4G e LTE - Long Term Evolution

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4G e LTE
Long Term Evolution
Lucas Martins Sabadini
Mateus Boni Dias
Mateus Matias Criado
Otavio da Silva Cavalcante
Wander Pereira
ROTEIRO
Camada
Sistêmica
Camada
Física Modulação Referências
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CAMADA SISTÊMICA
C A M A D A S I S T Ê M I C A
Telefonia Celular 4G
• Long Term Evolution (LTE). A tecnologia da quarta geração de
telefonia celular;
• Tecnologia de transmissão de dados móveis criada com base no
GSM (Global System for Mobile) e WCDMA (Wide-Band Code-
Divison Multiple Access);
• Prioriza o tráfego de dados ao invés do de voz, proporcionando
uma rede mais rápida e estável.
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• A principal diferença entre a rede 4G e as antigas conexões, é a
velocidade de conexão;
• De acordo com Sanches (2016), a rede 4G oferece em torno de 50 à
100 Mbps, enquanto a 3G chega no máximo de 4Mbps;
• Segundo Grasel (2016), além da tecnologia LTE ser mais rápida e
mais estruturada, pode atender cerca de 200 à 300 acessos
simultâneos a rede de trafego de dados.
C A M A D A S I S T Ê M I C A
Telefonia Celular 4G
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• O núcleo das redes 4G é fundamentalmente baseado em TCP/IP;
• A latência (tempo de resposta) da rede chega no máximo em 30ms;
• Mantém a velocidade e latência quando utilizado em movimento
até 350km/h;
• Possibilita a transmissão e recepção ao mesmo tempo.
C A M A D A S I S T Ê M I C A
Telefonia Celular 4G
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CAMADA FÍSICA
C A M A D A F Í S I C A
Notamos que existem 2 camadas na rede 
4G, MAC (Medium Access Control –
Controle de Acesso ao Meio) e PHY 
(Physical Layer – Camada Física), onde a 
camada MAC possui três sub-camadas, 
CS (Service-Specific Convergence
Sublayer – Sub-camada de Convergência 
Específica), CPS (Common Part Sublayer –
Sub-camada de Convergência Comum) e 
Sub-camada de Segurança (Security 
Sublayer). Ambas sendo divididas em 
Usuário, Controle e Gerência.
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Figura 1: Pilha de protocolos do IEEE 802.16
Fonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialintlte/pagina_3.asp
C A M A D A F Í S I C A
• Subcamada de convergência: Transformação ou mapeamento de dados da rede
externa em SDU’s (Service Data Unit) MAC (Oferece suporte a ATM –
Asynchronous Transfer Mode e protocolos baseados em pacotes);
• Parte Comum da Subcamada MAC: Funcionalidade do núcleo MAC do sistema
de acesso, alocação de largura de banda, estabelecimento e manutenção de conexão;
• Subcamada de Privacidade: Troca de chaves seguras, criptografia e autenticação;
• Camada Física (PHY): Apresenta diversas especificações, onde cada uma delas é
apropriada a uma dada faixa de frequência.
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• A camada física contém a região física que provê características mecânicas,
elétricas, funcionais e procedimentais para ativar, manter e desativar conexões
físicas para transmissão de bits entre entidades da camada de enlace. Utiliza
tecnologias OFDMA, SC-FDMA, MIMO e codificação TURBO.
• O processo de codificação e de transmissão é disponibilizado pela camada física
para a camada MAC na forma de serviços, através de blocos de transporte. A
cada intervalo de transmissão (Transmission Time Interval – TTI, sendo 1 TTI = 1
subframe = 1 ms), até dois blocos de transporte são codificados, modulados e
mapeados para os recursos de rádio do OFDMA.
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C A M A D A F Í S I C A
MAC (Media Access Control) 
• A camada L2/L3 é responsável pelo acesso e pelo controle dos recursos de rádio.
Utiliza tecnologias Enlace Adaptativo, Scheduling e HARQ.
• A camada de enlace tem como objetivo detectar e opcionalmente corrigir os erros
que porventura ocorram no nível físico durante a transmissão de bits. Sendo
responsável por implementar o método de acesso ao meio, delimitar a estrutura
de quadro de enlace e reconhecer os endereços físicos MAC.
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C A M A D A F Í S I C A
Camada de Controle (L2/L3)
• Algorítmos de scheduling e de controle do enlace adaptativo operam em
conjunto nessa camada para otimizar a vazão total da célula e do enlace de
usuário.
• Em linhas gerais, a principal tarefa do scheduling no OFDMA é alocar pares de
blocos de recursos de rádio (1 ms e 12 subportadoras) inteligentemente para
diferentes usuários, de modo a alcançar a maior vazão possível na célula.
• O HARQ é uma combinação de correção de erros de canal (Forward Error
Correction – FEC) e solicitação automática de repetição (Automatic Repeat
Request – ARQ) baseada em código CRC de detecção de erros.
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C A M A D A F Í S I C A
Camada de Controle (L2/L3)
C A M A D A F Í S I C A
MIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs) 
• Técnicas de múltiplas antenas são uma forma de se obter taxas de
transmissão elevadas;
• Mais facilmente empregadas em sistemas OFDMA e resultam em
ganho de desempenho obtendo vantagem da propagação múltiplos
percursos;
• Ambas as cadeias de transmissão e de recepção do OFDM podem
ser paralelizadas em mais de uma camada;
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C A M A D A F Í S I C A
MIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs) 
• Formas de processamento suportadas pelo LTE classificadas em:
• Pré-codificação ou formatação de feixe: que envolve apenas
processamento espacial;
• Codificação por diversidade: que envolve codificação espaço-
frequência sobre um único fluxo de dados para aumentar a
robustez da transmissão;
• Multiplexação espacial: que envolve a transmissão simultânea
de fluxos distintos em antenas distintas, de forma a se
aumentar a vazão do sistema.
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MODULAÇÃO
• Modulação é o processo que varia a altura (amplitude),
intensidade e frequência de uma onda eletromagnética.
• O Transmissor envia dados numa onda de tal forma que poderá
ser recuperada na outra parte através de um processo reverso
chamado Demodulação.
M O D U L A Ç Ã O
Definição
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• O nosso idioma é uma forma de Modulação;
• Conforme nossas cordas vocais vibram, expulsam o ar da laringe,
o deslocamento do ar produz o som.
• Dependendo da intensidade dessas vibrações, sons distintos são
produzidos, dando origem as palavras.
• Ou seja, o ar sofre Modulação para originar novas palavras.
M O D U L A Ç Ã O
Analogia
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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.
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Adote:
1. Uma estrada qualquer seja o canal de transmissão.
2. A largura da estrada é o "tamanho" da frequência.
Imagine:
Que a estrada possua 10 metros de largura, e contém apenas uma faixa por onde passam os
carros. Essa seria uma modulação convencional.
Mas podemos subdividir essa estrada em 5 faixas de 2 metros cada.
Dessa forma podemos passar vários carros na mesma velocidade utilizando faixas distintas.
M O D U L A Ç Ã O
Sistema Convencional - Analogia
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O OFDM, também conhecido como 
Discrete Multitone Modulation
(DMT), é uma técnica de modulação 
baseada na ideia de multiplexação por 
divisão de frequência (FDM) onde 
múltiplos sinais são enviados em 
diferentes frequências.
M O D U L A Ç Ã O
OFDM (Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais)
Figura 3: Modulação OFDM
Fonte: www.iss.rwth-aachen.de/Projekte/Theo/OFDM/OFDM_en.html
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Na OFDM é feita transmissão paralela 
de dados em diversas sub-portadoras, 
com modulação QAM ou PSK e com 
taxas de transmissão por 
sub-portadora tão baixas quanto 
maior for o número possível. 
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
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O espaçamento entre sub-portadoras é 
escolhido de forma que cada uma 
esteja centrada nos zeros das restantes. 
Dessa formaexiste 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.
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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
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A sobreposição espectral causada pelo 
OFDM produz ainda uma significativa 
economia de banda, se comparada com a 
técnica FDM tradicional. 
Calcula-se que a economia seja de 
aproximadamente 50% de banda.
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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Em relação ao domínio do tempo, a característica 
de ortogonalidade entre subportas implica 
que duas sub-portadoras quaisquer diferem
exatamente por um número inteiro de ciclos
durante um intervalo de símbolo OFDM,
uma vez que estas estarão separadas em 
frequência por um valor múltiplo de 1/T
M O D U L A Ç Ã O
OFDM (Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais)
Figura 7: Sub-portadoras no domínio do tempo
Fonte: http://www.cricte2004.eletrica.ufpr.br/ufpr2/tccs/27.pdf
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• Para o LTE, o OFDM divide a banda de frequência da portadora em
pequenas subportadoras espaçadas de 15kHz, e modula cada uma
individualmente usando QPSK, 16QAM ou 64 QAM.
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4 G
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• A modulação QPSK é uma técnica de modulação derivada do PSK,
porém neste caso, são utilizados parâmetros de fase e quadratura
da onda portadora para modular o sinal de informação. Como
agora são utilizados dois parâmetros, existem mais tipos possíveis
de símbolos nesta constelação, o que permite que sejam
transmitidos mais bits por símbolo.
M O D U L A Ç Ã O
QPSK
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Por exemplo, se quisermos transmitir 2 bits por 
símbolo, ao invés de 1 bit por símbolo, neste 
caso, como teremos 4 tipos de símbolos possíveis, 
a portadora pode assumir 4 valores de fase 
diferentes, cada um deles correspondendo a um 
dibit, como por exemplo 45o, 135o, 225o e 315o. 
A figura abaixo ilustra em um diagrama de fase e 
quadratura (IQ) os 4 possíveis símbolos gerados 
pela modulação QPSK usando 2 bits por símbolo. Figura 8: Modulação QPSKFonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialplcalt1/pagina_4.asp
M O D U L A Ç Ã O
QPSK
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• Nesta forma de modulação, os símbolos são mapeados em um
diagrama de fase e quadratura, sendo que cada símbolo apresenta
uma distância específica da origem do diagrama que representa a
sua amplitude, diferentemente da modulação PSK, na qual todos os
símbolos estão à igual distância da origem. Isto significa que as
informações são inseridas nos parâmetros de amplitude e
quadratura da onda portadora.
M O D U L A Ç Ã O
QAM
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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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• Pode-se notar que no modo 16QAM alcança-se uma taxa de transmissão
menor do que no modo 64 QAM, uma vez que cada símbolo transporta
um número menor de bits. No entanto, no modo 16 QAM, a distância
euclidiana entre os símbolos é maior do que no caso do modo 64QAM.
Isto permite que o modo 16QAM possibilite uma melhor qualidade de
serviço (QoS), pois a maior distância entre os símbolos dificulta erros de
interpretação no receptor quando este detecta um símbolo.
M O D U L A Ç Ã O
QAM
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Há uma pequena diferença entre o OFDM e o 
OFDMA, pois no primeiro caso a banda de 
frequência é destinada a um único usuário 
enquanto no segundo caso vários usuários 
compartilham a banda ao mesmo tempo 
conforme mostrado na figura. A divisão dos 
canais em pequenos subcanais ajuda o OFDM a 
combater o efeito de desvanecimento seletivo.
Figura 10: Diferença entre OFMD e OFDMA 
Fonte: ANRITSU, 2010.
M O D U L A Ç Ã O
QAM
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• Várias alternativas continuam a ser estudas pelos órgãos responsáveis
pela padronização do LTE para utilizar o melhor esquema de transmissão
para o uplink. Apesar de o OFDMA atender aos requisitos de downlink,
suas propriedades são menos favoráveis para o uplink, principalmente
devido ao desvanecimento do parâmetro chamado Peak to Average
Power Ratio (PAPR) no uplink.
M O D U L A Ç Ã O
SC-FDMA
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• Assim, o esquema de transmissão para uplink LTE em FDD e TDD é o
modo baseado em SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple
Access) com prefixo cíclico. A utilização deste método tem como objetivos
melhorar o desempenho em comparação a sinais OFDMA e a redução de
custos nos projetos dos amplificadores utilizados pelo UE.
M O D U L A Ç Ã O
SC-FDMA
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Inicialmente o fluxo de dados é convertido de 
serial para paralelo. Cada bit é modulado e 
transformado do domínio do tempo para o 
domínio da frequência através da Transformada 
Rápida de Fourier (FFT) e o resultado é 
mapeado nas subportadoras disponíveis. Após 
o sinal ser submetido a Transformada Inversa 
de Fourier (IFFT) é adicionado o prefixo cíclico, 
que é utilizado como um tempo de guarda entre 
os símbolos. Ao final do processo o sinal é 
convertido novamente de paralelo para serial. 
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.
• O DFT-s-OFDMA é a diferença fundamental entre a geração de sinal do
SC-FDMA e do OFDMA. Em um sinal SC-FDMA, cada subportadora
utilizada para transmissão contém informação de todos os símbolos
modulados transmitidos. Em contrapartida, cada subportadora com um
sinal OFDM carrega informações relacionadas a um símbolo específico.
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SC-FDMA
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REFERÊNCIAS
R E F E R Ê N C I A S
• CARDOSO, Fabbryccio A. C. M., et al. Tecnologias de camada física e MAC para redes LTE. Disponível em
<https://www.cpqd.com.br/cadernosdetecnologia/Vol7_N1_jul2010_jun2011/pdf/artigo1.pdf>. Acesso em: 09 nov. de
2016.
• COSTA, Luís Henrique Maciel Kosmalski; DUARTE, Otto Carlos Muniz Bandeira. Redes de Computadores II. Disponível
em: <http://www.gta.ufrj.br/grad/07_2/jefferson/Page4.html>. Acesso em: 31 de out. de 2016.
• GRASEL, Grasiel Felipe. O que é e como funciona a 4G?. Disponível em:
<https://www.oficinadanet.com.br/post/12569-o-que-e-e-como-funciona-4g>. Acesso em: 01 de nov. de 2016.
• PINTO, Ernesto Leite; ALBUQUERQUE, Claudio Penedo de. A técnica de Transmissão OFDM. Disponível em:
<http://www.cricte2004.eletrica.ufpr.br/ufpr2/tccs/27.pdf>. Acesso em: 01 de nov. de 2016.
• SANCHES, Cleiton Roberto. Conexão 4G: o que é e como funciona?. Disponível em:
<https://www.cissamagazine.com.br/blog/conexao-4g>. Acesso em: 31 de out. de 2016.
• TELECO. Redes LTE I: Implantações e Características Básicas. Disponível em:
<http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialredeslte/pagina_2.asp>. Acesso em: 09 nov. de 2016.
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OBRIGADO!