Tecnologias 3G e 4G: CDMA-2000, UMTS, HSPA, HSPA+ e LTE

Introdução

Na primeira parte deste texto, você conheceu as tecnologias móveis da segunda geração (2G): TDMA, CDMA, GSM, GPRS e EDGE, que foram (e são) essenciais para a popularização da telefonia móvel. Nesta segunda parte, você verá as características das tecnologias CDMA-2000 (e suas variações), UMTS (W-CDMA) e HSPA (HSDPA e HSUPA), que fazem parte da chamada terceira geração (3G). Por fim, você conhecerá a tecnologia LTE, que se enquadra na avançada quarta geração (4G).
Para melhor compreensão, é recomendável ler a mencionada primeira parte, caso você ainda não o tenha feito, uma vez que conceitos ou tecnologias relacionados aos padrões 2G também são citados aqui.
Links diretos:
- Tecnologias 3G;
- O que é CDMA-2000?;
- O que é UMTS?;
- O que é W-CDMA?;
- O que é HSPA (HSDPA / HSUPA)?;
- O que é HSPA+?;
- 4G: o que é LTE?.

Tecnologias 3G

O termo 3G faz referência à terceira geração de tecnologias de telefonia móvel. O acesso à internet a partir de dispositivos móveis se tornou ainda mais popular com os padrões 3G por causa de sua velocidade, fazendo inclusive com que muita gente pense que estes dois caracteres são meros sinônimos de "internet no celular", mas é muito mais do que isso.
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. Não por menos, as operadoras começaram inclusive a comercializar os chamados "modems 3G", dispositivos equipados com cartões SIM desenvolvidos para permitir acesso à internet via redes 3G em notebooks e desktops.

Modem 3G da Huawei
Tal como já informado, as redes 3G são formadas pelas tecnologias CDMA-2000 (e suas variações), UMTS e HSPA (HSDPA e HSUPA). Você conhecerá cada uma delas a seguir.

O que é CDMA-2000?

A denominação CDMA-2000 (termo cunhado pela empresa Qualcomm), na verdade, faz referência a um conjunto de padrões, começando com o CDMA-2000 1x, que também é conhecido como CDMA 1xRTT (1x Radio Tansmission Technology). Tal como o nome indica, trata-se de uma tecnologia que tem como base o padrão de comunicação CDMA, sendo considerado uma evolução do CDMAOne.
Embora também permita aproximadamente o dobro de conexões para voz que as primeiras versões do CDMA, o CDMA-2000 tem como principal característica a sua capacidade de trabalhar com taxas de transferência de dados de até 144 Kb/s (307 Kb/s na teoria), com o upload ficando praticamente na mesmo nível de velocidade, isso tudo utilizando apenas uma portadora (em poucas palavras, onda de radiofrequência onde as informações são trafegadas) de 1,25 MHz.
Apesar de ser taxado como 3G, não é raro encontrar literaturas que descrevem o CDMA-2000 1x como sendo 2G ou mesmo 2,5G. Faz sentido: as características desta versão a fazem ser, na verdade, "pré-terceira geração".
Não demorou muito para surgir no mercado uma versão melhorada do padrão chamada CDMA-2000 1xEV (Evolution Data) que possui duas classificações: CDMA-2000 1xEV-DO (Data Only), que implementa apenas canais de dados; e CDMA-2000 1xEV-DV (Data and Voice), que permite o uso de canais tanto para voz quanto para dados.
Do ponto de vista da velocidade, as versões 1xEV-DO e 1xEV-DV é que podem ser consideradas mais próximas do 3G, uma vez que conseguem oferecer taxas de transferência de dados de até 3,1 Mb/s (megabits por segundo) e taxas de upload de até 1,8 Mb/s.
Há também uma variação chamada CDMA-2000 3x (ou CDMA 3xRTT) que, tal como o nome indica, utiliza três portadoras de 1,25 MHz. Neste caso, a velocidade de transferência pode chegar a 2 Mb/s.
As tecnologias CDMA-2000 podem trabalhar com várias faixas de frequência, como 450 MHz, 850 MHz, 1,9 GHz e 2,1 GHz.

O que é UMTS?

Sigla para Universal Mobile Telecommunications Service (algo como "Sistema de Telecomunicações Móveis Universal"), o UMTS é tido como uma evolução do padrão GSM, com a sua implementação podendo inclusive aproveitar a estrutura deste. O UMTS é considerado, de fato, uma tecnologia da terceira geração em si.
O UMTS surgiu principalmente como resultado de um trabalho envolvendo empresas e entidades ligadas ao consórcio 3GPP (Third Generation Partnership Project), que lidera os esforços para o desenvolvido da tecnologia. Até então, os trabalhos relacionados ao padrão GSM eram comandados pela ETSI (European Telecommunications Standards Institute).
A tecnologia UMTS tem entre as suas principais características a implementação com base no padrão W-CDMA, abordado a seguir. Posteriormente, surgiu uma variação baseada no padrão HSPA.

O que é W-CDMA?

Sigla para Wideband Code Division Multiple Access (algo como "Acesso Múltiplo por Divisão de Código em Banda Larga"), o W-CDMA é um padrão para uso de radiofrequência baseado nos mesmos conceitos de comunicação do CDMA que possibilita ao UMTS atingir taxas de até 2 Mb/s para download e para upload, embora não costume ultrapassar 384 Kb/s. Estas velocidades são possíveis, entre outros motivos, graças ao uso de uma portadora de 5 MHz (contra 1,25 MHz do CDMA-2000, valendo relembrar).
O W-CDMA possui, essencialmente, dois modos de funcionamento: o TDD (Time Division Duplex - algo como "Duplexação por Divisão de Tempo"), onde as atividades de download (downlink) e upload (uplink) compartilham a mesma portadora, mas em intervalos (slots) distintos; e o FDD (Frequency Division Duplex - algo como "Duplexação por Divisão de Frequência"), que utiliza portadoras diferentes para cada um destas atividades, sendo que há uma faixa de frequência de 190 MHz entre elas.
O uso de TDD e FDD faz com que a transmissão seja mais eficiente, uma vez que cada modo é mais adequado a determinadas situações. Por exemplo, o TDD se mostra mais vantajoso em aplicações "assimétricas", como serviços Web, onde o número de dados enviados normalmente é diferente da quantidade recebida.

O que é HSPA (HSDPA / HSUPA)?

Se o W-CDMA consegue fornece taxas razoáveis de transferência de dados, as especificações HSPA, sigla para High Speed Packet Access (algo como "Acesso a Pacotes em Alta Velocidade"), também empregadas no UMTS, podem ir muito mais além: oferecem velocidades maiores e podem suportar uma quantidade superior de usuários.
Tido como uma evolução do W-CDMA, o HSPA tem como base dois protocolos: o HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) e o HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). Ambos trabalham utilizando portadoras de 5 MHz, mas o HSDPA se direciona ao download, enquanto que o HSUPA, além deste aspecto, se foca também no upload.
O HSDPA pode oferecer taxas de transferência de dados de até 14,4 Mb/s (as demais velocidades são de 1,8 Mb/s, 3,6 Mb/s e 7,2 Mb/s), enquanto que o HSUPA (também conhecido como Enhanced Uplink - EUL) oferece velocidade máxima de 5,76 Mb/s. Níveis tão altos se devem, em outros motivos, à redução do TTI (Transmission Time Interval - "Intervalo de Tempo de Transmissão"), que varia entre 1 e 3 milissegundos, enquanto que em outros padrões esta medida gira em torno dos 10 milissegundos.
Por serem mais recentes, as especificações HSPA são também chamadas de "3,5G".

O que é HSPA+?

Também chamado de Evolved HSPA ("HSPA Evoluído") e de tecnologia "3,75G", o HSPA+ é uma das atualizações mais impressionantes para a comunicação móvel: teoricamente, é capaz de trabalhar com taxas de até 168 Mb/s para download e 22 Mb/s para upload. Uma revisão futura pode fazer com que o recebimento de dados chegue à incrível velocidade de 672 Mb/s.
É claro que níveis tão altos dificilmente são oferecidos em sua totalidade (assim como acontece com o HSPA "original"): no Brasil, por exemplo, a operadora Vivo começou a oferecer planos com HSPA+ em 2012 com limite máximo de 6 Mb/s.
Além de taxas maiores de transferência de dados, o HSPA+ também oferece outras vantagens, como menor tempo para o estabelecimento de chamadas, capacidade para uso de voz ampliada consideravelmente graças ao uso de VoIP, melhor suporte a aplicações que exigem grandes quantidades de informações e, por se tratar de uma evolução do HSPA, aproveitamento da estrutura de redes deste último tipo.
Entre os fatores que colaboram para as velocidades do HSPA+ está o uso do MIMO (Multiple Input Multiple Output - algo como "Múltiplas Entradas e Múltiplas Saídas"), uma técnica que utiliza mais de uma antena para transmissão no mesmo canal, mantendo o uso de portadoras de 5 MHz.
Outra característica que influencia no aspecto da velocidade é o uso de modulação (grossamente falando, processo que transforma dados e voz em sinais para tráfego em ondas de radiofrequência) 64-QAM (Quadrature Amplified Modulation - "Modulação Amplificada em Quadratura") para download e 16-QAM para upload, que favorecem taxas de transferência maiores, especialmente nos dispositivos móveis que estão mais próximos da base.

4G: o que é LTE?

A quarta geração (4G) da telefonia móvel tem início com a tecnologia LTE, sigla para Long Term Evolution (algo como "Evolução de Longo Prazo"). Trata-se de mais uma proposta apresentada pela 3GPP. Apesar de, na visão da ITU (International Telecommunication Union), entidade ligada à Organização das Nações Unidas, o LTE não cumprir com todas as exigências técnicas necessárias para ser considerada um padrão 4G, comercialmente, a tecnologia é aceita como tal.
Assim como a tecnologia HSPA+, o padrão LTE chama a atenção pelas velocidades com as quais pode trabalhar: dependendo da combinação de recursos implementados na rede e do aparelho do usuário, pode-se chegar a taxas de 300 Mb/s para download e 75 Mb/s para upload.
Para facilitar a assimilação do aspecto de velocidade, o nível de compatibilidade de aparelhos com o LTE é determinado em categorias:

• Categoria 1: download de até 10 Mb/s; upload de até 5 Mb/s;
• Categoria 2: download de até 50 Mb/s; upload de até 25 Mb/s;
• Categoria 3: download de até 100 Mb/s; upload de até 50 Mb/s;
• Categoria 4: download de até 150 Mb/s; upload de até 50 Mb/s;
• Categoria 5: download de até 300 Mb/s; upload de até 75 Mb/s.

É claro que estas velocidades dificilmente são alcançadas em sua totalidade, mesmo porque há uma série de fatores que determinam as taxas que uma rede LTE pode atingir. A quantidade de antenas em uso de maneira simultânea é uma delas - sim, tal como o HSPA+, a tecnologia LTE também pode utilizar as técnicas MIMO.
Outro fator importante é a frequência do canal, que pode ser de 1,4 MHz, 3,5 MHz, 15 MHz ou 20 MHz. Teoricamente, quanto maior a frequência disponível, maior é a taxa de transferência de dados.
O LTE também se diferencia pela forma de acesso. Enquanto as tecnologias UMTS e HSPA são baseadas no padrão W-CDMA, o LTE utiliza as especificações OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - algo como "Acesso Múltiplo por Divisão Ortogonal da Frequência"), que distribui as informações da transmissões entre diversos subconjuntos paralelos de portadoras, sendo este outro aspecto que favorece velocidades maiores para o downlink (download).
Em relação ao uplink (upload), o esquema utilizado é o SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - algo como "FDMA de Portadora Única"), que é uma especificação semelhante ao OFDMA, mas que consegue reduzir o consumo de potência, fazendo com que o uso de energia por parte dos dispositivos conectados também diminua. Apesar do nome, o SC-FDMA também pode utilizar subconjuntos de portadoras.
Embora o LTE se apresente como um padrão bastante avançado, já há trabalhos em prol de uma versão melhorada, o LTE Advanced, esta sim totalmente compatível com os requisitos da ITU para uma tecnologia 4G. A expectativa é a de que esta variação possa oferecer taxas de até 1 Gb/s (gigabit por segundo) para download e 500 Mb/s para upload.
O LTE pode funcionar com várias faixas de frequência. No Brasil, por exemplo, a tecnologia, quando estiver em funcionamento, deverá trabalhar com a faixa de 2,5 GHz.

Finalizando

Se você leu este texto do início ao fim (partes 1 e 2), pode ter se espantado com a quantidade de tecnologias relacionadas à telefonia móvel. Trata-se de um mercado que envolve o interesse de diversas empresas e governos e que, por consequência, evolui rapidamente, o que pode justificar tamanha complexidade.
Apesar de tantas siglas e denominações técnicas, agora você poderá compreender melhor o que as operadoras oferecem e, assim, encontrar um plano que seja mais adequado às suas necessidades e expectativas, por exemplo.
Seu dispositivo móvel também oferece meios para te ajudar a entender como está funcionando a rede de telefonia celular que você utiliza no momento: seu aparelho pode, por exemplo, exibir um símbolo com a letra 'G' para informar que está utilizando GPRS, 'E' para EDGE, '3G' para W-CDMA, 'H' para HSPA e assim por diante (consulte o manual de seu aparelho para mais detalhes).

Indicação de uso de HSDPA
via: http://www.infowester.com/3g4g.php