WCDMA trab

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UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PETRÓPOLIS 
CENTRO DE ENGENHARIA E COMPUTAÇÃO 
CURSO DE ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES 
 
 
 
 
 
 
SISTEMAS DE RÁDIO 
WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access 
 
 
 
 
 
 
 
Rafael de Almeida Oliveira Thomaz 
 
 
 
 
 
 
 
Petrópolis 
2014
 
 
 
 
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 2 
 
2 CDMA E WCDMA ................................................................................................................ 3 
 
3 FUNCIONALIDADE DA REDE DE RADIO..................................................................... 4 
3.1 Controle de potência ......................................................................................................... 4 
3.2 Soft e softer handover ....................................................................................................... 4 
3.3 Troca do tipo de canal ...................................................................................................... 5 
3.4 Controle de admissão ....................................................................................................... 6 
3.5 Controle de congestão ...................................................................................................... 6 
 
 
4 CONCEITOS DA ARQUITETURA BÁSICA .................................................................... 7 
4.1 Arquitetura RAN (Radio Access Network) ....................................................................... 7 
4.1.1. Estação Rádio Base (ERB ou Nó B).............................................................7 
4.1.2. Radio Network Controller (RNC) …............................................................7 
4.2 Transporte em uma RAN (Radio Access Network) .......................................................... 8 
 
5 CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 11 
REFERÊNCIAS...................................................................................................................... 12 
 
2 
 
1. Introdução 
Com enorme crescimento de tecnologias de comunicação sem fio ao longo das 
últimas décadas, houve também um aumento significativo na demanda de tráfego. Novas 
aplicações de consumo da largura de banda tais como jogos, download de músicas e 
streaming de vídeo, são alguns exemplos disso. A resposta para esta alta demanda de 
capacidade é o provisionamento de um novo espectro e o desenvolvimento de uma nova 
tecnologia - Wideband CDMA, comumente designado WCDMA. 
WCDMA foi desenvolvido a fim de criar um padrão mundial para serviços de 
multimídia em tempo real que assegure roaming internacional. Com o apoio da UIT (União 
Internacional de Telecomunicações), um espectro específico foi alocado para esta tecnologia – 
2 GHz para sistemas de telecomunicações 3G (terceira geração de padrões e tecnologias de 
telefonia móvel). O trabalho foi mais tarde assumido pelo 3GPP (3rd Generation Partnership 
Project), que é agora o corpo de especificação do WCDMA com as delegações de todo o 
mundo. 
 
 
 
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2. CDMA e WCDMA 
O CDMA (Code Division Multiple Access) é uma tecnologia de compartilhamento de 
acesso, onde os usuários são separados por códigos únicos, o que significa que todos os 
usuários podem usar a mesma frequência e transmitir ao mesmo tempo. Com o rápido 
desenvolvimento de processamento de sinal, tornou-se possível utilizar a tecnologias para 
comunicações sem fios como CDMA2000 e WCDMA. 
Em cdmaOne (2G) e CDMA2000, um sinal de rádio de largura de 1,25 MHz é 
multiplicado por um sinal de difusão (que é uma sequência de código pseudo-ruído) com uma 
taxa mais elevada do que a taxa de dados da mensagem. O sinal resultante aparece como 
aparentemente aleatório, mas, se o destinatário pretendido tem o código correto, este processo 
é invertido e o sinal original é extraído. O uso de códigos únicos significa que a mesma 
frequência é repetida em todas as células. 
WCDMA é um passo adiante na tecnologia CDMA. Ele usa um sinal de rádio de 
largura de 5 MHz e uma velocidade de chip de 3,84 Mcps (Megachips por segundo é a 
medida da velocidade com a qual os componentes de codificação, chamados chips, são 
gerados), que é cerca de três vezes maior do que o taxa de chip de CDMA2000 (1,22 Mcps). 
Os principais benefícios de uma operadora de banda larga com uma maior taxa de 
chip são: 
• Suporte para taxas de bits mais elevadas; 
• Maior eficiência de espectro, graças à melhora na eficiência do trunking (ou seja, 
uma melhor média estatística); 
• QoS superiores; 
 
Além disso, a experiência de sistemas de segunda geração, como GSM e cdmaOne 
permitiu melhorias a serem incorporadas no WCDMA. Foco também foi colocado em garantir 
que os investimentos das operadoras em equipamentos GSM pudessem ser reutilizados da 
máxima maneira possível no WCDMA. Exemplos disso são o reuso e evolução da rede de 
núcleo, a qual é usada pelos dois sistemas; o foco na co-localização; e atenção ao processo de 
handover do GSM. 
 
 
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3. Funcionalidade da rede de radio 
3.1. Controle de potência 
O controle de potência regula a potência de transmissão do terminal e da estação de 
base, o que resulta em menos interferência e permite mais usuários na mesma operadora, 
proporcionando assim, maior capacidade na rede. 
É muito importante ter controle eficiente de energia, a fim de manter a interferência 
no mínimo. Para cada serviço dos assinantes, o objetivo é que a estação de base receba o 
mesmo nível de potência de todos os aparelhos terminais, independentemente da distância da 
dos mesmos para a estação base. Se o nível de energia a partir de um aparelho é maior do que 
o necessário, a qualidade será excessiva, tomando uma parcela desproporcional dos recursos e 
gerando interferências desnecessárias com os outros assinantes da rede. Por outro lado, se os 
níveis de energia são muito baixos isso irá resultar em má qualidade. A fim de manter a 
potência recebida adequada, o WCDMA tem um controle de potência rápido que atualiza os 
níveis de potência 1500 vezes a cada segundo. Para garantir um bom desempenho, o controle 
de potência é implementado tanto no up-link quanto no down-link, o que significa que ambas 
as potências do aparelho de saída e a estação base são atualizados com frequência. 
Controle de potência também dá origem a um fenômeno chamado de "respiração 
celular" ou “cell breathing”. Basicamente significa que o tamanho da célula varia dependendo 
da carga de tráfego. Quando o número de assinantes na célula é baixo (low load), boa 
qualidade pode ser obtida mesmo a uma longa distância da estação de base. Por outro lado, 
quando o número de utilizadores na célula é alto, o grande número de assinantes gera um alto 
nível de interferência e por isso terminais mais perto da estação base conseguem melhor 
qualidade. 
 
3.2. Soft e softer handover 
Com a funcionalidade de soft handover, o aparelho pode se comunicar 
simultaneamente com duas ou mais células em duas ou mais estações base. Essa flexibilidade 
em manter a conexão aberta com mais do que uma estação de base resulta em menor número 
de chamadas perdidas, o que é muito importante para o operador. 
Esta funcionalidade permite que o telefone para mantenha a continuidade e qualidade 
da conexão enquanto se deslocam de uma célula para outra. Durante o handover, o aparelho 
 
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momentaneamente ira ajustar sua potência para a estação base que exija menor quantidade de 
potência para transmissão e assim a célula preferidaserá escolhida. 
A diferença entre soft e softer handover é que na primeira, o aparelho está ligado à 
várias células em diferentes estações de base, enquanto que na segunda, o aparelho está ligado 
à várias células na mesma base. A desvantagem com o soft handover é que ele requer recursos 
de hardware adicionais no lado da rede, porque o aparelho tem várias conexões. 
 
Figura 1. Processo de soft e softer handover, onde o terminal se conecta à mais de 
uma célula de uma Radio Base Station (RBS), conectadas à Radio Network Controller 
(RNC), ambos componentes típicos de uma rede WCDMA, conectados a rede de núcleo 
GSM/WCDMA. 
 
3.3. Troca do tipo de canal 
No WCDMA, existem diferentes tipos de canais que podem ser utilizados para 
transportar dados, a fim de maximizar a taxa de transferência de tráfego total. Os dois mais 
básicos são canais comuns e canais dedicados. Esta funcionalidade de comutação é usada para 
mover os assinantes entre o comum e o dedicado, dependendo da quantidade de informações 
que o assinante precisa transmitir. 
O canal dedicado é utilizado quando há muita informação a transmitir, tal como uma 
conversação de voz ou baixar uma página web. Ele utiliza os recursos do sistema 
eficientemente, uma vez que suporta tanto o controle de energia e soft handover. 
 
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O canal comum, por outro lado, é menos eficiente no espectro. Uma vantagem é que 
ele reduz atrasos já que muitos assinantes podem compartilhar o mesmo recurso. Por isso, é o 
melhor para a transferência de informações muito limitadas. 
 
3.4. Controle de admissão 
Existe uma “troca” entre cobertura e capacidade em sistemas WCDMA, a 
funcionalidade de controle de admissão é usada para evitar a sobrecarga do sistema e permitir 
a cobertura planejada. Quando um novo assinante procura acesso à rede, o controle de 
admissão estimatima a carga requerida, e, com base nesta carga esperada, o assinante ou é 
admitido ou bloqueado. Com isso, a operadora pode maximizar o uso da rede, dentro de um 
conjunto de níveis de qualidade, dependendo do tipo de serviço/informação que o assinante 
queira usar. 
 
3.5. Controle de congestão 
Mesmo que um controle de admissão eficiente seja usado, pode ainda ocorrer 
sobrecarga, que é causado principalmente por assinantes que se deslocam a partir de uma zona 
para outra zona. Se ocorrer sobrecarga, podem ser tomadas quatro ações diferentes. Primeiro, 
o controle de congestionamento é ativado e reduz a taxa de bits de aplicações que não são em 
tempo real, para resolver a sobrecarga. Em segundo lugar, se a redução da taxa de bits não é 
suficiente, o controle de congestionamento desencadeia a transferência inter ou intra-
frequência, processo no qual se move alguns assinantes para a rede GSM ou o mantem na 
mesma rede, mas utilizando frequências menos carregadas. Em terceiro lugar, handover de 
alguns assinantes para GSM. E a quarta frente de ação é interromper as conexões e, assim, 
proteger a qualidade das ligações restantes. Por último, decontinuar as conexões para que se 
mantenha boa qualidade nas conexões remanescentes. 
 
 
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4. Conceitos da arquitetura básica 
4.1. Arquitetura RAN (Radio Access Network) 
O principal objetivo da Rede de Acesso Rádio (RAN) é fornecer uma conexão entre 
o aparelho e a rede básica, e isolar todos os problemas de rádio da rede básica. A vantagem é 
uma rede de núcleo apoiando várias tecnologias de acesso. A RAN consiste em dois tipos de 
nós: 
4.1.1. Estação Rádio Base (ERB ou Nó B) 
A Estação Rádio Base lida com a transmissão e recepção de rádio de/para o aparelho 
do usuário através da interface de rádio cohnecida como (Uu). Ele é controlado pelo 
controlador de rede de rádio através da interface Iub. Uma ERB pode manusear uma ou mais 
células. 
4.1.2. Radio Network Controller (RNC) 
O controlador de rede de rádio é o nó que controla todas as funções RAN, se 
conectando a ela por meio da interface Iu. Há dois papéis distintos para o RNC, o de servir e 
de controlar. O RNC de serviço tem o controle total do aparelho que está conectado à RAN. 
Ele controla a conexão na interface Iu e determina os protocolos usados entre o aparelho e a 
RAN. A função de controle do RNC faz com que o mesmo tenha controle total de um 
determinado conjunto de células, e as suas estações de base associadas. Quando um aparelho 
solicita usar recursos em uma célula não controlada pelo seu RNC de serviço, o RNC de 
serviço deve solicitar ao de Controle RNC. Este pedido é feito através da interface Iur, a qual 
conecta os RNC uns com os outros. Este tipo de operação é necessário principalmente para 
que se faça o soft handover atraves da rede. 
 
Figura 2. Arquitetura WCDMA 
 
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4.2. Transporte em uma RAN (Radio Access Network) 
A pilha de protocolos de interface de rádio entre RAN WCDMA e o telefone consiste 
de um número de camadas de protocolo, cada um provendo um serviço específico para a 
próxima camada de cima. A principal finalidade de cada camada são as seguintes: 
Camada 3: Sinalização para controlar a conexão com o aparelho. 
Camada 2: Se houver tempo, serve para retransmitir pacotes que foram recebidos 
com erro. 
Camada 1: Para transmitir e receber dados através do rádio, incluindo a proteção 
básica contra erros de bits. 
 
A camada física (camada 1), oferece canais de transporte para a camada 
MAC. Existem diferentes tipos de canais de transporte com características diferentes 
de transmissão. Canais de transporte comuns podem ser compartilhados por vários 
aparelhos (por exemplo, FACH, Rach, DSCH, BCH, PCH). Canais de Transporte 
Dedicados (DCH) são atribuídos a um único aparelho de cada vez. As funções de 
transmissão da camada física incluem codificação de canal e intercalação, 
multiplexação de canais de transporte, o mapeamento de canais físicos, 
espalhamento, modulação e amplificação de potência, com funções correspondentes 
para a recepção. 
Uma frequência e um código caracterizam canal físico. As especificações 
incluem dois modos: o FDD (Frequency Division Duplex) e o TDD (Time Division 
Duplex). 
Time Division Duplex (TDD) ou Duplex por Divisão de Tempo refere-se duplex links 
de comunicação onde uplink está separado do downlink pela atribuição de diferentes 
intervalos de tempo na mesma banda de frequência. Os usuários são atribuídos intervalos de 
tempo (timeslots) para uplink e downlink de transmissão. 
Quando a quantidade de dados de um uplink aumenta, mais capacidade de 
comunicação é alocada. Esta é retirada quando a carga de tráfego se torna mais leve. Ele 
opera alternando as direções de transmissão durante um intervalo de tempo, o que ocorre 
rapidamente e é pouco visível para o usuário. TDD suporta serviços de voz e de dados 
 
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simétricos e assimétricos. Ele também lida com uma mistura dinâmica de ambos os tipos de 
tráfego. As capacidades de downlinks e uplinks são alteradas em favor de uma direção em 
detrimento de outro. 
Algumas das especificações técnicas do TDD: 
 Banda de frequências: 1900 MHz-1920 MHz e 2010 MHz-2025 MHz. 
Espaçamento de canal não pareado é de 5 MHz. Tx e Rx não são separados 
em frequência, mas por período de guarda. 
 Mínima frequência de banda necessária: ~ 5MHz, ~ 1.6MHz com 1.28 Mcps 
 Frequencia de reuso: 1 
 Codificação de voz: AMR (e GSM EFR) codec 
 Codificação de canal: Convolutional coding, Turbo code para dados de alta 
taxa; 
 Quadro TDMA composto por 15 timeslots 
 Cada slot pode receber e transmitir 
 Suporta conexões assimétricas 
 Modulação QPSK 
 Chip rate: 3.84 Mcps or 1.28 Mcps 
 Máxima RF ch bit rate (kbps): ~ 3.3Mbps (1/2 taxa de codificação, fator de 
espalhamento 1, 15 timeslots) Comprimento do frame: 10ms 
 Número de slots / frame: 15 
 Mobile peak power: Power class 1: +33 dBm (+1dB/-3dB) = 2W; class 2 +27 
dBm, class 3 +24 dBm, class 4 +21 dBm 
 Fatores de espalhamento da camada física: 1, 2, 4, 8, 16 
 
 
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Frequency Division Duplex (FDD) é uma técnica onde bandas de frequência 
diferentes são usadas nos lados do transmissor e do receptor. 
Como a técnica FDD utiliza diferentes faixas de frequências para enviar e receber operações, 
os sinais de dados de envio e recebimento não interferem uns com os outros. Isso faz com que 
FDD uma escolha melhor do que a TDD para o tráfego simétrico, como aplicações de voz em 
redes sem fio de banda larga. 
FDD é uma técnica em que o transmissor e receptor de operam em diferentes frequências 
portadoras. Por exemplo, em redes móveis sem fio, a uma bloco do espectro eletromagnético 
é alocado para uplink, que transporta dados de telefones móveis para uma estação base. Um 
bloco diferente do espectro é alocado para downlink, transportando dados de uma estação de 
base para os telefones móveis. 
Algumas das especificações técnicas do FDD: 
 Banda de frequências: 1920 MHz-1980 MHz e 2110 MHz-2170 MHz 
 Mínima banda de frequência requerida: ~ 2x5MHz 
 Frequency re-use: 1 
 Espaçamento de portadora: 4.4MHz - 5.2 MHz 
 Máximo número de canais de voz 2x5MHz: ~196 (fator de espalhamento 256 UL, 
AMR 7.95kbps) / ~98 (fator de espalhamento 128 UL, AMR 12.2kbps) 
 Codificação de voz: AMR codecs (4.75 kHz - 12.2 kHz, GSM EFR=12.2 kHz) e SID 
(1.8 kHz) 
 Codificação do canal: Convolutional coding, Turbo code para dados de alta taxa. 
Necessário o uso de Duplexer (190MHz separação) 
 Isolamento Tx/Rx: MS: 55dB, BS: 80dB 
 Sensibilidade do receptor: ERB: -121dBm, Mobile -117dBm no BER of 10-³ 
 Tipo de dados: Pacotes e comutação de circuitos 
 Modulação: QPSK 
 Taxa de chip rate: 3.84 Mcps 
 Máxima taxa de dados do usuário (canal físico): ~ 2.3Mbps 
 Taxa de bits do canal: 5.76Mbps 
 Comprimento do frame: 10ms (38400 chips) 
 Número de slots / frame: 15 
 
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 Número de chips / slot: 2560 chips 
 Período do controle de potência: Time slot = 1500 Hz 
 Mobile peak power: Power class 1: +33 dBm (+1dB/-3dB) = 2W; class 2 +27 dBm, 
class 3 +24 dBm, class 4 +21 dBm 
 
O protocolo de Controle de Acesso ao Meio (MAC – Medium Access Control) está 
na camada 2, ele oferece canais lógicos para as camadas acima. A camada MAC realiza 
programação e mapeamento de dados de canais lógicos para os canais de transporte 
fornecidos pela camada física. Além disso, para canais de transporte comum, a camada MAC 
adiciona informação de endereçamento para distinguir os fluxos de dados destinas a diferentes 
aparelhos. 
O Radio Resource Control (RRC), protocolo de Controle de Recursos de Rádio está 
na camada 3. Fornece o controle do aparelho do pelo RNC. Ele inclui funções para controlar 
portadoras de rádio, canais físicos, mapeamento de canais de diferentes tipos e handover, 
entre outros. Por causa da flexibilidade da interface de rádio do WCDMA, este é um 
protocolo muito complexo. 
 
5. Conclusão 
É possível concluir por tanto que a grande vantagem no uso deste sistema é a 
capacidade aumentada através de uma utilização mais eficiente do espectro. Maior capacidade 
permite que a rede sem fio de WCDMA lidar com a maior densidade de chamada com um 
custo menor. Implementação de WCDMA melhorou a qualidade de voz, o desempenho do 
sistema e a vida da bateria móvel. 
 
 
 
 
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Referências 
 
 
1. UMTS / WCDMA channels 
http://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/umts/umts-wcdma-channels.php 
 
2. What’s The Difference Between FDD and TDD? 
http://electronicdesign.com/communications/what-s-difference-between-fdd-and-tdd#1 
 
3. Tecnologias 3G e 4G: CDMA-2000, UMTS, HSPA, HSPA+ e LTE 
http://www.infowester.com/3g4g.php#wcdma 
 
4. Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) 
http://www.techopedia.com/definition/24282/wideband-code-division-multiple-access-wcdma 
 
5. WCDMA Radio Access Network (Ericsson white paper) 
http://www.cs.ucsb.edu/~almeroth/classes/W03.595N/papers/wcdma-concepts.pdf 
 
6. Overview of The Universal Mobile Telecommunication System 
http://www.umtsworld.com/technology/overview.htm