I MPL E M E N T A Ç Ã O D E PR O C ESSA D O R B A ND A B ASE O F D M A PA R A D O W N L IN K L T E E M FPG A

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇAO EM ENGENHARIA ELÉTRICA I MPL E M E N T A Ç Ã O D E PR O C ESSA D O R B A ND A B ASE O F D M A PA R A D O W N L IN K L T E E M FPG A MESTRANDO: BRUNO LEONARDO MENDES TAVARES SILVA ORIENTADOR: PROF. DR. IVAN SARAIVA SILVA N A T A L RN M A R Ç O D E 2011

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇAO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Implementação de Processador Banda Base O F D M A para Downlink L T E em FPG A Bruno Leonardo Mendes Tavares Silva Orientador: Prof. Dr. Ivan Saraiva Silva Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFRN (área de concentração: Engenharia da Computação) como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências. Natal RN M arço de

3 Seção de Informação e Referência Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede Silva, Bruno Leonardo Mendes Taveres. Implementação de processador banda base ofdma para downlink lte em fpga. / Bruno Leonardo Mendes Tavares Silva. Natal, RN, f.; il. Orientador: Ivan Saraiva Silva. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação. 1. Tecnologia LTE Dissertação. 2. Processamento banda base Dissertação. 3. Arquitetura reconfigurável. 4. FPGA Dissertação. I. Silva, Ivan Saraiva. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título. RN/UF/BCZM CDU 62:004

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5 Dedico À minha esposa, Juliana e ao meu filho Leonardo por todo amor, paciência e incentivos dedicados a minha formação. 4

6 Agradecimentos Agradeço a Deus, por ter me dado força, perseverança e sabedoria na concretização de mais uma importante etapa da minha vida! Agradeço carinhosamente a minha mãe, Joselma do Nascimento e aos meus avôs José Tavares e Zélia do Nascimento pelo amor, dedicação a minha educação e empenho na minha formação profissional. Ao professor Dr. Ivan Saraiva Silva por ter me acolhido no seu grupo de pesquisa e pela orientação e amizade. Aos professores da UFRN que contribuíram para essa etapa da minha formação acadêmica, em especial ao professor Dr. José Alberto Nicolau pelas dicas valiosas que muito contribuíram para realização deste trabalho. Aos colegas da pós-graduação pelo companheirismo e amizade prestados no decorrer do mestrado em especial, agradeço às contribuições de Marcelo, Carlos, Hélio, Bruno e Vinícius. Por fim, um agradecimento especial ao INPE pelo apoio financeiro e ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFRN pela excelente formação. 5

7 Resumo Esta dissertação trata da implementação de um processador banda base em hardware para Downlink LTE. O LTE ou Long Term Evolution compreende o último estágio de desenvolvimento das tecnologias chamadas de 3G (Telefonia Móvel de Terceira Geração) que provê um incremento nas taxas de dados e maior eficiência e flexibilidade na transmissão com emprego de técnicas avançadas de antenas e de técnicas de transmissão de múltiplas portadoras. Esta tecnologia aplica em sua camada física a técnica OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) para geração de sinais e mapeamento dos recursos físicos no downlink e tem como base teórica à técnica de múltiplas portadoras OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Com recente finalização das especificações da tecnologia LTE, diversas soluções em hardware tem sido propostas e desenvolvidas, principalmente, ao nível de processamento de símbolo em que a implementação do processador OFDMA em banda base é comumente considerada, visto que ela é também considerada como arquitetura básica de outras importantes aplicações. Para implementação do processador, hardwares reconfiguráveis oferecidos por dispositivos como FPGA são considerados que visa não só atender os altos requisitos de flexibilidade e adaptabilidade do LTE como também oferecem a possibilidade de uma implementação rápida e eficiente. A implementação do processador em hardware reconfigurável atendeu as especificações da camada física LTE bem como se mostrou flexível o suficiente para atender outros padrões e aplicações que utilizem o processador OFDMA como arquitetura básica de seus sistemas. Os resultados obtidos através de simulação e verificação funcional do sistema atestam a funcionalidade e a flexibilidade do processador implementado. Palavras-chave: Tecnologia LTE, Processamento Banda Base, Arquitetura Reconfigurável, FPGA. 6

8 Abstract This work treats of an implementation OFDMA baseband processor in hardware for LTE Downlink. The LTE or Long Term Evolution consist the last stage of development of the technology called 3G (Mobile System Third Generation) which offers an increasing in data rate and more efficiency and flexibility in transmission with application of advanced antennas and multiple carriers techniques. This technology applies in your physical layer the OFDMA technical (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) for generation of signals and mapping of physical resources in downlink and has as base theoretical to OFDM multiple carriers technique (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). With recent completion of LTE specifications, different hardware solutions have been developed, mainly, to the level symbol processing where the implementation of OFDMA processor in base band is commonly considered, because it is also considered a basic architecture of others important applications. For implementation of processor, the reconfigurable hardware offered by devices as FPGA are considered which shares not only to meet the high requirements of flexibility and adaptability of LTE as well as offers possibility of an implementation quick and efficient. The implementation of processor in reconfigurable hardware meets the specifications of LTE physical layer as well as have the flexibility necessary for to meet others standards and application which use OFDMA processor as basic architecture for your systems. The results obtained through of simulation and verification functional system approval the functionality and flexibility of processor implemented. K eywords: LTE technology, Bandbase Processing, Reconfigurable Architecture, FPGA. 7

9 Sumário 1 INT R O DU Ç Ã O MOTIVAÇÃO OBJETIVO DO TRABALHO ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO A T E C N O L O G I A L T E O PADRÃO 3GPP LONG TERM EVOLUTION CONCEITOS BÁSICOS DA TECNOLOGIA LTE TÉCNICA OFDM TÉCNICA OFDMA TÉCNICA SC- FDMA TÉCNICA MIMO MODOS DE OPERAÇÃO LTE CAMADA FÍSICA LTE CAMADA FÍSICA PARA O DOWNLINK LTE SINAIS E CANAIS FÍSICOS PARA O DOWNLINK LTE ESTRUTURA DO SLOT PARA O DOWNLINK LTE PROCESSAMENTO BANDA BASE DA CAMADA FÍSICA NO DOWNLINK PROCESSAMENTO BANDA BASE OFDMA PARA DOWNLINK LTE MAPEAMENTO DE RECURSOS FÍSICOS LTE IFFT LTE PREFIXO CÍCLICO LTE I MPL E M E NT A Ç Ã O D A C A M A D A FÍSI C A L T E PROCESSAMENTO BANDA BASE DO DOWNLINK LTE IMPLEMENTAÇÕES EM SOFTWARE E HARDWARE IMPLEMENTAÇÕES EM HARDWARE DO DOWNLINK LTE A R Q UIT E T UR A PR OPOST A E I MPL E M E N T A D A ARQUITETURA PROPOSTA METODOLOGIA DE PROJETO CONSIDERAÇÕES SOBRE IMPLEMENTAÇÃO ARQUITETURA IMPLEMENTADA ARQUITETURA DO MAPEADOR DE RECURSOS FÍSICOS ARQUITETURA DA IFFT ARQUITETURA DA UNIDADE PROCESS UNIT ARQUITETURA DA UNIDADE AGU ARQUITETURA DA UNIDADE WK ARQUITETURA DA UNIDADE CONTROL ARQUITETURA CYCLIC PREFIX LTE ARQUITETURA DA UNIDADE CONTROL CP SI M UL A Ç Õ ES E RESU L T A D OS METODOLOGIA DE VERIFICAÇÃO AMBIENTE DE VERIFICAÇÃO SIMULAÇÕES C O N C L USÕ ES R E F E R Ê N C I AS BIB L I O G R Á FI C AS

10 Lista de Figuras Figura 2.1 Geração do sinal OFDM...21 Figura 2.2 Espectro do sinal OFDM...22 Figura 2.3 Densidade espectral de potência para uma transmissão OFDM empregando uma janela temporal do tipo cosseno levantado...23 Figura 2.4 Recepção do sinal OFDM...23 Figura 2.5 Alocação de subportadoras OFDM e OFDMA...25 Figura 2.6 Estrutura genérica de um frame LTE...26 Figura 2.7 Grid de recursos no Downlink...28 Figura 2.8 Emprego do sinal de referência no grid de recursos do Downlink...28 Figura 2.9 Distribuição de amplitudes do sinal OFDM...30 Figura 2.10 Diagrama de blocos do transmissor e receptor SC-FDMA...30 Figura 2.11 Distribuição das subportadoras SC-FDMA...32 Figura 2.12 Esquema MIMO LTE...33 Figura 2.13 Sinais de referência para computação da resposta do canal...33 Figura 2.14 Modos de operação FDD e TDD...34 Figura 2.15 Arquitetura do protocolo de interface de rádio...35 Figura 2.16 Relação entre as especificações da camada física...35 Figura 2.17 Frame genérico LTE...37 Figura 2.18 Estrutura de frame para o Downlink...38 Figura 2.19 Processamento da camada física LTE no Downlink...40 Figura 2.20 Embaralhamento de dados no Downlink...40 Figura 2.21 Modulação no Downlink Figura 2.22 Grid de recursos físicos LTE...42 Figura 2.23 Diagrama de fluxo de dados para uma FFT de 8 pontos...45 Figura 2.24 Complexidade computacional da IFFT...45 Figura 3.1 Processamento banda base LTE...49 Figura 3.2 Exemplo de particionamento de hardware e software para o processamento banda base LTE...50 Figura 3.3 Diagrama de blocos do transmissor banda base OFDMA LTE

11 Figura 3.4 Exemplo do aumento do radix da FFT...52 Figura 3.5 Arquitetura da FFT baseada em memória...52 Figura 3.6 Arquitetura baseada em memória...54 Figura 3.7 Implementação da IFFT com diferentes funções base...55 Figura 3.8 Exemplo de um adicionador de prefixo...56 Figura 4.1 Processamento ao nível de símbolo do Downlink LTE...58 Figura 4.2 Arquitetura proposta para o processamento ao nível de símbolo do Downlink...58 Figura 4.3 Fluxo de projeto...60 Figura 4.4 Arquitetura implementada para o processamento ao nível de símbolo do Downlink LTE...63 Figura 4.5 Arquitetura do core básico para o processamento ao nível de símbolo de um único stream...63 Figura 4.6 Mapeador de recursos físicos implementado...64 Figura 4.7 Diagrama de estados que implementa unidade de controle do CONTROL MAPPING do Mapeador de recursos LTE...65 Figura 4.8 Arquitetura da IFFT implementada...66 Figura 4.9 Arquitetura da Process Unit...68 Figura 4.10 Arquitetura da Process Unit em nível RTL...68 Figura 4.11 Arquitetura do multiplicador de dados complexos em nível RTL...69 Figura 4.12 Arquitetura da AGU...71 Figura 4.13 Memória de inicialização da ROM WK...77 Figura 4.14 Arquitetura da ROM WK...77 Figura 4.15 Posição dos dados para diferentes configurações LTE...79 Figura 4.16 Diagrama de estados da unidade CONTROL...80 Figura 4.17 Arquitetura da Cyclic Prefix implementada...81 Figura 4.18 Diagrama de estados da unidade CONTROL CP...85 Figura 5.1 Fluxo de verificação proposto...88 Figura 5.2 Fluxo de projeto implementado...89 Figura 5.3 Ambiente de desenvolvimento textual do Matlab...90 Figura 5.4 Ambiente de desenvolvimento gráfico do Matlab...90 Figura 5.5 Ambiente de verificação Figura 5.6 Simulação da etapa de mapeamento de recursos

12 Figura 5.7 Simulação da etapa de aquisição de dados da IFFT...94 Figura 5.8 Simulação da etapa de saída de dados da IFFT...94 Figura 5.9 Simulação da geração de prefixo para o modo LTE de 128 subportadoras com prefixo curto e com L = Figura 5.10 Sinais de configuração para o processador banda base OFDMA LTE...96 Figura 5.11 Simulação das funções exponenciais...97 Figura 5.12 Simulação das funções exponenciais no Simulink...97 Figura 5.13 Modulação QAM Figura 5.14 Modulação QAM Figura 5.15 Modulação QPSK...99 Figura 5.16 Espectro de freqüência do sinal OFDMA...99 Figura 5.17 Geração de stream de dado OFDMA Figura 5.18 Sinal OFDM no domínio do tempo para um conjunto de 4 subportadoras

13 Lista de Tabelas Tabela 2.1 Parâmetros do 3GPP LTE...26 Tabela 2.2 Disposição de recursos físicos no Downlink...27 Tabela 2.3 Configurações para o prefixo cíclico no Downlink...39 Tabela 2.4 Disposição de recursos no Downlink...39 Tabela 2.5 Configurações do prefixo cíclico LTE em função do modo de operação e do símbolo OFDMA...46 Tabela 4.1 Seqüência de processamento da Process Unit...69 Tabela 4.2 Representação binária do index0 para uma IFFT de 256 pontos...72 Tabela 4.3 Nova ordenação de bits da butterfly para diferentes configurações LTE

14 Lista de Símbolos e Abreviaturas 3GPP AGU BFP BPSK CDMA CQI CP CRC DFT Downlink enode-b E-UTRA FEC FFT FIFO FPGA FDD HARQ HSDPA HSUPA IFFT ISI LTE MAC MBMS MBSFN MIMO MISO OFDM OFDMA PBCH PCFICH PDSCH PDCCH PHICH PMCH PRACH PRB PUCCH PUSCH QAM QoS QPP QPSK RAM Generation Partnership Project Address Generator Unit Block Floating Point Binary Phase Shift Keying Code Division Multiple Access Channel Quality Indicator Cyclic Prefix Cyclic Redundancy Check Discrete Fourier Transform Enlace de decida na comunicação rádio-móvel Evolved Node B Evolved Universal Terrestrial Radio Access Forward Error Correction Fast Fourier Transform First In First Out Field Programmable Gate Array Frequency Division Duplex Hybrid Automatic Repeat Request High Speed Downlink Packet Access High Speed Uplink Packet Access Inverse Fast Fourier Transform Inter symbolic Interference Long Term Evolution Medium Access Control Multimedia Broadcast and Multicast Service Multicast/Broadcast over Single Frequency Network Multiple Input Multiple Output Multiple Input Single Output Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Physical Broadcast Channel Physical Control Format Indicator Channel Physical Downlink Shared Channel Physical Downlink Control Channel Physical Hybrid ARQ Indicator Channel Physical Multicast Channel Physical Random Access Channel Physical Resources Block Physical Uplink Control Channel Physical Uplink Shared Channel Quadrature Amplitude Modulation Quality on Service Quadratic Permutation Polynomial Quadrature Phase Shift Keying Random Access Memory 13

15 RLC ROM RRC RSSI RSRP RSRQ RTL SAP SC-FDMA SIMO SISO STA TDD TDMA TX UE Uplink VHDL VHSIC Radio Link Control Read Only Memory Radio Resource Control Received Signal Strength Indicator Reference Signal Received Power Reference Signal Received Quality Register Transfer Level Service Access Point Single-Carrier Frequency Division Multiple Access Single Input Multiple Output Single Input Single Output Statistical Timing Analysis Time Division Duplex Time Division Multiple Access Diversity Transmit Diversity User Equipment Enlace de subida na comunicação rádio-móvel Very Large Hardware Description Language Very High Speed Integrated Circuits 14

16 Capítulo 1 Introdução O Long Term Evolution ou simplesmente LTE foi padronizado pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP), e representa último o estágio de desenvolvimento rumo à tecnologia conhecida como 4G (Telefonia móvel de quarta geração) [1, 2, 3, 4]. Tal tecnologia implementa inúmeras melhoras em relação aos padrões anteriores [1, 2, 3] como alta eficiência espectral, menor latência, melhor mobilidade e cobertura, que se traduzem em altas taxas e numa melhor performance. Para implementação destas melhorias ela combina tecnologias de acesso baseadas na técnica de múltiplas portadoras OFDM com técnicas avançadas de antenas MIMO (Multiple Input Multiple Output). A camada física LTE é baseada na técnica OFDM cujas variantes SC FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) e OFDMA, são aplicadas no Uplink e Downlink, respectivamente [1, 3]. Com recente finalização das especificações do LTE [2, 5], várias soluções vêem sendo propostas e desenvolvidas, sobretudo, quanto ao processamento em banda base que se divide em duas etapas: o processamento ao nível de bit e o processamento ao nível de símbolo. O processamento ao nível de bit (FEC, Turbo codes, scrambling, etc), é comumente implementado em software com DSP devido à baixa complexidade de seus algoritmos. Já o processamento ao nível de símbolo (geração do sinal OFDMA e SC-FDMA), é normalmente implementado em hardware, apresentando maior complexidade e devido sua importância é mais comumente estudado e explorado na literatura [6, 7, 8, 9]. Sob pontos de vista de implementação em hardware, o LTE demanda arquiteturas altamente flexíveis que sejam capazes de suportar as diferentes configurações e modos de operação. Além disso, sua arquitetura deve ser eficiente, capaz de suportar a grande carga computacional exigida pelos algoritmos complexos que implementa em sua camada física (OFDMA e SC-FDMA) e o processamento MIMO, que demanda o processamento banda base para cada antena considerada (Até quatro antenas para o par transmissor receptor) [1, 2]. Devido a isso hardwares reconfiguráveis oferecidos por dispositivos como FPGA (Field Programmable Gate Array) são considerados na implementação da camada física LTE, explorando a 15

17 capacidade de reconfiguração destes dispositivos assim como os mesmos representam uma alternativa eficiente e de rápida prototipagem do sistema a ser implementado [7, 8, 9]. Quanto à implementação, destacam-se ainda as diferentes metodologias de projeto como o uso de núcleos de hardware pré-validados os chamados IP cores (Intelectual Property) [10, 11], que propiciam maior agilidade no design; a proposição de novos algoritmos para geração do símbolo OFDMA, principalmente, os algoritmos da FFT/IFFT elementos principais na sua geração [12] e por fim o particionamento em Hardware/Software com o uso de DSP e FPGA [7, 8, 9]. 1.1 Motivação A tecnologia LTE é sem dúvida de extrema importância tecnológica e comercial para o setor de telecomunicações. Na esfera comercial, o mercado de telefonia móvel se beneficia das significativas melhoras técnicas que a tecnologia implementa em relação aos seus antecessores [1, 2, 3], agregando mais valor e qualidade aos seus serviços e possibilitando as ofertas de novos como internet banda larga, aplicações multimídia, etc [3], contribuindo assim para o aumento de suas receitas. No âmbito tecnológico a proximidade do LTE da futura geração 4G de Rádio por Software [13, 14, 15, 16], contribui para uma transição mais gradual e assegura que futuras modificações na rede móvel possam ser mais facilmente implementadas com menor ou sem qualquer custo adicional as operadoras de telefonia móvel. Em outras palavras, o LTE representa um desenvolvimento mais contínuo e sustentável para telefonia móvel. Desde o início da sua especificação em 2004, a tecnologia LTE tem sido alvo de intensa pesquisa, sobretudo pelos desenvolvedores de IP baseados nas plataformas da Altera e Xilinx [7, 8, 9] e de desenvolvedores de modelos pra teste e validação como Agilent [17], sendo constantemente, reportados na literatura. À medida que sua arquitetura ia evoluindo, principalmente, quanto aos algoritmos a serem implementados na sua camada física [1, 2], várias soluções em hardware e software foram sendo propostas, visando oferecer alternativas viáveis para os fabricantes de dispositivos móveis [5, 6, 7, 8]. Esta corrida pela proposição de soluções que atendessem a tecnologia LTE concentrou-se, principalmente, na implementação do processamento banda base da camada física LTE em hardware [6]. Sob este aspecto duas frentes de pesquisa foram consideradas: soluções de Hardware e Software (Co-design) ou soluções em hardware [6, 7, 8]. Esta 16

18 última teve maior destaque, pois visa não só propor uma arquitetura que atenda, simplesmente as especificações LTE como também visa otimizar parâmetros como área e consumo importantes para os dispositivos móveis que apresentam várias limitações nestes parâmetros [6]. Dentre os algoritmos considerados na especificação da camada física LTE, o OFDMA responsável pelo Downlink se destaca visto que o mesmo é também a arquitetura básica de outros sistemas como WIMAX [18] e a plataforma de hardware das futuras redes 4G [13, 14]. Devido ao exposto é proposto neste trabalho à implementação do processador banda base OFDMA em hardware para atender o padrão LTE assim como oferecer uma arquitetura alternativa para os sistemas atuais e futuros que se utilizam da mesma técnica. 1.2 Objetivo do T rabalho O objetivo desta dissertação é a implementação de um processador banda base OFDMA para Downlink da camada física LTE em FPGA que atenda as especificações do LTE, e que seja ainda flexível para atender outras aplicações que têm o processador banda base OFDMA como arquitetura básica de seus sistemas. A técnica OFDMA é responsável pela geração de sinais e mapeamento dos recursos físicos no Downlink LTE. Ela é também a base da técnica SC-FDMA aplicada no Uplink da camada física LTE como também é base de outras importantes aplicações a exemplo do WIMAX e de futuras redes 4G. Desse modo o processsador banda base OFDMA constitui a base tecnológica de inúmeras aplicações que é resultado da convergência da várias plataformas de hardware de comunicação, sobretudo para o processamento banda base, para uma plataforma comum baseada na técnica OFDMA. Daí a motivação e objetivo deste trabalho na implementação de um processador banda base OFDMA seja para atender o padrão LTE que é uma tecnologia nova e emergente como futuro padrão de comunicação móvel seja para atender outras aplicações que se utilizam do mesmo núcleo básico OFDMA para o seu processamento banda base explorando esta convergência. Um estudo sobre a técnica OFDM, que constitui a base teórica do OFDMA, será realizado, bem como um estudo e caracterização da tecnologia LTE também será realizado, em particular da sua camada física, visando definir os requisitos funcionais e arquiteturais do processador banda base OFDMA. Na implementação do processador, arquiteturas reconfiguráveis oferecidas por dispositivos como FPGA serão considerados, visando: a redução no tempo de projeto através da possibilidade de uma prototipagem rápida; eficiência e exploração de sua flexibilidade através da sua capacidade de reconfiguração. Além disso, na fase de projeto, diferentes metodologias e 17

19 algoritmos para otimização de hardware serão considerados, visando atender os requisitos de flexibilidade e adaptabilidade do padrão LTE. 1.3 O rganização da Dissertação No capítulo II, apresentará a tecnologia LTE e os seus conceitos básicos como a técnica OFDM e suas variantes SC-FDMA e OFDMA assim como os seus modos de operação. Serão discutidos também as especificações e os requisitos funcionais e arquiteturais necessários a implementação do Downlink LTE. Caso o leitor seja familiarizado com esta tecnologia e os seus conceitos pode seguir diretamente para o capítulo III. No capítulo III, será feito um estudo sobre as diferentes metodologias de projeto para a implementação do processamento banda base LTE, discutindo o estado da arte desta, sobretudo, no que tange sua implementação a nível de processamento de símbolo em hardware. No capítulo IV, será apresentada a arquitetura proposta e implementada de acordo com especificações descritas no capítulo II e as considerações de projeto discutidas no capítulo III. Neste capítulo, será discutido, fundamentalmente, a proposta, considerações de projeto e a implementação do processador banda base OFDMA em hardware reconfigurável. No capítulo V, será mostrado os resultados e os testes de validação. Aqui os resultados são mostrados, comentados e analisados quanto a funcionalidade requerida conforme as especificações discutidas no capítulo II. No capítulo VI, será mostrado as conclusões e considerações finais assim como as perspectivas futuras de trabalho. 18

20 Capítulo 2 A Tecnologia L T E Neste capítulo, serão abordados a aplicabilidade, características e as especificações do padrão 3GPP Long Term Evolution tanto sobre ponto de vista funcional como arquitetural. Serão mostrados ainda os fundamentos da técnica OFDM e das suas variantes OFDMA e SC- FDMA e da técnica MIMO como forma de auxiliar a compreensão do padrão e dos seus benefícios. Este capítulo está dividido em quatro seções da seguinte forma: Na seção 2.1, tratará do padrão do 3GPP LTE. Na seção 2.2, tratará dos conceitos básicos da tecnologia. Na seção 2.3, abordará as especificações e as características funcionais e arquiteturais da camada física. Na seção 2.4, tratará do processamento banda base OFDMA para Downlink LTE objeto de estudo deste trabalho. 2.1 O Padrão 3GPP Long Term Evolution A tecnologia 3GPP Long Term Evolution, ou simplesmente, 3G LTE é o próximo passo das tecnologias de comunicação móvel de terceira geração (3G LTE Mobile System) e foi padronizado pelo 3rd Generation Partnership Project 3GPP, no Release 8 em Abril de 2009 que estabeleceu os requisitos mínimos em termos de conectividade mútua e compartilhada [2]. O LTE, como mais comumente é conhecido, implementa inúmeras melhoras, sobretudo, quanto à eficiência e capacidade de transmissão [1, 2]. Para implementação destas melhorias, dois aspectos são fundamentais: a largura de banda escalonável e uma maior eficiência espectral. As técnicas de múltiplas portadoras OFDM e a técnica MIMO são as responsáveis diretas por estas características, propiciando um sistema mais flexível na alocação de banda e na eficiência de seu uso. A camada física LTE é baseada na técnica OFDM cujas variantes SC FDMA e OFDMA são responsáveis pelo Uplink e Downlink, respectivamente [1, 2]. As técnicas SC-FDMA e OFDMA são as principais responsáveis pela robustez do sistema ao multipercurso e altas taxas oferecidas pelo LTE, sendo o MIMO um bom complemento no aumento da capacidade do sistema [3, 17, 19]. Estas técnicas também são responsáveis pela superação de algumas 19

21 desvantagens associadas à técnica OFDM que tornaram possível sua implementação em dispositivos moveis [20, 21]. Nas seções a seguir, será visto mais detalhes acerca destas melhoras. Dentre as diversas características do LTE, pode-se destacar: - Incremento das taxas de dados: 100 Mbps no Downlink de e 50 Mbps no Uplink; - Redução da latência para 10 ms; - Melhoria do broadcast 1 ; - Largura de banda escalonável; - Suporte aos modos FDD (Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex); - Uso de antenas MIMO; O incremento das taxas de dados está associado diretamente com o uso da técnica OFDM combinado com a técnica MIMO, que juntas oferecem maior eficiência espectral e capacidade de transmissão [17, 19, 20]. A melhoria do broadcast também está associada ao uso do OFDM, em redes de freqüência única SFN (Single Frequency Network), tanto que o mesmo já é considerado há algum tempo para transmissões contínuas como no broadcast de áudio e vídeo digital (DVB Digital Video Broadcast e DAB - Digital Audio Broadcast) [20]. A largura de banda escalonável é uma característica também associada à técnica OFDM que pode ser obtida a partir da aplicação do OFDM de N pontos (N subportadoras). As demais características como redução da latência, otimização para IP, e suporte aos modos FDD e TDD são baseados nos padrões anteriores, sendo suas melhorias uma continuidade do desenvolvimento destes. Outro aspecto a ser ressaltado sobre a tecnologia LTE é que ela abre caminho para as tecnologias conhecidas como 4G que prometem taxas de transmissão muito mais elevadas. Isso porque a tecnologia LTE apresenta uma arquitetura flexível e adaptativa, além de aplicar técnicas e algoritmos que possibilitam uso mais eficiente do espectro e uma maior robustez aos efeitos dispersivos do canal [15, 16]. Em outras palavras, a tecnologia LTE emprega alguns dos princípios do 4G em sua plataforma constituindo 1 Broadcast: O termo broadcast transmite ou difunde determinada informação, sendo a mesma informação transmitida ou propagada para vários receptores ao mesmo tempo. 20

22 assim uma importante base tecnológica para esta. Nas seções a seguir, será visto os conceitos que regem a tecnologia LTE. 2.2 Conceitos Básicos da Tecnologia L T E Nesta seção, será discutido os conceitos básicos da tecnologia LTE e seus modos de operação, que auxiliaram no entendimento das especificações da camada física e da implementação proposta Técnica O F D M A modulação OFDM consiste na geração de N subseqüências de n bits (função do tipo de modulação) a partir de uma seqüência original e única (stream de bits) geradas através de um conversor série-paralelo e que são posteriormente mapeadas em subsímbolos complexos (BPSK, QPSK, QAM-16, QAM-64, etc), ou seja, levados ao domínio da freqüência. Estes subsímbolos complexos irão modular N subportadoras ortogonais geradas pela IFFT (Inverse Fast Fourier Transform). Com têm-se um símbolo útil OFDM, agora no domínio do tempo. Em seguida, o símbolo último OFDM é acrescido, em seu início de amostras finais do mesmo denominado de prefixo cíclico, formando o símbolo OFDM ciclicamente estendido [20, 21, 22]. No caso do padrão LTE, assim como em outros padrões a, b, g, n e , etc, o emprego do prefixo cíclico implica em uma maior robustez ao espalhamento de retardo do canal, sendo um dos inúmeros benefícios que a técnica traz para o padrão LTE [1, 2, 16, 20, 21, 23]. A geração do símbolo OFDM é ilustrada na Figura 2.1. Figura 2.1 Geração do sinal OFDM [20]. 21

23 O espectro do sinal OFDM obtido é ilustrado na Figura 2.2. Na Figura 2.2, vê-se nitidamente a ortogonalidade entre as subportadoras em que cada uma, representada aqui por funções sinc [20, 24, 25], é colocada em pontos de cruzamento nulo das demais, resultando assim numa sobreposição espectral, e implicando conseqüentemente numa maior eficiência no uso da largura de banda [20]. No capítulo IV, será mostrado em detalhes como obter essas subportadoras ortogonais a partir dos algoritmos da FFT e como estes podem ser implementados de maneira eficiente em hardware. Figura 2.2 Espectro do sinal OFDM. Embora não ilustrado na Figura 2.1 em casos práticos, é comum a adição do zero padding (subsímbolos nulos) e de portadoras piloto (ou sinais de referência) conjuntamente aos dados mapeados no processo de geração do símbolo OFDM. O zero padding é empregado com intuito de diminuir a complexidade dos filtros necessários à conversão D/A assim como no controle da banda passante do sinal [20]. As portadoras piloto são sinais que não carregam informação, sendo empregadas com intuito de estimar as características do canal para compensar os efeitos dispersivos do mesmo na recepção, a exemplo de perdas de sincronismo de fase e freqüência [17, 20, 26]. A Figura 2.2 mostra também que cada subportadora modulada caracteriza um subcanal e que apesar de mais 90% da energia deste estar dentro da faixa de interesse, parte desta energia é irradiada nas bandas adjacentes. Como existem limites para esta interferência, é necessário o emprego de algum método que a reduza ou a elimine. Estes limites são definidos na literatura como sendo a máscara espectral do sinal e cujos limites em termos de potência e freqüência variam em função da aplicação [21]. O emprego de um filtro passa-faixa seria uma opção, entretanto, isto acarretaria em um acréscimo na complexidade do transmissor. Uma solução de menor complexidade é o emprego de janelas temporais que apresentam uma queda mais abrupta na densidade 22

24 espectral de potência fora da faixa de interesse. O problema é que estas janelas exigem uma perda na eficiência espectral. Como a transmissão OFDM pode utilizar um período de guarda, no caso o prefixo cíclico, para reduzir a ISI (Inter symbolic Interference) de símbolos consecutivos, pode-se aproveitar este período para também reduzir a interferência nas bandas adjacentes. Na Figura 2.3, têm-se um exemplo da densidade espectral de um sinal OFDM empregando uma janela temporal tipo co-seno levantado [21]. Figura 2.3 Densidade espectral de potência para uma transmissão OFDM empregando uma janela temporal tipo cosseno levantado [21]. A recepção do sinal OFDM compreende ao inverso da transmissão e está ilustrado na Figura 2.4. Figura 2.4 Recepção do sinal OFDM [20]. 23

25 Para entender enfim os ganhos da técnica OFDM para o estudo em questão e pra os demais padrões e aplicações que se utilizam desta técnica, são enumerados abaixo as principais características da técnica OFDM. - O emprego N subportadoras pela técnica OFDM implica ter N subcanais de faixa tão estreitas quanto número destas empregadas, ou seja, a largura de banda por subcanal é BW/N (BW Largura de banda), diferentemente, dos métodos convencionais de transmissão que empregam uma única portadora ocupando toda largura de banda BW do canal, e é justamente esta característica que torna o sinal OFDM menos susceptível ao multipercurso [24]. Em outras palavras, significa reverter o desvanecimento seletivo em freqüência (dispersão temporal) presente neste tipo de canal num desvanecimento plano ou quase-plano, tornando o processo de equalização, geralmente complexo, em um processo simples ou desnecessário [19]. Entretanto, em situações em que o canal é submetido a um desvanecimento profundo uso de técnicas como MIMO se fazem necessárias para assegurar uma transmissão robusta [19, 20]. - O emprego do prefixo cíclico que torna o símbolo transmitido mais longo e mais robusto ao retardado de canal; - Uma maior eficiência espectral assegurada pela ortogonalidade numérica entre as subportadoras; - O emprego dos algoritmos da IFFT/FFT para geração das subportadoras ortogonais que podem ser implementados eficientemente em hardware. Embora a técnica OFDM seja usada há a vários anos em diversos sistemas de comunicação o uso da mesma em dispositivos móveis é mais recente. O principal limitador do seu uso era potência requerida para realização das operações da FFT, considerada o elemento principal na geração do sinal OFDM, demandando alto custo computacional para aplicações móveis. Com redução gradual do custo do processamento digital de sinais, a técnica OFDM é agora considerada como um método de transmissão sem fio viável para dispositivos móveis. Entretanto, há além destas outras desvantagens associadas à técnica OFDM como sensibilidade a erros de freqüência, ruídos de fase e desvio Doppler [20, 21] que foram sendo transpostos no decorrer do tempo com emprego de diferentes esquemas de codificação (FEC, Códigos convolucionais, etc) [19, 20] e com combinação de outras técnicas (TDMA, CDMA, etc) [4, 16], consolidando-a como estado da arte das comunicações sem fio [14, 16]. A seguir será visto as técnicas OFDMA e SC-FDMA variantes da técnica OFDM e que 24

26 são aplicadas, respectivamente, no Downlink e no Uplink do LTE, e que representam algumas destas melhoras que serão discutidas nas seções a seguir [1, 2, 3, 17] Técnica O F D M A O OFDMA consiste de uma tecnologia de múltiplo acesso, baseada na técnica OFDM, que apresenta uma maior eficiência e menor latência em relação a esquemas de multiplexação orientadas a pacotes como o caso do CSMA (Carrier Sense Multiple Access) do padrão IEEE a [4, 23]. Tal técnica incorpora elementos do TDMA (Time Division Multiple Access), permitindo subconjuntos de subportadoras ser alocados dinamicamente para diferentes usuários sobre o canal, resultando num sistema mais eficiente e com maior capacidade. A alocação dinâmica das subportadoras OFDMA para diferentes usuários contribui também para redução do PAPR (Peak to Average Power Ratio), uma das principais desvantagens associadas à técnica OFDM em aplicações móveis [20, 21]. Na seção , será mostrado mais detalhes acerca deste importante parâmetro de transmissão. Na Figura 2.5, é ilustrado a alocação de subportadoras para as técnicas OFDM e OFDMA. Figura2. 5 Alocação de subportadoras OFDM e OFDMA [19]. Como OFDMA é baseada na técnica OFDM o processo de geração do seu sinal, é basicamente o mesmo descrito na seção 2.2.1, exceto pela sua peculiaridade quanto à alocação das subportadoras. A técnica OFDMA é responsável também pela tecnologia LTE apresentar uma transmissão escalonável para diferentes alocações de banda através do emprego de diferentes modos de operação, conforme pode ser observado na Tabela

27 Tabela 2.1 Parâmetros do 3GPP LTE. Modo I F F T(N) Números de símbolos 7/6 O F D M A por slot Símbolo curto ou normal (9).(L=1..6) (10).(L=0) (18).(L=1..6) (20).(L=0) (36).(L=1..6) (40).(L=0) (72).(L=1..6) (80).(L=0) (144).(L=1..6) (160).(L=0) Símbolo longo Os dados da Tabela 2.1 ficam ainda mais claros quando se observa a estrutura de um frame genérico da camada física LTE, conforme mostra a Figura 2.6. O frame LTE tem uma duração de 10 ms, possuindo 10 sub-frames de duração de 1 ms cada. Cada sub-frame por sua vez compreende de dois slots 0,5 ms, consistindo cada slot de um conjunto de 6 ou 7 símbolos OFDM dependentes da extensão do prefixo cíclico empregada [4, 17]. A opção entre 6 ou 7 símbolos OFDM, que compreende do símbolo de prefixo longo e curto, respectivamente, depende da área de cobertura e da condição de canal [6]. Figura 2.6 Estrutura genérica de um frame LTE [4]. No método OFDMA, os usuários são alocados por um número especifico de subportadoras para um determinado montante de tempo. Esses são referenciados como PRBs (Physical Resources Blocks), possuindo cada um, uma dimensão de tempo e freqüência, e sendo alocados em função das estações base do 3GPP (enodeb - Evolved Node B). O número total de subportadoras é função da largura de banda do sistema, 26

28 tendo o LTE seis possíveis larguras de banda, conforme Tabela 2.2 [4, 17]. Será mostrado no capítulo IV que o número de possibilidades para largura de banda (Modos LTE) se restringirá somente a cinco (Ver Tabela 2.1) devido os comprimentos da FFT/IFFT serem potências de 2 (N ) em função dos algoritmos normalmente usados para implementação do seu cálculo como algoritmo butterfly 2. Largura de banda de transmissão (M Hz) F reqüência de amostragem (M Hz) Largura de banda das subportadoras (khz) Largura de banda das PRBs Tabela 2.2 Disposição dos recursos físicos no Downlink. 1,25 2, ,92 3,84 7,68 15,36 23,04 30, (khz) Número de PRBs disponíveis Cada PRB consiste de 12 subportadoras consecutivas para cada slot (6 ou 7 símbolos OFDM), tendo um tamanho total de 180 khz (12x15 khz = 180 khz) no domínio da freqüência e de 0.5 ms no domínio tempo, e compreendendo de um pequeno elemento de alocação de recurso assinalado pela estação base. O Sinal de Downlink pelo qual o método OFDMA é responsável consiste de Nbw subportadoras por uma duração Nsymb OFDM, e podendo ser visto ainda como um grid de tempo-freqüência, conforme mostra a Figura 2.7 [4, 17]. Na Tabela 2.2, observa-se também que o espaçamento das subportadoras é de 15 khz para todos os modos e que a freqüência de amostragem assim como o tamanho da FFT (ver Tabela 2.1) são proporcionais à largura de banda utilizada [1, 2]. 2 Butterfly: O termo butterfly, que significa borboleta, usado na definição do algoritmo para cálculo da transforma rápida de Fourier se deve ao fato da forma gráfica usada na representação da complexidade computacional da transformada ser similar a uma borboleta daí vem o termo. 27

29 Figura 2.7 Grid de recursos no Downlink [17]. Cada caixa do grid representa um subportadora de um período de símbolo, sendo referenciada como um elemento de recurso (Resource Element). Diferentemente, de redes orientadas a pacotes [23] o LTE não utiliza preâmbulo e sim sinais de referência ou sinais piloto nos PRB como mostra a Figura 2.8 [4, 17]. Figura 2.8 Grid de recursos do Downlink [4]. Esses sinais são empregados com intuito de estimar offsets de portadoras, condições de canal e de sincronismo. Os sinais de referência são transmitidos durante o primeiro e quinto símbolo OFDM de cada slot quando o prefixo cíclico curto é usado e 28

30 durante o primeiro e quarto símbolo OFDM quando o prefixo cíclico é longo [4, 17]. A densidade de sinais piloto ou sinais de referência depende diretamente da eficiência na estimação do canal no projeto do receptor. O emprego do mesmo constitui um tradeoff com a eficiência de transmissão de dados. Quanto à disposição dos sinais piloto, o grid de recursos LTE, dependendo da variação do canal, pode ser: retangular ou hexagonal. Quando o canal varia lentamente emprega-se um grid retangular e quando varia rapidamente, cenário de alta mobilidade, emprega-se um grid hexagonal. Em alguns casos, só o emprego de sinais pilotos é ineficiente para garantir uma estimação precisa do canal, sendo assim é comum a aplicação de filtros de alta ordem [6]. Entretanto, estes filtros somente se aplicam à recepção do sinal OFDMA Técnica SC-F DM A Os requerimentos do Uplink LTE diferem em vários pontos do Downlink, porém o aspecto principal está associado ao consumo dos terminais móveis. O alto PAPR (Peak to Average Power Ratio) é apontado como a principal desvantagem da técnica OFDM [4, 17, 20]. O PAPR consiste de um parâmetro que mede a relação entre a potência média e de pico do sinal, e como o sinal OFDM apresenta uma distribuição de amplitudes na forma de uma gaussiana, conforme mostra a Figura 2.9, ou seja, apresenta um alto PAPR, o sinal sofre um ceifamento. Isso porque amplificadores de potência utilizados nas etapas de RF (Rádio Freqüência) possuem um alto rendimento, operando próximo do seu ponto de saturação. Desse modo os picos do sinal OFDM levam o amplificador à condição de corte causando o ceifamento do sinal amplificado, aumentando a taxa de erro de bit do sinal recebido [4, 20, 21]. Figura2. 9 Distribuição de amplitudes do sinal OFDM [20]. 29

31 Para compensar esse efeito são necessários amplificadores de potência de alta linearidade que são ineficientes e caros, incrementando o custo dos terminais e o consumo das baterias [20]. Em razão disso, utiliza-se no Uplink LTE a técnica SC- FDMA, que compreende a uma versão pré-codificada do sinal OFDM, sendo muito similar a técnica OFDMA, conforme pode ser observado na Figura A técnica SC- FDMA combina o baixo PAPR de sistemas de transmissão de única portadora, como GSM e CDMA, com a resistência ao multipercurso e a flexibilidade na alocação de freqüências do OFDMA [4, 17]. Na Figura 2.10, é ilustrado o diagrama de blocos do transmissor e receptor SC-FDMA. Figura 2.10 Diagrama de blocos do transmissor e receptor SC-FDMA [4]. SC-FDMA. Abaixo segue a descrição de cada unidade funcional da cadeia de transmissão do Constellation M apper: Converte o stream bits de entrada em símbolos de uma única portadora (BPSK, QPSK ou 16-QAM) dependendo das condições do canal. Serial/Parallel convert: Formata os símbolos de SC (Single Carrier) no domínio do tempo em blocos para entrada da FFT. M - point D F T: Converte os símbolos SC no domínio do tempo em M tons discretos. Subcarrier M apping: Mapea os tons de saída da DFT para as subportadoras especificas de transmissão, ou seja, distribui os dados sobre determinadas subportadoras. Os Sistemas SC-FDMA utilizam tons contínuos (localizados) ou tons uniformemente espaçados (distribuídos), conforme mostra a Figura

32 N - point ID F T: Converte as subportadoras mapeadas para domínio do tempo para transmissão. Cyclic Prefix and Pulse Shaping: O prefixo é adicionado para compor o sinal SC- FDMA, tornando-o imune ao multipercurso como descrito na seção Já o Pulse Shaping assegura a máscara espectral do sinal através do uso de janelas temporais, conforme descrito na seção 2.1. R F E: Converte o sinal digital para formato analógico e depois faz o Upconvert para transmissão em RF. Para recepção o processo é essencialmente inverso ao descrito. Em razão da aplicação da DFT, o SC-FDMA é também conhecido como Discrete Fourier Transform Spread O F DM ou DFT-SOFDM [19]. Quanto ao problema do alto PAPR, o SC-FDMA o soluciona também agrupando os blocos de recursos PRB (Ver Figura 2.11) o que reduz a necessidade de linearidade e, conseqüentemente, o consumo nos amplificadores de potência. Além disso, as subportadoras SC-FDMA, diferentemente, do OFDM não são moduladas de maneira independente, contribuindo também para redução do PAPR. A redução do PAPR além de diminuir o consumo dos terminais móveis também melhora a cobertura e o desempenho na borda de célula [4, 6, 17]. Figura 2.11 Distribuição das subportadoras SC-FDMA [4] Técnica M IM O A tecnologia LTE utiliza um esquema de múltiplos transceptores com intuito de aumentar a robustez do sinal e a taxa de dados. Tal método é chamado de MIMO (Multiple Input Multiple Output) e é ele o responsável, juntamente, com a técnica 31

33 OFDM, pelo aumento da eficiência espectral, e conseqüentemente, da taxa de transmissão de dados [4, 17, 19]. O uso de múltiplas antenas em ambos os enlaces (transmissor-receptor) de um sistema de comunicação móvel sem fio cria um sistema linear com múltiplas entradas e múltiplas saídas, caracterizado por uma matriz de canal que relaciona os sinais de entrada com os sinais de saída. Em tal modelo de canal, a capacidade cresce com o número de antenas utilizado, aproximadamente, o dobro da quantidade de informação pode ser transmitido usando-se duas antenas no transmissor e duas antenas no receptor, sem gasto adicional de tempo, largura de banda ou potência. Esse ganho de capacidade define-se como ganho de multiplexação espacial. Por outro lado, em uma ambiente onde o desvanecimento se faz presente, como no caso dos sistemas de comunicações móveis, a qualidade do enlace pode variar muito em função do movimento do transmissor e do receptor e também devido aos fenômenos físicos do ambiente como a reflexão e o espalhamento [17, 19]. Em tal ambiente com o uso de múltiplas antenas se torna menos provável que o canal experimente desvanecimento profundo, possibilitando assim uma transmissão confiável entre o transmissor e o receptor. Isso se deve aos múltiplos enlaces criados entre o par transmissor-receptor quando múltiplas antenas são consideradas, conforme pode ser observado na Figura O par transmissor-receptor tem agora múltiplas possibilidades de atingir uma transmissão confiável, e a esse número de possibilidades é denominada de diversidade. A técnica MIMO não só aumenta a capacidade do sistema como também estende a área de cobertura [19]. Figura 2.12 Esquema MIMO LTE [4]. Em particular, para caso da tecnologia LTE é utilizado ainda sinais de referência ou sinais piloto com objetivo de estimar e compensar os efeitos do canal rádio-móvel como pode ser observado na Figura 2.13 (ver seção ). Em outras palavras, tais sinais são usados com intuito de computar a resposta impulso do canal para que o 32

34 processador banda base possa compensar os efeitos do canal no sinal recebido [4]. Figura 2.13 Sinais de referência para computação da resposta do canal [4]. Os ganhos de diversidade e de multiplexação oferecidos pelo sistema MIMO embora aumentem a capacidade do sistema, demanda alta carga computacional sobre o processamento banda base LTE. Isso porque o processador banda base deverá fazer todas as etapas do processamento necessárias à geração do sinal para cada antena considerada pra sistemas como quatro antenas. Em outras palavras, isto significa processar até quatro símbolos OFDM simultaneamente [1, 2]. No capítulo III e IV, será discutido melhor sobre o impacto do aumento da carga computacional sobre o desempenho geral do sistema Modos de operação L T E A tecnologia LTE utiliza dois modos de operação: o FDD (Frequency Division Duplex) de espectro pareado e TDD (Time Division Duplex) de espectro não pareado. O FDD é mais usual e é empregado num maior volume de dispositivos e infra-estruturas, enquanto o TDD representa um bom complemento como, por exemplo, no centro de gaps de espectro. Todos os sistemas de celular hoje usam FDD e mais de 90% das freqüências disponíveis para aplicações móveis são pareadas. No modo TDD, a transmissão no Uplink e Downlink é descontínua dentro da mesma banda de freqüência, conforme pode ser observado na Figura Por exemplo, se o tempo entre o Downlink e Uplink é dividido, o Downlink usará à metade do tempo, logo a potência média para cada enlace corresponderá à metade da potência de pico. Como a potência do sinal é limitada por requerimentos regulatórios, o resultado é que para a mesma potência de pico, o TDD oferecerá uma menor cobertura [17]. 33

35 Figura 2.14 Modos de operação FDD e TDD [17]. Por isso os operadores alocam mais da metade dos seus recursos para taxas de pico do Downlink. Em outras palavras, se a relação Downlink/Uplink é de 3/1, por exemplo, significa ter 120% mais sites para o TDD comparado ao FDD para cobrir a mesma área [17]. Neste trabalho, será tratado apenas o modo FDD na descrição da camada física LTE. 2.3 Camada Física L T E A Figura 2.15 mostra a arquitetura do protocolo de interface de rádio LTE que auxiliará na compreensão das atribuições da camada física. A camada L1 provê os serviços de transporte de dados para as camadas superiores. Esses serviços são acessados através de canais de transporte via subcamada do MAC (Medium Access Control). A camada física dispõe de canais de transporte para a subcamada do MAC da camada L2, e o MAC por sua vez dispõe de canais lógicos para a subcamada RLC (Radio Link Control) na camada L2. Os canais de transporte são caracterizados pelas informações que são transferidas pela interface de rádio. Os círculos no diagrama, na Figura 2.15, entre as diferentes camadas e subcamadas, indicam os pontos de acesso de serviço (Service Access Point). A camada física faz interface também com a camada RRC L3 (Radio Resource Control) para o controle dos recursos físicos [1, 17]. 34

36 Figura 2.15 Arquitetura do protocolo de interface de rádio [1]. A camada física LTE conforme pode se observar têm várias atribuições que possibilitam o transporte de dados e que vão desde a detecção de erros sobre os canais de transporte até o processamento de RF. Essas atribuições estão expressas nas suas especificações, estruturadas em quatro seções, como mostra a Figura 2.16 [2, 17]. Figura 2.16 Relação entre as especificações da camada física [1]. MODULAÇÃO E CANAIS FÍSICOS Estas especificações descrevem os sinais e canais físicos do Downlink e Uplink, como são modulados e como são mapeados na estrutura do frame LTE. Nesta especificação, está incluso também o processamento para suportar técnicas de múltiplas antenas. MULTIPLEXAÇÃO E CODIFICAÇÃO DE CANAL - Estas especificações descrevem o processamento dos dados dos canais de transporte e de controle, incluindo multiplexação, esquemas de codificação de canal, informações de controle do codificador de L1 e L2, de interleaving e de taxa. 35