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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE – UFRN CENTRO DE TECNOLOGIA – CT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMUNICAÇÕES – DCO LUDIMILLA SABATINI SANTOS MODULAÇÃO DIGITAL EM REDES DE SATÉLITE, 3G, 4G E WI-FI Natal-RN 2019 LUDIMILLA SABATINI SANTOS MODULAÇÃO DIGITAL EM REDES DE SATÉLITE, 3G, 4G E WI-FI Trabalho apresentado para a disciplina Comunicações Digitais, pelo Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, ministrada pelo professor Marcio Rodrigues. Natal-RN 2019 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 3 2 MODULAÇÃO E TRANSMISSÃO DIGITAL............................................................ 4 3 REDES DE COMUNICAÇÃO E TÉCNICAS DE MODULAÇÃO ............................. 5 3.1 Satélite .................................................................................................................. 5 3.1.1 PSK .................................................................................................................... 6 3.1.1.1 BPSK ............................................................................................................... 6 3.1.1.2 QPSK .............................................................................................................. 6 3.2 Celular (3G e 4G) .................................................................................................. 7 3.2.1 QAM ................................................................................................................... 8 3.2.1.1 16QAM ............................................................................................................ 9 3.2.1.2 64QAM ............................................................................................................ 9 3.3 Família IEEE 802.11 (Wi-Fi) ................................................................................ 10 4 CONSIRAÇÕES FINAIS ........................................................................................ 15 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 16 3 1 INTRODUÇÃO Nos sistemas de transmissão digital, a informação a transmitir está normalmente representada por um conjunto de bits. Quando cada um dos bits é transmitido isoladamente, isto é, através da transmissão de um símbolo por cada bit, trata-se de transmissão binária. Quando os bits são agrupados em palavras binárias e transmitidos utilizando-se um símbolo por cada palavra, trata-se de transmissão multi-nível. Na transmissão digital há ainda o processo de modulação, que consiste numa operação realizada sobre o sinal ou dados a transmitir e que produz um sinal apropriado para a transmissão sobre o meio de transmissão em causa. A escolha da técnica de modulação permite “moldar” as características do sinal a transmitir e adaptá-lo às características do canal. Para cada tipo de rede de comunicação há uma determinada técnica de modulação a ser usada. Aqui serão abordados os sistemas de Satélite, Celular, gerações 3G e 4G, e a família IEEE 802.11, o Wi-Fi, e as respectivas técnicas utilizadas em sua modulação, bem como o desempenho dessas técnicas e as relações de compromisso existentes entre parâmetros como potência, banda, taxa de transmissão, entre outros. 4 2 MODULAÇÃO E TRANSMISSÃO DIGITAL Modulação é o processo de transformar um sinal em uma forma adequada pra que ele seja transmitido por determinado canal. O processo de modulação consiste numa operação realizada sobre o sinal ou dados a transmitir e que produz um sinal apropriado para a transmissão sobre o meio de transmissão em causa. A escolha da técnica de modulação permite “moldar” as caracteríticas do sinal a transmitir e adaptá-lo às características do canal. Entre outros aspectos, a operação de modulação permite: ➢ deslocar o espectro do sinal a transmitir para a banda de frequências mais apropriada/disponível; ➢ produzir um sinal modulado com um espectro mais estreito (ou mais largo) que o sinal original; ➢ tornar o sistema de transmissão mais robusto relativamente a algum tipo de ruído e/ou interferência; ➢ adaptar a sensibilidade do receptor às características do canal. Nos sistemas de transmissão digital, os sinais podem ser transmitidos utilizando técnicas de modulação em banda base ou técnicas baseadas em portadoras. Em qualquer dos casos a transmissão pode ser binária ou multi-nível. Nos sistemas de transmissão digital, a qualidade da transmissão é medida através da probabilidade de erro de bit, isto é, da probabilidade de que, uma vez transmitido um bit, este seja interpretado pelo receptor de forma errada. Os valores típicos da probabilidade de erro de bit vão de 10-4 a 10-9. Nos sistemas de transmissão digital, a informação a transmitir está normalmente representada por um conjunto, ou sequência, de bits (informação binária). O objetivo do sistema de transmissão é transmitir esses bits. Quando cada um dos bits é transmitido isoladamente, isto é, através da transmissão de um símbolo por cada bit, estamos tratanda de transmissão binária. Quando, ao contrário, os bits são agrupados em palavras binárias e transmitidos utilizando-se um símbolo por cada palavra, então trata-se de transmissão multi-nível. Em transmissão binária, o sistema de transmissão transmite sequencialmente um de dois símbolos que representa um dos dois bits (0 ou 1). Em transmissão multi-nível, o sistema de transmissão transmite sequencialmente um dos N símbolos necessários para representar as N palavras, sendo N dado por: 5 Exemplo: para transmitir uma sequência de palavras binárias com 3 bits de comprimento são necessários 23=8 símbolos diferentes. A utilização de transmissão multi-nível permite obter um balanço entre a largura de banda ocupada pelo sinal modulado e a potência que é necessária transmitir para que se obtenha uma dada probabilidade de erro. 3 REDES DE COMUNICAÇÃO E TÉCNICAS DE MODULAÇÃO Para cada tipo de rede de comunicação há uma determinada técnica de modulação a ser usada. Aqui serão abordados os sistemas de Satélite, Celular, gerações 3G e 4G, e a Família IEEE 802.11, o Wi-Fi, e as respectivas técnicas utilizadas em sua modulação, bem como o desempenho dessas técnicas e as relações de compromisso existentes entre parâmetros como potência, banda, taxa de transmissão, entre outros. 3.1 Satélite A comunicação via satélite surgiu da necessidade da transmissão sem meios físicos entre localidades alvo da comunicação. Como os satélites podem cobrir praticamente qualquer área do globo terrestre, estes são a melhor opção para atingir pontos de difícil acesso. Altas disponibilidade e qualidade são as principais características da transmissão via satélite. A disponibilidade, tipicamente, ultrapassa 99,5 % e a qualidade é melhor do que BER 1X10-7, que é taxa de erro de bit. Outra característica marcante é a flexibilidade no que tange a instalação e mudança de pontos, que podem ser efetuadas sem necessidade da existência de rede telefônica. Uma característica não tão desejável, na transmissão via satélite, é o atraso de propagação. 6 Na comunicação por satélite, os sistemas de modulação digital mais convencionais são o BPSK e o QPSK, que são variantes da modulação PSK, os quais serão melhor detalhados a seguir. 3.1.1 PSK A modulação por chaveamento de fase (PSK) é uma forma de modulação em que a informação do sinal digital é embutida nos parâmetros de fase da portadora. A alteração na fase da onda portadora ocorre através do deslocamento, a fim de representar osbits a serem transmitidos. Este tipo de modulação é bastante resistente a ruído, sendo dificilmente degradada por completo ao longo de um percurso. 3.1.1.1 BPSK O chaveamento por deslocamento de fase binário (BPSK) é a forma mais simples de modulação PSK. Nele somente a cada transição de bit “0” para “1”, e vice-versa, faz-se uma alteração de fase da portadora de 180° em relação ao ângulo anterior. Figura 1: Modulação BPSK. 3.1.1.2 QPSK O chaveamento por deslocamento de fase em quadratura (QPSK) se utiliza da variação de fase a cada 90°, podendo assim representar dois bits (dobro do BPSK), aumentando a velocidade de transmissão dos dados (dobro da eficiência de banda). Como agora são utilizados dois parâmetros (fase e quadratura), existem mais tipos possíveis de símbolos nesta constelação, o que permite que sejam transmitidos mais bits por símbolo. Por exemplo, se quisermos transmitir 2 bits por 7 símbolo, 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 os 4 possíveis símbolos gerados pela modulação QPSK usando 2 bits por símbolo. Figura 2: Modulação QPSK. O QPSK mantém probabilidade de erro idêntica ao BPSK com exatamente a mesma eficiência de energia, entretanto necessita de mecanismos que recuperam a informação de frequência e fase da portadora (detecção coerente) o que para ambientes sujeitos a degradação multipercurso resulta em baixo desempenho, o que não é o caso da comunicação via satélite. 3.2 Celular (3G e 4G) O termo 3G faz referência à terceira geração de tecnologias de telefonia móvel. A ideia principal do 3G é a de fazer com que os usuários possam ter acesso móvel à internet com qualidade similar às conexões fixas de banda larga, de forma a conseguir aproveitar recursos como streaming de vídeo, aplicações de áudio, mensagens multimídia, entre outros. As redes 3G contemplam a tecnologia High-Speed Downlink Packet Access – HSDPA (definido no release 5 do 3GPP - 3rd Generation Partnership Project – grupo que padroniza o desenvolvimento dos sistemas celulares). O sistema Universal Mobile Telecommunication System – UMTS (Wide-Band Code-Division Multiple Access – W-CDMA), definido pelo release 99 do 3GPP, utiliza o sistema de múltiplos códigos para acesso ao meio (CDMA). 8 O WCDMA é um sistema DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) que utiliza a técnica de múltiplos códigos para acesso ao meio. Para modulação de dados, utiliza o QPSK no downlink e BPSK no uplink, tais esquemas de modulação já foram vistos nos itens 3.1.1.2 e 3.1.1.1 respectivamente. O HSDPA, que consiste em um conjunto de melhorias para permitir maior taxa de dados e menor delay e é definido pelo release 5 do 3GPP, utiliza modulação de alta ordem - 16 QAM, esquema que será apresentado adiante. Uma evolução do HSDPA é o HSUPA, padronizado pelo release 6 do 3GPP, que traz algumas melhorias, como aumento da velocidade de uplink e redução de latência. Aqui é utilizada a modulação BPSK, já estudada anteriormente. O HSPA+, traz melhorias e padronização definidas pelo release 7 e 8 do 3GPP, dentre elas a técnica chamada MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), que implementa múltiplas antenas transmissoras e múltiplas antenas receptoras, geralmente combinados com múltiplos rádios e múltiplos fluxos de dados paralelos. Esse sistema utiliza modulação 64QAM no downlink e 16QAM no uplink, esquemas ainda a serem estudados. Dando sequência a evolução das redes 3G e 4G surge agora o LTE, um sistema mais resistente a interferência seletiva, multipercurso e que pode ser projetado para ser praticamente imune à interferência intersimbólica, introduzindo- se um intervalo de guarda adequado. As redes LTE são a evolução apresentada pelo 3GPP para aproveitar de forma mais eficiente bandas acima de 5 MHz. Para bandas disponíveis de até 5 MHz, as tecnologias baseadas em CDMA já apresentadas, fazendo uso de técnicas também apresentadas (como MIMO, avanço dos receptores, modulação de alta ordem, dentre outras) apresentam uma eficiência semelhante. Contudo, para bandas maiores, as redes LTE oferecem ao usuário um desempenho superior. Nesse sistema também são usadas as técnicas de modulação de níveis superiores 16QAM e 64QAM. 3.2.1 QAM A modulação de amplitude em quadratura (QAM) é utilizada em sistemas que necessitam de alta taxa de transferência de informação, consiste em duas portadoras que são utilizadas em quadratura, podendo ser de 4 QAM, 16 QAM, 32 9 QAM, 64 QAM, 128 QAM, 256 QAM, 512 QAM, 1024 QAM, 2048 QAM, 4096 QAM ou mais densas. 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, ou seja, as informações são inseridas nos parâmetros de amplitude e quadratura da onda portadora. Aqui serão analisadas um pouco mais a fundo somente as técnicas utilizadas em redes 3G e 4G. 3.2.1.1 16QAM Alguns sistemas anteriormente citados utilizam modulação 16QAM em sua configuração. Nesse caso a constelação apresenta 16 símbolos, sendo 4 em cada quadrante do diagrama, o que significa que cada símbolo representa 4 bits. Devido aos números de bits presentes na modulação 16QAM, a velocidade de transmissão é quatro vezes maior que a velocidade de modulação. O sinal 16QAM possui uma constelação mais densa ficando mais suscetível a ruídos em relação aos outros sinais como: PSK, QPSK, entre outros. Figura 3: Constelação 16QAM. 3.2.1.2 64QAM Outros sistemas citados utilizam modulação 64QAM, onde são transmitidos seis bits por símbolo. A modulação 64QAM permite enviar mais bits por símbolo em relação ao 16QAM, porém é necessária uma melhor SNR para ser possível sobrepor as interferências e manter uma determinada taxa de erro de bits. 10 Figura 4: Constelação 64QAM. 3.3 Família IEEE 802.11 (Wi-Fi) O padrão 802.11 original definiu três tipos de camada física diferentes e independentes para as redes sem fio. Duas delas eram baseadas em técnicas de espalhamento espectral (spread spectrum), e a terceira era baseada no uso de sistemas infravermelho. Todas elas suportavam as taxas de transmissão de 1 Mbps e 2 Mbps. Mais tarde, foram criados novos padrões, como o 802.11a, 802.11b, esses novos padrões visam obter maiores taxas de transmissão, utilizando para isso novas técnicas de modulação. As duas técnicas de espalhamento espectral especificadas foram a Frequency Hopping (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum), e a Direct Sequence (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum), que utilizam a faixa de frequência de 2,4 GHz, que juntos com a especificação do infravermelho vão formar as 3 camadas físicas definidas no padrão original. A técnica de FHSS consiste na utilização de saltos pseudoaleatórios nas frequências utilizadas em uma modulação do tipo FSK (Frequency Shift Keying). Ou seja, ao invés de utilizar frequências f1 e f2 pré-definidas, as frequências utilizadas para se transmitir 0 ou 1 são alterados de acordo com uma sequência pseudoaleatória gerada (código PN). A modulação definida para a camada FHSS é o 2-GFSK para a taxa de 1 Mbps, e o 4-GFSK para 2 Mbps, utilizando um canal de 1 Mhz. O GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) é uma técnica de modulação similar ao FSK, que utiliza 11 pulsos gaussianos, ao invés de pulsos senoidais, para obter uma melhor eficiência espectral. O 2-GFSK utiliza 2 frequências possíveis, transmitindo 1 bit por símbolo, enquanto o 4-GFSK utiliza 4 frequências possíveis, transmitindo então 2 bits por símbolo. Por ser menos eficiente que a outra técnica de espalhamentoespectral, o uso da camada física FHSS foi praticamente descontinuada com a introdução do 802.11b, que se manteve compatível apenas com a técnica de DSSS. A técnica de DSSS consiste na utilização de sequências de pseudo ruído, em conjunto com uma modulação M-PSK, de modo que a fase do sinal modulado varie aleatoriamente de acordo com esse código PN (pseudo-noise). O código PN consiste em sequências de 1’s e 0’s, à uma taxa maior que a taxa dos bits de transmissão, com propriedades ortogonais. Ou seja, as sequências possuem baixos valores de auto correlação, de modo que a demodulação só possa ser feita utilizando a mesma sequência utilizada na modulação, se outra sequência diferente for utilizada, o sinal obtido será próximo de zero. Para a camada DSSS também foram definidos dois tipos de modulação, para duas taxas de transmissão diferentes. A taxa de 1 Mbps é baseada na modulação DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying, ou simplesmente DPSK), transmitindo 1 bit por símbolo, enquanto a taxa de 2 Mbps utiliza a modulação DQPSK (D Quadrature PSK), transmitindo 2 bits por símbolo. No entanto, o uso da modulação DQPSK requer uma melhor relação sinal- ruído, ou seja, isso será um limitante para a distância entre os terminais. Logo, a taxa de transmissão utilizada será definida pelo fator distância, resultando em um raio de alcance menor para a taxa de 2 Mbps, e a partir desse ponto até um raio de alcance um pouco maior, utiliza-se a taxa de 1 Mbps. Ambas são técnicas diferenciais, ou seja, levam em conta somente a mudança de fase do sinal, e não o valor absoluto da fase. O esquema de modulação utilizado é apresentado na seguinte tabela: 12 Figura 5: Tabela de modulação do DSSS. A camada física baseada em infravermelho não foi muito difundida, e por isso seu uso atualmente é bastante restrito, algumas vezes não sendo nem mencionado, e é a camada física menos utilizada em redes 802.11. A camada IR funciona somente em ambientes fechados. Como a radiação infravermelha não passa por paredes e portas, essa pode ser uma boa escolha para ser utilizadas em salas adjacentes sem que haja interferência, como em salas de aula ou salas de conferência. A modulação utilizada é a PPM (Pulse Position Modulation), que faz o mapeamento de bits em símbolos. Para 1 Mbps utiliza-se o 16-PPM, que faz o mapeamento de 4 bits em um símbolo de 16 posições, enquanto para 2 Mbps utiliza- se o 4-PPM, mapeando 2 bits em um símbolo de 4 posições. Figura 6: Mapeamento da modulação PPM. 13 No padrão IEEE 802.11a optou-se por utilizar um esquema de modulação totalmente diferente do anterior, não mantendo assim compatibilidade entre as duas especificações. O 802.11a utiliza como técnica de modulação o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), que usa várias sub-portadoras, moduladas em BPSK, QPSK, 16-QAM ou 64-QAM. Também utiliza um código convolucional corretor de erros (FEC), com taxas de 1/2, 2/3 ou 3/4. Na sua configuração máxima, o 802.11a pode chegar a 54 Mbps, possuindo várias configurações possíveis a partir de 6 Mbps. Figura 7: Configurações possíveis para o 802.11a. Uma outra iniciativa para se aumentar as taxas de transmissão do padrão 802.11, mas mantendo a compatibilidade com o padrão original, foi a criação do 802.11b. Esse padrão utiliza a mesma faixa de frequência de 2,4 GHz, e mantém os modos de operação a 1 Mbps e 2 Mbps utilizando-se DSSS. Além disso, ele adiciona dois novos modos, com uma nova técnica de codificação, possibilitando chegar então a 5,5 Mbps e 11 Mbps. Para se atingir velocidades maiores, o 802.11b utiliza uma técnica de codificação chamada de Complementary Code Keying (CCK), que consiste em um conjunto de 64 palavras de 8 bits, que irão formar o código, e mantém as propriedades de ortogonalidade. A modulação utilizada será novamente o DQPSK, para os dois modos, que já faz o mapeamento de 2 bits por símbolo. A diferença agora estará no código CCK, que irá mapear cada palavra do código em 2 ou 6 bits, de acordo com a taxa utilizada, resultando em um total de 4 bits por símbolo para 5,5 Mbps, e 8 bits por símbolo para 11 Mbps. 14 O 802.11g é uma evolução do 802.11b, já que opera na mesma faixa de frequência de 2,4 GHz, e mantém a compatibilidade com esse padrão. Porém, ele pode ser também visto como uma fusão dos dois padrões, o 802.11a e o 802.11b. Ele usa o que cada um tem de melhor, sendo a modulação do 802.11a, o OFDM, e a faixa de frequência do 802.11b de 2,4 GHz. O padrão inclui duas técnicas de modulação opcionais, o PBCC, e o CCK/OFDM, além das modulações obrigatórias CCK e OFDM. O padrão 802.11g funciona identicamente ao 802.11b para as taxas de 1 Mbps, 2 Mbps, 5,5 Mbps e 11 Mbps, e também funciona de modo similar ao 802.11a, mas na faixa de 2,4 GHz, possibilitando também todas as suas configurações de velocidade. 15 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Como se pode perceber através desse estudo, há diversas técnincas de modulação digital utilizadas nos sistemas de comunicação via satélite, nas redes de telefonia 3G e 4G e na Família IEEE 802.11, o Wi-Fi. Cada técnica possui características específicas que atendem as particularidades da cada sistema, e pudemos notar que as mais utilizadas foram as derivadas do PSK, modulação por chaveamento de fase, na qual a informação do sinal digital é embutida nos parâmetros de fase da portadora, bastante resistente a ruído. Outras técnicas bastante utilizadas são as provenientes do FSK, chaveamento de deslocamento de frequência, e as do QAM, modulação de amplitude em quadratura, muita utilizadas em sistemas que necessitam de alta taxa de transferência de informação. Com a constante evolução da tecnologia a expectativa é a de que novas técnicas possam surgir ou as atuais possam ser aperfeiçoadas para atender mais e melhor os sistemas solicitantes. 16 REFERÊNCIAS SATÉLITE. Disponível em: <http://www.pop-rs.rnp.br/~berthold/etcom/teleproc- 2000/satelite/satelite.htm>. Acesso em: 25 jun. 2019. REDES 3G – PADRONIZAÇÃO. Disponível em: <https://www.gta.ufrj.br/grad/04_2/telefonia3g/redes3g.html>. Acesso em: 25 jun. 2019. ESQUEMAS DE MODULAÇÃO DO IEEE 802.11. Disponível em: <https://www.gta.ufrj.br/seminarios/semin2003_1/aurelio/>. Acesso em: 26 jun. 2019. TECNOLOGIAS 3G E 4G: CDMA-2000, UMTS, HSPA, HSPA+ E LTE. Disponível em: <https://www.infowester.com/3g4g.php>. Acesso em: 27 jun. 2019. REDES 3G E EVOLUÇÃO PARA AS REDES 4G. Disponível em: <https://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialev4g/default.asp>. Acesso em: 27 jun. 2019. WIMAX: MODULAÇÃO. Disponível em: <https://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialwimaxiee802/pagina_2.asp>. Acesso em 27 jun. 2019. http://www.pop-rs.rnp.br/~berthold/etcom/teleproc-2000/satelite/satelite.htm http://www.pop-rs.rnp.br/~berthold/etcom/teleproc-2000/satelite/satelite.htm https://www.gta.ufrj.br/grad/04_2/telefonia3g/redes3g.html https://www.gta.ufrj.br/seminarios/semin2003_1/aurelio/ https://www.infowester.com/3g4g.php https://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialev4g/default.asp https://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialwimaxiee802/pagina_2.asp
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