Redes LTE: Comparação Entre os Modelos de Predição Okumura Hata e ITU-R

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1 Redes LTE: Comparação Entre os Modelos de Predição Okumura Hata e ITU-R A predição de cobertura no planejamento de sistemas ponto-multiponto é muito importante, pois apresenta estimativas de cobertura de um projeto. Esta série de tutoriais comparações entre dois modelos de predição que são eles, o Okumura Hata para a faixa de 150 MHz até 1500 MHz e a recomendação ITU-R P que abrange a faixa de 30 MHz até 3000 MHz. Os tutoriais foram preparados a partir do trabalho de conclusão de curso Comparação entre os Modelos de Predição Okumura Hata e ITU-R em uma Rede LTE, elaborado pelos autores, e apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro de Telecomunicações. Foi orientador do trabalho o Prof. MsC. Daniel Andrade Nunes e co-orientador o Prof. Anderson Fagiani Fraga. Este tutorial parte I apresenta as Redes LTE, através de uma visão da evolução das redes celulares e da implantação no Brasil, e de suas características básicas, e a seguir trata dos protocolos utilizados e da rede de acesso, e finaliza apresentando conceitos dos modelos de propagação, apresentando também os modelos Okumura e Hata. Edson Vinícius Teixeira Pires Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel. Atuou como estagiário no INATEL, executando atividades no setor de Suporte em Informática e de Monitoria Acadêmica em Redes de Telecomunicações. Atualmente é Sócio da NetWay Telecom, onde executa projetos de Rádio Enlaces, Fibra Óptica, e Redes de Computadores, principalmente com protocolos de roteamento dinâmico e protocolo (a, b, g e n), outras atividades em TI (gerencia e virtualização de servidores), treinamentos e na área financeira e de gestão da empresa. edsonv@gee.inatel.br 1

2 Fábio José da Silva Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel. Atuou como Sócio na Automeasy Soluções Inovadoras ( ), executando atividades em projetos de gerenciamento de vending machines, utilizando tecnologia machine-to-machine e tecnologia móvel GPRS/EDGE, e no INATEL Competence Center, tendo executado atividades de análise de documentação SSV, CDD e TSS, em projetos 2G para clientes da Ericsson tais como Oi e Vivo. Foi participante de programa de capacitação em Otimização GSM RAN pela empresa Ericsson Telecomunicações S.A. em 2011 em parceria com O Inatel Competence Center. Possui várias certificações na área de telecomunicações, em tecnologias 4G, Radioenlace Digital, Otimização de RF, linguagem VHDL. fabio.jsilva@hotmail.com.br Lucas de Oliveira Veiga Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações Inatel. Participou do programa de capacitação de Otimização GSM RAN pela empresa Ericsson Telecomunicações S/A em parceria com ICC- Inatel Competence Center em Atualmente trabalha como estagiário na EGS Ericsson Gestão e Serviços, executando atividades relativas ao relatórios SSV e CAV, para análise das redes móveis das operadoras OI e VIVO nas tecnologias 2G e 3G. lucas.oliveiraveiga@hotmail.com 2

3 Willian Adelaide Rosa Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações Inatel, e Técnico em Eletrônica pelo Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial - Senai Orlando Chiarini. Atuou como Monitor Acadêmico no INATEL, ministrando a disciplina de Desenho Técnico, e como Sócio na Automeasy Soluções Inovadoras (2009 à 2010), tendo trabalhado com projeto de gerenciamento de vending machines, utilizando tecnologia machine-to-machine e tecnologia móvel GPRS/EDGE. Atuou também como Estagiário na LG ELECTRONICS, executando atividades de Pesquisa e Desenvolvimento de celulares. Atualmente trabalha como Engenheiro de Desenvolvimento Júnior na LG ELECTRONICS, atuando no laboratório executando análises do comportamento de celulares nas redes móveis legadas, utilizando equipamentos de simulação e medição de parâmetros de RF. willian.inatel@gmail.com Categoria: Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 01/10/2012 3

4 Redes LTE I: Introdução A predição de cobertura no planejamento de sistemas ponto-multiponto é muito importante, pois apresenta estimativas de cobertura de um projeto. Esta série de tutoriais comparações entre dois modelos de predição que são eles, o Okumura Hata para a faixa de 150 MHz até 1500 MHz e a recomendação ITU-R P que abrange a faixa de 30 MHz até 3000 MHz. As comparações serão feitas com base a três diferentes frequências, 450 MHz, 700 MHz e 2500 MHz e nas distâncias 1 Km, 2Km, 3Km, 5Km, 10Km, 20Km, 30Km, 40Km e 50Km, e entre tipos diferentes de terreno, urbano e rural. Inicialmente, se apresenta uma introdução à tecnologia LTE, assim como uma apresentação de cada modelo de predição, com suas características e modelamentos. Por último é apresentado os cálculos das predições dos diferentes modelos, os parâmetros utilizados e uma conclusão com a análise sobre os resultados obtidos. Tutoriais Este tutorial parte I apresenta as Redes LTE, através de uma visão da evolução das redes celulares e da implantação no Brasil, e de suas características básicas, e a seguir trata dos protocolos utilizados e da rede de acesso, e finaliza apresentando conceitos dos modelos de propagação, apresentando também os modelos Okumura e Hata. O tutorial parte II dará sequência à apresentação dos modelos de propagação apresentando o modelo da norma ITU-R P , a seguir apresentará os conceitos de análise, através das premissas adotadas nos cálculos e do cálculo de intensidade de campo de célula propriamente dito, e finalizara apresentando as conclusões da comparação dos modelos de propagação. 4

5 Redes LTE I: Implantações e Características Básicas Esta seção descreve resumidamente o sistema celular de quarta geração LTE/SAE (Long Term Evolution / System Architecture Evolution). O objetivo é apresentar as principais características que fazem desta tecnologia a evolução das redes celulares. A exposição destas características, nos ajuda na melhor compreensão da abordagem do trabalho, a comparação do método Okumura Hata e a Norma ITU-R. LTE e a Evolução das Redes Móveis O número de usuários de telefonia móvel tem aumentado muito nestes últimos anos e ao mesmo tempo foi crescendo a demanda dos usuários por tráfego de dados. Com o aumento da demanda do uso das redes móveis, fez se necessário a evolução da tecnologia. O LTE é projetado para prover aos usuários uma maior taxa de dados. O LTE é padronizado pelo 3GPP e desde o release 99 em 2000 até o release 8 em 2010 que apresenta as normas do LTE, a evolução foi gradativa e constante envolvendo o acesso e o núcleo da rede. A arquitetura LTE, demonstrada pela figura 1, é considerada mais simples que as redes celulares móveis atuais. Figura 1: Arquitetura LTE O mercado de banda larga móvel vem crescendo. Estima-se que em 2014, 80% de usuários de banda larga seja de banda larga móvel [7]. LTE no Brasil No Brasil, as operadoras estão em fase de testes com objetivo de atender os requisitos estabelecidos para as sedes dos jogos da Copa do Mundo de Em junho de 2012 foi realizada a licitação das frequências 2,5 GHz para meios urbanos e 450 MHz para meios rurais. Não houve interesse por parte das empresas participantes da frequência 450 MHz e acabou sendo imposta pela ANATEL. Segundo o cronograma da ANATEL, deverá haver cobertura 4G nas cidades sedes da Copa das Confederações até abril de Nas sedes e subsedes da Copa do Mundo terão o serviço até dezembro de E todos os municípios com mais de 100 mil habitantes terão de ter 4G até dezembro de

6 Para as áreas rurais haverá cobertura na faixa de 450 MHz, com serviços de voz e dados, até dezembro de 2015[1]. A empresa Nokia Siemens prevê que haverá entre 3 a 4 mil estações radio base de quarta geração instaladas no Brasil em abril de 2013 [2]. Principais Características Para atingir as taxas de pico (100 Mbps no downlink e 50 Mbps no uplink), o LTE tem características particulares que combinadas contribuem para o alto desempenho da rede LTE. Para a redução da interferência e consequente melhora na capacidade da rede LTE, o múltiplo acesso em downlink utilizaorthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) e no uplink utiliza Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA). As redes LTE permitem flexibilidade em seu espectro, a largura de banda de transmissão pode variar de 1,25 MHz a 20 MHz dependendo do espectro disponível e facilitando a migração dos sistemas legados para o LTE/SAE. Utilizando a largura de banda de 20 MHz e o sistema MIMO pode-se conseguir uma taxa de aproximadamente de 150 Mbps [3]. SAE (System Architecture Evolution) Com o objetivo de proporcionar maiores taxas de transmissão e redução na latência da rede para oferecer uma melhor QoS para o usuário, o SAE/LTE possui arquitetura EPC (Evolved Packet Core) uma arquitetura simplificada mostrada na figura 2 com interfaces abertas baseadas nos protocolos TCP/IP que possibilita a comunicação com redes fixas e móveis. Características da Camada Física Figura 2: Evolução da arquitetura O LTE possui algumas características chaves que envolvem a camada física para conseguir altas taxas de transmissão e recepção. Tais características são descritas nos próximos itens. Técnicas de Múltiplo Acesso No downlink (enlace de descida)o LTE utiliza OFDMA(Orthogonal Frequency Multiple Access), já nouplink (enlace de subida)é utilizado o FDMA(Frequency Division Multiple Access)com portadora única o SC-FDMA. 6

7 Modulação Adaptativa O LTE, assim como o 3G, utiliza as modulações: QPSK, 16QAM e 64QAM no downlink e uplink. As modulações são utilizadas de forma adaptativa sendo as mais robustas para ambientes ruidosos, por exemplo, borda da célula e as de maior eficiência espectral para obter taxas de transmissão elevadas. MIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs) As técnicas de múltiplas antenas são uma forma de se obter taxas de transmissão elevadas. As técnicas MIMO são mais facilmente empregadas em sistemas OFDMA, e resultam em ganho de desempenho obtendo vantagem da propagação múltiplos percursos como apresentado na figura 3. Em redes LTE a definição do tipo de MIMO utilizado é dada pela categoria do terminal, para obter a maior taxa é utilizado o MIMO 4x4. Suporte para os Modos TDD e FDD Figura 3: Operação MIMO O LTE utiliza dos dois modos de duplexação: TDD (Time Division Duplex) e FDD (Frequency Division Duplex). No modo de duplexação FDD (Frequency Division Duplex), onde ocorre a utilização do espectro de forma emparelhada, todos subframes de uma portadora são utilizados para transmissão no Downlink (portadora de Downlink) ou transmissão no Uplink (portadora de Uplink) como ilustra a figura 4. 7

8 Figura 4: (a) e (b) Exemplos de designação de frames para downlink/uplink Na operação no modo TDD, com espectro não pareado (Figura 3. b) o primeiro e o sexto subframe de cada frame (subframe 0 e 5) são sempre atribuídos à transmissão de downlink, por incluírem os sinais de sincronismo do LTE e devem ser transmitidos no downlink de cada célula. Enquanto que ossubframes restantes podem ser atribuídos de forma flexível para transmissão tanto no downlink quantouplink. Modo H-ARQ O modo HARQ (ARQ híbrido), gerencia as operações HARQ de transmissão e recepção dos blocos de transporte e recepção e processamento das sinalizações ACK/NACK (Acknowledgement / Non Acknowledgement). Para uma transmissão contínua, o HARQ utiliza operações SAW (Stop and Wait) [3], onde o transmissor manda um bloco de transporte e espera a resposta do receptor, caso a resposta seja uma mensagem NACK, ou não haja resposta durante um período de tempo, o transmissor reenvia o bloco de transporte de receber os blocos de transporte e gerar a sinalização ACK/NACK de resposta de acordo com os dados recebidos. Requerimentos LTE/SAE Para a que os requerimentos LTE possam ser atendidos uma nova técnica de múltiplo acesso e uma nova divisão nos nós das redes foi criada. São requerimentos de uma rede LTE: Domínio de comutação por pacotes. Latência na rede de rede menor que 300ms [3], como a diminuição dos nós na rede LTE/SAE. 8

9 Taxas de pico uplink/downlink de 50/100 Mbps. Bom nível de segurança e mobilidade, com controle DRX (Discontinuous Reception) para poupar a bateria, pois com a utilização de várias antenas o gasto da mesma tende a ser maior [4]. Flexibilidade de alocação de frequência, como a implantação das redes LTE será gradativa isso ajudará a substituição de redes legadas a medida de largura de banda disponível, variando de 1,25 MHz a 20 MHz. Maior capacidade que o HSDPA/HSUPA do release 6, com a evolução da demanda de serviços de dados utilizados na redes celulares uma outra tecnologia foi criada para suprir as necessidades dos usuários e oferecer suporte a novos serviços como TV e serviços de tempo real onde podemos citar a vídeo chamada. 9

10 Redes LTE I: Modelos de Propagação - 1 Esta seção consiste em apresentar, resumidamente, alguns modelos de predição de cobertura, com o objetivo de analisar as perdas de propagação dentro da faixa de frequência VHF e UHF. A predição de uma área é muito importante para um projeto de Radiodifusão. Com as estimativas de intensidade de sinal recebido é possível concluir sobre a qualidade de um serviço, neste caso, sobre redes de LTE. Conceitos de Modelagem de Predição Segundo a modelagem, os modelos de predição podem ser divididos em três tipos: modelos empíricos, teóricos e específicos do local [6]. Esses modelos de propagação são fórmulas matemáticas usadas para caracterizar a propagação de ondas de rádio. Normalmente, é uma função da frequência, distância, alturas de antenas, terreno e outras condições [7]. Os modelos empíricos geralmente são conjuntos de equações baseados em testes, geralmente feitos em campo para medições de path loss, atraso de propagação ou outras características do canal. Estas informações são armazenadas em um banco de dados para que se consiga chegar a um modelo matemático capaz de obter resultados com precisão desejada. Para modelar os projetos de radiodifusão são levados em consideração muitos fatores significativos como, por exemplo, a topografia e grau de urbanização do terreno. Os modelos específicos do local são baseados em métodos numéricos aplicados à geometria do locai estudado, sendo eles, portanto, mais detalhados e exatos. Já os modelos teóricos são derivados dos fenômenos físicos assumindo algumas condições ideais [8]. Os modelos também podem ser caracterizados quanto a suas aplicações como: ponto-multiponto (ou local geral) e ponto-a-ponto [8], [9]. Os modelos ponto-multiponto fornecem uma estimativa geral da propagação de rádio em vez de usar dados de caminho específicos, e podem ser utilizados quando os dados de boa qualidade de terreno eclutter não estão disponíveis. Sendo assim, esses modelos são muito úteis para o dimensionamento de redes de celulares propostas e mais adequados para a análise de percursos longos [9]. Os modelos de ponto-a-ponto, além de fazerem estimativas de rádio enlaces, também possibilitam descrever o comportamento da propagação entre o transmissor e receptor. Também é possível, por meio desse, determinar o comportamento da região analisada e para isso é necessário conhecer a topografia e as características do terreno onde será feita a análise [8]. Em seguida, serão apresentados os modelos empíricos que são utilizados para dimensionar a área de cobertura em sistemas móveis. Modelo de Okumura O modelo de Okumura é um modelo empírico baseados em testes feitos no Japão cobrindo vários tipos de ambientes nas freqüências de MHz, ou em casos extremos de 3000 MHz [6]. Este modelo foi publicado em 1968 e desenvolvido para células com raio de 1 a 100 km e para alturas da antena de transmissão e recepção entre m. O modelo de Okumura leva em consideração parâmetros como o tipo de ambiente e a irregularidade do terreno. 10

11 Este modelo abrange diversos tipos de ambientes: áreas urbanas e suburbanas, áreas rurais e características do terreno, tais como, percurso inclinado, relevo irregular e trajetos mistos (terra-mar) [10]. Esse método de cálculo é obtido através de gráficos e alguns fatores de correção são usados para obter um melhor resultado. A expressão básica da perda de propagação dada pelo Okumura está representada pela Equação (1) [11]: Onde L 0 é a perda de propagação em espaço livre, definida como a razão entre a potência recebida W r e a potência transmitida W t, como mostram as Equações (2) e (3) [11]. A perda em db é dada pela Equação (3): A função A(f,d) corresponde a uma atenuação adicional média, para áreas urbanas. E esse valor é obtido a partir da figura 8.a [12]. O G area também é um fator de correção em função da frequência para áreas suburbana, quase aberta e aberta (rural) é dada pela figura 8.b[12]. (2) (3) (1) Figura 8: Fatores do método de Okumura: (a) atenuação adicional média para área urbana; (b) correções para outras morfologias Os G(h t ) e G(h r ) são fatores de correção para antenas com alturas diferentes das de referências, esses fatores podem ser obtidos através das equações (4), (5) e (6) [11]: h t > 10 m (4) 11

12 h t > 10 m (5) 3m < h t < 10 m (6) Os fatores G(h t ) e G(h r ) também são função da distância e obtidos da figura 9 e da figura 10 [12]. Figura 9: Ganho de altura da antena da RBS Modelo de Hata Figura 10: Ganho da altura da antena da estação móvel Este modelo também é chamado de modelo de Okumura-Hata. Hata desenvolveu fórmulas matemáticas que descrevessem o modelo de Okumura, tornando possível o uso computacional para serem feitas as análises e os cálculos necessários para descrever a perda de propagação de uma rede, neste caso, a rede móvel. Essas fórmulas são limitadas a uma faixa de frequência de 150 MHz a 1500 MHz e para terrenos quase planos. Para se determinar a atenuação para ambiente urbano, temos a Equação (7) [13]: 12

13 (7) Onde: E é a intensidade de campo elétrico em db(µv/m); f é a frequência em MHz sendo limitada na faixa de 150 MHz a 1500 MHz; h 1 é a altura da antena da enodeb em metros e o seu valor está dentro da faixa de 30 a 200 m; h 2 é a altura da antena do móvel dado em metros e sua faixa varia de 1 a 10 m; d é a distância do enlace dada em km e pode chegar até 20 km; a(h 2 ) é um fator de correção dado em db utilizado para corrigir a altura da antena do móvel em ambientes urbanos. Pode-se calcular através das equações (8), (9), (10) e (11): (8) (9) (10) (11) Este procedimento extraído da recomendação ITU-R P e resulta em valores similares ao método da recomendação para d até 10 km [14]. 13

14 Redes LTE I: Considerações Finais Este tutorial parte I procurou apresentar as Redes LTE através de uma visão da evolução das redes celulares e da implantação no Brasil, e de suas características básicas, e a seguir tratou dos protocolos utilizados e da rede de acesso, e finalizou apresentando conceitos dos modelos de propagação, apresentando também os modelos Okumura e Hata. O tutorial parte II dará sequência à apresentação dos modelos de propagação apresentando o modelo da norma ITU-R P , a seguir apresentará os conceitos de análise, através das premissas adotadas nos cálculos e do cálculo de intensidade de campo de célula propriamente dito, e finalizara apresentando as conclusões da comparação dos modelos de propagação. Referências [1] Convergência Digital - Internet Móvel 3G - Leilão 4G: Governo já arrecadou R$ 2,565 bilhões. [Online]. Disponível em: Acessado em: 14-maio-2012 [2] TELETIME News - Brasil terá entre 3 e 4 mil antenas 4G em abril de 2013, prevê Nokia Siemens. [Online]. Disponível em: Acessado em: 14-maio-2012 [3] H. Holma e A. Toskala, LTE for UMTS OFDMA and SC-FDMA based Radio Access. Nokia Siemens Networks, Finland: Wiley, [4] 3G Américas, Mimo Transmission Schemes for LTE and HSPA Networks June,2009. jun [5] H. Holma e A. Toskala, LTE for UMTS OFDMA and SC-FDMA based Radio Access. John Wiley & Sons. [6] M. F. Iskander e Zhengqing Yun, Propagation prediction models for wireless communication systems, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, no. 3, p , mar [7] Motorola, LTE RF Planning Guide [8] C. L. Vasco, Modelo de Propagação Empírico para Sinais de TV Digital em Curitiba, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, [9] A. W. Graham, N. C. Kirkman, P. M. Paul, e Wiley InterScience (Online service), Mobile radio network design in the VHF and UHF bands a practical approach. Chichester, West Sussex; Hoboken, NJ: John Wiley, [10] R. M. L. Silva, Características de Propagação ponto-área na faixa de 2 a 15GHz com Aplicações em Comunicações Móveis, Instituto Militar de Engenharia,

15 [11] Telefonia Celular Digital - Livro - Editora Érica - MARCELO SAMPAIO DE ALENCAR - ISBN [Online]. Disponível em: Acessado em: 19-abr-2012 [12] L. A. R. da S. Mello e M. E. C. Rodrigues, Introduçao aos Sistemas Móveis Celulares, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, [13] G. R. Ramalho, Uma Ferramenta de Predição e Avaliação de Cobertura para Sistema de Comunicação Ponto-Área, dissertação de mestrado, Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel, [14] ITU, Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to MHz.. [15] ITU, Recommendation ITU-R P Eletronic Publication Geneva, out [16] S. Blomeler, Long Term Evolution Signaling & Layer 1 Design.. [17] ITU, Tabulated field strength values (Rec. ITU-R P.1546). [Online]. Disponível em: Acessado em: 18-jun

16 Redes LTE I: Teste seu entendimento 1. Quais são as tecnologias de modulação utilizadas no LTE? Downlink: OFDMA; Uplink: SC-FDMA. Downlink: OFDMA; Uplink: CDMA. Downlink: SC-FDMA; Uplink: OFDMA. Downlink: CDMA; Uplink: SC-FDMA. 2. Quais são as taxas de dados de pico das Redes LTE? Downlink: 2 Mbps; Uplink: 474 kbps. Downlink: 7,2/14,4 Mbps; Uplink: 5,76 Mbps. Downlink: 21/42 Mbps; Uplink: 7,2/11,5 Mbps. Downlink: 100 Mbps; Uplink: 50 Mbps. 3. Quais são os três tipos de Modelo de Propagação existentes? Empíricos, teóricos e mistos. Empíricos, teóricos e específicos do local. Específicos do local, empíricos e mistos. Teóricos, específicos do local e mistos. 16