Seção: Tutoriais Telefonia Celular

Formato Físico do Sinal

As principais diferenças entre o WiMAX Móvel e o HSPA na camada física estão no formato do sinal. O WiMAX Móvel é baseado na multiplexação no domínio de freqüência ortogonal (orthogonal frequency domain multiplexing, OFDM), enquanto o HSPA é um sistema baseado na tecnologia de espalhamento espectral de seqüência direta (direct-sequence spread-spectrum system). Uma das características mais importantes do OFDM é a sua robustez à propagação multi-caminhos (multi-path propagation). O principio determinante desse recurso é a utilização de tons de banda estreita em combinação com um prefixo cíclico. O prefixo cíclico serve a dois propósitos: fornece um tempo de guarda contra interferência inter-símbolo, e que garante que o canal multi-caminho só impõe uma distorção escalar em cada tom, fazendo com que a equalização seja simples e eficaz. Quando adequadamente sincronizados e protegidos pelo prefixo cíclico, os tons de um sinal OFDM permanecem mutuamente ortogonais mesmo depois de passar por canais multi-caminho. A desvantagem do uso de prefixo cíclico é o cabeçalho maior (increased overhead), o que efetivamente reduz a eficiência da largura de banda.

A capacidade de um sinal OFDM de manter a ortogonalidade sob condições de multi-caminho da origem a um sistema livre de interferências intra-células que é adequado para a transmissão de dados em alta velocidade. No entanto, surgem interferências inter-tom (degradando o desempenho), quando há grande espalhamento Doppler no OFDM. Quando os sinais OFDM são utilizados para múltiplos acessos no uplink, as estações radiobase do WiMAX Móvel devem fazer um ajuste fino dentro de faixa toleráveis nos erros ou desvios de freqüência de cada terminal, e minimizar nível total de interferência, através do controle da potência.

Os sinais OFDM também têm uma relação pico-valor médio de potência (peak-to-average power ratio – PAPR) relativamente grande, o que significa que para uma dada potência média, o amplificador de potência deve ser capaz de lidar com picos significativamente grandes de potência, evitando a distorção do sinal transmitido.

O HSPA usa a agregação de códigos CDM (orthogonal Walsh code) para oferecer um canal de alta velocidade downlink, e o DS-CDMA (Direct-sequence Code Division Multiple Access) para o uplink. Embora este método seja menos sensível ao espalhamento Doppler (spread Doppler), a perda de ortogonalidade em canais de tempo-dispersivo cria uma interferência intra-célula que limita a utilização de modulação de alta ordem. O uso generalizado receptores Rake pode atenuar a interferência através de avançado processamento de sinais no lado do receptor ao custo moderado de complexidade adicional no receptor.

Quando comparado com sinais OFDM, sinais uplink do HSPA têm menor PAPR – o que implica num menor amplificador de potência de menor complexidade. Como alternativa, para uma determinada complexidade uma potência média maior pode ser utilizada, dando uma maior cobertura.

Regime Duplex

Outra diferença entre o HSPA e o WiMAX Móvel é o regime duplex. O HSPA é uma tecnologia FDD, com transmissão uplink e downlink ocorrendo em canais de freqüências separadas (geralmente denominado 2 x 5 MHz para indicar dois canais separados de 5 MHz, um para o uplink e um para o downlink).

O perfil de sistema do WiMAX Móvel, tal como atualmente definido no WiMAX Forum, é uma tecnologia TDD com um canal de freqüência única (10 MHz, por exemplo) que é compartilhado no domínio do tempo para a transmissão uplink e downlink. A relação entre o uplink e downlink define como a freqüência do canal é compartilhada. Uma relação 2:1 significa que o canal é utilizado dois terços do tempo para o downlink e um terço do tempo para o uplink (figura 5).

Figura 5: Resumo dos esquemas FDD e TDD

A recomendação IEEE 802.16 permite a operação FDD, mas por enquanto o perfil de sistema do WiMAX Móvel só especifica o TDD. O TDD tem a flexibilidade de mudar relação downlink/uplink para acomodar uma grande variedade de assimetrias de tráfego, embora, na prática, essa relação necessite ser fixada em todo o sistema (a menos que bandas de guarda sejam utilizadas para limitar os efeitos da interferência). Além disso, sistemas TDD com uma grande relação downlink/uplink terão um orçamento de potência (link budget) penalizado, já que a potência média no uplink é reduzida para uma dada potência de pico.

Os cenários de interferência são diferentes entre os sistemas FDD e TDD (figura 6). Os sistemas FDD utilizam uma diferença de freqüência duplex entre o uplink e o downlink para impedir a interferência entre transmissões. Os sistemas TDD utilizam um tempo de guarda entre o uplink e o downlink.

Ao construir uma rede TDD, é preciso lidar com uma variedade de cenários de interferências:

Interferência dentro da rede: interferência entre estações radiobase e entre os terminais. O tempo deve estar totalmente sincronizado entre todas as estações radiobase (por exemplo, usando um receptor GPS em cada estação radiobase).

Entre uma rede e uma rede TDD adjacente: duas ou mais redes TDD usando a mesma freqüência na mesma área geográfica. Para evitar interferências, o sincronismo deve ser coordenado entre redes vizinhas, ou bandas de guarda devem ser utilizadas. Este cenário poderia ocorrer na fronteira entre nações ou estados, especialmente quando apenas licenças locais foram outorgadas.

Entre uma rede e outra rede TDD de espectro adjacente: uma rede TDD utiliza freqüências adjacentes, dando origem a uma interferência entre estações radiobase de redes diferentes se estas estações radiobase estão muito próximas. O uplink de uma estação radiobase pode sofrer interferência a partir de outra estação radiobase se houver uma fuga de freqüência na estação adjacente (Adjacent Channel Leakage Ratio – ACLR). Esta interferência pode ser reduzida através do sincronismo entre as redes, ou do uso de bandas de guarda.

Fronteiras do espectro FDD e TDD: uma rede FDD utiliza freqüências adjacentes à rede TDD, dando origem a uma interferência entre estações radiobase de redes diferentes se estas estações radiobase estão muito próximas. Esta interferência só pode ser resolvida utilizando bandas de guarda adequadas.

Ajustes do ciclo de trabalho uplink / downlink na rede TDD em relação às redes adjacentes: além do sincronismo de tempo, ao definir a relação uplink / downlink em uma rede TDD, as relações dentro da rede e com as redes vizinhas devem ser coordenadas, para evitar todos os casos de interferências mencionados acima. Como alternativa, podem ser utilizadas bandas de guarda.

Exigências rigorosas dos atuais serviços de satélite em bandas específicas tornam difícil a implantação de tecnologias TDD nessas freqüências. O ambiente de coexistência mais difícil para o TDD coloca requisitos pesados em matéria de filtros de RF, que são tão complexos quanto os requisitos de filtro duplex para o FDD.

A especificação do 3GPP abrange o FDD e o TDD, mas não existem quaisquer grandes implantações de sistemas celulares baseados em TDD.

Figura 6: Resumo dos cenários de interferência para sistemas FDD e TDD

Mecanismo de Handover

O HSPA suporta o mecanismo de soft handover no uplink, que produz ganho de combinação macro e melhora a orçamento de potência (aumenta 1,5 dB em média). Ele também ajuda a aumentar a capacidade da rede através da redução da interferência intra-célula.

O mecanismo de hard handover é utilizado para o handover do tipo intra-freqüência e para o handover do tipo inter-sistema para o GSM. O perfil de sistema do WiMAX Móvel do inclui apenas o hard handover.

Bandas de Freqüência de Operação

O HSPA suporta atualmente bandas de freqüência que vão de 800 MHz a 2600 MHz, incluindo a maioria das bandas 2G atuais que operam na Europa, África, nas Américas e na Ásia-Pacífico As bandas mais comuns para o HSPA são: 2,1 GHz, implantada em todo o mundo, e 850 MHz implantada nas Américas, Austrália, Nova Zelândia e partes da Ásia.

Várias bandas estão em discussão para o WiMAX Móvel, mas os perfis de certificação atuais apenas cobrem as bandas de freqüências de 2,3 GHz, 2,6 GHz e 3,3-3,8 GHz. Atualmente, existem apenas algumas implementações de WiMAX Móvel, principalmente na banda 2,3 GHz.

Aproximadamente 90% de todo o espectro alocado no mundo é FDD.