
euclidianaentreossímbolosémaiordoquenocasodomodo64QAM.
Istopermitequeomodo16QAMpossibiliteumamelhorqualidadede
serviço(QoS),poisamaiordistânciaentreossímbolosdificultaerrosde
interpretaçãonoreceptorquandoestedetectaumsímbolo.
M O D U L A Ç Ã O
QAM
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31. 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 subcanaisajuda o OFDM a
combater o efeito de desvanecimento seletivo.
Figura 10: Diferença entre OFMD e OFDMA
Fonte: ANRITSU, 2010.
M O D U L A Ç Ã O
QAM
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32. •Váriasalternativascontinuamaserestudaspelosórgãosresponsáveis
pelapadronizaçãodoLTEparautilizaromelhoresquemadetransmissão
paraouplink.ApesardeoOFDMAatenderaosrequisitosdedownlink,
suaspropriedadessãomenosfavoráveisparaouplink,principalmente
devidoaodesvanecimentodoparâmetrochamadoPeaktoAverage
PowerRatio(PAPR)nouplink.
M O D U L A Ç Ã O
SC-FDMA
32

33. •Assim,oesquemadetransmissãoparauplinkLTEemFDDeTDDéo
modobaseadoemSC-FDMA(SingleCarrierFrequencyDivisionMultiple
Access)comprefixocíclico.Autilizaçãodestemétodotemcomoobjetivos
melhorarodesempenhoemcomparaçãoasinaisOFDMAeareduçãode
custosnosprojetosdosamplificadoresutilizadospeloUE.
M O D U L A Ç Ã O
SC-FDMA
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34. 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 subportadorasdisponíveis. 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.
M O D U L A Ç Ã O
SC-FDMA
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Figura 11: Diagrama de bloco do DFT-s-OFDM
Fonte: Rohde& Schwarz, 2009.

35. •ODFT-s-OFDMAéadiferençafundamentalentreageraçãodesinaldo
SC-FDMAedoOFDMA.EmumsinalSC-FDMA,cadasubportadora
utilizadaparatransmissãocontéminformaçãodetodosossímbolos
moduladostransmitidos.Emcontrapartida,cadasubportadoracomum
sinalOFDMcarregainformaçõesrelacionadasaumsímboloespecífico.
M O D U L A Ç Ã O
SC-FDMA
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36. REFERÊNCIAS

37. R E F E R Ê N C I A S
•CARDOSO,FabbryccioA.C.M.,etal. TecnologiasdecamadafísicaeMACpararedesLTE. Disponívelem
<https://www.cpqd.com.br/cadernosdetecnologia/Vol7_N1_jul2010_jun2011/pdf/artigo1.pdf>.Acessoem:09nov.de
2016.
•COSTA,LuísHenriqueMacielKosmalski;DUARTE,OttoCarlosMunizBandeira. RedesdeComputadoresII.Disponível
em:<http://www.gta.ufrj.br/grad/07_2/jefferson/Page4.html>.Acessoem:31deout.de2016.
•GRASEL,GrasielFelipe. Oqueéecomofuncionaa4G?. Disponívelem:
<https://www.oficinadanet.com.br/post/12569-o-que-e-e-como-funciona-4g>.Acessoem:01denov.de2016.
•PINTO,ErnestoLeite;ALBUQUERQUE,ClaudioPenedode. AtécnicadeTransmissãoOFDM. Disponívelem:
<http://www.cricte2004.eletrica.ufpr.br/ufpr2/tccs/27.pdf>.Acessoem:01denov.de2016.
•SANCHES,CleitonRoberto. Conexão4G:oqueéecomofunciona? .Disponívelem:
<https://www.cissamagazine.com.br/blog/conexao-4g>.Acessoem:31deout.de2016.
•TELECO. RedesLTEI:ImplantaçõeseCaracterísticasBásicas. Disponívelem:
<http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialredeslte/pagina_2.asp>.Acessoem:09nov.de2016.
37

38. OBRIGADO!