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1 Introdução ao LTE Long Term Evolution Este tutorial apresenta um estudo do sistema Long Term Evolution (LTE), que é a evolução dos sistemas de terceira geração das comunicações móveis. O objetivo deste estudo é abordar as principais características e as principais alterações dos elementos que compõem esta nova rede. Para isto, inicialmente serão descritos a evolução das redes móveis, as principais tecnologias que darão suporte ao LTE como o MIMO e o OFMA e quais os padrões estão sendo definidos para implementar esta rede. A caracterização do projeto foi feita através de uma investigação exploratória, cujo objetivo é conhecer e compreender como se darão a substituição das redes baseadas em circuitos, por redes totalmente baseadas em pacotes. O tutorial foi preparado a partir do Trabalho Final de Curso Introdução ao LTE Long Term Evolution apresentado ao Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Telecomunicações da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, como requisito para parcial para obtenção do título de Especialista em Sistemas de Telecomunicações. Foi orientador do trabalho o Prof. Ildelano Ferreira e Silva. Marco Antônio F. R. de Almeida Graduado em Engenharia de Telecomunicações pela Universidade FUMEC e Especialista em Sistemas de Telecomunicações pela PUC-MG. Atualmente é Engenheiro de RF na Claro, regional MG, realizando atividades de otimização na rede GSM, analise de viabilidade técnica para instalação de BTS e análise de indicadores de qualidade da rede. Categoria: Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 02/01/2012 1

2 LTE: Introdução A cada dia a necessidade por serviços de banda larga cresce cada vez mais. Segundo Ericsson: Dos estimados 3,4 bilhões de pessoas que terão banda larga até 2014, cerca de 80 por cento serão assinantes de banda larga móvel e a maioria serão servidos por High Speed Packet Access (HSPA) e Long Term Evolution (LTE). (ERICSSON, 2009, tradução nossa). Alguns serviços que há poucos anos eram praticamente inacessíveis à maioria da população e das empresas, hoje são considerados essenciais e se tornaram amplamente difundidos. Serviços como videoconferência, download de vídeos, jogos interativos e Voz sobre IP, que já são considerados por muitos como necessários, devem aumentar cada vez mais a demanda por largura de banda. É com foco neste cenário que o grupo que padroniza o desenvolvimento dos sistemas celulares, o 3rd Generation Partnership Project (3GPP), vem trabalhando para desenvolver padrões que atendam às necessidades das pessoas. Os principais motivos que têm demandado esforço ao comitê são o aumento da velocidade para transferência de dados (chamado throughput), eficiência espectral dos sistemas, e a redução da latência da rede. O 3GPP vem concentrando esforços para desenvolver as redes 3G atuais e alcançar o nível esperado para as redes 4G do futuro próximo. Uma recente padronização do 3GPP é o Long Term Evolution (LTE). Segundo a Qualcomm (2009) esta é uma solução móvel para fornecer altas taxas de dados e para aprimorar a experiência do usuário quanto à utilização de serviços móveis. O LTE é uma evolução paralela que dá continuidade ao histórico 3G de mobilidade e alta eficiência espectral. Concebido para ser uma camada sobreposta às redes 3G existentes, o LTE aumentará efetivamente a capacidade de dados nas densas áreas urbanas com alta demanda. Inicialmente projetada para prover serviços de dados, espera-se que esta rede melhore substancialmente o throughput final do usuário, a capacidade do setor e reduza a latência do plano do usuário, trazendo uma nova experiência com total mobilidade. Esta tecnologia está programada para fornecer suporte ao tráfego baseado em IP com QoS fim-a-fim e conta com o apoio de outras tecnologias como o Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) e Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) para alcançar os objetivos propostos pelo 3GPP. Ao contrário do High Speed Packet Access (HSPA), que foi acomodado dentro da arquitetura Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) Release 99, o 3GPP está especificando um novo núcleo baseado em comutação por pacotes, o Evolved Packet Core (EPC), para apoiar as outras camadas de rede através de uma redução no número de elementos de rede, simplificando a sua arquitetura. Os principais objetivos desta tecnologia são o esforço para minimizar a complexidade do sistema e dos equipamentos dos usuários, permitir a distribuição flexível do espectro através de novas frequências ou das faixas já utilizadas e permitir a coexistência desta rede com outras redes já implantadas como o Global System for Mobile Communications (GSM) e o Wide-Band Code-Division Multiple Access (WCDMA) além de oferecer altas taxas de downlink e uplink. 2

3 LTE: Evolução das Redes Móveis A real história do telefone móvel, também conhecido como celular, começou em 1973, quando foi efetuada a primeira chamada de um telefone móvel 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 não muito conhecido, mas certamente foi um fato marcado para sempre e que mudou totalmente a história do mundo. Inicialmente, os sistemas móveis tinham como objetivo alcançar uma grande área de cobertura através de um único transmissor de alta potência, e utilizavam a técnica de acesso conhecida como Frequency Division Multiple Access (FDMA), onde cada usuário era alocado em uma frequência distinta. Embora essa abordagem gerasse uma cobertura muito boa, o número de usuários era limitado. Como exemplo da baixa capacidade, pode-se citar o sistema móvel da Bell em Nova Iorque, em 1970: o sistema suportava um máximo de apenas doze chamadas simultâneas em uma área de mais de dois mil quinhentos e oitenta quilômetros quadrados. Dado o fato de que as agências de regulamentação dos governos não poderiam realizar alocações de espectro na mesma proporção do aumento da demanda de serviços móveis, ficou óbvia a necessidade de reestruturação do sistema de telefonia por rádio para que se obtivesse maior capacidade com as limitações de espectro disponível e, ao mesmo tempo, provendo grandes áreas de cobertura. (AL-SHAHRANI, Abdurrhman; AL-OLYANI, Hammod, 2009). O conceito celular foi uma grande descoberta na solução do problema de congestionamento espectral e limitação de capacidade de usuários que havia em sistemas de comunicações móveis até então. O Federal Communication Commission (FCC) órgão americano regulamentador de telecomunicações, em uma regulamentação de 22 de Junho de 1981 definiu o sistema celular como: Um sistema móvel terrestre de alta capacidade no qual o espectro disponível é dividido em canais que são reservados, em grupos, a células que cobrem determinada área geográfica de serviço. Os canais podem ser reusados em células diferentes na área de serviço. (RODRIGUES, 2000). As tecnologias de telefonia celular são classificadas em gerações e sua evolução é apresentada na figura 1 a seguir. Figura 1: Evolução da tecnologia celular Fonte: SILVA,

4 Primeira Geração Com a invenção dos microprocessadores e a concepção da comunicação celular nas décadas de 70 e 80, a primeira geração das comunicações móveis nascia. Estes sistemas eram essencialmente analógicos e utilizavam o FDMA para se comunicar e foi projetado para trafegar somente voz. Os primeiros sistemas desenvolvidos foram o Nordic Mobile Telecomunications (NMT), Advanced Mobile Phone Service (AMPS), Total Access Comunications System (TACS), Extended Total Access Comunications System (ETACS), C450 e o Radicom (AL-SHAHRANI, Abdurrhman; AL-OLYANI, Hammod, 2009). De acordo com AL-SHAHRANI e AL-OLYANI (2009) o NMT foi o primeiro sistema celular analógico que começou a ser operado na Escandinávia em 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 laboratórios Bell e começou efetivamente a ser operado em 1983 em Chicago. O TACS teve inicio em UK em 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 França respectivamente em Estes sistemas possuíam inúmeros problemas como limitação de capacidade, terminais de usuários grandes e pesados, incompatibilidade entre os sistemas, as interfaces não eram padronizadas, baixa qualidade nas ligações e não havia nenhum tipo de segurança na transmissão das informações. Os principais sistemas desenvolvidos na 1ª geração são comparados na tabela 1 a seguir: Tabela 1: Sistemas móveis de 1ª geração PARÂMETROS DO SISTEMA AMPS (EUA) TACS (REINO UNIDO) NMT (ESCANDI- NÁVIA) C450 (ALEMANHA, OCIDENTAL) NTT (JAPÃO) Frequência de transmissão (MHz) - base - móvel , ,5 461,3-465,74 451,3-455, Espaçamento entre banda de transmissão e recepção (MHz) Largura de canal (khz) Número de canais 666 (NES) / 832 (ES) Raio de Cobertura da Base (km) , (urbano) 10 (suburbano) Sinal de áudio - modulação FM ±12 FM ±9,5 FM ±5 FM ±4 FM ±5 4

5 - Δf máximo (khz) Sinais de controle - modulação - Δf (khz) FSK ±8 FSK ±6,4 FSK ±3,5 FSK ±2,5 FSK ±4,5 Taxa de transmissão de dados (kbps) Fonte: SILVA, ,2 5,28 0,3 Segunda geração Devido a necessidade de padronização para o sistema celular Europeu e a crescente demanda pelo serviço móvel, foi necessário dar início ao desenvolvimento de sistemas digitais. Os sistemas de 2ª geração começaram a ser efetivamente utilizados no início de 1990 e foi impulsionado pelo avanço da tecnologia dos circuitos integrados que permitiram a efetiva utilização da transmissão digital. Estes sistemas, além de possibilitar uma maior capacidade, ofereciam as seguintes vantagens sobre os analógicos: Técnicas de codificação digital de voz mais poderosas Maior eficiência espectral Melhor qualidade nas ligações Tráfego de dados na rede Criptografia da informação transmitida Como resultados deste esforço surgiram os sistemas conhecidos como GSM, CT-2 e DECT na Europa, o Time Division Multiple Acess (TDMA, também conhecido como IS-54 e IS-136), o Code Division Multiple Access (CDMA IS-95) nos EUA e o Personal Digital Cellular (PDC) no Japão. (CASTRO, 2009). A tabela 2 apresenta as principais características de cada tecnologia: Tabela 2: Sistemas móveis de 2ª geração PARÂMETROS DO SISTEMA IS-54 IS-136 (EUA) GSM (EUROPA) IS-95 (EUA) CT-2 (EUROPA, ÁSIA) CT-3, DCT-900 (SUÉCIA) DECT (EUROPA) Técnica de acesso TDMA TDMA CDMA FDMA TDMA TDMA Uso principal celular celular celular cordless cordless celular / cordless Frequência de transmissão (MHz) - base

6 - móvel Técnica de duplexação Largura de canal (khz) FDD FDD FDD TDD TDD TDD Modulação Potência máxima / média (mw) Controle de potência - base - móvel Codificação de voz Taxa de codificação de voz (kbps) Π/4 DQPSK GMSK BPSK / QPSK 600 / 200 sim sim BFSK GMSK GMSK 2000 / / 5 80 / / 10 sim sim sim sim não não não não não não VSELP RPE-LTP QCELP ADPCM ADPCM ADPCM 7, (variável) Nº de canais de voz por portadora Taxa de transmissão do canal (kbps) Tamanho do quadro (ms) Fonte: SILVA, 2010 Geração ,6 207, , A principal característica destes sistemas foi a possibilidade de solucionar os problemas de capacidade enfrentados pelos sistemas anteriores. Várias tecnologias foram desenvolvidas para este fim como o High Speed Circuit Switched Data (HSCSD), Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE) e o General Purpose Radio Services (GPRS). Segundo AL-SHAHRANI e AL-OLYANI (2009) o GPRS permite taxa de dados de 115 Kbps e a utilização de códigos para correção de erros. Esta tecnologia é baseada na comutação por pacotes, o que torna o uso eficiente da largura de banda disponível com taxas de bits variável. É apropriado para serviços que utilizam transmissão por rajadas, devido a sua capacidade de alocar dinamicamente os recursos. O EDGE representa uma fácil evolução do padrão GSM / GPRS rumo à terceira geração, possibilitando maiores taxas de dados, usando a mesma portadora de 200KHz. As alterações na rede são mínimas, com foco nas características de modulação e na implementação de nova codificação e decodificação do sinal, associadas com adaptações do sinal e envio de redundância de informação que aumentam a eficiência da utilização do espectro. Uma das principais características do EDGE esta no seu baixo custo de implantação, pois sua implementação é feita através da atualização de software das base transceiver station (BTS). 6

7 Terceira Geração O início dos estudos sobre os sistemas de terceira geração foi marcado por uma indecisão mantida por duas correntes: uma defendia a criação de um único padrão mundial enquanto a outra defendia a evolução das redes e sistemas atuais de forma a atender aos requisitos definidos a partir da visão 3G. Apesar de ambas as alternativas possibilitarem a economia de escala de fabricação para os componentes do sistema, a segunda teve maior força, pois também permitia que os maciços investimentos já realizados pelas operadoras na implantação das redes e pelos fabricantes em processo de fabricação e etapas de desenvolvimento de produtos em todo o mundo fossem de certa forma protegidos. Os sistemas 3G provêm diversas vantagens em comparação a seus antecessores, pois além de oferecer serviços de telefonia e comunicação de dados com altas taxas de troughput, possui maior imunidade a interferências. Os principais padrões desenvolvidos são: UMTS: termo adotado para designar o padrão de 3ª Geração estabelecido como evolução para operadoras de GSM e que utiliza como interface rádio o WCDMA ou o EDGE. Esta tecnologia foi desenvolvida para prover serviços com altos níveis de consumo de banda, como streaming, transferência de grandes arquivos e videoconferências para uma grande variedade de aparelhos como telefones celulares, PDAs e laptops. Possui taxas de transmissão que variam de 144 Kbps a 2Mbps, que dependem diretamente do ambiente e da mobilidade do usuário. Evolution Data-Optimized (CDMA 1xEV-DO): O CDMA 1xEV-DO é a evolução do CDMA (IS-95), e possui alta performance para transmissão de dados com picos de até 2,4 Mbps. Portadoras distintas são necessárias para dados e voz neste sistema. O uplink permanece praticamente inalterado em comparação com o CDMA2000, mas no downlink esta tecnologia utiliza a técnica TDMA. Opera em 800 e 1900MHz. HSPA: é o resultado da utilização de dois protocolos de telefonia móvel, o High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) e do High Speed Uplink Packet Access (HSUPA). Ele amplia e melhora o desempenho dos protocolos WCDMA existentes com taxa de dados que podem chegar até 14 Mbps no downlink e 5.8 Mbps no uplink. 7

8 LTE: Conceitos de Transmissão e Recepção Multiple Input Multiple Output (MIMO) Nos últimos anos, a tecnologia MIMO surgiu como uma das abordagens mais promissoras para alcançar maiores taxas de dados em sistemas celulares. Um sistema MIMO corresponde a um conjunto de antenas na transmissão e na recepção, caracterizando um sistema que utiliza diversidade espacial (3G Americas, 2009). Esta técnica associada a outras, como modulação de alta ordem, antenas adaptativas e poderosos DSPs (Digital Signal Processor) garantem as altas taxas exigidas pelo padrão LTE. Este conceito vem sendo padronizado pelo 3GPP, e agora vem se tornando um fator determinante para as novas tecnologias móveis devido as altas taxas de downlink e uplink exigidas. A figura 2 apresenta um típico sistema MIMO utilizando a configuração 2x2. Figura 2: Sistema MIMO 2x2 Fonte: 3G Americas, 2009 O 3GPP padroniza as técnicas de transmissão para o LTE utilizando a tecnologia MIMO apresentadas a seguir. Codificação espaço-tempo Neste caso o sistema MIMO fornece ganho de diversidade para combater o desvanecimento do sinal causado por multi-percurso. Neste sistema, é feito uma cópia do sinal, porém eles são codificados de formas diferentes e são enviados simultaneamente por diferentes antenas. O fato de enviar a mesma quantidade de dados por diferentes fontes ao mesmo tempo aumenta a força total do sinal enviado. A figura 3 apresenta um sistema MIMO utilizando a codificação espaço-tempo. Figura 3: Codificação espaço-tempo Fonte: 3G Americas, 2009 O LTE ainda utiliza outra técnica similar a codificação espaço-tempo conhecida como Space Frequency Block Coded (SFBC). Este sistema também proporciona ganho de diversidade, porém necessita apenas de uma antena na recepção. Isto ocorre, pois além de realizar a cópia do sinal e codifica-los de forma diferente, eles são transmitidos em frequências distintas. (3G Americas, 2009) Multiplexação espacial Os sinais são enviados em vários feixes, que exploram o ambiente para alcançar o destino. Esse recurso é utilizado considerando as mudanças de direção do sinal quando este colide e desvia nos vários obstáculos que podem existir no caminho entre o emissor e o receptor conforme apresentado na figura 4. As mudanças de percurso podem gerar atrasos em partes do sinal, que são compensados por 8

9 algoritmos sofisticados utilizados nas antenas receptoras, que fazem os cálculos baseando-se na reflexão sofrida pelo sinal ao longo do seu percurso. O receptor possui filtros que são capazes de recuperar o sinal original após a chegada através do tratamento de todos os feixes enviados pela fonte. Figura 4: Multiplexação espacial Fonte: 3G Americas, 2009 O MIMO ainda pode ser classificado como Multi-User MIMO (MU-MIMO) ou Single User MIMO (SU-MIMO). A principal diferença entre eles é que no SU-MIMO um único usuário transmite os dados para o receptor enquanto no MU-MIMO vários usuários transmitem os dados para o receptor simultaneamente. Estes recursos estão disponíveis tanto no downlink quanto para o uplink. Apesar de ser suportado, o SU-MIMO não é indicado para uso no uplink devido a complexidade e aumento do custo no equipamento do usuário. Modulação OFDMA O OFDM tem se tornado uma das principais técnicas utilizadas por tecnologias sem fio devido as suas propriedades como tolerância contra interferência inter-simbólica e boa eficiência espectral. Esta técnica tem sido desenvolvida desde os anos 60, e uma de suas principais características é o baixo custo de implantação. O OFDM é uma técnica baseada na Modulação por Multi Portadoras (MCM Multi Carrier Modulation) e na Multiplexação por Divisão de Frequência (FDM Frequency Division Multiplex) e pode ser considerada como um método de modulação ou de multiplexação. Basicamente a modulação por multi-portadoras divide a banda do sinal em portadoras paralelas que são chamadas subportadoras. Diferentemente dos sistemas tradicionais MCM, que utilizam subportadoras não sobrepostas, o OFDM utiliza subportadoras que são matematicamente ortogonais entre si, isto permite que cada informação possa ser enviada por subportadoras sobrepostas, onde cada uma delas pode ser extraída individualmente (AL-SHAHRANI, Abdurrhman; AL-OLYANI, Hammod, 2009). Essa propriedade ajuda a reduzir interferências causadas por portadoras vizinhas e faz com que sistemas que utilizam o OFDMA possuam melhor eficiência espectral com relação a outros sistemas, conforme apresentado na figura 5: Figura 5: Espectro de frequência do FDM tradicional e do OFDM Fonte: AL-SHAHRANI e AL-OLYANI, 2009 Para o LTE, o OFDM divide a banda de frequência da portadora em pequenas subportadoras espaçadas de 15kHz, e modula cada uma individualmente usando QPSK, 16QAM ou 64 QAM. Há uma pequena diferença 9

10 entre o OFDM e o OFDMA, pois no primeiro caso a banda de frequência é destinada a um único usuário enquanto no segundo caso vários usuários compartilham a banda ao mesmo tempo conforme mostrado na figura 6. A divisão dos canais em pequenos subcanais ajuda o OFDM a combater o efeito de desvanecimento seletivo. Figura 6: Diferença entre OFDM e OFDMA Fonte: ANRITSU, Modulação SC-FDMA Várias alternativas continuam a ser estudas pelos órgãos responsáveis pela padronização do LTE para utilizar o melhor esquema de transmissão para o uplink. Apesar de o OFDMA atender aos requisitos de downlink, suas propriedades são menos favoráveis para o uplink, principalmente devido ao desvanecimento do parâmetro chamado Peak to Average Power Ratio (PAPR) no uplink. Assim, o esquema de transmissão para uplink LTE em FDD e TDD é o modo baseado em SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) com prefixo cíclico. A utilização deste método tem como objetivos melhorar o desempenho em comparação a sinais OFDMA e a redução de custos nos projetos dos amplificadores utilizados pelo UE. Há diferentes formas para se gerar um sinal SC-FDMA. O modo conhecido como Discret Fourier Transform - spread - OFDM (DTF-s-ODFM) foi escolhido para a Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN). Seu princípio de funcionamento é ilustrado na figura 7. Figura 7: Diagrama de bloco do DFT-s-OFDM Fonte: Rohde & Schwarz,

11 Inicialmente o fluxo de dados é convertido de serial para paralelo. Cada bit é modulado e transformado do domínio do tempo para o domínio da frequência através da Transformada Rápida de Fourier (FFT) e o resultado é mapeado nas subportadoras disponíveis. Após o sinal ser submetido a Transformada Inversa de Fourier (IFFT) é adicionado o prefixo cíclico, que é utilizado como um tempo de guarda entre os símbolos. Ao final do processo o sinal é convertido novamente de paralelo para serial. (Rohde & Schwarz, 2009). O DFT-s-OFDMA é a diferença fundamental entre a geração de sinal do SC-FDMA e do OFDMA. Em um sinal SC-FDMA, cada subportadora utilizada para transmissão contém informação de todos os símbolos modulados transmitidos. Em contrapartida, cada subportadora com um sinal OFDM carrega informações relacionadas a um símbolo específico. 11

12 LTE: Conceitos de Rede O LTE é a nova geração das redes móveis que foi padronizada pelo 3GPP. Inicialmente projetada para prover serviços de dados, espera-se que esta rede melhore substancialmente o throughput do usuário, a capacidade do setor e reduza a latência do plano do usuário trazendo uma nova experiência com total mobilidade. Esta tecnologia está programada para fornecer suporte ao tráfego baseado em IP com QoS fim-a-fim. Ao contrário do HSPA, que foi acomodado dentro da arquitetura UMTS Release 99, o 3GPP está especificando um novo núcleo baseado em comutação por pacotes, o EPC, para apoiar a E-UTRAN através de uma redução no número de elementos de rede, melhorar a redundância e permitir conexões com outros serviços. Os principais objetivos desta tecnologia são o esforço para minimizar a complexidade do sistema e dos equipamentos dos usuários, permitir a distribuição flexível do espectro através de novas frequências ou das faixas já utilizadas e permitir a coexistência desta rede com outras redes já implantadas como o GSM e o WCDMA além de oferecer altas taxas de downlink e uplink. O LTE apresenta requisitos de desempenho agressivos, que dependem de outras tecnologias como o OFDMA e MIMO para alcançar os seus objetivos. A tabela 3 apresenta um resumo sobre as principais características desta rede: Tabela 3: Principais características do LTE PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS LTE Pico da taxa de dados Suporte a Mobilidade Latência para o Plano de Controle Latência para o Plano de Usuário Capacidade do Plano de Controle Cobertura (tamanho das células) Espectro Fonte: 3GPP, 2010 DL: 100 Mbps UL:50 Mbps (para o espectro de 20 MHz) A eficiência máxima encontra-se nas baixas velocidades 0-15 Km/h, mas pode chegar até a 500 Km/h. < 100 ms (do modo idle para ativo) < 5 ms > 200 usuários por célula (para o espectro de 5 MHz) 5-100Km com pequena degradação após os 30 Km 1.25, 2.5, 5, 10, 15 e 20 MHz. A seguir serão descritos os principais elementos da rede, protocolos e funcionalidades que compõem o LTE. Topologia A figura 8 apresenta a topologia de rede utilizada pelo LTE: 12

13 Figura 8: Topologia LTE Fonte: D ÁVILA, 2009 De acordo com D avila (2009), as principais diferenças na arquitetura LTE em comparação com as releases anteriores estão na supressão do RNC e no sistema baseado em IP. A rede possui 4 grandes domínios que estão divididos em: User Equipament (UE): dispositivo de acesso do usuário. E-UTRAN: é composta de uma rede mesh de enodebs que se comunicam através da interface X2. A enodeb contêm as camadas física (PHY), Medium Accesss Control (MAC), Radio Link Control (RLC) e o protocolo de controle de pacotes de dados. Ainda inclui a funcionalidade de compressão de cabeçalho, criptografia, gestão de recursos do rádio, controle de admissão, negociação de QoS no uplink e broadcast contendo informações da célula. EPC: nele estão contidos os principais elementos da rede. Eles desempenham as principais funções do sistema e são definidos como: MME (Mobility Management Entity): é o principal elemento de controle no EPC. Entre as suas funções estão autenticação, segurança, gerenciamento de mobilidade, gerenciamento de perfil do usuário, conexão e autorização de serviços. S-GW (Serving Gateway): este elemento faz o roteamento dos pacotes de dados dos usuários entre a rede LTE e outras tecnologias como o 2G / 3G utilizando a interface S4. Gerencia e armazena informações do UE como parâmetros de serviços IP suportados e informações sobre o roteamento interno dos pacotes na rede. P-GW (Packet Data Network Gateway): é o roteador de borda entre o EPC e redes de pacotes externas. Realiza a filtragem e controle de pacotes requeridos para os serviços em questão. Tipicamente, o P-GW aloca endereços IP para os equipamentos dos usuários para que eles possam se comunicar com outros dispositivos localizados em redes externas. PCRF (Policy and Charging Resource Function): elemento de rede responsável pelo PCC Política e Controle de Carga. Provê o QoS adequado para que os serviços solicitados possam utilizar os recursos apropriados. HSS (Home Subscriber Server): banco de dados de registro do usuário. Executa de fato, 13

14 funções equivalentes às do HLR, AuC e EIR definidos nas releases anteriores. Serviços: provê a interligação do LTE com outras redes. Esta arquitetura permite uma drástica redução de custos referentes a operação e aquisição de equipamentos, uma vez que o E-UTRAN pode ser compartilhado por várias operadoras enquanto no EPC cada uma possui equipamentos próprios e define a sua própria topologia e os seus elementos de núcleo da rede com MME, S-GW e P-GW. Pilha de Protocolos LTE Nesta seção serão apresentadas as funções dos diferentes protocolos e sua localização na arquitetura LTE. Eles estão dispostos de acordo com a figura 9. Figura 9: Diagrama da rede LTE Fonte: ANRITSU, 2010 No plano de controle, o protocolo Non-Access Stratum (NAS), que funciona entre o MME e a UE, é utilizado para fins de controle, tais como conexão de rede, autenticação e gestão de mobilidade. Todas as mensagens NAS são cifradas e sua integridade é garantida pelo MME e UE. A camada Radio Resource Control (RRC) na enodeb toma decisões de handover com base em medições do nível de sinal das células vizinhas que são enviadas pelo UE. Além desta função esta camada ainda envia mensagens de broadcast contendo informações do sistema e controla as medições dos parâmetros do UE como a periodicidade do Channel Quality Information (CQI). No plano de usuário, a camada Packet Data Control Protocol (PDCP) é responsável pela compressão / descompressão dos cabeçalhos dos pacotes IP dos usuários através do Robust Header Compression (ROHC). Este artifício permite uma eficiente utilização da largura de banda na interface aérea. Esta camada realiza também a criptografia dos dados tanto no plano do usuário quanto no plano de controle. A camada RLC é utilizada para formatar e transportar os dados entre a UE e a enodeb. Esta camada oferece três modos diferentes de confiabilidade para o transporte de dados, o Modo Reconhecido (AM - Acknowledged Mode), Modo Não Reconhecido (UM - Unacknowledged Mode) ou Modo Transparente (TM Transparent Mode). O modo UM é adequado para o transporte de serviços em tempo real, pois eles são susceptíveis ao atraso e não permitem retransmissões. O modo AM por outro lado, é adequado para serviços que não são transmitidos em tempo real, como arquivos para download. O modo TM é utilizado quando o tamanho dos quadros já são previamente conhecidos, como a mensagem de broadcast contendo informações do sistema. A RLC também oferece a entrega sequencial das Service Data Units (SDUs) para as camadas superiores eliminando as informações duplicadas. De acordo com as condições do canal rádio, esta camada pode segmentar as SDUs. 14

15 Existem dois níveis de re-transmissões 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 não são corrigidos pelo HARQ. Vários processos do tipo stop-and-wait são empregados pelo HARQ para garantir uma retransmissão assíncrona no downlink e uma retransmissão síncrona no uplink. Retransmissões síncronas significam que os blocos HARQ ocorrem em um intervalo de tempo periódico pré-definido, desta forma nenhuma sinalização é necessária para indicar ao receptor a retransmissão dos dados. Já o HARQ assíncrono oferece a possibilidade de programar a retransmissão dos dados baseado nas condições da interface aérea. As figuras 10 e 11 mostram a estrutura da camada 2 para uplink e downlink respectivamente. As camadas PDCP, RLC e MAC constituem a camada 2. Figura 10: Estrutura da camada 2 para downlink Fonte: MOTOROLA, Figura 11: Estrutura da camada 2 para uplink Fonte: MOTOROLA, 2009 Canais e Sinalizações do LTE Canais Físicos Segundo Anritsu (2010) o E-UTRAN foi desenvolvido com o conceito de rede baseada totalmente em IP. Uma das principais consequências desta mudança é a substituição dos elementos que utilizam a comutação por circuito por elementos baseados na comutação por pacote. No entanto o uso de canais compartilhados e canais de broadcast que já foram introduzidos pelo 3GPP nas releases anteriores (ex: HSDPA, HSUPA e MBMS) são reutilizados no LTE. Esta tecnologia não faz uso dos canais dedicados, cuja função é transportar os dados de um usuário específico. Isto incrementa eficiência na interface aérea, pois a rede pode controlar a utilização dos recursos em tempo real de acordo com a demanda, e não há mais necessidade de se definir 15

16 níveis fixos de recursos para cada usuário. Os canais de rádio do LTE estão separados em dois tipos, os canais físicos e os sinais físicos. Os canais físicos correspondem a um conjunto de elementos que transportam as informações provenientes das camadas mais altas (NAS). Os sinais físicos são utilizados somente pela camada física (PHY) e não carregam nenhum tipo de informação das camadas mais altas. (Anritsu, 2010). Os canais físicos podem ser classificados como canais de downlink ou uplink e estão dispostos conforme apresentado abaixo: Figura 12: Disposição dos canais físicos Downlink Os canais físicos do downlink são apresentados a seguir: Physical Broadcast Channel (PBCH): A cada 40 ms o canal PBCH envia informações sobre o sistema para que o UE possa se conectar a rede. Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH): Informa para o UE o número de símbolos OFDM utilizados para transmitir o canal de controle PDCCH. Este canal é transmitido em todos os frames e utiliza modulação QPSK. Physical Downlink Control Channel (PDCCH): Os UEs obtêm os recursos de alocação para o uplink e downlink através deste canal. Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): É mapeado no canal de transporte DL-SCH e contêm os dados dos usuários. Physical Multicast Channel (PMCH): Carrega informações de multicast que são enviadas a múltiplos UEs simultaneamente. Assim como o PDSCH, este canal possui várias opções de modulação incluindo QPSK, 16-QAM ou 64-QAM. Sinais Físicos Os sinais físicos do downlink são apresentados a seguir: Reference Signal (RS): Os UEs utilizam o RS para estimar o canal de downlink. O RS é o produto de uma sequência ortogonal e uma sequência pseudo-aleatória. A especificação do 3GPP identifica 504 possibilidades de sequência para este sinal. Synchronization Signal (P-SS e S-SS): Os UEs utilizam o Primary Synchronization Signal (P-SS) e o 16

17 Uplink Secondary Synchronization Signal (S-SS) para sincronizar os frames e para requisitar informações como frequência e ID da célula. Os canais físicos do uplink são apresentados a seguir: Physical Uplink Control Channel (PUCCH): Este canal transporta informações de controle como o CQI, ACK/NACK em resposta as transmissões de downlink e agendamentos de pedidos de uplink. Physical Uplink Shared Channel (PUSCH): É mapeado no canal de transporte UL-SCH e contêm os dados dos usuários. Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH): Carrega as informações ACK/NACK em resposta as transmissões de uplink. Physical Random Access Channel (PRACH): Este canal é utilizado para funções de acesso aleatório. Sinais Físicos Os sinais físicos do uplink são: Demodulation Reference Signal; Sounding Reference Signal. Canais de Transporte Há um esforço significativo por parte dos órgãos reguladores do LTE para simplificar o mapeamento dos canais de transportes e canais lógicos. Os canais de transporte se distinguem pelas características com o qual os dados são transmitidos através da interface rádio. A camada MAC é responsável por mapear os canais de transporte nos canais lógicos e seleciona o formato de transporte mais adequado (Motorola, 2009). Assim como os canais físicos os canais de transporte podem ser classificados como canais de downlink ou uplink conforme apresentados a seguir: Figura 13: Disposição dos canais de transporte Downlink 17

18 Os canais de transporte do downlink são apresentados a seguir: Broadcast Channel (BCH): É caracterizado pelo formato pré-definido de transporte. Este canal carrega as informações de broadcast em uma área definida pela cobertura de uma célula. Downlink Shared Channel (DL-SCH): Provê suporte para o HARQ e para o link adaptativo dinâmico, este parâmetro possibilita a variação da modulação, da codificação e da potência transmitida. Pode ser utilizado como canal de broadcast no interior da célula. Paging Channel (PCH): Provê suporte para a recepção descontínua, 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 informações multicast para os UEs. Estas mensagens podem ser enviadas simultaneamente para vários dispositivos. Uplink Os canais de transporte do downlink são apresentados a seguir: Uplink Shared Channel (UL-SCH): Provê suporte para o HARQ e para o link adaptativo dinâmico, este parâmetro possibilita a variação da modulação, da codificação e da potência transmitida. Random Access Channel (RACH): Canal utilizado para efetuar o acesso ao sistema. Apenas permite o envio de uma identificação provisória e a razão do acesso. Canais Lógicos Estes canais proveem as funcionalidades requeridas pelas camadas de níveis superiores para entrega de aplicativos e serviços. Na camada 3 o protocolo NAS é utilizado para interligar os canais lógicos. Eles são mapeados dentro dos canais de transporte na camada 2, através do elemento RRC. O gerenciamento dos dados do usuário é feito pelo PDCP na camada 2, o controle e as conexões da camada física é feito pelos elementos RLC, MAC e PHY na camada 1 (Motorola, 2009). Figura 14: Disposição dos canais lógicos Na pilha de protocolos do LTE os canais de transporte são encapsulados pelos canais lógicos. Estes canais proveem as funcionalidades para as camadas mais altas e são especificados em termos dos serviços ao qual eles suportam. Cada canal lógico é definido pelo tipo de informação transferida, geralmente estes canais são divididos em 2 grupos, os canais de controle (utilizado para transferência de informação no plano de controle) e os canais de tráfego (utilizado para transferência de informação no plano do usuário), conforme 18

19 apresentado no esquema a seguir: Canais de Controle Os canais de controle são apresentados a seguir: Broadcast Control Channel (BCCH): Canal utilizado no downlink para fazer o broadcast das informações de controle do sistema. Paging Control Channel (PCCH): Canal de downlink responsável pela transferência das informações de paging. É utilizado pelo sistema para que a rede possa localizar em qual célula está o UE. Common Control Channel (CCCH): Este canal é utilizado para obter informações de acesso aleatório. Multicast Control Channel (MCCH): Canal de downlink ponto-a-ponto utilizado para transmitir informações de controle MBMS da rede para o UE. Este canal é utilizado somente por dispositivos que suportam o MBMS. Dedicated Control Channel (DCCH): Canal bi-direcional ponto-a-ponto que transmite informações de controle dedicadas entre o UE e a rede. Utilizados pelos dispositivos quando eles fazem uma conexão RRC. Canais de Tráfego Os canais de tráfego são apresentados a seguir: Dedicated Traffic Channel (DTCH): É um canal ponto-a-ponto dedicado para um UE. É utilizado para transferir as informações do usuário tanto no downlink quanto no uplink. Multicast Traffic Channel (MTCH): É um canal de downlink ponto-a-ponto responsável pela transmissão do tráfego de dados da rede para o UE. Este canal e utilizado somente por dispositivos que suportam o MBMS. Mapeamento dos Canais O mapeamento dos canais entre as camadas física, de transporte e lógica são representados nas figuras 12 e 13. Figura 15: Mapeamento dos canais de downlink Fonte: ANRITSU,

20 Figura 16: Mapeamento dos canais de uplink Fonte: ARITSU, 2010 Estrutura de Frame Para que o sistema seja capaz de sincronizar e gerir os diferentes tipos de informações que trafegam entre a enodeb e o UE, o 3GPP padronizou a estrutura de frame utilizada pelo LTE. Esta estrutura difere entre os modos Time Division Duplex (TDD) e o Frequency Division Duplex (FDD). De acordo com Anritsu (2009), cada frame é definido em função da variável Ts, que é a unidade básica de tempo utilizada pelo LTE e pode ser descrita como, Ts = 1/(15000 x 2048) = 32,6 nano segundos. Tanto as transmissões de downlink quanto de uplink são organizadas em frames com duração igual a Tf = x Ts, que equivalem a aproximadamente a 10 ms. Cada frame possui 10 subframes de 1ms e cada subframe é dividido em slots com duração de 0,5 ms. Dois tipos de estrutura de frames são definidos para o LTE: Tipo 1: utiliza FDD Tipo 2: utiliza TDD Para a estrutura de frame tipo 1, os frames são divididos em 20 slots de 0,5 ms. Um subframe consiste de dois slots consecutivos, assim um frame de rádio contém dez subframes conforme apresentado na figura 17. Figura 17: Estrutura de frame tipo1 Fonte: ANRITSU,

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