LTE: Evoluo das Redes Mveis
A real histria do telefone mvel, tambm conhecido como celular,
comeou em 1973, quando foi efetuada a primeira chamada de um
telefone mvel para um telefone fixo. Foi a partir de Abril de 1973
que todas as teorias comprovaram que o celular funcionava
perfeitamente, e que a rede de telefonia celular sugerida em 1947
foi projetada de maneira correta. Este foi um momento no muito
conhecido, mas certamente foi um fato marcado para sempre e que
mudou totalmente a histria do mundo.Inicialmente, os sistemas mveis
tinham como objetivo alcanar uma grande rea de cobertura atravs de
um nico transmissor de alta potncia, e utilizavam a tcnica de
acesso conhecida comoFrequency Division Multiple Access (FDMA),
onde cada usurio era alocado em uma frequncia distinta. Embora essa
abordagem gerasse uma cobertura muito boa, o nmero de usurios era
limitado. Como exemplo da baixa capacidade, pode-se citar o sistema
mvel da Bell em Nova Iorque, em 1970: o sistema suportava um mximo
de apenas doze chamadas simultneas em uma rea de mais de dois mil
quinhentos e oitenta quilmetros quadrados. Dado o fato de que as
agncias de regulamentao dos governos no poderiam realizar alocaes
de espectro na mesma proporo do aumento da demanda de servios
mveis, ficou bvia a necessidade de reestruturao do sistema de
telefonia por rdio para que se obtivesse maior capacidade com as
limitaes de espectro disponvel e, ao mesmo tempo, provendo grandes
reas de cobertura. (AL-SHAHRANI, Abdurrhman; AL-OLYANI, Hammod,
2009).O conceito celular foi uma grande descoberta na soluo do
problema de congestionamento espectral e limitao de capacidade de
usurios que havia em sistemas de comunicaes mveis at ento. O
Federal Communication Commission (FCC) rgo americano regulamentador
de telecomunicaes, em uma regulamentao de 22 de Junho de 1981
definiu o sistema celular como:Um sistema mvel terrestre de alta
capacidade no qual o espectro disponvel dividido em canais que so
reservados, em grupos, a clulas que cobrem determinada rea
geogrfica de servio. Os canais podem ser reusados em clulas
diferentes na rea de servio. (RODRIGUES, 2000).As tecnologias de
telefonia celular so classificadas em geraes e sua evoluo
apresentada na figura 1 a seguir.
Figura 1: Evoluo da tecnologia celularFonte: SILVA, 2010Primeira
GeraoCom a inveno dos microprocessadores e a concepo da comunicao
celular nas dcadas de 70 e 80, a primeira gerao das comunicaes
mveis nascia. Estes sistemas eram essencialmente analgicos e
utilizavam o FDMA para se comunicar e foi projetado para trafegar
somente voz. Os primeiros sistemas desenvolvidos foram oNordic
Mobile Telecomunications (NMT),Advanced Mobile Phone Service
(AMPS),Total Access Comunications System (TACS),Extended Total
Access Comunications System (ETACS), C450 e o Radicom 2000.
(AL-SHAHRANI, Abdurrhman; AL-OLYANI, Hammod, 2009).De acordo com
AL-SHAHRANI e AL-OLYANI (2009) o NMT foi o primeiro sistema celular
analgico que comeou a ser operado na Escandinvia em 1979.
Inicialmente utilizava a banda de 450 MHz e um pouco mais tarde foi
nomeado NMT450. Devido a necessidade de mais capacidade, o sistema
adotou a banda de 900 MHz e ficou conhecido como NMT900. O AMPS foi
introduzido nos EUA em 1978 pelos laboratrios Bell e comeou
efetivamente a ser operado em 1983 em Chicago. O TACS teve inicio
em UK em 1982. Os sistemas celulares conhecidos como C-450 (operava
na banda de 450 MHz) e o Radicom 2000 (operava na banda de 200 MHz)
foram introduzidos na Alemanha e na Frana respectivamente em
1985.Estes sistemas possuam inmeros problemas como limitao de
capacidade, terminais de usurios grandes e pesados,
incompatibilidade entre os sistemas, as interfaces no eram
padronizadas, baixa qualidade nas ligaes e no havia nenhum tipo de
segurana na transmisso das informaes. Os principais sistemas
desenvolvidos na 1 gerao so comparados na tabela 1 a seguir:Tabela
1: Sistemas mveis de 1 geraoPARMETROS DO SISTEMAAMPS(EUA)TACS(REINO
UNIDO)NMT(ESCANDI-NVIA)C450(ALEMANHA, OCIDENTAL)NTT(JAPO)
Frequncia de transmisso (MHz)- base-
mvel870890825845935960890915463-467,5453-457,5461,3-465,74451,3-455,74870-885925-940
Espaamento entre banda de transmisso e recepo
(MHz)4545101055
Largura de canal (kHz)3025252025
Nmero de canais666 (NES) / 832 (ES)1000180222600
Raio de Cobertura da Base (km)2 - 252 201,8 405 305 (urbano)10
(suburbano)
Sinal de udio- modulao- f mximo (kHz)FM12FM9,5FM5FM4FM5
Sinais de controle- modulao- f
(kHz)FSK8FSK6,4FSK3,5FSK2,5FSK4,5
Taxa de transmisso de dados (kbps)1081,25,280,3
Fonte: SILVA, 2010Segunda geraoDevido a necessidade de
padronizao para o sistema celular Europeu e a crescente demanda
pelo servio mvel, foi necessrio dar incio ao desenvolvimento de
sistemas digitais. Os sistemas de 2 gerao comearam a ser
efetivamente utilizados no incio de 1990 e foi impulsionado pelo
avano da tecnologia dos circuitos integrados que permitiram a
efetiva utilizao da transmisso digital.Estes sistemas, alm de
possibilitar uma maior capacidade, ofereciam as seguintes vantagens
sobre os analgicos: Tcnicas de codificao digital de voz mais
poderosas Maior eficincia espectral Melhor qualidade nas ligaes
Trfego de dados na rede Criptografia da informao transmitidaComo
resultados deste esforo surgiram os sistemas conhecidos como GSM,
CT-2 e DECT na Europa, oTime Division Multiple Acess (TDMA, tambm
conhecido como IS-54 e IS-136), oCode Division Multiple Access(CDMA
IS-95) nos EUA e oPersonal Digital Cellular(PDC) no Japo. (CASTRO,
2009).A tabela 2 apresenta as principais caractersticas de cada
tecnologia:Tabela 2: Sistemas mveis de 2 geraoPARMETROS DO
SISTEMAIS-54IS-136(EUA)GSM(EUROPA)IS-95(EUA)CT-2(EUROPA, SIA)CT-3,
DCT-900(SUCIA)DECT(EUROPA)
Tcnica de acessoTDMATDMACDMAFDMATDMATDMA
Uso principalcelularcelularcelularcordlesscordlesscelular /
cordless
Frequncia de transmisso (MHz)- base-
mvel86989482484993596089091517101785180518808698948248498648688628661800-1900
Tcnica de duplexaoFDDFDDFDDTDDTDDTDD
Largura de canal (kHz)30200125010010001728
Modulao/4 DQPSKGMSKBPSK / QPSKBFSKGMSKGMSK
Potncia mxima / mdia (mW)600 / 2002000 / 12560010 / 580 / 5250 /
10
Controle de potncia- base-
mvelsimsimsimsimsimsimnononononono
Codificao de vozVSELPRPE-LTPQCELPADPCMADPCMADPCM
Taxa de codificao de voz (kbps)7,95138(varivel)323232
N de canais de voz por portadora38-1812
Taxa de transmisso do canal (kbps)48,6207,833-726401152
Tamanho do quadro (ms)404,6152021619
Fonte: SILVA, 2010Gerao 2.5A principal caracterstica destes
sistemas foi a possibilidade de solucionar os problemas de
capacidade enfrentados pelos sistemas anteriores. Vrias tecnologias
foram desenvolvidas para este fim como oHigh Speed Circuit Switched
Data (HSCSD),Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE)e
oGeneral Purpose Radio Services (GPRS).Segundo AL-SHAHRANI e
AL-OLYANI (2009) o GPRS permite taxa de dados de 115 Kbps e a
utilizao de cdigos para correo de erros. Esta tecnologia baseada na
comutao por pacotes, o que torna o uso eficiente da largura de
banda disponvel com taxas de bits varivel. apropriado para servios
que utilizam transmisso por rajadas, devido a sua capacidade de
alocar dinamicamente os recursos.O EDGE representa uma fcil evoluo
do padro GSM / GPRS rumo terceira gerao, possibilitando maiores
taxas de dados, usando a mesma portadora de 200KHz. As alteraes na
rede so mnimas, com foco nas caractersticas de modulao e na
implementao de nova codificao e decodificao do sinal, associadas
com adaptaes do sinal e envio de redundncia de informao que
aumentam a eficincia da utilizao do espectro. Uma das principais
caractersticas do EDGE esta no seu baixo custo de implantao, pois
sua implementao feita atravs da atualizao de software dasbase
transceiver station (BTS).Terceira GeraoO incio dos estudos sobre
os sistemas de terceira gerao foi marcado por uma indeciso mantida
por duas correntes: uma defendia a criao de um nico padro mundial
enquanto a outra defendia a evoluo das redes e sistemas atuais de
forma a atender aos requisitos definidos a partir da viso 3G.
Apesar de ambas as alternativas possibilitarem a economia de escala
de fabricao para os componentes do sistema, a segunda teve maior
fora, pois tambm permitia que os macios investimentos j realizados
pelas operadoras na implantao das redes e pelos fabricantes em
processo de fabricao e etapas de desenvolvimento de produtos em
todo o mundo fossem de certa forma protegidos.Os sistemas 3G provm
diversas vantagens em comparao a seus antecessores, pois alm de
oferecer servios de telefonia e comunicao de dados com altas taxas
detroughput, possui maior imunidade a interferncias. Os principais
padres desenvolvidos so: UMTS: termo adotado para designar o padro
de 3 Gerao estabelecido como evoluo para operadoras de GSM e que
utiliza como interface rdio o WCDMA ou o EDGE. Esta tecnologia foi
desenvolvida para prover servios com altos nveis de consumo de
banda, como streaming, transferncia de grandes arquivos e
videoconferncias para uma grande variedade de aparelhos como
telefones celulares, PDAs e laptops. Possui taxas de transmisso que
variam de 144 Kbps a 2Mbps, que dependem diretamente do ambiente e
da mobilidade do usurio. Evolution Data-Optimized(CDMA 1xEV-DO): O
CDMA 1xEV-DO a evoluo do CDMA (IS-95), e possui alta performance
para transmisso de dados com picos de at 2,4 Mbps. Portadoras
distintas so necessrias para dados e voz neste sistema.
Ouplinkpermanece praticamente inalterado em comparao com o
CDMA2000, mas nodownlinkesta tecnologia utiliza a tcnica TDMA.
Opera em 800 e 1900MHz. HSPA: o resultado da utilizao de dois
protocolos de telefonia mvel, oHigh Speed Downlink Packet Access
(HSDPA)e doHigh Speed Uplink Packet Access (HSUPA). Ele amplia e
melhora o desempenho dos protocolos WCDMA existentes com taxa de
dados que podem chegar at 14 Mbps nodownlinke 5.8 Mbps
nouplink.LTE: Conceitos de Transmisso e Recepo
Multiple Input Multiple Output (MIMO)Nos ltimos anos, a
tecnologia MIMO surgiu como uma das abordagens mais promissoras
para alcanar maiores taxas de dados em sistemas celulares. Um
sistema MIMO corresponde a um conjunto de antenas na transmisso e
na recepo, caracterizando um sistema que utiliza diversidade
espacial (3G Americas, 2009).Esta tcnica associada a outras, como
modulao de alta ordem, antenas adaptativas e poderosos DSPs
(Digital Signal Processor) garantem as altas taxas exigidas pelo
padro LTE. Este conceito vem sendo padronizado pelo 3GPP, e agora
vem se tornando um fator determinante para as novas tecnologias
mveis devido as altas taxas dedownlinkeuplinkexigidas. A figura 2
apresenta um tpico sistema MIMO utilizando a configurao 2x2.
Figura 2: Sistema MIMO 2x2Fonte: 3G Americas, 2009O 3GPP
padroniza as tcnicas de transmisso para o LTE utilizando a
tecnologia MIMO apresentadas a seguir.Codificao espao-tempoNeste
caso o sistema MIMO fornece ganho de diversidade para combater o
desvanecimento do sinal causado por multi-percurso. Neste sistema,
feito uma cpia do sinal, porm eles so codificados de formas
diferentes e so enviados simultaneamente por diferentes antenas. O
fato de enviar a mesma quantidade de dados por diferentes fontes ao
mesmo tempo aumenta a fora total do sinal enviado. A figura 3
apresenta um sistema MIMO utilizando a codificao espao-tempo.
Figura 3: Codificao espao-tempoFonte: 3G Americas, 2009O LTE
ainda utiliza outra tcnica similar a codificao espao-tempo
conhecida comoSpace Frequency Block Coded (SFBC). Este sistema
tambm proporciona ganho de diversidade, porm necessita apenas de
uma antena na recepo. Isto ocorre, pois alm de realizar a cpia do
sinal e codifica-los de forma diferente, eles so transmitidos em
frequncias distintas. (3G Americas, 2009)Multiplexao espacialOs
sinais so enviados em vrios feixes, que exploram o ambiente para
alcanar o destino. Esse recurso utilizado considerando as mudanas
de direo do sinal quando este colide e desvia nos vrios obstculos
que podem existir no caminho entre o emissor e o receptor conforme
apresentado na figura 4. As mudanas de percurso podem gerar atrasos
em partes do sinal, que so compensados por algoritmos sofisticados
utilizados nas antenas receptoras, que fazem os clculos baseando-se
na reflexo sofrida pelo sinal ao longo do seu percurso. O receptor
possui filtros que so capazes de recuperar o sinal original aps a
chegada atravs do tratamento de todos os feixes enviados pela
fonte.
Figura 4: Multiplexao espacialFonte: 3G Americas, 2009O MIMO
ainda pode ser classificado comoMulti-UserMIMO (MU-MIMO) ouSingle
UserMIMO (SU-MIMO). A principal diferena entre eles que no SU-MIMO
um nico usurio transmite os dados para o receptor enquanto no
MU-MIMO vrios usurios transmitem os dados para o receptor
simultaneamente. Estes recursos esto disponveis tanto
nodownlinkquanto para ouplink. Apesar de ser suportado, o SU-MIMO
no indicado para uso nouplinkdevido a complexidade e aumento do
custo no equipamento do usurio.Modulao OFDMAO OFDM tem se tornado
uma das principais tcnicas utilizadas por tecnologias sem fio
devido as suas propriedades como tolerncia contra interferncia
inter-simblica e boa eficincia espectral. Esta tcnica tem sido
desenvolvida desde os anos 60, e uma de suas principais
caractersticas o baixo custo de implantao.O OFDM uma tcnica baseada
na Modulao por Multi Portadoras (MCM Multi Carrier Modulation) e na
Multiplexao por Diviso de Frequncia (FDM Frequency Division
Multiplex) e pode ser considerada como um mtodo de modulao ou de
multiplexao. Basicamente a modulao por multi-portadoras divide a
banda do sinal em portadoras paralelas que so chamadas
subportadoras. Diferentemente dos sistemas tradicionais MCM, que
utilizam subportadoras no sobrepostas, o OFDM utiliza subportadoras
que so matematicamente ortogonais entre si, isto permite que cada
informao possa ser enviada por subportadoras sobrepostas, onde cada
uma delas pode ser extrada individualmente (AL-SHAHRANI,
Abdurrhman; AL-OLYANI, Hammod, 2009). Essa propriedade ajuda a
reduzir interferncias causadas por portadoras vizinhas e faz com
que sistemas que utilizam o OFDMA possuam melhor eficincia
espectral com relao a outros sistemas, conforme apresentado na
figura 5:
Figura 5: Espectro de frequncia do FDM tradicional e do
OFDMFonte: AL-SHAHRANI e AL-OLYANI, 2009Para o LTE, o OFDM divide a
banda de frequncia da portadora em pequenas subportadoras espaadas
de 15kHz, e modula cada uma individualmente usando QPSK, 16QAM ou
64 QAM. H uma pequena diferena entre o OFDM e o OFDMA, pois no
primeiro caso a banda de frequncia destinada a um nico usurio
enquanto no segundo caso vrios usurios compartilham a banda ao
mesmo tempo conforme mostrado na figura 6. A diviso dos canais em
pequenos subcanais ajuda o OFDM a combater o efeito de
desvanecimento seletivo.
Figura 6: Diferena entre OFDM e OFDMAFonte: ANRITSU,
2010.Modulao SC-FDMAVrias alternativas continuam a ser estudas
pelos rgos responsveis pela padronizao do LTE para utilizar o
melhor esquema de transmisso para ouplink. Apesar de o OFDMA
atender aos requisitos dedownlink, suas propriedades so menos
favorveis para ouplink, principalmente devido ao desvanecimento do
parmetro chamadoPeak to Average Power Ratio (PAPR)nouplink.Assim, o
esquema de transmisso parauplinkLTE em FDD e TDD o modo baseado em
SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) com
prefixo cclico. A utilizao deste mtodo tem como objetivos melhorar
o desempenho em comparao a sinais OFDMA e a reduo de custos nos
projetos dos amplificadores utilizados pelo UE.H diferentes formas
para se gerar um sinal SC-FDMA. O modo conhecido comoDiscret
Fourier Transform - spread - OFDM (DTF-s-ODFM)foi escolhido para
aEvolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN). Seu
princpio de funcionamento ilustrado na figura 7.Figura 7: Diagrama
de bloco do DFT-s-OFDMFonte: Rohde & Schwarz, 2009.Inicialmente
o fluxo de dados convertido de serial para paralelo. Cada bit
modulado e transformado do domnio do tempo para o domnio da
frequncia atravs da Transformada Rpida de Fourier (FFT) e o
resultado mapeado nas subportadoras disponveis. Aps o sinal ser
submetido a Transformada Inversa de Fourier (IFFT) adicionado o
prefixo cclico, que utilizado como um tempo de guarda entre os
smbolos. Ao final do processo o sinal convertido novamente de
paralelo para serial. (Rohde & Schwarz, 2009).O DFT-s-OFDMA a
diferena fundamental entre a gerao de sinal do SC-FDMA e do OFDMA.
Em um sinal SC-FDMA, cada subportadora utilizada para transmisso
contm informao de todos os smbolos modulados transmitidos. Em
contrapartida, cada subportadora com um sinal OFDM carrega
informaes relacionadas a um smbolo especfico.LTE: Conceitos de
Rede
O LTE a nova gerao das redes mveis que foi padronizada pelo
3GPP. Inicialmente projetada para prover servios de dados,
espera-se que esta rede melhore substancialmente othroughputdo
usurio, a capacidade do setor e reduza a latncia do plano do usurio
trazendo uma nova experincia com total mobilidade. Esta tecnologia
est programada para fornecer suporte ao trfego baseado em IP com
QoS fim-a-fim.Ao contrrio do HSPA, que foi acomodado dentro da
arquitetura UMTS Release 99, o 3GPP est especificando um novo ncleo
baseado em comutao por pacotes, o EPC, para apoiar a E-UTRAN atravs
de uma reduo no nmero de elementos de rede, melhorar a redundncia e
permitir conexes com outros servios.Os principais objetivos desta
tecnologia so o esforo para minimizar a complexidade do sistema e
dos equipamentos dos usurios, permitir a distribuio flexvel do
espectro atravs de novas frequncias ou das faixas j utilizadas e
permitir a coexistncia desta rede com outras redes j implantadas
como o GSM e o WCDMA alm de oferecer altas taxas
dedownlinkeuplink.O LTE apresenta requisitos de desempenho
agressivos, que dependem de outras tecnologias como o OFDMA e MIMO
para alcanar os seus objetivos. A tabela 3 apresenta um resumo
sobre as principais caractersticas desta rede:Tabela 3: Principais
caractersticas do LTEPRINCIPAIS CARACTERSTICAS LTE
Pico da taxa de dadosDL: 100 Mbps UL:50 Mbps (para o espectro de
20 MHz)
Suporte a MobilidadeA eficincia mxima encontra-se nas baixas
velocidades 0-15 Km/h, mas pode chegar at a 500 Km/h.
Latncia para o Plano de Controle< 100 ms (do modo idle para
ativo)
Latncia para o Plano de Usurio< 5 ms
Capacidade do Plano de Controle> 200 usurios por clula (para
o espectro de 5 MHz)
Cobertura (tamanho das clulas)5 -100Km com pequena degradao aps
os 30 Km
Espectro1.25, 2.5, 5, 10, 15 e 20 MHz.
Fonte: 3GPP, 2010A seguir sero descritos os principais elementos
da rede, protocolos e funcionalidades que compem o LTE.TopologiaA
figura 8 apresenta a topologia de rede utilizada pelo LTE:
Figura 8: Topologia LTEFonte: DVILA, 2009De acordo com Davila
(2009), as principais diferenas na arquitetura LTE em comparao com
as releases anteriores esto na supresso do RNC e no sistema baseado
em IP. A rede possui 4 grandes domnios que esto divididos em: User
Equipament (UE): dispositivo de acesso do usurio. E-UTRAN: composta
de uma redemeshde eNodeBs que se comunicam atravs da interface X2.
A eNodeB contm as camadas fsica (PHY),Medium Accesss Control
(MAC),Radio Link Control (RLC)e o protocolo de controle de pacotes
de dados. Ainda inclui a funcionalidade de compresso de cabealho,
criptografia, gesto de recursos do rdio, controle de admisso,
negociao de QoS nouplinke broadcast contendo informaes da clula.
EPC: nele esto contidos os principais elementos da rede. Eles
desempenham as principais funes do sistema e so definidos como: MME
(Mobility Management Entity): o principal elemento de controle no
EPC. Entre as suas funes esto autenticao, segurana, gerenciamento
de mobilidade, gerenciamento de perfil do usurio, conexo e
autorizao de servios. S-GW (Serving Gateway): este elemento faz o
roteamento dos pacotes de dados dos usurios entre a rede LTE e
outras tecnologias como o 2G / 3G utilizando a interface S4.
Gerencia e armazena informaes do UE como parmetros de servios IP
suportados e informaes sobre o roteamento interno dos pacotes na
rede. P-GW (Packet Data Network Gateway): o roteador de borda entre
o EPC e redes de pacotes externas. Realiza a filtragem e controle
de pacotes requeridos para os servios em questo. Tipicamente, o
P-GW aloca endereos IP para os equipamentos dos usurios para que
eles possam se comunicar com outros dispositivos localizados em
redes externas. PCRF (Policy and Charging Resource Function):
elemento de rede responsvel pelo PCC Poltica e Controle de Carga.
Prov o QoS adequado para que os servios solicitados possam utilizar
os recursos apropriados. HSS (Home Subscriber Server): banco de
dados de registro do usurio. Executa de fato, funes equivalentes s
do HLR, AuC e EIR definidos nas releases anteriores. Servios: prov
a interligao do LTE com outras redes.Esta arquitetura permite uma
drstica reduo de custos referentes a operao e aquisio de
equipamentos, uma vez que o E-UTRAN pode ser compartilhado por
vrias operadoras enquanto no EPC cada uma possui equipamentos
prprios e define a sua prpria topologia e os seus elementos de
ncleo da rede com MME, S-GW e P-GW.Pilha de Protocolos LTENesta seo
sero apresentadas as funes dos diferentes protocolos e sua
localizao na arquitetura LTE. Eles esto dispostos de acordo com a
figura 9.
Figura 9: Diagrama da rede LTEFonte: ANRITSU, 2010No plano de
controle, o protocoloNon-Access Stratum (NAS), que funciona entre o
MME e a UE, utilizado para fins de controle, tais como conexo de
rede, autenticao e gesto de mobilidade. Todas as mensagens NAS so
cifradas e sua integridade garantida pelo MME e UE.A camadaRadio
Resource Control (RRC)na eNodeB toma decises dehandovercom base em
medies do nvel de sinal das clulas vizinhas que so enviadas pelo
UE. Alm desta funo esta camada ainda envia mensagens de broadcast
contendo informaes do sistema e controla as medies dos parmetros do
UE como a periodicidade doChannel Quality Information (CQI).No
plano de usurio, a camadaPacket Data Control Protocol (PDCP)
responsvel pela compresso / descompresso dos cabealhos dos pacotes
IP dos usurios atravs doRobust Header Compression (ROHC). Este
artifcio permite uma eficiente utilizao da largura de banda na
interface area. Esta camada realiza tambm a criptografia dos dados
tanto no plano do usurio quanto no plano de controle.A camada RLC
utilizada para formatar e transportar os dados entre a UE e a
eNodeB. Esta camada oferece trs modos diferentes de confiabilidade
para o transporte de dados, o Modo Reconhecido (AM - Acknowledged
Mode), Modo No Reconhecido (UM - Unacknowledged Mode) ou Modo
Transparente (TM Transparent Mode). O modo UM adequado para o
transporte de servios em tempo real, pois eles so susceptveis ao
atraso e no permitem retransmisses. O modo AM por outro lado,
adequado para servios que no so transmitidos em tempo real, como
arquivos para download. O modo TM utilizado quando o tamanho dos
quadros j so previamente conhecidos, como a mensagem de broadcast
contendo informaes do sistema. A RLC tambm oferece a entrega
sequencial dasService Data Units (SDUs)para as camadas superiores
eliminando as informaes duplicadas. De acordo com as condies do
canal rdio, esta camada pode segmentar as SDUs.Existem dois nveis
de re-transmisses para fornecer confiabilidade,Hybrid Automatic
Repeat reQuest (HARQ)na camada MAC e ARQ externa na camada RLC, que
funciona como um complemento para tratar os erros residuais que no
so corrigidos pelo HARQ. Vrios processos do tipo stop-and-wait so
empregados pelo HARQ para garantir uma retransmisso assncrona
nodownlinke uma retransmisso sncrona nouplink. Retransmisses
sncronas significam que os blocos HARQ ocorrem em um intervalo de
tempo peridico pr-definido, desta forma nenhuma sinalizao necessria
para indicar ao receptor a retransmisso dos dados. J o HARQ
assncrono oferece a possibilidade de programar a retransmisso dos
dados baseado nas condies da interface area. As figuras 10 e 11
mostram a estrutura da camada 2 parauplinkedownlinkrespectivamente.
As camadas PDCP, RLC e MAC constituem a camada 2.Figura 10:
Estrutura da camada 2 para downlinkFonte: MOTOROLA, 2009.Figura 11:
Estrutura da camada 2 para uplinkFonte: MOTOROLA, 2009Canais e
Sinalizaes do LTECanais FsicosSegundo Anritsu (2010) o E-UTRAN foi
desenvolvido com o conceito de rede baseada totalmente em IP. Uma
das principais consequncias desta mudana a substituio dos elementos
que utilizam a comutao por circuito por elementos baseados na
comutao por pacote. No entanto o uso de canais compartilhados e
canais de broadcast que j foram introduzidos pelo 3GPP nas releases
anteriores (ex: HSDPA, HSUPA e MBMS) so reutilizados no LTE. Esta
tecnologia no faz uso dos canais dedicados, cuja funo transportar
os dados de um usurio especfico. Isto incrementa eficincia na
interface area, pois a rede pode controlar a utilizao dos recursos
em tempo real de acordo com a demanda, e no h mais necessidade de
se definir nveis fixos de recursos para cada usurio.Os canais de
rdio do LTE esto separados em dois tipos, os canais fsicos e os
sinais fsicos. Os canais fsicos correspondem a um conjunto de
elementos que transportam as informaes provenientes das camadas
mais altas (NAS). Os sinais fsicos so utilizados somente pela
camada fsica (PHY) e no carregam nenhum tipo de informao das
camadas mais altas. (Anritsu, 2010).Os canais fsicos podem ser
classificados como canais dedownlinkouuplinke esto dispostos
conforme apresentado abaixo:
Figura 12: Disposio dos canais fsicosDownlinkOs canais fsicos
dodownlinkso apresentados a seguir: Physical Broadcast Channel
(PBCH): A cada 40 ms o canal PBCH envia informaes sobre o sistema
para que o UE possa se conectar a rede. Physical Control Format
Indicator Channel (PCFICH): Informa para o UE o nmero de smbolos
OFDM utilizados para transmitir o canal de controle PDCCH. Este
canal transmitido em todos os frames e utiliza modulao QPSK.
Physical Downlink Control Channel (PDCCH): Os UEs obtm os recursos
de alocao para ouplinkedownlinkatravs deste canal. Physical
Downlink Shared Channel (PDSCH): mapeado no canal de transporte
DL-SCH e contm os dados dos usurios. Physical Multicast Channel
(PMCH):Carrega informaes de multicast que so enviadas a mltiplos
UEs simultaneamente. Assim como o PDSCH, este canal possui vrias
opes de modulao incluindo QPSK, 16-QAM ou 64-QAM.Sinais FsicosOs
sinais fsicos dodownlinkso apresentados a seguir: Reference Signal
(RS): Os UEs utilizam o RS para estimar o canal dedownlink. O RS o
produto de uma sequncia ortogonal e uma sequncia pseudo-aleatria. A
especificao do 3GPP identifica 504 possibilidades de sequncia para
este sinal. Synchronization Signal (P-SS e S-SS): Os UEs utilizam
oPrimary Synchronization Signal (P-SS)e oSecondary Synchronization
Signal (S-SS)para sincronizar os frames e para requisitar informaes
como frequncia e ID da clula.UplinkOs canais fsicos douplinkso
apresentados a seguir: Physical Uplink Control Channel (PUCCH):
Este canal transporta informaes de controle como o CQI, ACK/NACK em
resposta as transmisses dedownlinke agendamentos de pedidos
deuplink. Physical Uplink Shared Channel (PUSCH): mapeado no canal
de transporte UL-SCH e contm os dados dos usurios. Physical Hybrid
ARQ Indicator Channel (PHICH): Carrega as informaes ACK/NACK em
resposta as transmisses deuplink. Physical Random Access Channel
(PRACH): Este canal utilizado para funes de acesso aleatrio.Sinais
FsicosOs sinais fsicos douplinkso: Demodulation Reference Signal;
Sounding Reference Signal.Canais de TransporteH um esforo
significativo por parte dos rgos reguladores do LTE para
simplificar o mapeamento dos canais de transportes e canais lgicos.
Os canais de transporte se distinguem pelas caractersticas com o
qual os dados so transmitidos atravs da interface rdio. A camada
MAC responsvel por mapear os canais de transporte nos canais lgicos
e seleciona o formato de transporte mais adequado (Motorola,
2009).Assim como os canais fsicos os canais de transporte podem ser
classificados como canais dedownlinkouuplinkconforme apresentados a
seguir:
Figura 13: Disposio dos canais de transporteDownlinkOs canais de
transporte dodownlinkso apresentados a seguir: Broadcast Channel
(BCH): caracterizado pelo formato pr-definido de transporte. Este
canal carrega as informaes de broadcast em uma rea definida pela
cobertura de uma clula. Downlink Shared Channel (DL-SCH): Prov
suporte para o HARQ e para o link adaptativo dinmico, este parmetro
possibilita a variao da modulao, da codificao e da potncia
transmitida. Pode ser utilizado como canal de broadcast no interior
da clula. Paging Channel (PCH): Prov suporte para a recepo
descontnua, isso permite uma economia no consumo de energia da
bateria do UE. Pode ser utilizado tanto como um canal de trafego
quanto para controle. Multicast Channel (MCH): Utilizado para
enviar informaes multicast para os UEs. Estas mensagens podem ser
enviadas simultaneamente para vrios dispositivos.UplinkOs canais de
transporte dodownlinkso apresentados a seguir: Uplink Shared
Channel (UL-SCH): Prov suporte para o HARQ e para o link adaptativo
dinmico, este parmetro possibilita a variao da modulao, da
codificao e da potncia transmitida. Random Access Channel (RACH):
Canal utilizado para efetuar o acesso ao sistema. Apenas permite o
envio de uma identificao provisria e a razo do acesso.Canais
LgicosEstes canais proveem as funcionalidades requeridas pelas
camadas de nveis superiores para entrega de aplicativos e servios.
Na camada 3 o protocolo NAS utilizado para interligar os canais
lgicos. Eles so mapeados dentro dos canais de transporte na camada
2, atravs do elemento RRC. O gerenciamento dos dados do usurio
feito pelo PDCP na camada 2, o controle e as conexes da camada
fsica feito pelos elementos RLC, MAC e PHY na camada 1 (Motorola,
2009).
Figura 14: Disposio dos canais lgicosNa pilha de protocolos do
LTE os canais de transporte so encapsulados pelos canais lgicos.
Estes canais proveem as funcionalidades para as camadas mais altas
e so especificados em termos dos servios ao qual eles suportam.
Cada canal lgico definido pelo tipo de informao transferida,
geralmente estes canais so divididos em 2 grupos, os canais de
controle (utilizado para transferncia de informao no plano de
controle) e os canais de trfego (utilizado para transferncia de
informao no plano do usurio), conforme apresentado no esquema a
seguir:Canais de ControleOs canais de controle so apresentados a
seguir: Broadcast Control Channel (BCCH): Canal utilizado
nodownlinkpara fazer o broadcast das informaes de controle do
sistema. Paging Control Channel (PCCH): Canal dedownlinkresponsvel
pela transferncia das informaes depaging. utilizado pelo sistema
para que a rede possa localizar em qual clula est o UE. Common
Control Channel (CCCH): Este canal utilizado para obter informaes
de acesso aleatrio. Multicast Control Channel (MCCH): Canal
dedownlinkponto-a-ponto utilizado para transmitir informaes de
controle MBMS da rede para o UE. Este canal utilizado somente por
dispositivos que suportam o MBMS. Dedicated Control Channel (DCCH):
Canal bi-direcional ponto-a-ponto que transmite informaes de
controle dedicadas entre o UE e a rede. Utilizados pelos
dispositivos quando eles fazem uma conexo RRC.Canais de TrfegoOs
canais de trfego so apresentados a seguir: Dedicated Traffic
Channel (DTCH): um canal ponto-a-ponto dedicado para um UE.
utilizado para transferir as informaes do usurio tanto
nodownlinkquanto nouplink. Multicast Traffic Channel (MTCH): um
canal de downlink ponto-a-ponto responsvel pela transmisso do
trfego de dados da rede para o UE. Este canal e utilizado somente
por dispositivos que suportam o MBMS.Mapeamento dos CanaisO
mapeamento dos canais entre as camadas fsica, de transporte e lgica
so representados nas figuras 12 e 13.
Figura 15: Mapeamento dos canais de downlinkFonte: ANRITSU,
2010
Figura 16: Mapeamento dos canais de uplinkFonte: ARITSU,
2010Estrutura de FramePara que o sistema seja capaz de sincronizar
e gerir os diferentes tipos de informaes que trafegam entre a
eNodeB e o UE, o 3GPP padronizou a estrutura de frame utilizada
pelo LTE. Esta estrutura difere entre os modosTime Division Duplex
(TDD)e oFrequency Division Duplex (FDD).De acordo com Anritsu
(2009), cada frame definido em funo da varivel Ts, que a unidade
bsica de tempo utilizada pelo LTE e pode ser descrita como, Ts =
1/(15000 x 2048) = 32,6 nano segundos. Tanto as transmisses
dedownlinkquanto deuplinkso organizadas em frames com durao igual a
Tf = 307200 x Ts, que equivalem a aproximadamente a 10 ms. Cada
frame possui 10 subframes de 1ms e cada subframe dividido em slots
com durao de 0,5 ms.Dois tipos de estrutura de frames so definidos
para o LTE: Tipo 1: utiliza FDD Tipo 2: utiliza TDDPara a estrutura
de frame tipo 1, os frames so divididos em 20 slots de 0,5 ms. Um
subframe consiste de dois slots consecutivos, assim um frame de
rdio contm dez subframes conforme apresentado na figura 17.
Figura 17: Estrutura de frame tipo1Fonte: ANRITSU, 2010Ainda de
acordo com Aritsu (2009), para a estrutura de frame tipo 2, cada
frame de rdio de 10ms constitudo de dois semi-frames de 5 ms de
comprimento onde cada um dividido em 5 subframes de 1ms cada,
conforme apresentado na figura 18. Existem 3 subframes considerados
especiais que so reservados para odownlinkeuplinkrespectivamente.
Estes subframes especiais consistem em 3 campos:Downlink Pilot
Timeslot (DwPTS),Guard Period (GP), eUplink Pilot Timeslot (UpPTS).
Todos os subframes que no so considerados especiais so definidos
como dois slots de durao de 0,5 ms em cada subframe.Figura 18:
Estrutura de frame tipo 2Fonte: ANRITSU, 2010.A figura 18
representa uma transmisso de 5 ms e os campos especiais so
apresentados nos subframes 1 e 6. Para a transmisso de 10ms, os
campos especiais no subframe 6 no so utilizados. Os subframes 0, 5
e o campo DwPTS so sempre reservados para odownlink, j o campo
UpPTS e o subframe que imediatamente procede este campo so
reservados para ouplink.Para o transporte das informaes do usurio,
o LTE utiliza 12 subportadoras espaadas de 15 kHz. Cada bloco
possui o mesmo tamanho para todas as larguras de bandas definidas
para o LTE. Os dados so alocados para o UE atravs dos blocos de
recursos. Cada UE pode ser alocado em vrios blocos de recursos no
domnio da frequncia, onde cada bloco no precisa ser necessariamente
ser adjacente um com o outro conforme apresentado na figura 19. No
domnio do tempo, a deciso de agendamento feita pela eNodeB. O
algoritmo de agendamento deve levar em conta a situao do link de
rdio de diferentes usurios, a situao global de interferncias,
exigncias de QoS, prioridades de servios, etc. (Rohde &
Schawrz, 2009).Figura 19: Alocao dos blocos de recursos para os
usuriosFonte: Silva, 2010O nmero de smbolos OFDM utilizados depende
da configurao do sistema. Para cada smbolo OFDM, um prefixo cclico
(CP) utilizado como banda de guarda. Um slot dedownlink constitudo
de 6 ou 7 smbolos, essa variao se deve ao fato do sistema utilizar
a configurao de prefixo cclico estendido ou prefixo cclico normal
respectivamente. O prefixo Cclico Estendido habilitado para clulas
com grande rea de cobertura e com alto atraso de propagao no canal
de rdio (Anritsu, 2010).A figura 20 apresenta o esquema de
transmisso dos frames tanto para o TDD quanto para o FDD.
Figura 20: Esquema de transmisso FDD e TDDFonte: ANRITSU, 2010O
quadro abaixo apresenta o nmero mximo de Blocos de Recurso
utilizados pelo LTE para as diferentes larguras de banda utilizadas
por este padro:
Quadro 1: Dimensionamento dos Blocos de RecursosFonte: ANRITSU,
2010 possvel estimar a taxa de dados trafegados em 1 bloco de
recursos. Para isso ser considerado que o sistema possui as
seguintes caractersticas: 14 smbolos OFDM por subframe de 1 ms;
Modulao de 64 QAM com 6 bits por smbolo;Ento: x 14 = 84 bits por
subframe de 1ms; 84 bits/ 1ms = 84kbps por subportadora; 12
subportadoras x 84kbps = 1.008 Mbps por bloco de recurso; Utilizado
a banda de 20 MHz temos 100 blocos de recurso disponveis, desta
forma: 100 x 1.008 Mbps = 100.8 Mbps por antena;Utilizando antena
MIMO com configurao 4x4 possvel alcanar taxas de 403.2 Mbps. Na
prtica a taxa mxima alcanada chega a 320 Mbps.
LTE: Voz sobre LTE
Quando se trata de uma nova gerao de servios mveis, os
assinantes provavelmente esperam que os seus dispositivos possam
trabalhar to bem, ou melhor, do que os seus dispositivos atuais
2G/3G. Esta experincia vale tanto para voz quanto para dados e cria
no usurio a expectativa de novos servios gerados por esta nova
tecnologia.Segundo o 3G Americas (2010), a percepo do assinante, o
valor global do servio prestado referido comoQuality of Experience
(QoE). O QoE leva em considerao todos os fatores que contribuem
para a percepo geral do usurio como velocidade, largura de banda,
conjunto de recursos, rea de cobertura, mobilidade, custo,
personalizao e escolha.Para fornecer QoE que atenda as expectativas
do assinante, os fatores a seguir sero considerados crticos para o
sistema LTE: O dispositivo LTE deve prover altas taxas
detroughputcom baixa latncia. O sistema LTE deve prover
caractersticas e funcionalidades equivalentes ou melhores que as
tecnologias anteriores. Chamadas em curso e os recursos utilizados
pelo UE devem ser mantidos enquanto o dispositivo se desloca das
zonas cobertas pelo LTE para as reas de cobertura do 2G/3G. A rede
deve prover interoperabilidade entre as operadoras e proporcionar
capacidade integral de roaming. O sistema deve ser capaz de fazer
distino entre os planos de usurios e prover diferentes taxas de
dados, servios, QoS, etc.Baseado nestas consideraes o LTE no
considerado como a 4 gerao da telefonia mvel, pois, para
simplificar e reduzir os custos de implantao, inicialmente o LTE
foi desenvolvido para oferecer somente servios de dados. Esta
estratgia tem como vantagem a sua rpida implementao sem que haja a
necessidade de se criar uma soluo para o servio de voz. Alm disso,
os operadores podem ganhar experincias operacionais e de implantao
com LTE, antes de adicionar a complexidade da voz e de seus
extensos requisitos regulamentares.A voz ainda uma grade geradora
de receita para as operadoras de telefonia mvel, porm, devido a
grande demanda de usurios por altas taxas de dados, as operadoras
pretendem implantar uma rede de dados de alta capacidade que seja
compatvel com as redes 2G e 3G j implantadas. Com isso os
operadores esperam oferecer altas taxas detroughputcom o LTE e caso
o assinante necessite realizar chamadas de voz, o mesmo seria
comutado para as redes 2G e 3G existentes. Isto feito atravs da
soluo conhecida como CS-Fallback, que a interface entre a rede LTE
e as redes GSM / UMTS (3G Americas, 2010).O CS-Fallback funciona de
duas maneiras: Para fazer chamada, o UE migra para a rede 3G e
procede com a chamada normalmente. Para as chamadas recebidas
inicia-se um procedimento de transio entre as redes LTE e 2G / 3G
para receber as chamadas. Se houver uma sesso de dados ativa, ela
pode ser migrada para a rede 3G.A figura 21 apresenta a arquitetura
de referncia utilizada pelo LTE, onde os elementos da rede so
conectados por interfaces padro. Atravs desta arquitetura possvel
fazer a comutao da rede LTE para as redes 2G/3G para oferecer os
servios de voz e SMS aos usurios. A interface SGs que interliga a
MSC ao MME responsvel por realizar as funes de paginao. A interface
S3 que interliga o MME ao SGSN facilita a continuao de uma sesso
ativa de dados enquanto o usurio migra do LTE para a rede 3G.Figura
21: Arquitetura de referncia LTEFonte: 3G Americas, 2010A interface
SGs tambm pode ser usada para fornecer suporte de SMS sobre a rede
LTE. Um centro de SMS est conectado a MSC 3G atravs de uma
interface padro. O MSC servidor pode entregar as mensagens SMS via
interface SGs ao MME. Para o servio de SMS o sistema no exige uma
MSC completa, necessria apenas uma verso simplificada do MSC
servidor (3G Americas, 2010).Paralelamente aos estudos para se
utilizar as redes sobrepostas, vrias alternativas vm sendo
desenvolvidas para prover servios de voz e SMS sobre o LTE. Dentre
elas destaca-se aVoice Over LTE via Generic Access (VOLGA), que
permite aos operadores implementarem estes servios com base em um
padro existente desenvolvido pelo 3GPP conhecido como Generic
Access Network (GAN). O VOLGA ainda exige que um elemento conhecido
comoVOLGA Access Network Controller (VANC)seja adicionado ao ncleo
das redes GSM / UMTS existentes (3G Americas, 2010).Esta modificao
permite que a rede LTE suporte servios baseados em comutao por
circuito atravs da criao de um tnel IP, que permitir criao da
interface A para fazer a comunicao com o ncelo da rede GSM-UMTS.
Uma preocupao por parte dos operadores e fabricantes quanto a
utilizao desta soluo, est na dificuldade em se realizar o roaming,
pois sem a padronizao das solues de voz utilizadas pelo LTE, esta
se tornaria uma tarefa quase impossvel se ser realizada.LTE:
Consideraes Finais
O LTE est bem posicionado para atender aos requisitos das redes
mveis de prxima gerao tanto para as operadoras existentes que
seguem 3GPP/3GPP2, como para as novas. Com ela, podero ser
oferecidos servios de banda larga mvel de elevado desempenho para o
mercado de massa, por meio de uma combinao de elevadas taxas de bit
ethroughput tanto nouplinkcomo nodownlink com baixa
latncia.Analisando com cuidado as tcnicas apresentadas na escala
evolutiva do 3GPP, observamos a preocupao com dois aspectos
complementares: de um lado a tentativa de aumentar a eficincia
espectral com a adoo de tcnicas de modulao de alta ordem, como o
64QAM e a utilizao de tcnicas de acesso como o OFDMA, e de outro a
tentativa de melhorar o C/I com a adoo de tcnicas como o MIMO, a
diversidade de recepo e o cancelamento sucessivo de interferncia.
Com o aumento de ordem da modulao, tende-se a aumentar a
vulnerabilidade do receptor no caso de ocorrncia de interferncias,
porm isto compensado pelo uso do FDMA. J o MIMO tenta minimizar o
efeito da interferncia percebida, viabilizando o uso mais eficiente
do espectro de frequncia.A infra-estrutura LTE projetada para ser a
mais simples possvel de implementar e operar, por meio de
tecnologia flexvel que pode utilizar vrias faixas de frequncia. O
LTE oferece larguras de banda escalonveis, de menos de 5MHz a
20MHz, com suporte a espectros de FDD e TDD. A arquitetura LTE
reduz o nmero de ns, suporta configuraes flexveis de rede e fornece
um alto nvel de disponibilidade de servio. Alm disso, ter
interoperabilidade com GSM, WCDMA/HSPA, TD-SCDMA e CDMA.Apesar de
no ser considerada efetivamente como uma tecnologia de 4 gerao, o
LTE se apresenta como uma tecnologia promissora que permitir ao
usurio uma experincia real de banda larga mvel. O 3GPP continua a
realizar os estudos para definir os parmetros da 4 gerao das
comunicaes mveis atravs da Release-10 conhecida como LTE Advanced.
Esta tecnologia ir reunir dois aspectos fundamentais da telefonia
mvel: a utilizao de altas taxas de dados com as facilidades
encontradas nas tecnologias que antecedem o LTE como o trfego de
voz e SMS. O LTE estar disponvel no apenas nos telefones mveis de
prxima gerao, mas tambm nos notebooks, cmeras fotogrficas, cmeras
de vdeo, terminais sem fio fixos e outros dispositivos que se
beneficiam da banda larga mvel.Referncias3G Americas.The Mobile
Broadband Evolution: 3GPP Release 8 and Beyond HSPA+, SAE/LTE and
LTE-Advanced. 3G Americas, 2009. 178 p.3G Americas.GSM-UMTS Network
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em:http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialev4g/Default.aspQUALCOMM.LTE:
Uma Soluo OFDMA Otimizada para Espectro com Maior largura de Banda.
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