Abstract- With the expansion of technology and the need to obtain

better results in the quality of data transmission (throughput) and

voice, was begun the exploration and implementation

of 4th generation mobile telephony. We will address the

two competing 4G technology, LTE (Long Term

Evolution) and WiMAX (Worldwide Interoperability for

MicrowaveAccess), comparing their characteristics and way of

functioning.

Resumo— Com a expansão da tecnologia e a necessidade de se

obter melhores resultados na qualidade de transmissão de dados

(throughput) e voz, deu-se início a exploração e a implementação

da 4° geração de telefonia móvel. Iremos abordar as duas

tecnologias concorrentes do 4G, o LTE(long Term Evolution) e o

WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access),

comparando suas características e forma de funcionamento.

Palavras chave— LTE e WiMAXe

I. INTRODUÇÃO

Devido à necessidade cada vez maior por serviços de banda

larga, a 4° geração de telefonia móvel vem se destacando no

cenário mundial pelos serviços oferecidos. Alguns serviços

como videoconferência, download de vídeos, jogos interativos

e Voz sobre IP, já são considerados hoje como essenciais e a

sua demanda certamente aumentará. Veremos que os dois

universos as serem seguidos (LTE e WiMAXe) coexistirão,

pois utilizam IP(Internet Protocol) como base em sua

comunicação e algumas tecnologias comum em ambos,

facilitando assim o acesso entre as redes.

II. WIMAXE E LTE

WiMAXe

O WiMAX (IEEE.802.16) vem sendo desenvolvido desde

2001 com o objetivo de proporcionar comunicação sem fio

de banda larga para áreas metropolitanas. O IEEE (Institute

of Electrical and Electronics Engineers) padronizou em

2005 o WiMAX móvel (IEEE802.16e) tornando-o um forte

concorrente para o LTE. Atingindo taxas de 75 Mbps num

raio de 50 km de cobertura e faixa de freqüência

estabelecida em 2,5GHz pelo WiMAX Forun, o WiMAXe

utiliza algumas tecnologias que definem a sua performance

como, SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division

Multuplexing Access), AAS (Adaptive Antenna System) e

MIMO( multiple-input and multiple-output), além da

qualidade de serviço (QoS) e interfaces para rede IP, ATM,

E1/T1 e Ethernet. É também dividido em duas camadas,

camada 1 (física - PHY) e camada 2 (MAC).

A. CAMADA (PHY)

Esta camada se caracteriza pela transmissão dos dados.

Dentre suas principais funções podemos destacar a transmissão

de MAC PDUs, definição das técnicas de transmissão digital:

modulação e codificação, definição de espectro, correção de

erro, técnica Duplexing, construção de frames e sub-frames de

transmissão. [1].

Tabela. 1. Tabela sobre os tipos de camada física.

Por utilizar a técnica de multiplexagem OFDM e se adequar

em ambientes NLOS(Non-line-of-sight) o WiMAX oferece

elevadas taxas de transmissão e uma área maior de cobertura.

Quando falamos da camada física os padrões IEEE 802.16

definem 5 variantes. No IEEE 802.1e a última variante possui

uma escalabilidade em suas subportadoras conforme a tabela

[1]

A.1. Variantes SC(Single Carrier)

WirelessMAN SC: Possui apenas uma portadora e

opera em faixas de frequência acima de 11GHz.

Devido à elevada freqüência de operação é

necessário a garantia de linha de visada da fonte

com o destino, ou seja, sua comunicação é feita em

ambientes LOS (Line-of-sight).

Em relação ao quadro e duplexação, cada quadro é

dividido em sub-quadro de downlink e sub-quadro

de uplink. A duplexação fica por conta das técnicas

FDD(Frequency Division Duplex) onde os dois

canais são alocados em freqüências diferentes ou

TDD(Time Division Duplex), onde os canais são

divididos no tempo, e utilizam a mesma freqüência.

Estudo comparativo entre sistemas propostos

para 4G: LTE e WiMAX móvel

Luiz Gustavo de Campos Ferraz & Rodolpho Ricardino Gontijo Garcia &Daniel Nunes

ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 73

Como a transmissão no canal de downlink pode ser

feita em rajadas, existe suporte a estações cliente

tanto full-duplex quanto half-duplex. Embora o

quadro possua tamanho fixo na duplexação por

tempo, a divisão entre os tempos fornecidos

para downlink e para uplink pode ser desigual. São

usados 3 tipos de modulação QPSK (maior área de

atuação), 16-QAM (maior taxa de transmissão)

opcional para o uplink, 64-QAM (maior taxa de

transmissão), opcional para o downlink e para

o uplink. . A figura 1 abaixo nos mostra o raio de

cobertura das respectivas modulações.

Fig.1. Modulações usadas no WirelessMAN SC

WirelessMAN SCa: Utiliza apenas uma portadora

para as freqüências entre 2GHz e 11GHz em

ambientes NLOS Deve existir suporte a pelo

menos um tipo de duplexação FDD ou TDD. O

uplink utiliza TDMA e o downlink utiliza TDM ou

TDMA. As modulações usadas são: Spread BPSK,

BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM e 256-QAM,

sendo a última opcional.

A.2. Variantes OFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing)

WirelessMAN OFDM: Opera com 256 sub-

portadoras na faixa de freqüência entre 2GHz e

11Ghz em ambientes NLOS. Utiliza FTT (Fast

Fourier Transform ). Para bandas licenciadas, a

duplexação pode ser FDD quanto TDD. Em bandas

não licenciadas, a duplexação deve ser TDD. As

modulações usadas são BPSK, QPSK com

mapeamento de Gray, 16-QAM e 64-QAM

(opcional em bandas que não precisem de

licenciamento).

WirelessMAN OFDMA: Se assemelha com à

WMAN OFDM por operar na mesma faixa de

freqüência e ambientes NLOS, porém utiliza a

técnica de múltiplo acesso OFDMA com 2048 sub-

portadoras. Na especificação IEEE 802.16e, esta

modulação foi alterada para SOFDMA (scalable

OFDMA), com 128, 512, 1024 ou 2048 sub-

portadoras. As modulações utilizadas são QPSK

com mapeamento de Gray, 16-QAM e 64-QAM

(opcional).

WirelessHUMAN: É utilizada em faixas de

freqüência não licenciadas de 5 a 6 GHz.

B. CAMADA MAC

Dentre as principais funções da camada de MAC

(Medium Access Control) do WiMAX podemos destacar:

controle de acesso ao meio, gerenciamento QoS, suporte

para as camadas PHY OFDM e OFMDA, segurança,

sincronismo, interface para IP, ATM, E1/T1, Ethernet,

suporte a sistemas com antenas adaptativas, suporte a

topologia Mesh (opcional).

Esta camada é dividida em três subcamadas:

CPS (Common Part Sublayer): é onde estão

concentradas as principais funções do MAC.

Promove a função de acesso do sistema,

manutenção e estabelecimento da conexão,

alocação de banda, requisição e garantia de

banda.

CS (Service – Specific Convergence Sublayer):

A subcamada de convergência de serviços

específicos (CS) transformam os dados de rede

externos recebidos pela SAP (Service Access

Point), em unidades MAC serviços de dados

(SDUs) este dados são recebidos pela

subcamada de parte comum (CPS), através da

SAP MAC.

Security Sublayer: Onde ocorre a autenticação e

a segurança pela troca de chaves e pela

criptografia dos dados, garantindo assim a

segurança durante as transmissões.

A figura 2 abaixo define a ordem das subcamadas

descritas no texto.

Fig.2. Pilha de Protocolos

ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 201274

LTE

Diferente do WiMAX que se destaca por ser uma tecnologia

nova, o LTE é uma evolução da família GSM(Global System

for Mobile Communications) desenvolvida na Europa e que

esta em operação desde a 2° geração de telefonia em diversos

países do mundo. É também uma tecnologia completamente

nova para plataformas de rádio com padrões desenvolvidos

pelo 3GPP(3rd Generation Partnership Project). A figura 3

demonstra a evolução do 2G para o 4G.

Fig.3. Evolução da tecnologia 4G

O LTE foi inicialmente projetado para promover serviços de

dados, com a intenção de melhorar o throughput do usuário, a

capacidade do setor e a redução de latência, fornecendo uma

maior qualidade nas comunicações móveis. Esta tecnologia é

baseada em IP com QoS fim-a-fim e assim como WiMAX

conta com o apoio de outras tecnologias como OFDMA e

MIMO para alcançar os objetivos propostos pelo 3GPP.

O principal aspecto do LTE é que permite velocidades de até

100Mb/s de downlink e 50Mb/s de uplink e pode larguras de

banda de 1.4Mhz a 20Mhz operando com FDD e TDD. Como

o LTE é baseado no padrão IP o protocolo principal da

internet, o trafego de voz será principalmente através da

tecnologia VoIP (Voice over Internet Protocol ).

A faixa de freqüência estabelecida para o LTE no Brasil é de

2,5 Ghz embora os Estados Unidos tenham optado por 700

Mhz, que no Brasil é ocupado pelo setor de radiodifusão.

O LTE tem certa semelhança com WiMAXe em relação as

duas primeiras camadas, ou seja, a camada física e a camada

MAC. O que difere de um sistema para o outro é que o LTE

apresenta uma terceira camada a RRC, responsável pelo

controle dos recursos de rádio.

A. CAMADA FÍSICA

A camada física oferece serviços de transmissão de dados para

as camadas superiores. O acesso a esses serviços é através do

uso de um canal de transporte através da sub-camada MAC.

Dentre as suas funções podemos destacar:

A detecção de erros no canal de transporte e

indicação para as camadas superiores;

Modulação e demodulação de canais físicos;

Sincronização de frequência e tempo;

Multiple Input Multiple Output (MIMO);

Processamento de RF.

B. CAMADA MAC

Os principais serviços e funções realizados pela camada

MAC incluem mapeamento entre canais lógicos e canais de

transporte, seleção do formato de transporte mais adequado

para transmissão, apresenta medição gerando relatórios de

tráfego e correção de erros através da HARQ.

Topologia de rede do LTE

Podemos dividir a rede LTE em quatro partes:

I. SERVIÇOS: Tem como função possibilitar a

interligação do LTE com outras redes externas.

II. E-UTRAN: É composto por uma camada de eNodeBs

interligados entre si. As eNodeBs são compostas pela

camada física (PHY), Medium Access Control

(MAC), Radio Link Control (RLC), tendo como

dever, criptografia, controle do QoS no Uplink e

Downlink contendo informação da célula,.

III. ARQUITETURA DE REDE EPC: Foi elaborada para

permitir a comunicação com outras redes baseadas no

protocolo IP, esta utiliza comutação por pacotes.

Onde os principais elementos da rede estão contidos

nesta arquitetura, e eles são:

MME (Mobility Management Entity): responsável por

segurança, autenticação, autorização de serviços,

conexão e outras funções importantes dentro da rede.

S-GW (Serving Gateway): responsável por fazer o

roteamento dos usuários de tecnologias 2G/3G com a

rede LTE utilizando interface S4. Gerencia e

armazena informações no UE (User Equipament).

P-GW (Packet Data Network Gateway): responsável

pelo roteamento de borda entre o EPC e redes de

pacotes externas da tecnologia UMTS LTE. Aloca

endereços de IP para o UE (User Equipament) para

que este possa se comunicar com dispositivos

encontrados em redes externas.

PCRF (Policy and Charging Resource Function)

fornece acesso, recursos e qualidade de serviço

(QoS), elemento responsável pela politica de

tarifação.

HSS (Home Subscriber Server) tem como

funcionalidade banco de dados do usuário.

ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 75

IV. UE (User Equipament) dispositivo usado pelo usuário

para acesso a rede.

III. TECNOLOGIAS ENVOLVIDAS

O LTE e WiMAX são concorrentes mas ao mesmo tempo

andam caminham juntos por possuírem tecnologias

semelhantes e que permite a coexistência de ambos.

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple

Access)

No WIMAXe o OFDMA opera tanto no downlink quanto no

uplink, já no LTE opera somente no downlink, sendo o uplink

baseado em SC-FDMA (Single Carrier Frenquency Division

Multiple Access). A utilização deste método tem como

objetivo melhorar o desempenho em relação a sinais OFDMA

e redução nos custos dos projetos dos amplificadores

utilizados pelo EU (User Equipament). Uma forma de gerar o

SC-FDMA é a transformada discreta de Fourier que foi

escolhido para E-UTRAN (Evolved Universak Terrestrial

Radio Access Network). Podemos ver na figura 4:

Fig. 4: Diagrama de bloco do DTF-s-OFDM

O fluxo de dados é primeiramente convertido de sério para

paralelo, depois cada bit é modulado e transformado do

domínio do tempo para o domínio da freqüência através da

FFT (Transformada Rápida de Fourier) e o resultado é

mapeado nas subpotadoras disponíveis. Depois o sinal é

submetido IFFT (Transformada Inversa de Fourier), e

convertido de paralelo para serial novamente.

MIMO (Multiple-input Multiple-output)

A técnica MIMO está presente no WIMAXe com a

configuração de duas antenas transmissoras e duas antenas

receptoras tanto no downlink, quanto no uplink, podendo

também existir outras configurações. No LTE está técnica

apresenta uma diferença no downlink e uplink. No primeiro a

configuração usada é igual a do WIMAXe, já no segundo é

conhecida como MU-MIMO, essa modalidade apresenta o

eNodeB com múltiplas antenas e o móvel com apenas uma

antena, o que reduz o custo do mesmo. A figura 5 apresenta a

configuração padrão do MIMO comentado acima.

Fig. 5: Sistema MIMO 2x2

A figura 6 mostra a configuração do MIMO no uplink do LTE:

Fig. 6: Sistema MU-MIMO

TDD (Time Division Duplex) e FDD (Frequency

Division Duplex)

O LTE foi definido tanto para acomodar os modos FDD e

TDD, sendo os dois métodos usados para esquemas duplex,

onde o transmissor e receptor possam se comunicar em ambas

as direções.

Já o WIMAXe só inclui o TDD, sendo uma tecnologia de

freqüência única que é compartilhada no domínio do tempo

para downlink e uplink. A grande vantagem deste padrão é a

possibilidade de alocar largura de banda entre o link reverso

(uplink) e o link direto (downlink). Que no padrão FDD utiliza

duas bandas separadas de frequência, como mostra a figura 7:

Fig. 7: Resumo do esquema FDD e TDD

AAS (Adaptative Antenna System)

São antenas que focam o raio de cobertura exatamente na

área de transmissão ou recepção do sinal, como podemos ver

na figura 8 logo a baixo. Tanto o WIMAX, quanto o LTE,

possuem suporte para antenas inteligentes, proporcionando

uma melhoria na transmissão, na qual uma matriz de antenas é

utilizada na estação rádio base (BS), aumentando o ganho em

ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 201276

direção aos usuários (SS), ou reduzir conexões inválidas para

reduzir as interferências.

Figura 8: Sistema AAS (Adaptative Antenna System)

IV. CONCLUSÃO

Este artigo teve como foco principal fazer uma breve

comparação entre os sistemas concorrentes do 4G,

apontando suas principais características, gerando duas

tabelas, que possui informações de ambos os sistemas.

Tanto o LTE quanto o WiMAXe atendem os requistos da

telefonia de 4º geração, e apesar de serem concorrentes,

podem coexistir, pois utilizam IP em sua comunicação e

algumas tecnologias iguais. Fornecendo aos usuários um

melhor serviço de banda larga móvel. As tabelas 2 e 3 logo

abaixo abordam informações colhidas durante a pesquisa.

Tab. 2: Comparativo LTE vs WiMAXe

Tab. 3: Comparativo LTE vs WiMAXe

V.REFERÊNCIA

[1] Antônio M. Alberti 2007, Visão Geral da Tecnologia WiMAX, Disponível

em: http://www.slideshare.net/antonioalberti/tutorial-wimax

[2] TELECO LTE Introdução, Disponível em: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialintlte/pagina_1.asp

[3] TELECO.Wi-FI e WiMAX:Características do WiMAX.Disponível em: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialww2/pagina_3.asp

[4] MOBILEDEV&DESIGN.The Principles of OFDM.Disponível em:

http://mobiledevdesign.com/tutorials/radio_principles_ofdm/index6.html

Fig.1: http://www.gta.ufrj.br/grad/04_2/wimax/caracTecnicas.html

Fig. 2: http://www.slideshare.net/antonioalberti/wimax-tutorial

Fig. 3 http://www.teleco.com.br/tecnocel.asp

Fig. 4: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialintlte/pagina_3.asp

ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 77

Fig. 5: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialintlte/pagina_3.asp

Fig. 6: http://3g4g.blogspot.com/2009/02/mimo-schemes-in-lte.html

Fig. 7: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialhspawimax1/pagina_4.asp

Fig. 8: http://www.conniq.com/WiMAX/aas.htm

Rodolpho Ricardino Gontijo Garcia nasceu em Lavras, MG, em 02 de julho

de 1991. Concluiu o ensino médio na Escola Abreu Carvalho em 2008 e

atualmente cursa o 7º Período de Engenharia Elétrica no Instituto Nacional de

Telecomunicações INATEL.

Luiz Gustavo de Campos Ferraz nasceu em Cunha, SP, em 05 de Dezembro

de 1990. Concluiu o ensino médio na Escola Estadual Paulo Virgíneo em 2008

e atualmente cursa o 7º Período de Engenharia Elétrica no Instituto Nacional de

Telecomunicações INATEL e faz parte do Diretório Central dos Estudantes do

INATEL na área administrativa.

Daniel Andrade Nunes nasceu em Santa Rita do Sapucaí em 1973, formado

como Técnico em Eletrônica na Escola Técnica de Eletrônica Francisco

Moreira da Costa em 1992 e graduado em Engenharia elétrica em 1998 pelo

INATEL – Instituto Nacional de Telecomunicações. Obteve o grau de Mestre

em Telecomunicações, também pelo INATEL em agosto de 2007.

Trabalhou 5 anos na multinacional Ericsson como instrutor técnico e gerente

de projetos principalmente na área de sistemas celular no planejamento,

otimização e desenvolvimento de cursos para sistemas AMPS, DAMS, CDMA

e GSM em 10 países da America latina, Estados Unidos e Europa. Atualmente

é professor de matérias relativas a comunicações móveis e transmissão digital

no programa de Graduação do INATEL, ministra matérias referentes às

tecnologias GSM, WCDMA, LTE, WiMAX, WiFI, XDSL e DocSYS no

programa de Pós Graduação do Inatel além de ministrar cursos nas áreas de

planejamento e otimização para sistemas GSM, WCDMA, WiFI e WiMAX

pelo ICC – Inatel Competence Center.

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