Em sistemas de rede celular, seja 4G LTE ou 5G NR, tanto Multiple-input multiple output (MIMO) quanto Carrier Aggregation (CA) são tecnologias chave, mas quais são as diferenças entre elas?

Carrier aggregation é uma tecnologia altamente inovadora introduzida na rede LTE Advanced, que permite à rede móvel combinar múltiplos portadores de frequência em um único para aumentar a largura de banda geral do portador e proporcionar um aumento mais significativo na taxa de dados para usuários de telefones móveis. Inicialmente, as redes LTE baseadas no 3GPP Release 8 não suportavam carrier aggregation, mas as redes LTE suportam configuração flexível de largura de banda, o que significa que podem usar portadores de frequência com diferentes larguras de banda, como 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz e 20 MHz.

A Release 10 do LTE-Advanced é a primeira versão do LTE a introduzir carrier aggregation (contínuo intrabanda e interbanda), usando 5×20 MHz como CA padrão, mas é apenas para duas operadoras. A Release 12 do LTE-Advanced, introduzida em 2012, suporta carrier aggregation não contínuo intrabanda. Suporta agregação de até 5 portadores de frequência com largura de banda flexível, até 100MHz de largura de banda. Mesmo 100MHz de largura de banda já é impressionante, mas a rede LTE-Advanced Pro trouxe uma configuração de carrier aggregation de especificações superiores. Ela visa fornecer um throughput máximo de até 3 Gbps no downlink, o que requer tamanhos de portadora maiores. O 3GPP Release 13 introduz a rede LTE-Advanced Pro que permite carrier aggregation de até 32 portadoras, atingindo uma largura de banda máxima de até 640MHz.

Embora carrier aggregation seja uma tecnologia chave já presente nas redes LTE-Advanced, ela permite a evolução do LTE para atingir taxas de dados de usuário superiores a 1Gbps, mas nas redes 5G, carrier aggregation suportará a evolução para 5G multi-gigabit, com taxas de dados de usuário atingindo aproximadamente 4 Gbps e acima.

Depois de falar sobre carrier aggregation, vamos dar uma olhada no que exatamente é MIMO?

Em redes sem fio, dois nós sem fio se comunicam para enviar e receber dados via canal de rádio, e esse canal usa um certo espectro sem fio. Mas em muitas áreas o espectro adequado é escasso, tornando impraticável o uso de mais espectro.

MIMO significa Multiple Input Multiple Output, é uma tecnologia de antena avançada que pode aumentar a capacidade sem aumentar o espectro, sendo amplamente adotada pelas redes 4G LTE, LTE-Advanced e LTE-Advanced Pro. MIMO melhora efetivamente a taxa de dados e a qualidade do sinal através de multiplexação espacial, diversidade de antena e beamforming.

MIMO foca no princípio da multiplexação espacial em 4G LTE, o que significa que a comunicação ocorre através de múltiplas antenas espacialmente separadas (multiplexação por divisão espacial). Enquanto isso, MIMO também melhora a qualidade dos sinais móveis minimizando os efeitos do desvanecimento por percurso múltiplo através da diversidade de antena.

Além disso, MIMO se beneficia da tecnologia de beamforming, onde múltiplas antenas transmitem sinais para o mesmo receptor para que o receptor possa receber um sinal mais forte. As redes LTE usam diferentes configurações de MIMO para downlink e uplink, e tanto os transmissores quanto os receptores devem suportar essas configurações.

De acordo com o 3GPP Release 8, a rede LTE original suporta configurações 4×4 MIMO no downlink e configurações 2×2 MIMO no uplink. A configuração 4×4 de downlink significa que quatro elementos de antena no transmissor da estação base enviam o sinal para o telefone móvel, enquanto quatro elementos de antena no receptor do telefone móvel são responsáveis por receber o sinal. A transmissão de uplink é do telefone móvel de volta para a estação base.

As redes LTE-Advanced e LTE-Advanced Pro utilizam configuração 8×8 MIMO no downlink e configuração 4×4 MIMO no uplink. Em resumo, MIMO e carrier aggregation desempenham papéis únicos e cruciais nas redes celulares modernas, proporcionando em conjunto aos usuários uma experiência de comunicação mais rápida e estável. Nas redes 5G (NR), é adotado um MIMO avançado chamado Massive MIMO, que utiliza configuração superior e MIMO multiusuário. O Massive MIMO tornou-se um facilitador chave e componente fundamental do 5G de ondas milimétricas ultrarrápido.

Não há uma definição fixa para determinar quantas antenas devem ser consideradas como Massive MIMO, mas sistemas com mais de 8×8 antenas são geralmente considerados sistemas Massive MIMO, sendo que o número 8×8 se refere a 8 antenas transmissoras e 8 antenas receptoras. Em geral, MIMO atua como uma tecnologia de antena e tem uma ênfase diferente de carrier aggregation.

Carrier aggregation foca na combinação de portadores de frequência, enquanto MIMO aumenta a taxa de dados para usuários de telefones móveis multiplexando espacialmente os portadores de frequência existentes de forma mais eficiente. Carrier aggregation combina múltiplos portadores de frequência para alocar uma largura de banda maior aos telefones móveis. Mas MIMO utiliza um grande número de elementos de antena no transmissor para enviar múltiplos fluxos de dados paralelos ao receptor. Os receptores MIMO também são equipados com múltiplos elementos de antena para receber esses fluxos de dados, e a saída do dispositivo do usuário é criada combinando vários fluxos de dados. Dessa forma, cada fluxo de dados atua como um canal virtual entre a estação base e o equipamento do usuário.