FÁBIO MINORU KITAGAWA IGOR FARIAS PURCELL DA COSTA PAULO AUGUSTO RODRIGUES RAMOS

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1 0 FÁBIO MINORU KITAGAWA IGOR FARIAS PURCELL DA COSTA PAULO AUGUSTO RODRIGUES RAMOS SIMULAÇÃO DA INTERFACE AÉREA DO SISTEMA MÓVEL LTE E ANÁLISE DE MÉTRICAS QoS PARA TRÁFEGO MULTIMÍDIA BELÉM/PA 2011

2 1 FÁBIO MINORU KITAGAWA IGOR FARIAS PURCELL DA COSTA PAULO AUGUSTO RODRIGUES RAMOS SIMULAÇÃO DA INTERFACE AÉREA DO SISTEMA MÓVEL LTE E ANÁLISE DE MÉTRICAS QoS PARA TRÁFEGO MULTIMÍDIA Trabalho de Final de Graduação apresentado ao Centro de Ciências Exatas e Tecnologia da UNAMA- Universidade da Amazônia, como exigência parcial para obtenção do título de Bacharel em Ciência da Computação. Elaborado sobre orientação do Prof. MSc. Ananias Pereira Neto. BELÉM/PA 2011

3 2 FÁBIO MINORU KITAGAWA IGOR FARIAS PURCELL DA COSTA PAULO AUGUSTO RODRIGUES RAMOS SIMULAÇÃO DA INTERFACE AÉREA DO SISTEMA MÓVEL LTE E ANÁLISE DE MÉTRICAS QoS PARA TRÁFEGO MULTIMÍDIA Trabalho Final de Graduação apresentado para obtenção do grau de Bacharelado em Ciência da Computação. Data da Defesa: / / Banca Examinadora Orientador: Prof. MSc. Ananias Pereira Neto Membro: Prof. MSc. Max Ricardo Pantoja da Trindade Membro: Prof. MSc. José Ricardo da Silva Ferreira

4 3 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus por me proporcionar essa oportunidade de estudo, por sempre estar presente e por nunca me abandonar nessa conquista. Aos meus pais, que sempre estiveram do meu lado, me apoiando, e me educando para uma vida de qualidade. Á todos meus familiares que me incentivaram nessa fase da vida. Não deixo de mencionar meus colegas de turma que sempre estiveram presentes para tirar eventuais dúvidas sobre os estudos. Principalmente agradeço ao nosso orientador Ananias que tirou todas as dúvidas referentes ao TFG e pela paciência depositada em nossa equipe. Fábio Minoru Kitagawa

5 4 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus por tudo que vem me acontecendo, não somente pelas coisas boas, mas também pelas adversidades, pois pude aprender um pouco mais do que é viver e os obstáculos que a vida nos trás, para poder aprender e melhorar com os erros. Ao longo de minha vida educacional, não apenas nesta instituição, mas desde que comecei minha jornada escolar, agradeço a todos os mestres que fizeram parte da minha vida, que me ensinaram a ler, escrever, me motivaram a estudar e principalmente a ter valores e princípios. Não posso deixar de dar um agradecimento especial aos meus pais que me deram uma boa educação todos os dias para eu pudesse me tornar uma pessoa de bem. Meus pilares de sustentação, que me motivaram e não me deixaram cair em nenhum momento, fazendo assim com que alcançássemos nossos objetivos. Ao Professor Ananias P. Neto, pela disponibilidade, paciência e ao apoio que nos deu, pois sem ele não poderíamos ter concluído o trabalho com sucesso. Igor Purcell

6 5 AGRADECIMENTOS Agradeço antes de tudo, a Deus pela força e oportunidade que Ele me deu em prosseguir este curso com muito esforço e dedicação, a quem tenho que dar a prioridade maior em tudo. Aos meus pais que se colocavam a total disposição para me ajudarem na minha trajetória durante este momento especial em minha vida, quando termino este curso. Aos meus amigos Fábio e Igor que me deram a chance de fazer este trabalho com eles e ao Professor e Orientador Ananias P. Neto, pela sua paciência, apoio e disposição em ajudar todos seus alunos, sempre disposto em colaborar para nossa melhora como aprendizes, sem dúvida levo uma grande lição e muitas saudades de todos que passaram pela minha vida durante meu período acadêmico. Desde já deixo essas simples e sinceras palavras como agradecimento por todos os meus amigos aos educadores e, novamente, aos meus pais e amigos que conheci durante esses quatro anos. Guardarei vocês em meu coração um abraço a todos. Paulo Augusto Rodrigues Ramos

7 6 RESUMO Em redes móveis, sempre percebemos um grande avanço das novas tecnologias que vem surgindo para atender a alta demanda que está sempre presente nos dias atuais. Percebemos que a cada dia surgem novas aplicações e equipamentos que exigem cada vez mais o tráfego de dados entre aparelhos móveis. Para atender a crescente procura por mais rapidez nas transferências de dados, as operadoras e fabricantes de aparelhos sempre buscam novas tecnologias para essa demanda. Este trabalho apresenta uma nova tecnologia que vem sendo estudada por organizações e empresas afins, a tecnologia LTE (Long Term Evolution). Serão implementadas duas simulações dessa tecnologia, a simulação da interface aérea e a simulação do tráfego de dados multimídia de vídeo, apresentando métricas como atraso, perda de pacotes e vazão. Palavras chaves: LTE, Simulação, Avaliação de Desempenho, Interface Aérea, Tráfego Multimídia.

8 7 ABSTRACT In mobile networks, we always see a great advance of the new technologies that is emerging to meet the high demand that is present nowadays. We realize that every day there are new applications and equipment that require more data traffic between mobile devices. To meet the growing demand for faster data transfers, operators and mobile manufacturers are always seeking new technologies for this demand. This paper presents a new technology that has been studied by organizations and companies alike, LTE (Long Term Evolution). Two simulations will be implemented in this technology, the simulation of the air interface and the simulation of video multimedia data traffic, showing metrics like delay, packet loss and throughput. Key Words: LTE, simulation, performance evaluation, air interface, multimedia traffic.

9 8 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Evolução das tecnologias Figura Arquitetura LTE Figura 3.1 Sentido de Transmissão de Downlink e Uplink Figura 3.2 Modo de Operação FDD e TDD Figura 3.3 Interferência de Downlink para Uplink em Operação TDD Figura 3.4 Ondas Subportadoras Ortogonais em OFDM Figura 3.5 Modulação FDM e OFDM Figura 3.6 Comparação dos Esquemas de Modulação SC-FDMA e OFDMA. Figura 3.7 Estrutura de Funcionamento em Bloco SC FDMA Figura 3.8 Utilização da Técnica MIMO em LTE Figura 3.9 Esquema de Múltipla Transmissão MIMO em LTE. 10 Figura SER x SNR para a técnica de acesso OFDM Figura 4.2. SER x SNR para a técnica de acesso SC-FDMA no tipo distribuído Figura 4.3. SER x SNR para a técnica de acesso SC-FDMA no tipo localizado Figura 4.4 Atraso para fluxo de vídeo de 128 Kbps Figura 4.5 Atraso para fluxo de vídeo de 242 Kbps Figura 4.6 Atraso para fluxo de vídeo de 440 Kbps Figura 4.7 Perda de pacote para fluxo de vídeo de 128 Kbps Figura 4.8 Perda de pacote para fluxo de vídeo de 242 Kbps Figura 4.9 Perda de pacote para fluxo de vídeo de 440 Kbps Figura 4.10 Vazão para fluxo de vídeo de 128 Kbps Figura 4.11 Vazão para fluxo de vídeo de 242 Kbps Figura 4.12 Vazão para fluxo de vídeo de 440 Kbps

10 9 LISTA DE SIGLAS 2G 3G 3GPP ADC AUC AWGN BBERF BCH CDMA CN CP DAC DFT DHCP DL-SCH EDGE enode-b EPC E-UTRAN EvDO EXP FDD FDE FFT GPRS GSM GTP HSDPA HSS IDFT IFFT Telefonia Móvel de Segunda Geração Telefonia Móvel de Terceira Geração 3rd Generation Partnership Project Analog-to-digital Converter Central Authentication and Control Additive White Gaussian Noise Bearer Binding and Event Reporting Function Canal de Broadcast Code Division Multiple Access Core Network Control Plane Digital-to-analog Converter Discrete Fourier Transform Dynamic Host Configuration Protocol Canal compartilhado de Downlink Enhanced Data Rates for Global Evolution Elemento controlador de células de Estação Rádio Base Evolved Packet Core Network Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network Evolution - Data Optimized Exponential PF Frequency Division Duplex Frequency Domain Equalization Fast Fourier Transform General Packet Radio Service Global System for Mobile Communications GPRS Tunnelling Protocol High Speed Downlink Packet Access Home Subscription Server Inverse Discrete Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform

11 10 IMS IP Kbps Km/h LTE RAN MBMS Mbps MCH MIMO M-LWDF MM MME MMS ms Non-IMS OFDM PAPR PCC PCRF PDN PF P GW PMIP QoE QoS RACH RAT RRM SAE SAKA SC-FDMA SER S-GW SIP Multimedia Sub-sistema Internet Protocol Kilobits Per Second Kilômetro por Hora LTE Radio Access Network Multimedia Broadcast Multicast Service Megabit por Segundo Canal de Multicast Multiple Input and Multiple Output Modified Largest Weighted Delay First Mobility Management Mobility Management Entity Multimedia Messaging Service Milisegundo Não-Operadora de serviços IMS Orthogonal Frequency Division Multiplex Peak-to-Average Power Ratio Policy and Charging Control Policy and Charging Resource Function Packet Data Network Proportional Fair Packet Data Network Gateway Proxy Mobile IP Quality of Experience Quality of Service Canal de acesso aleatório Radio Access Technologies Radio Resource Management System Architecture Evolution Authentication and Key Agreement Procedure Single Carrier Frequency Division Multiple Access Symbol Error Rate Serving Gateway Session Initiation Protocol

12 11 SMS Short Message Service SNR Signal Noise Ratio TA Rastreamento de Área TDD Time Division Duplex TE Terminal Equipament TR Technical Report UE User Equipment UMTS Universal Mobile Telecommunication System Uplink-SCH Canal compartilhado de Uplink USIM Universal Subscriber Identity Module UTRA Universal Terrestrial Radio Access WCDMA Wide Band Code Division Multiple Access WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave

13 12 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO VISÃO GERAL TRABALHOS RELACIONADOS OBJETIVO ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO TECLONOGIA LTE ARQUITETURA LTE Comparação LTE e WiMAX INTERFACE AÉREA LTE NO MODO DE TRANSMISSÃO TDD e FDD Estrutura do Quadro TDD em LTE Multiplexação por Divisão de Frequência Ortogonal OFDM Vantagens OFDM Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) Vantagens SC-FDMA OPERAÇÃO UTILIZANDO MÚLTIPLAS ANTENAS EM LTE MIMO SIMULAÇÕES E RESULTADOS SIMULAÇÃO DA INTERFACE AÉREA LTE ANÁLISE DAS MÉTRICAS DE QoS PARA VÍDEO OS ESCALONADORES CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS... 48

14 13 1. INTRODUÇÃO 1.1 VISÃO GERAL Com o avanço da tecnologia muitas tarefas que eram impensáveis antigamente agora são possíveis de se realizar. O uso da telefonia móvel era restrito apenas a pessoas da alta sociedade, pois ter um aparelho celular era considerado como luxo, já que o custo para adquirir um era muito alto. Hoje em dia é difícil encontrar alguém que não tenha um aparelho celular, pois agora eles estão cada vez mais acessíveis e com planos que melhor se adéquam a elas. Além de simplesmente fazer ligações, agora esses aparelhos acessam s, sites e fazem downloads de diversos tipos de arquivos, sem contar outras funcionalidades. Porém como a demanda de largura de banda pelos usuários está crescendo exponencialmente, essas redes parecem não estar mais atingindo os resultados desejados. Para resolver esse problema uma nova tecnologia está sendo desenvolvida, chamada LTE (Long Term Evolution). A comunicação móvel é a forma de comunicação favorita dos usuários atualmente. Isso acarretou no aumento da demanda por essa tecnologia na última década. Nesse período também foi percebido aumento da transferência de dados onde a rede 3GPP High Speed Packet Access (HSPA) foi introduzida (HOLMA, et. al., 2009). Nas últimas décadas as redes móveis têm permitido grandes avanços e mudanças nos sistemas de comunicação, garantindo maior mobilidade e disseminação de conteúdo. A Tecnologia LTE é a norma mais recente da evolução da tecnologia de rede móvel padronizada pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP) que utiliza novos sistemas de múltiplo acesso a interface aérea, tais como, o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e o SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) (STEFAN, et. al., 2008). A evolução do LTE, denominado de LTE-Advanced tem como pretensão competir com outras tecnologias de redes móveis. O LTE inclui vantagens significativas em termos de desempenho, destacando-se pela possibilidade de uma capacidade de navegação superior as redes 3G existentes (3GPP 2010).

15 TRABALHOS RELACIONADOS Pesquisas feitas em outros trabalhos trouxeram informações valiosas para complementar os estudos na área de comunicação de dados em redes sem fio, muitas das quais mostram diferentes conceitos para LTE e sem elas, não seria possível ter um bom conhecimento de outras técnicas adotadas para esta nova tecnologia. Em (MUNTEAN, et. al., 2007) foi dada uma visão geral dos princípios básicos da interface aérea para o conceito de evolução 3G a longo prazo e inicialmente faz um alerta para a demanda cada vez maior de utilizadores da tecnologia sem fio, a tecnologia Wide-Band Code-Division Multiple Access WCDMA e HSDPA que arrematam milhões de assinantes no mundo todo e continuam a crescer em ritmo acelerado. Isso irá gerar concorrência cada vez mais acirrada por novas tecnologias de redes sem fio e este trabalho mostra dados relativos às exigências que a LTE terá que cumprir, como rendimento do usuário e eficiência do espectro de frequências. Este trabalho descreve e avalia os componentes da interface de rádio segundo os conceitos LTE. O uso da Divisão de Frequência Ortogonal (OFDM) como uma nova tecnologia de transmissão adaptada ao domínio da frequência, bem como a busca por soluções avançadas com o uso de múltiplas antenas MIMO. A análise de desempenho foi feita usando algoritmos que simulam altas transferências de dados. E este propõe ainda um novo método de busca para aprimorar a Qualidade de Serviço QoS, a fim de melhorar a qualidade da experiência do usuário final. Isso foi testado quando um dos diferentes fluxos de dados provenientes de uma mesma requisição, ou pedido, foram considerados para diferentes usuários da rede. Os resultados mostram que se forem utilizados esses algoritmos de máxima transferência, apenas 30% dos usuários estão satisfeitos com a qualidade oferecida, porém estes mesmo usuários estão tendo um rendimento muito alto, como era de se esperar. Em (Dimitrova. et. al., 2009) é feita uma comparação de desempenho de dois sistemas diferentes de programação em transmissão uplink para LTE em diferentes situações de uso dos equipamentos dos usuários UE, pois este pode se localizar em diferentes posições da área de cobertura do sinal e solicitar serviços em tempos

16 15 aleatórios, utilizando uma investigação minuciosa do impacto que fatores como a alteração brusca que o número de usuários têm no desempenho do sistema como um todo. Foi proposto ainda um modelo equilibrado de análise, bem como uma abordagem que permite distinguir as diferenças entre os usuários do sistema e suas características, sendo que esta avaliação é feita em tempo real. 1.3 OBJETIVO O objetivo deste trabalho é realizar a simulação da rede LTE em um ambiente computacional. Uma das simulações corresponde a interface aérea da tecnologia, a outra será a simulação do tráfego multimídia de vídeo, apresentando resultados como: atraso, perda de pacotes e vazão. Será também feita uma pesquisa sobre a rede LTE acerca de seus conceitos a aplicações propostas por ela. 1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO Este trabalho está organizado em cinco capítulos. O capitulo 2 apresenta os conceitos sobre a tecnologia LTE, como características, requisitos e uma descrição da sua arquitetura, demonstrando cada área pertencente a ela. O capitulo 3 trata da interface aérea da tecnologia LTE mostrando a utilização de algumas tecnologias implantadas na o MIMO, explicando também sobre os acessos SC-FDMA e OFDM. No quarto capitulo são feitas simulações da interface baseando-se nos canais de downlink e uplink, além de uma simulação de trafego de vídeo, trazendo resultados obtidos com a partir destes experimentos, mostrando também os cenários em que foram aplicados os testes. O capitulo 5 apresenta as conclusões desenvolvidas nesse trabalho e propostas para trabalhos futuros.

17 16 2. TECLONOGIA LTE A banda larga móvel está se tornando uma realidade, o mundo vai se acostumando a ter acesso à banda larga onde quer que vá e não apenas em casa ou no trabalho. De acordo com (ERICSSON, 2009) a estimativa é que 3,4 bilhões de pessoas terão banda larga até 2014, cerca de 80% serão assinantes de banda larga móvel e a grande maioria delas estarão utilizando a tecnologia Long Term Evolution (LTE). Desenvolvida pela 3rd Generation Partnership Project (3GPP, 2010) para substituir as tecnologias anteriores e suportar um grande aumento da demanda por conectividade e suporte para as novas aplicações que as tecnologias anteriores não suportaram por conta das suas limitações na capacidade, de disponibilidade e de tráfego de dados, a Figura 2.1 mostra essa evolução das tecnologias e os serviços proporcionados para os usuários de 2001 à Figura 2.1 Evolução das tecnologias (ALCATEL-LUCENT, 2008). Com a implantação da rede LTE, a experiência dos usuários deverá ser muito melhores. Vai melhorar aplicações mais exigentes, como a televisão interativa, transmissão de vídeo instantâneo via móvel, jogos avançados e serviços profissionais, porém essa tecnologia ainda se encontra em sua fase final de teste. Para a implantação da LTE se faz necessário uma progressão na arquitetura de rede, bem como uma evolução da interface de rádio e algumas tecnologias

18 utilizadas hoje em dia, para padronizar a tecnologia da melhor forma possível a 3GPP criou alguns requisitos para LTE citados em (3GPP TR , 2010): 17 Aumento das taxas de pico de dados: 100 Mbps de downlink e uplink 50Mbps. Redução da latência de 10ms. A Melhoria da eficiência do espectro (2-4 vezes comparado com HSPA versão 6). Migração de baixo custo da versão 6 Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) da interface de rádio e da arquitetura. Melhoria da radiodifusão. IP otimizada (foco em serviços no domínio de comutação por pacotes). Largura de banda escalável de 20MHz, 15MHz, 10MHz, 5MHz, 3MHz e 1.4MHz. Suporte para o espectro pareado e não pareado. Suporte para inter-funcionamento com os sistemas 3G e não 3GPP de sistemas específicos. 2.1 ARQUITETURA LTE Para atender às exigências e desempenho citadas anteriormente se faz necessário a utilização de arquitetura simples, além de necessitar de uma redução do número de nós da rede, envolvidos no processamento de dados e transporte. De acordo com (HOLMA, et. al., 2009), uma arquitetura de rede plana proporciona a melhor latência de dados (o atraso de transmissão entre o transmissor o envio de dados eo receptor recebê-lo) e um melhor suporte de comunicações delay sensitive, interativação e em tempo real. A Figura 2.2 descreve os principais elementos da arquitetura LTE e a rede de comunicação nela existente onde apenas a Evolved Universal Terrestrial Radio Acesso Network (E-UTRAN) está envolvido. Os nós e conexões lógicas mostrados nesta figura representam o sistema básico de configuração da arquitetura. Estes elementos e funções são necessários em todos os casos quando E-UTRAN está envolvido.

19 18 A arquitetura da tecnologia LTE está dividida em quatro principais domínios divididos por nível: Equipamento do usuário User Equipment (UE), E-UTRAN, Evolved Packet Core Network (EPC) e o Domínio de Serviços. Redes externas: Operadoras de Serviço E Internet Figura Arquitetura LTE. Fonte: (HOLMA,2009) I) O UE é o dispositivo que o usuário final utiliza para comunicação. Normalmente é utilizado um dispositivo portátil, como um celular, smartphone ou um cartão de dados, como os usados atualmente em redes 2G e 3G, ou poderia ser incorporado, por exemplo, a um desktop utilizando um ponto de acesso. UE também contém a Universal Subscriber Identity Module (USIM), que é um módulo separado do resto da UE, muitas vezes chamado de Equipamento Terminal (TE), usado para identificar o usuário na rede e autenticá-lo. II) A E-UTRAN é composta de um conjunto de enode. O enodeb é uma estação rádio base que está no controle de todas as funções relacionadas com o

20 19 rádio na parte fixa do sistema que corresponde à célula. Geralmente, as estações bases são distribuídas em toda a área de cobertura da rede e estão interligadas nas antenas de rádio, atuando como intermédio entre o nível UE e EPC, transmitindo dados entre a conexão de rádio e a conectividade IP. O enodeb realiza a cifragem, decifragem dos dados, compressão e descompressão do cabeçalho IP, evitando enviar repetidamente os mesmos dados. O enodeb é responsável pela Radio Resource Management (RRM), ou seja, controla o uso da interface de rádio que inclui, por exemplo, alocar recursos com base nas solicitações, priorizando e distribuindo o tráfego de acordo com a Qualidade de Serviço (QoS) e monitorando constantemente a situação da utilização de recursos. O enodeb também tem um papel importante na Mobility Management (MM). Ele controla e analisa o nível do sinal de rádio e medições realizadas pelo UE, tornando as medidas tráfego de dados semelhantes entre os UE, e com base nesses toma decisões para entregar os UEs entre as células. Isso inclui entrega e troca de sinalização entre outros enodebs e o MME. III) Mobility Management Entity (MME) é o principal elemento de controle no EPC. Ele fica localizado na central de controle do operador e só funciona no Control Plane (CP). Ele é a chave de controle para o nó de acesso na rede LTE. Ele é responsável pelo modo ocioso UE, acompanhando o processo de paginação e fazendo retransmissões. Ele está envolvido na ativação e desativação do processo e também é responsável pela escolha do Serving Gateway (S-GW) para uma UE na fase inicial e em tempo de anexar de transmissão LTE envolvendo Core Network (CN) localizando no nó. Por fim ele é responsável pela autenticação do usuário através da interação com o HSS. Após o UE ser registrado pela primeira vez na rede, o MME inicia a autenticação. Ele descobre a identidade do UE a partir da rede visitada anteriormente ou dos dados da UE em si própria; solicitados junto a Home Subscription Server (HSS) para analisar a origem dos vetores de autenticação. Posteriormente ele solicita os dados para a UE, e compara a resposta do UE à rede doméstica. Esta função é necessária para assegurar que a UE é quem diz ser. Os detalhes de autenticação EPSAKA são definidos em (3GPP TS ,2009). Mobility Management (MM): O MME mantém os registro da localização de todas as UEs na sua área de serviço. No momento em que a UE faz seu primeiro

21 20 registro para a rede, o MME vai criar uma entrada para a ele, e sinalizar o local para o HSS da rede que o UE está lá. O MME solicita os recursos necessários para o UE ser inserido no enodeb, como no S-GW que seleciona para a UE. O MME, então, mantém o rastreamento do local da UE dentro do enodeb onde ele se encontra, se a UE permanece conectado, ou seja, está em comunicação ativa, ou a nível de Rastreamento de Área (TA), que é um grupo de enodebs, o UE vai passar para o modo ocioso, pois manter um caminho de dados ligado não é necessário. O MME controla a criação e liberação de recursos com base nas alterações da UE analisando na atividade solicitada por ele. O MME também participa do controle de sinalização para passagem de um modo ativo entre UE enodebs, S-GWS ou MMEs. IV) O Serving Gateway (S-GW) é responsável pelo gerenciamento do tunelamento e comutação da rede, ele faz parte da infra-estrutura da rede mantida na instalação central de operação. Quando a interface é baseada em S5/S8 GPRS Tunneling Protocol (GTP), o S-GW gera túneis GTP em todas as interfaces, desta forma, realiza o mapeamento entre os fluxos de serviços IP e túneis GTP são criados na P-GW, não conectando o S-GW. Neste momento, todo o controle que está relacionado aos túneis GTP, e vem tanto do MME ou do P-GW, quando a interface S5/S8 utiliza o Proxy Mobile IP (PMIP), o S-GW irá realizar o mapeamento entre os fluxos de serviços IP em S5/S8 e túneis GTP em interfaces S1-U. O S-GW tem um papel muito menor em funções de controle se comprado com as funções presentes em MME e P-GW. Ele só é responsável por seus próprios meios com base nas solicitações do MME, P-GW ou Policy Charging Resource Function (PCRF), que agem sobre a necessidade de criar, modificar ou apagar os portadores de UE. Se o pedido foi recebido P-GW ou PCRF, o S-GW também transmitirão o comando para o MME para que ele possa controlar o túnel para enodeb. Da mesma forma, quando o MME iniciou o pedido, o S-GW envia sinal para tanto o P-GW ou a PCRF, dependendo se S5/S8 é baseado em GTP ou PMIP, respectivamente. V) O Packet Data Network Gateway (P-GW) possui a função de roteador de borda entre o EPC e as redes externas de pacotes de dados. Apresenta o maior nível de mobilidade entre sistema 3GPP e não-3gpp, tais como, Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) e 3GPP2 (CDMA 1X e EvDO). Geralmente, executa o tráfego de propagação e funções de filtragem quando exigido

22 21 por um determinado serviço. O P-GW se necessário realiza a função do Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), ou consulta um servidor DHCP externo, para fornecer o endereço para a UE. Ele configura portadores com base nos pedidos, que são feitos através da PCRF ou do S-GW, que retransmite as informações presentes no MME. Neste último caso, a P-GW também precisa interagir com o PCRF para receber as informações adequadas do controle de política, se isso não está configurado no P- GW localmente. O P-GW também tem a função de controle do fluxo de dados para fins contábeis, bem como para a interceptação legal. P-GW é a mobilidade de mais alto nível de presente no sistema. Quando a UE se move de uma S-GW para outra, os carregadores têm que ser ligado no P- GW. Ele vai receber uma indicação para mudar os fluxos provenientes dos novos S- GW. VI) A função do PCRF (Policy and Charging Resource Function) é a de gerenciar a política controle e o carregamento do mesmo, realiza tomada de decisões sobre como lidar com serviços de QoS e fornece informações para a PCEF localizado no P-GW, e, se aplica também aos BBERF localizado no GW-S, de modo que os portadores de policiamento adequado e pode ser definida para cima. PCRF faz parte do quadro Policy and Charging Control (PCC) definidas em (3GPP TS ,2010). PCRF é um servidor normalmente localizado com outros Control Network (CN) em centros de mudança de operador. VII) O Home Subscription Server (HSS) é um repositório de dados de assinatura, usado para guarda todos os dados do usuário, ele também é responsável por registrar a localização do usuário no nível de nó visitado rede de controle, tais como MME. É um servidor de banco de dados mantido nas instalações centrais de operação da LTE. Os armazenamentos HSS da cópia base do perfil do assinante, que contém informações sobre todos os serviços que são disponibilizados a um determinado usuário, incluindo informações sobre as conexões Packet Data Network (PDN). O HSS também contém a função que, em caso de um UE estiver em estado de roaming para uma determinada rede visitada ele analisa as informações da operadora da rede, para informar se determinada função é permitido ou não para este usuário. O HSS também guarda as identificações daqueles P-GWs que estão em uso. Utilizando na Central de Autenticação (AUC), para armazenar a chave permanente,

23 22 que é utilizada para calcular os vetores de autenticação que são enviados para uma rede visitada para realizar a autenticação de usuários e posteriormente a derivação das chaves de criptografia e proteção da integridade. No último nível da arquitetura LTE encontra-se os serviços externos, geralmente os serviços da Internet, por exemplo, servidor web para serviços de navegação na web, ou para um servidor Session Initiation Protocol (SIP) para o serviço de VoIP. Outros serviços disponibilizados são os serviços IMS (IP Multimídia Sub-System): O IP Multimedia Sub-sistema (IMS) é serviço das máquinas que o operador pode utilizar para fornecer serviços usando o SIP. O 3GPP IMS tem uma arquitetura própria definida, serviço definido pelo 3GPP que utiliza o SIP e serviços não definidos na norma IMS. Outro tipo de serviço disponibilizado nesta camada é o Non-IMS, nãooperadora de serviços IMS baseados: A arquitetura IMS para não-operadora de serviços baseados não está definido nas normas da 3GPP. O operador pode simplesmente colocar um servidor em sua rede, e as UEs se conectarem através de algum protocolo acordado, que seja suportado por uma aplicação na UE Os bons requisitos de desempenho do LTE, descritas anteriormente, assim como a capacidade de fornecer altas taxas de bits, dependem de tecnologias da camada física, de acordo com (ALCATEL-LUCENT, 2008). A camada física do LTE é caracterizada pelo princípio de projeto de uso de recursos com base na alocação dinâmica de recursos compartilhados, em vez de ter os recursos dedicados reservados para um único usuário. A camada física deve ser capaz de fornecer a atribuição dinâmica de recursos tanto para a variância da taxa de dados e para a divisão de recursos entre diferentes usuários. Desta forma, o LTE contém apenas canais de transporte comuns, os canais são: Canal de Broadcast (BCH), Canal de Multicast (MCH), Canal compartilhado de Downlink (DL-SCH), Canal compartilhado de Uplink (uplink-sch) e Canal de acesso aleatório (RACH). 2.2 Comparação LTE e WiMAX A busca de uma nova tecnologia para suportar a demanda de fluxo de dados fez com que algumas tecnologias surgissem com o intuito de atender essa

24 23 necessidade, e a LTE e WiMAX foram as duas que obtiveram mais sucesso e acabaram competindo no mercado sobre a qual seria a tecnologia base para a quarta geração. Depois de um período de competição LTE acabou se sobressaindo sobre WiMAX, pois apresentava algumas características como citadas em (EBERLE DIETER, 2010). Quando se trata de cobertura, os sinais de WiMAX podem alcançar até 50 km, porém com uma degradação do sinal conforme a distância aumenta. WiMAX possui uma performance melhor para distâncias mais curtas até 5 km. LTE, por outro lado, pode cobrir até 100 km em sua célula, que é o dobro da cobertura WiMAX. O fato de que LTE também oferece conectividade com velocidades de até 350 quilômetros por hora possibilitando estar conectado em uma rede LTE de dentro de um veiculo, mostra com destaque a superioridade da arquitetura segundo (EBERLE DIETER, 2010). Segundo (KRAPICHLER, 2007) afirma-se que a tecnologia LTE pode até desligar o transmissor quando há pausas de transmissão de dados em uma chamada mais longa. Ele também utiliza SC-FDMA no uplink, que é mais eficiente que o OFDM. Isso faz com que dispositivos móveis utilizem menos energia, aumentando o tempo de vida da bateria. A tabela 2.1 faz uma comparação entre as tecnologias LTE e WiMAX. O WiMAX tem a vantagem de ter sido desenvolvido alguns anos antes do LTE, por isso tem mais implantações pelo mundo de empresas de telecomunicação envolvidas do que LTE. Por outro lado, do desenvolvimento da LTE vem crescendo muito rápido e alcançando bons resultados, fato que fez algumas empresas de telecomunicações se afastassem do WiMAX e começassem a implantar a LTE segundo (EBERLE, 2010). A multinacional Cisco voltada para telecomunicações anunciou que vai parar de oferecer soluções WiMAX (COMPUTER WORLD, 2010). Alcatel-Lucent e outras empresas de telecomunicação fizeram um anúncio de mudança pro LTE. Porém algumas empresas optaram por continuar a desenvolver seus serviços de WiMAX. O fato de ter sido desenvolvido pela 3GPP, a rede LTE possui outra vantagem porque o 3GPP desenvolveu também a geração das redes anteriores, como GSM e UMTS. Tornando mais fácil uma implementação ou uma mudança de tecnologia de UMTS ou GSM para LTE levando em consideração que a infra-estrutura dessas tecnologias podem ser aproveitada.

25 24 Tecnologia Tabela 2.1 Comparação entre LTE e WiMAX. LTE WiMAX e MIMO Downlink:OFDM Uplink:SC-FDMA MIMO Downlink:OFDM Uplink:OFDM Pico de velocidade Taxa de transferência media do usuário Downlink: 100Mbps(20MHz,2x2 MIMO) Uplink: 50Mbps(20MHz,1x2) 5Mbps-12 Mbps(downlink) 2Mbps- 5Mbps(uplink) Downlink:46Mbps Uplink: 7Mbps 2Mbps-4 Mbps(downlink) 500Kbps- 1.5Mbps(uplink) Latência de plano do usuário 15 ms 50 ms Largura de banda 20MHz,15MHz,10MHz,5MHz, e<5mhz 3,5MHz,5MHz,7MHz,8,75MHz, 10MHz Espectro 1.25, 2.5, 5, 10, 15 e 20 MHz 2.3, 2.5, 3.5, 5.8 GHz Mobilidade Conectividade com ate 350km/h Conectividade com ate 120km/h De acordo com (EBERLE, 2010), a tecnologia LTE deve assumir a liderança como próxima rede de telecomunicações geração. Ainda assim isso não quer dizer que o WiMAX não tenha futuro. WiMAX vai ficar como um concorrente por um tempo e ainda atenderá a um grupo de clientes que ainda utilizarão a tecnologia.

26 25 3. INTERFACE AÉREA O procedimento de envio de sinal via rádio para unidades móveis de usuários finais pode melhorar consideravelmente pela adoção do padrão LTE, cujo acesso por este meio é chamado de Evolução UMTS para Acesso Via Rádio (E-UTRAN). É possível também aumentar a habilidade de transmissão e diminuir o intervalo de tempo desde que uma solicitação é feita até quando esta seja efetivamente atendida, chamado de "latência de uso" ou "tempo de resposta". Isso faz com que o usuário final tenha mais flexibilidade no deslocamento em terra com uma nova experiência dessa tecnologia. Com a escolha do protocolo de transmissão IP como meio de transporte de dados e informações de todo tipo, (ELETRONICS, 2011) o LTE está preparado para fornecer suporte ao tráfego ponto a ponto com o objetivo de principal de garantir a Qualidade de Serviço (QoS) com os diversos serviços LTE. Ter-se-á, portanto serviços de tráfego de voz integrados com outros serviços de multimídia. As primeiras implementações em LTE aconteceram em 2010 e a disponibilidade para a expansão no mercado está prevista para dois ou três anos depois disso (MACHADO & SODRÉ, 2009). Ainda de acordo com (MACHADO & SODRÉ, 2009) um dos objetivos do LTE é adotar rigorosos requisitos de desempenho que dependem das condições de tecnologia da camada física, como o Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) e a tecnologia de múltiplas antenas na transmissão e na recepção, conhecida como Multiple-Input and Multiple-Output (MIMO). Outro dos objetivos é diminuir a complexidade do equipamento utilizado e permitir uma prática mais flexível da divisão de frequências em uma distribuição nova ou em outras mais existentes, a fim de permitir a convivência com outras tecnologias de acesso via rádio (RAT) da 3GPP. 3.1 LTE NO MODO DE TRANSMISSÃO TDD e FDD Segundo (MYUNG & GOODMAN, 2008) transmissão por divisão da frequência Frequency Division Duplex (FDD) e transmissão por divisão do tempo Time Division Duplex (TDD) foram adaptados para que ambas possam trabalhar de

27 26 forma semelhante ao OFDM na emissão downlink e SC-FDMA na recepção uplink,, ver Figura 3.3. Para comprovar isso, o modo de transmissão TDD, juntamente com o modo FDD estão inseridos no mesmo grupo de detalhes técnicos das operações OFDM e SC-FDMA, incluindo também a mesma arquitetura da camada física com uma ligeira diferença nas operações de downlink e uplink. Como foi dito também em (HOLMA & TOSKALA, 2009), o padrão por divisão FDD (Frequency Division Duplex) utiliza duas bandas as separadas de freqüência, permitindo ao terminal móvel transmitir em uma frequência e receber em outra. A freqüência na qual a estação-base transmite é chamada de link direto (downlink). Já a utilizada pelo terminal móvel é conhecida por link reverso (uplink),, ver Figura 3.1. Figura 3.1 Sentidos de Transmissão Downlink e Uplink Estrutura do Quadro TDD em LTE É indispensável que qualquer sistema de comunicação sem fio, seja este celular ou qualquer outro equipamento, seja capaz de transmitir em ambas as direções ao mesmo tempo. Isso permite que, no caso do telefone celular, as conversas possam ser faladas e ouvidas ao mesmo tempo. Ou quando da troca de dados seja possível a comunicação parcial ou totalmente simultânea nos dois sentidos. De acordo com (ELETRONICS, 2011) há necessidade em se identificar com facilidade em qual direção a transmissão está sendo feita. Já foram citados anteriormente os links de transmissão em recepção e emissão, mas existe uma

28 27 variedade de diferenças entre ambos que vão desde a quantidade de dados carregados desde o formato dessa transmissão: Uplink: representa a emissão do dispositivo que o usuário utiliza para comunicação UE para a estação rádio base enodeb. Downlink: representa a transmissão da estação rádio base enodeb que está no controle de todas as funções relacionadas com o rádio na parte fixa do sistema, para a unidade ou equipamento do usuário UE. A fim de ser capaz de transmitir nas duas direções o equipamento do usuário UE deve possuir um sistema duplo ou duplex. Existem duas formas de sistemas duplos utilizados no LTE: o Time Division Duplex (TDD) por divisão de tempo e o Frequency Division Duplex (FDD) por divisão de frequências. Em resumo, para aplicações em comunicações sem fio é necessário que o transmissor e o receptor sejam organizados de forma que eles possam transmitir e receber ao mesmo tempo, ou seja, estejam em regime de duplex (ELETRONICS, 2011). A FDD utiliza dois canais: um para receber outro para transmitir; o TDD usa apenas uma freqüência, porém aloca intervalos de tempo diferentes para enviar e receber. Como mostra a Figura 3.2 esta é a diferença fundamental em relação ao FDD onde diferentes frequências são utilizadas para transmissão e recepção constante, (HOLMA & TOSKALA, 2009). Figura 3.2 Modo de Operação FDD e TDD. Fonte: (Holma & Toskala, 2009). A Tabela 3.1 a seguir apresenta uma série de vantagens e desvantagens em se utilizar o TDD e FDD que atraem operadores de comunicação móvel e naturalmente são refletidas no LTE (ELETRONICS, 2011).

29 28 Na transmissão por divisão do tempo de freqüência é utilizada a mesma faixa de freqüência para emissão e recepção, porém, isso é feito em tempos diferentes. A grande vantagem desse padrão de transmissão vem da possibilidade de reservar dinamicamente a largura de banda entre as transmissões de downlink ou em uplink. Tabela 3.1 Vantagens e Desvantagens TDD e FDD para LTE PARÂMETRO LTE-TDD LTE-FDD Emparelhamento do Espectro Custo do Equipamento Canal Comum Faixa de Proteção Transmissão Descontínua Não há necessidade de que os feixes de freqüência estejam ligados lado a lado pois o meio de comunicação é um só. Custo baixo pois não necessita do divisor de sinais para duas saídas, sendo isso um aspecto de grande importância devido ao número elevado de produção dos equipamentos de usuários UE. O canal de propagação é o mesmo em ambos os sentidos o que permite transmitir e receber pela mesma via um conjunto de parâmetros. Existe uma faixa de proteção necessária para que as transmissões um downlink e uplink não se choquem. Às vezes é necessário o aumento dessa faixa para se a propagação de sinais for maior. A emissão descontínua é necessária para permitir a transmissão em downlink e uplink. Isso pode prejudicar o desempenho do amplificador de potência no transmissor. Há necessidade do emparelhamento dos feixes de freqüência com separação suficiente entre os mesmos para permitir a transmissão e recepção simultânea. Há necessidade do divisor de sinais para isolar o transmissor e o receptor, sendo portanto de custo mais elevado. Canal com características diferentes em ambos os sentidos, como resultado da utilização de diferentes freqüências. Também é deve existir a faixa de proteção para um isolar o uplink e o downlink. Quanto maior esta faixa menor será a possibilidade de impacto. A emissão descontínua também é necessária Contudo como o uplink e o downlink compartilham a mesma faixa de frequências o sinal nesses dois sentidos pode interferir uns com os outros. Esta situação é ilustrada na Figura 3.3.

30 29 Interferência do UE1 para UE2 Bloco de recepção Figura 3.3 Interferência de Downlink para Uplink em Operação TDD não Sincronizada. Fonte: (Holma & Toskala, 2009) Em (HOLMA & TOSKALA, 2009) para se utilizar os recursos de divisão de tempo TDD no LTE todas as emissões em uplink devem ser colocadas em estado de espera enquanto qualquer recurso downlink é usado e, inversamente, o downlink precisa ser totalmente cancelado quando qualquer uma das unidades está transmitindo na direção de uplink. 3.3 Multiplexação por Divisão de Frequência Ortogonal OFDM De acordo com (HOLMA & TOSKALA, 2009) a tecnologia OFDM permite conciliar alta velocidade na transmissão de dados com baixo custo e eficácia quanto ao consumo de energia. Isso é o resultado da combinação de técnicas OFDM com SC-FDMA: o primeiro com um vantajoso esquema de múltiplo acesso para recepção em downlink e o segundo para recepção em uplink. Ainda de acordo com (HOLMA & TOSKALA, 2009), a idéia básica do OFDM LTE é a transmissão simultânea de vários sinais em códigos, introduzidos ou combinados, numa mesma via, ou canal, de comunicação. Isso se consegue devido à divisão das bandas de frequências em milhares de subportadoras estreitas, cada um transportando em sua capacidade máxima uma parte do sinal que será combinado na recepção para formar o dado transmitido. Um dos objetivos do OFDM é evitar problemas de interferências entre esses subcanais no meio de transmissão.

31 30 O sucesso da implementação OFDMA para uma variedade de aplicações abriu portas para adoção deste na transmissão de rádio via downlink pelo 3GPP para a evolução a longo prazo LTE. No mesmo sentido segue o uso do SC-FDMA para transmissão em uplink. Os conceitos básicos de OFDM tem se adaptado perfeitamente as necessidade do LTE, por isso OFDM foi escolhido de forma natural para uso na evolução a longo prazo, (MYUNG & GOODMAN, 2008). De acordo com (ELETRONICS, 2011), o OFDM é uma forma de transmissão que utiliza um grande número de ondas portadoras em faixas estreitas. Em condições normais era de se esperar que os sinais transportados por essas faixas interferissem uns aos outros, mas por causa da ortogonalidade dessa transmissão não há interferência alguma entre os sinais. Os dados a serem transmitidos são divididos entre todas as ondas subportadoras e isso significa que, com uma técnica de correção de erros, se dados são perdidos por causa de múltiplos caminhos então esses ainda podem ser refeitos. OFMDA utiliza ondas subportadoras ortogonais que se sobrepõem no domínio da frequência. A Figura 3.4 mostra o espectro de sinais de dez ondas ortogonais com espaçamento mínimo de separação (MYUNG & GOODMAN, 2008). As características que marcam o uso de OFDM para LTE são sua ótima resistência a interferências e seu formato de modulação bastante adequado para o transporte de altas taxa de dados (ELETRONICS, 2011). A M P L I T U D E S U B P O R T A D O R A S Figura 3.4 Ondas Suportadoras Ortogonais em OFDM. Fonte: (MYUNG & GOODMAN, 2008)

32 Vantagens OFDM Também segundo (MYUNG & GOODMAN, 2008) a principal vantagem do sistema de transmissão de rádio em banda larga é a forte redução da interferência entre os sinais, pois de outra forma causaria maior carga de processamento do sinal em um receptor. Resumindo tem-se a seguir outras das vantagens do OFDM: Para um determinado meio em que o sinal se propague com atraso a complexidade do aparelho receptor é bem menor do que se fosse feita uma transmissão com uma única onda de transporte. A eficiência de espectro é elevada porque se utiliza ondas portadoras ortogonais que se sobrepõem no domínio da frequência. A demanda pode ser significativamente aumentada através da adaptação da taxa de dados com ondas subportadoras de acordo com a Relação Sinal Ruído (SRN) da subportadora individual. No FDM cada onda subportadora é posta paralela uma "ao lado" da outra para depois separá-las na recepção. Já no OFDM é feita uma sobreposição dessas ondas resultando no ganho de largura do espectro em até 50%, como mostra a Figura 3.5. Figura Modulação FDM e OFDM Ainda segundo (MYUNG & GOODMAN, 2008) a principal desvantagem do OFDM é em decorrência do alto consumo de energia dos terminais devido a Potência Média de Pico (PAPR). O sinal transmitido é a soma de todas as ondas subportadoras moduladas, e picos de grandes amplitudes são inevitáveis pois muitas das ondas subportadoras chegam ao receptor de uma só vez.

33 32 Foi decisão do 3GPP em especificar para o futuro o OFDM para transmissão em downlink nos terminais celulares e SC-FDMA para transmissão uplink de transporte. A carga principal do transmissor, que funciona como amplificador de potência, e a carga imposta no receptor principal, que por sua vez atua como compensador de interferência atuará nas estações de base em vez de terminais portáteis (MYUNG & GOODMAN, 2008). Um dos desafios do OFDM é conseguir eficiência máxima da potência do amplificador de transmissão e ao mesmo tempo obter um consumo mínimo de energia (HOLMA & TOSKALA, 2009). 3.4 Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) A fim de cumprir as exigências dos requisitos para alta taxa de transferência de dados, ótimo tempo de resposta e boa eficiência do espectro foram adotados para LTE um novo plano para acesso múltiplo em sua interface aérea. Trata-se de um novo método de transmissão em uplink para LTE. Trás em seu conteúdo uma forma modificada de OFDM com desempenho de transferência e complexidade semelhante a este, porém possui alta complexidade em relação à recepção de sinal pois este tem que passar por múltiplos caminhos até seu destino. Mas em sua essência herda todas as vantagens de OFDM, (IXIA, 2009). Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) será implantado no futuro em sistemas de telefonia celular, (MACHADO & SODRÉ, 2009) este realiza a operação de múltiplos acessos pela divisão da frequência com um único transportador. Foi adotado também para padronizar a criação envio e reprodução de arquivos de multimídia pela 3rd Generation Patnership Project 3GPP e atraiu a atenção da indústria de comunicações do mundo como uma alternativa para OFDM. Sua técnica, representada pela Figura 3.6, consiste em transmitir uma única onda subportadora de cada vez por um determinado instante de tempo, ao invés de transmitir diversos conjuntos de sinas ao mesmo tempo como no OFDMA. Uma característica consiste na baixa relação entre a potência de pico e a potência média associada de todos os sinais, PAPR. Esta relação influencia diretamente no

34 tamanho do prefixo cíclico Cyclic Prefix, (CP) que é um intervalo responsável por separar os blocos de sinais para que não aja interferência entre estes. 33 Figura 3.6 Comparação dos Esquemas de Modulação SC-FDMA e OFDMA. Fonte: (Machado & Sodré, 2009) Para ser possível transmitir um sinal através de um caminho que faz a separação deste em diversas frequências é necessário utilizar um método de modulação das ondas de transmissão que faz transporte múltiplo deste sinal. Quando se transmite em diversas frequências, aumenta-se a capacidade de adaptação para transportar altas taxas de dados com maior Relação do Sinal com o Ruído (SNR). O modelo de sistema para este método de transmissão pode ser visto na Figura 3.7. Outra característica é que SC-FDMA não apresenta ortogonalidade entre subportadoras, porém possui ganho de eficiência espectral, resultando em menor largura de banda por causa do menor espaçamento do prefixo cíclico, também conhecido como intervalo de guarda, (MACHADO & SODRÉ, 2009).

35 34 Figura 3.7 Estrutura de Funcionamento em Bloco SC-FDMA. Fonte: (Lim & Myung, 2007) Vantagens SC-FDMA Conforme dito em (IXIA, 2009) da mesma forma que OFDM o SC-OFDMA também possui vantagens a ser consideradas: Robustez para propagação de sinais por vários caminhos, o que o torna adequado para sistemas de banda larga sem fio. Baixa potência de pico, o que implica em menor consumo de energia por parte dos terminais de usuários UE. Isso se deve em parte a seus amplificadores de potência que são mais simples e eficientes. As diferentes implementações das tecnologias OFDM e SC-FDMA consistem em apenas 2 blocos: Transformada Discreta de Fourier (DFT) e Transformada Inversa de Fourier (IDFT). É de se prever que esses métodos de acesso e transmissão, cujas características se destacam das tradicionais (TDM, CDMA e outras), certamente estarão num patamar de dominação das tecnologias de telecomunicações num futuro bem próximo.

36 3.5 OPERAÇÃO UTILIZANDO MÚLTIPLAS ANTENAS EM LTE MIMO 35 Para operação LTE utilizando múltiplas entradas e múltiplas saídas, Multiple Input and Multiple Output MIMO, é feita primeiramente uma distinção entre MIMO para um único usuário e MIMO para vários usuários. O primeiro melhora a vazão de dados para este usuário, enquanto que o segundo aumenta o rendimento da célula aos diversos usuários. A técnica MIMO depende de diversas antenas na transmissão e diversas antenas na recepção, por essa característica a probabilidade de chegada do sinal no receptor é maior, bem como sua capacidade de maior volume de dados transmitidos para atender maior demanda. Há também o efeito de multipercurso para transmissão em downlink e a replicação de sinais para maior confiabilidade do sistema, conforme mostra a Figura 3.8. DIVERSIDADE PARA COMUNICAÇÃO MAIS CONFIÁVEL MULTIPLEXAÇÃO DE DADOS PARA MELHOR AVALIAÇÃO Capacidade de melhoria da demanda por célula Formação de feixe Para melhoria de cobertura Figura Utilização da Técnica MIMO em LTE. Fonte: (BWN, 2009) No sistema MIMO o transmissor envia vários fluxos por múltiplas antenas de transmissão, ver Figura 3.9. A transmissão desses fluxos passa por um canal principal que consiste de múltiplos caminhos entre várias antenas emissoras no transmissor e múltiplas antenas no receptor. Então o receptor recebe os vetores do

37 36 sinal recebido pelas múltiplas antenas receptoras e decodifica os vetores do sinal recebido na informação original (HONTZEAS, 2009). Atualmente, técnicas de multiplexação espacial fazem com que os receptores sejam muito complexos. Por isso é feita uma combinação da Divisão de Frequência Ortogonal (OFMD) com a Divisão de Frequência Ortogonal por Acesso Múltiplo (OFDMA) onde os problemas surgidos pelo caminho de múltiplos canais são tratados de forma eficiente. Figura 3.9 Esquema de Múltipla Transmissão MIMO em LTE. Fonte: (Wireless, 2009) Como visto em (BWN, 2009) as técnicas MIMO melhoram o desempenho do sistema e capacidade dos serviços. Em seu nível mais alto, a transmissão por antenas múltiplas em LTE pode ser dividida em diversidade de transmissão e multiplexação do espaço. A primeira alternativa pode ser vista como uma técnica para se obter a média dos sinais recebidos, evitando-se assim profundas baixas por desvanecimento que ocorre por antena. A segunda alternativa utiliza várias antenas tanto no lado do transmissor quanto no lado do receptor para fornecer transmissão simultânea de múltiplos fluxos de dados em paralelo em um link simples de rádio, aumentando significativamente as taxas de pico de dados através deste link.