Método e ambiente de teste para validação de canal de acesso aleatório para o sistema Long Term Evolution em 450 MHz

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1 Método e ambiente de teste para validação de canal de acesso aleatório para o sistema Long Ricardo Toguchi Caldeira *, Juliano João Bazzo, Onésimo Ferreira, Luis Cláudio Palma Pereira, Elisabete Banza de Arruda Faber, João Paulo Miranda Resumo Experimentos em campo usualmente demandam a mobilização de um custoso volume de recursos, incluindo humanos, equipamentos e materiais. Além disso, fatores externos que não podem ser controlados, tais como condições meteorológicas e presença de sinais interferentes, resultam em imprevisibilidade e aumento do tempo de execução dos testes, que é maior quando comparado com o tempo consumido para a execução dos mesmos testes em laboratório. Este artigo apresenta um método de validação do algoritmo de acesso aleatório ao canal físico (Physical Random Access Channel PRACH) do sistema LTE (Long Term Evolution) 450 MHz em laboratório. O método proposto possibilita uma diminuição substancial do tempo de execução e dos custos envolvidos nos experimentos, quando comparados com os experimentos executados em campo. O método não substitui completamente os testes de campo, porém permite maior flexibilidade, impactando positivamente a construção dos cenários de análise, e, principalmente as fases de desenvolvimento do produto. O ambiente experimental e os resultados obtidos em laboratório, utilizando o método, são apresentados e analisados. Palavras-chave: LTE. 450 MHz. PRACH. RoF. Abstract Field tests usually demand resources such as human, equipment and materials. Moreover, other factors that can not be controlled, such as weather conditions and the presence of interfering signals result in the unpredictability and increase of test execution time when compared with lab tests.this paper presents a validation method for the Physical Random Access Channel (PRACH) from the 450 MHz Long Term Evolution (LTE) system. The proposed method results in a significative reduction of the execution time and costs involved in the experiments when compared with experiments executed in the field. The method does not fully replace the field tests, however it has the advantage of allowing greater flexibility in terms of test scenarios, thus having a positive effect, mainly during the product development phases. Laboratory test setup using the proposed method and experimental results are also presented. Key words: LTE. 450 MHz. PRACH. RoF. * Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: rtoguchi@cpqd.com.br. 1 Introdução A tecnologia dos sistemas de comunicações móveis vem se aperfeiçoando constantemente, buscando atender à demanda cada vez maior de tráfego gerado por aplicações de vídeo e de acesso à Web. A tecnologia LTE (Long Term Evolution), que começou a ganhar mais atenção a partir de 2008, com a consolidação do LTE Release 8, tem sofrido constante evolução, concretizada principalmente na expectativa de finalização do Release 12 pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP, 2014a). Esse novo esforço de padronização tem atuado em diversas áreas, tais como a de cancelamento de interferência, de cooperação Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014

2 entre células, de agregação de portadoras, de múltiplas antenas, entre outras, tornando o sistema cada vez mais complexo. O LTE, operando na banda de 450 MHz, surgiu principalmente como uma proposta dentro do escopo do Release 12, para levar banda larga e serviços de comunicação a áreas servidas de forma precária ou mesmo desprovidas de qualquer serviço de telecomunicações, como é o caso das áreas rurais e das localidades remotas. Trata-se de um novo perfil da tecnologia LTE, com operação na banda de MHz, capaz de prover condições de propagação mais favoráveis do que as obtidas nas faixas de frequência mais altas, resultando em raios de cobertura superiores aos dos perfis atualmente padronizados no 3GPP. O esforço para a especificação e o desenvolvimento do LTE 450 MHz foi iniciado com foco no cenário brasileiro, onde a implantação dessa tecnologia deve contribuir com o objetivo governamental de prover acesso universal aos serviços de banda larga em todo o território nacional, procurando alcançar todos os cidadãos brasileiros (PNBL, 2014). Isso significa disponibilizar esses serviços também às áreas rurais, abrangendo uma grande extensão territorial do Brasil, onde se encontra uma população de aproximadamente 30 milhões de pessoas. Com esse propósito, o governo brasileiro recentemente criou políticas para viabilizar o uso desse espetro em 450 MHz para áreas rurais, que culminaram em 2012 com a realização do leilão das licenças de operação, baseado na Resolução 558 da Anatel (2010). Outras iniciativas mais recentes do governo incluem o Programa Nacional de Banda Larga (PNBL), também impulsionado pela disponibilização do LTE 450 MHz como uma alternativa viável para atender aos objetivos desse programa em áreas rurais. Essas ações são complementares e criam condições de alavancagem de investimentos para o setor de telecomunicações, contribuindo para o desenvolvimento de um mercado ainda mais promissor e dinâmico. A aplicação do LTE 450 MHz não está restrita ao cenário brasileiro. O 3GPP considera esse perfil como de aplicação global e como uma opção apropriada para implantação de redes 4G em regiões do mundo com baixa densidade demográfica. A concretização dessa expansão é desafiadora, dependendo da definição de modelos economicamente sustentáveis, particularmente quando são consideradas a implantação, a operação e a manutenção das redes. O processo de padronização da banda de 450 MHz para o LTE foi iniciado em setembro de 2012 como proposta inédita de uma empresa brasileira no 3GPP. Enfrentou e superou vários desafios relacionados à canalização do espectro, à coexistência com serviços adjacentes e às definições de parâmetros de desempenho de transmissão e de recepção (ROCHA et al., 2013). O objetivo foi criar condições capazes de permitir coberturas de células da ordem de dezenas de quilômetros mais adequadas aos cenários carentes de infraestrutura apropriada, incluindo itens como backhaul e instalação elétrica. Por fim, em junho de 2013, a banda de 450 MHz tornou-se parte do padrão do LTE, denominada banda 31 (3GPP, 2014b), representando um marco importante para que as operadoras e indústrias intensificassem seus investimentos na tecnologia LTE para essa faixa. Para a indústria, isso significa desenvolver produtos capazes de atender às condições de operação específicas dos cenários prioritários de aplicação mencionados, sendo o atendimento a células cobrindo extensas áreas uma das mais importantes. Isso impacta diretamente o procedimento de acesso aleatório do PRACH, que precisa ser adequado e corretamente avaliado. Assim sendo, este trabalho tem por objetivo apresentar um método eficiente, que possibilita a realização de avaliação, adequação e validação do procedimento de acesso aleatório do PRACH em laboratório, impactando positivamente o desenvolvimento dos algoritmos utilizados nesse procedimento. A apresentação deste trabalho inclui a descrição da implementação do cenário de testes em laboratório, a análise de resultados obtidos em laboratório através dessa implementação e a comparação com os resultados obtidos em testes de campo, que validam os resultados obtidos em laboratório. As seções do trabalho estão organizadas da seguinte forma: a Seção 2 descreve o procedimento de acesso randômico ao sistema LTE; a Seção 3 apresenta aspectos relevantes da tecnologia Rádio sobre Fibra (Radio over Fiber RoF) utilizada como base para o desenvolvimento do setup em laboratório; a Seção 4 detalha a implementação do cenário de avaliação do experimento e apresenta análises dos resultados obtidos. Por fim, na Seção 5 são apresentadas as conclusões. 2 Procedimento de acesso aleatório no LTE Um requisito fundamental para qualquer sistema celular é a possibilidade de o terminal requisitar uma configuração de conexão no enlace reverso (de subida ou uplink), comumente referenciada como acesso aleatório. Essa 18 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014

3 configuração de conexão é realizada no sistema LTE através de um canal específico denominado PRACH. O canal possibilita o acesso inicial à rede e a sincronização, no uplink, das transmissões do terminal (User Equipment UE) com a estrutura temporal de quadro determinada pela estação radiobase (Evolved Node B enodeb). Dessa forma, uma vez estabelecida a conexão no uplink, o UE pode receber alocação suficiente de banda para as transmissões de dados no canal físico reverso compartilhado (Physical Uplink Shared CHannel PUSCH) e controle no canal físico reverso de controle (Physical Uplink Control CHannel PUCCH). Portanto, o PRACH é um canal físico do LTE projetado para transmissão pelo UE de um sinal caracterizado como preâmbulo, que possibilita à enodeb calcular o parâmetro de sincronização de quadro (Timing Advance TA). Esse parâmetro é então informado pela enodeb ao UE pelo enlace direto (de descida ou downlink), possibilitando que o UE faça o ajuste temporal das transmissões, conforme a estrutura de quadro do uplink (DAHLMAN et al., 2008). No LTE, um número fixo de até 64 preâmbulos, ou assinaturas, está disponível em cada célula (3GPP, 2009), e a operação dos dois tipos de procedimento do PRACH, baseados na possiblidade de ocorrência ou na ausência de colisão, depende da partição dessas assinaturas entre esses dois tipos de procedimento. No caso do procedimento PRACH com possibilidade de ocorrência de colisão (também conhecido como contention based, abordado neste trabalho com mais detalhes por ser o procedimento adotado durante a primeira tentativa de conexão da UE), são identificados quatro passos (DAHLMAN et al., 2008; SESIA; TOUFIK; BAKER, 2009). Esses passos são ilustrados na Figura 1 e detalhados a seguir. 2.1 Passo 1: Transmissão do preâmbulo de acesso aleatório Possui 1 byte de informação, indicando o tamanho da mensagem L2/L3 (camadas 2 e 3) que será transmitida no Passo 3. O principal propósito da transmissão do preâmbulo é indicar à enodeb a presença de uma tentativa de acesso aleatório e permitir que a enodeb estime o retardo associado à distância em que está o terminal. A estimativa do atraso será usada no segundo passo, para ajustar o momento da transmissão no quadro do uplink. 2.2 Passo 2: Resposta ao acesso aleatório Utilizada para ajustar o momento de transmissão do terminal, é baseada na estimativa de tempo realizada no Passo 1. A RAR é enviada pela enodeb no canal físico direto compartilhado (Physical Downlink Shared Channel PDSCH) e endereçada com uma identificação (ID), denominada RA-RNTI (Random Access Radio Network Temporary Identifier), identificando o slot tempo-frequência em que o preâmbulo foi detectado. A RAR carrega: a) a identidade do preâmbulo detectado, ou seja, a assinatura a ser utilizada pelo UE; b) uma instrução de alinhamento de tempo (TA), que tem por finalidade sincronizar as transmissões subsequentes de uplink da UE com a enodeb; c) uma permissão ou concessão inicial de recursos de uplink (scheduling grant) para transmissão de mensagem L2/L3 no Passo 3; d) e a atribuição de uma identidade temporária, TC-RNTI ou C-RNTI (Temporary Cell/Cell-Radio Network Temporary Identifier), usada para possibilitar a comunicação entre o terminal e a rede-núcleo. 2.3 Passo 3: Mensagem L2/L3 Figura 1 Procedimento de acesso aleatório baseado em disputa Mensagem L2/L3 e identificação do terminal. Esta mensagem é a primeira transmissão de uplink alocada no PUSCH, e faz uso do HARQ (Hybrid Automatic Repeat request). Ela inclui a Temporary C-RNTI alocada no RAR, de acordo com o Passo 2 ou a C-RNTI, caso o UE já tenha entrado no estado RRC_CONNECTED, ou ainda a identificação única de 48 bits do UE, caso seja o primeiro acesso do UE à rede da operadora. No caso de uma colisão de preâmbulo ter ocorrido no Passo 1, os UE que colidiram Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez

4 recebem a mesma Temporary C-RNTI através do RAR, resultando na sobreposição dos recursos de tempo-frequência do uplink quando os UE transmitem suas mensagens L2/L3. A mensagem downlink seguinte (no Passo 4) permite uma resolução rápida desse conflito. 2.4 Passo 4: Mensagem para resolução de colisão O último passo consiste na transmissão de uma mensagem de resolução de conflito proveniente da rede de acesso (Radio Access Network RAN), no DL-SCH, endereçada ao terminal. Esse passo possibilita também a resolução de qualquer conflito decorrente das tentativas dos vários terminais em acessar o sistema usando o mesmo recurso disponível para o acesso aleatório. É importante destacar que o procedimento de acesso aleatório no LTE não emprega qualquer mecanismo de Carrier Sense. Assim sendo, detectar se há transmissão no PRACH com o objetivo de minimizar a possibilidade de colisão perde o sentido, uma vez que, mesmo quando o canal do PRACH já se encontra ocupado por outro UE, ainda assim é possível transmitir por esse canal, desde que as sequências de preâmbulo utilizadas por diferentes UE sejam ortogonais. De fato, considera-se a existência de colisão somente quando mais de um UE transmite com a mesma sequência, selecionada entre as 64 possíveis, e ocupa um mesmo recurso tempo-frequência. Para evitar colisões, é possível configurar as células na rede de acesso, utilizando estatísticas, previamente obtidas nas ocorrências de acesso. Contudo, nessa configuração, há uma relação de compromisso entre a vazão de dados da célula e a magnitude dos recursos disponibilizados para o PRACH. Para uma célula onde ocorre um grande número de acessos, torna-se necessário configurar mais oportunidades ou recursos (subframes) para o PRACH em um mesmo quadro. Porém, reservar mais recursos para o PRACH implica diminuir recursos para a transmissão de dados no PUSCH, provocando uma redução da vazão total da célula. O procedimento de PRACH sem considerar a possibilidade de colisão (também conhecido como contention free) só é utilizado nos cenários de handover ou quando dados são recebidos no downlink com o UE no estado RRC_CONNECTED. Nesse procedimento, a enodeb reserva um conjunto de preâmbulos e, na ocorrência de um dos cenários aplicáveis, a enodeb aloca um desses preâmbulos. Como esse procedimento é controlado totalmente pela enodeb, não existem colisões, e o UE é informado exatamente sobre quando e em que sequência de preâmbulo ele deve transmitir. 3 Rádio sobre fibra Sistemas Fibra-Rádio (Radio over Fiber RoF) apresentam uma diversidade de aplicações baseadas na possibilidade de distribuição de unidades remotas de rádio (Remote Radio Unit RRU), englobando a antena e as cadeias de transmissão e recepção, constituídas por dispositivos de radiofrequência (RF). As aplicações desses sistemas se beneficiam das baixas perdas de transmissão e distorção de sinais transportados em fibra óptica, aumentando a flexibilidade e o alcance das aplicações. Como exemplos dessa flexibilização podem ser citadas a distribuição, a extensão e a formatação de células em sistema móveis (KIM et al., 2005), a centralização da instalação das unidades de banda base de estações radiobase em ambiente abrigado e climatizado, bem como a implementação de sistemas de diversidade de transmissão utilizando unidades remotas e múltiplas antenas (Multiple Input Multiple Output MIMO) (LEE, 2005). Em algumas dessas aplicações, quando o objetivo é prover infraestrutura de acesso sem fio em regiões urbanas de alta densidade, a instalação no interior de prédios comerciais e em terminais de aeroportos, ou ainda em ambientes industriais, caracterizados por elevado grau de interferência eletromagnética e, portanto, sujeitos a requisitos específicos de disponibilidade de serviços, a solução Fibra-Rádio pode apresentar vantagens adicionais. Essas vantagens são advindas da facilitação de instalação, operação e manutenção do sistema, bem como do atendimento de requisitos específicos de produto, podendo resultar em significativa redução de custos. Em suma, o sistema Fibra-Rádio é fundamentalmente um sistema de transmissão analógica, pois distribui a forma de onda, diretamente na frequência da portadora de rádio, de uma unidade central para a unidade remota (Remote Access Unit RAU), ou unidades remotas no caso de sistemas utilizando MIMO ou estações radiobase multissetor. Tratando-se de sinal padrão LTE, constituído por um conjunto de subportadoras alocadas dinamicamente, e com alto nível de modulação, o sistema Fibra-Rádio se torna bastante interessante pois apresenta a possibilidade de transmissão desse sinal ao longo de grandes distâncias, sem que haja perda de capacidade. 20 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014

5 Essas características já foram comprovadas, por exemplo, para sinais padrão WiMAX, que também utilizam a tecnologia OFDM e modulações de alto nível (PEREIRA; VICENTE, 2011). Componentes essenciais da solução Fibra-Rádio são o conversor eletro-óptico e o acoplador óptico. O primeiro é um dispositivo ativo que converte um sinal elétrico de RF modulado com informações analógicas em sua entrada para um sinal óptico em sua saída, que transporta essas informações analógicas. Para compor o enlace óptico são necessários dois dispositivos conversores: o transmissor e o receptor. O acoplador permite a inserção do sinal óptico na fibra, viabilizando o compartilhamento com outros sistemas, por exemplo, G-PON (Gigabit Passive Optical Network) ponto-multiponto, ou outros padrões, tornando a solução economicamente mais atrativa, principalmente em casos em que existam grandes distâncias entre as RAUs e a banda base do sistema de acesso banda larga sem fio. A Figura 2 exemplifica a possibilidade de integração de um sistema de transmissão banda larga LTE (FDD) com uma topologia de rede G-PON. São ilustradas na figura, de forma esquemática, as conexões entre a RAU e a unidade contendo a banda base, HEU (Head End Unit), utilizando a transmissão RoF inserida na infraestrutura de fibra óptica da rede G-PON. A infraestrutura conecta a OLT (Optical Line Terminal) com as ONTs (Optical Network Terminal). Em integração semelhante, realizada em ambiente laboratorial no CPqD, porém utilizando o padrão WiMAX e (TDD), foi verificada a viabilidade da transmissão de sinais diretos (downlink) em modulação 64-QAM, ao longo de 20 km de fibra. A Figura 3 é uma imagem do setup de laboratório utilizado. Com esse setup verificou-se que as perdas de eficiência do sistema dependem da configuração da rede óptica de distribuição, principalmente do tipo de splitter utilizado. Figura 2 Integração do sistema LTE utilizando RoF sobre infraestrutura G-PON BS WiMAX Conexão RF (3,5 GHz) Carretéis de fibra óptica HEU CPE WiMAX RAU Figura 3 Setup de avaliação RoF em laboratório Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez

6 A Figura 4 relaciona a eficiência de transmissão relativa à taxa máxima (modulação 64-QAM) no downlink, em função da atenuação máxima (range dinâmico) e distância do enlace óptico (4,14 e 20 km). Eficiência (%) Range dinâmico (db) Figura 4 Eficiência de transmissão RoF 4 km 14 km 20 km f) atenuadores (fixos e variáveis): os atenuadores fixos de 20 db, ligados às entradas dos conversores eletro-ópticos (transmissores), garantem a linearidade do sinal óptico injetado ou extraído da fibra e, consequentemente, a manutenção do melhor ponto de operação do enlace óptico. Os atenuadores variáveis, conectados às saídas dos conversores O/E, têm a função de simular a perda de percurso (path loss) no enlace através da introdução de uma atenuação compatível com a distância do enlace a ser testado. Foram utilizados valores aproximados aos observados em testes de campo, permitindo levar em consideração outros fatores além da perda em espaço livre, por exemplo, decorrentes de obstruções parciais da linha de visada. 4 Resultados 4.1 Ambiente de teste O método proposto neste trabalho consiste na utilização do ambiente de teste, mostrado na Figura 5, para implementação do cenário de teste para avaliação do canal PRACH em laboratório. São utilizados os seguintes elementos para a implementação do ambiente de teste: a) enodeb LTE; b) UE LTE; c) diplexers: utilizados para separar ou unir os canais de transmissão (Tx) e de recepção (Rx), espaçados em frequência (duplexação FDD), utilizados no enlace de RF estabelecido entre a enodeb e o UE; d) conversores eletro-ópticos: utilizados na conversão do sinal RF para óptico (antes de passar pelas fibras ópticas) e do sinal óptico para RF (após passar pelas fibras ópticas). Incluem acopladores ópticos para que se possa efetuar a inserção do sinal óptico na fibra; e) carretéis de fibra óptica: utilizados para simular enlaces de longa distância. Com a utilização de carretéis bastante compactos, com comprimentos de fibra da ordem de dezenas de quilômetros, torna-se possível a emulação de enlaces de grandes distâncias no ambiente confinado do laboratório; Figura 5 Ambiente de teste em laboratório O objetivo principal do teste é a verificação do funcionamento dos algoritmos de acesso aleatório do canal PRACH, bem como o atendimento às configurações que possibilitem efetuar o procedimento de attach do UE na distância máxima especificada. 22 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014

7 Em outras palavras, o objetivo do teste é validar em ambiente controlado de laboratório o raio máximo da célula configurado para a enodeb. Essa abordagem facilita significativamente a posterior execução dos testes de campo. Para o cálculo do comprimento do enlace aéreo simulado pelo enlace óptico, utiliza-se um fator de 1,5, ou seja, cada 1 km de enlace de fibra óptica corresponde a 1,5 km de enlace aéreo. Essa correspondência é determinada pelo índice relativo de refração da fibra óptica (aproximadamente 1,5 em relação ao ar), que afeta diretamente a velocidade da luz na fibra, que é 50% menor do que a velocidade no ar (MIDWINTER, 1991). Nos arquivos de configuração da enodeb, são alterados os seguintes parâmetros padronizados para a configuração do PRACH para viabilizar a distância máxima a ser considerada entre o UE e a enodeb: rootsequenceindex: correspondente ao índice da sequência Zadoff-Chu, identificado pelo parâmetro RACH_ROOT_SEQUENCE, utilizado na determinação das 64 possíveis sequências de preâmbulo de acesso aleatório do PRACH disponibilizadas na célula; zerocorrelationzoneconfig: utilizado no cálculo da sequência de preâmbulos; highspeedflag: esse flag, quando ativo, indica que o cenário de utilização da UE envolve movimentação em alta velocidade, que resulta em maiores deslocamentos de frequência resultantes do efeito Doppler; prach_configindex: utilizado na definição dos recursos do quadro alocados para o PRACH; prach_freqoffset: define o primeiro bloco de recurso físico a ser alocado em uma tentativa de acesso através do procedimento de PRACH. 4.2 Método de validação A validação da implementação do procedimento de PRACH em laboratório consiste nas seguintes etapas, apresentadas na sequência de execução abaixo: 1) configuração da enodeb, conforme o tamanho da célula e o formato do preâmbulo; 2) ajuste da atenuação variável, na saída dos conversores O/E, de forma a simular a perda de percurso estimada para a distância a ser testada; 3) cálculo do comprimento dos carretéis de fibra óptica utilizados no teste, correspondendo à distância a ser testada; 4) após a ativação da enodeb, verifica se o UE efetua o procedimento de PLMN Search (ou seja, detecta e processa o sinal transmitido pela enodeb). Posteriormente, são medidos os parâmetros relacionados aos níveis de sinal recebido pelo UE (RSSI ou RSRP), bem como a SNR; 5) verificação da execução do procedimento de UE attach (conectar e registrar o usuário). Esse é o passo mais importante, pois é nesse procedimento que efetivamente ocorre a validação do algoritmo de PRACH; 6) avaliação de desempenho do enlace, incluindo testes de vazão e transferência de arquivos de dados. É importante ressaltar que o setup apresentado na Figura 5 foi configurado para equipamentos preparados para operar no modo de transmissão com apenas uma antena na enodeb e no UE (Single-Input and Single- Output SISO), simplificando bastante o cenário de teste. Contudo, essa particularidade não invalida o procedimento descrito acima ou o método proposto, visto que o procedimento de PRACH não depende do modo de transmissão. 4.3 Resultados experimentais O cenário de teste descrito na seção anterior foi utilizado durante o desenvolvimento do software responsável pela implementação do procedimento de PRACH e está ilustrado na Figura 6. Diversas versões do software foram geradas e testadas, o que permitiu comprovar a eficácia do método, aqui exemplificada através da apresentação de resultados de testes realizados em laboratório e a comparação destes com os obtidos em testes de campo. rolos de fibra óptica UE LTE 450 MHz enodeb LTE 450 MHz conversores eletro-ópticos Figura 6 Setup de teste em laboratório do sistema LTE 450 MHz com fibras ópticas Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez

8 Na obtenção dos resultados, foi utilizada uma versão de software desenvolvida para suportar o formato de preâmbulo 0 e com a seguinte configuração dos parâmetros para o PRACH: a) rootsequenceindex = 328 b) zerocorrelationzoneconfig = 14 c) highspeedflag = 0 d) prach_configindex = 0 e) prach_freqoffset = 10 Essa configuração é compatível com uma célula de raio de cobertura teórica de até 38,84 km (SESIA; TOUFIK; BAKER, 2009). Para o teste em laboratório, foram feitas medidas com os comprimentos de carretéis de fibras ópticas descritos na Tabela 1. A fim de simular as perdas de percurso correspondentes às distâncias dos enlaces simuladas no ambiente com fibra óptica, foram inseridas através do atenuador variável as atenuações descritas na Tabela 2. A Tabela 3 apresenta os resultados obtidos nessas condições e de acordo com o procedimento cuja sequência é detalhada na Seção 4. Vale ressaltar que, em laboratório, mesmo a distâncias bem maiores às previstas para uma conexão bem-sucedida do UE, é possível a realização de parte do procedimento, comprovada através da detecção e processamento, pelo UE, do sinal transmitido pela enodeb. Ou seja, a falha no UE attach não é necessariamente resultado de um nível baixo de sinal recebido pelo UE, mas sim, da impossibilidade de estabelecimento de sincronização de quadro, passo essencial para o correto funcionamento dos processos a cargo das camadas 2 e 3 do LTE. Após a validação do sistema em laboratório, foram feitos testes de campo em diversos cenários, para localizações do UE, em pontos com as seguintes distâncias da enodeb: 13 km, 16 km, 27 km, 30 km, 36 km, 37 km, 38 km, 40 km e 52 km. Tabela 1 Comprimentos dos carretéis de fibras ópticas utilizadas em testes em laboratório Comprimento do enlace óptico [km] Distância equivalente do enlace aéreo [km] 10 15, , , , ,0 Tabela 2 Atenuações utilizadas para simular perdas de percurso em testes em laboratório Distância simulada [km] Atenuação adicional [db] Perda de percurso total [db] 15, , , , , Tabela 3 Resultados dos testes em laboratório Distância do UE [km] PLMN search RSSI [dbm] SNR [db] UE attach 15,0 OK OK 30,0 OK OK 36,0 OK OK 40,5 OK NOK 45,0 OK NOK Para essas distâncias, nas Tabelas 4 e 5, são apresentados os resultados obtidos, considerando os mesmos parâmetros utilizados nos testes em laboratório, cujos valores são apresentados na Tabela 3. Tabela 4 Resultados dos testes de campo, região de Campinas (SP) Distância do UE [km] PLMN search RSSI [dbm] SNR [db] UE attach 13 OK OK 16 OK OK 27 OK OK 30 OK OK 36 OK OK Tabela 5 Resultados dos testes de campo região de Brasília (DF) Distância do UE [km] PLMN search RSSI [dbm] SNR [db] UE attach 37 OK OK 38 OK NOK 40 OK NOK 52 NOK Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014

9 Não foi possível executar os testes de campo para as mesmas distâncias simuladas nos testes em laboratório, pois, para o teste de campo foram escolhidos os pontos mais favoráveis para medida. Importante salientar que para os testes realizados em distâncias de até 30 km foi utilizada uma antena omnidirecional, com ganho de 5 dbi, instalada no teto do carro utilizado nos deslocamentos, enquanto que para os testes a distâncias superiores a 30 km, foi utilizada uma antena Yagi (direcional) com ganho de 13 dbi. A diferença no desempenho fica visível na Tabela 4, pois o teste a 36 km apresentou valores melhores de RSSI e SNR, quando comparado com os valores obtidos no teste a 30 km. Outro detalhe importante a ser comentado se refere às características da área em que foram realizados os testes de campo, uma vez que os resultados dos testes realizados nas distâncias de 13, 16, 27, 30 e 36 km foram obtidos na região de Campinas (SP), com a enodeb e sua antena instaladas na torre do CPqD (Figura 7), enquanto os resultados obtidos nas distâncias de 37, 38, 40 e 52 km foram coletados na região de Brasília (DF), com a enodeb e sua antena instaladas na torre no município de Sobradinho (DF) (Figura 8), ou seja, em diferentes condições de topografia e morfologia. Figura 7 Região do teste de campo, na região de Campinas (SP), próximo ao CPqD Figura 8 Região do teste de campo na região de Brasília (DF) 5 Conclusão Neste artigo foi apresentado um método para validação do procedimento do canal de acesso aleatório PRACH, validado e amplamente utilizado durante o desenvolvimento do sistema LTE 450 MHz no CPqD. Esse método está sendo particularmente útil para esta banda, pois um dos principais diferenciais do sistema LTE 450 MHz em desenvolvimento é o atendimento a células com raios de cobertura da ordem de dezenas de quilômetros. A validação da implementação dos algoritmos de acesso radômico (PRACH) em laboratório, antes dos testes de campo, possibilitou a implementação dos ajustes necessários com uma redução significativa dos custos, evitandose as despesas decorrentes de atividades e recursos necessários à realização de testes sistêmicos em campo ou em ambiente real de operação. Através da análise dos resultados obtidos em laboratório, incluindo o confronto com resultados posteriormente obtidos em campo, foi possível validar, com uma precisão muito boa, o limite de distância para o UE attach. Antes mesmo da obtenção da versão final de software utilizada nos testes de campo, foram realizados testes em laboratório em diversas versões. Esses testes possibilitaram antecipar problemas de implementação e realizar as devidas adaptações e ajustes. Se fosse necessário executar esses mesmos testes de campo, o custo seria excessivo e o impacto no tempo de desenvolvimento significativo. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez

10 Outras medidas de parâmetros efetuadas durante os testes, tais como RSSI, SNR e desempenho da capacidade de transmissão de dados do sistema (esse último não considerado neste artigo por não ser relevante para a análise do método descrito), não puderam ser comparadas por conta da dificuldade de reprodução em laboratório de todas as condições encontradas em campo. De fato, em campo, outros fatores, tais como desvanecimento, multipercurso e presença de interferências, bem como influências associadas ao tipo de relevo e das antenas utilizadas, podem ocasionar discrepâncias entre os valores obtidos em campo e no laboratório. É importante lembrar que este método possibilita, da forma como está implementado atualmente, apenas emular as perdas de percurso e o retardo de propagação (mediante a consideração do índice relativo de refração da fibra óptica). Assim sendo, vale ressaltar que os resultados obtidos até o momento são promissores, justificando a utilização do método como ferramenta de desenvolvimento e evolução do sistema LTE 450 MHz, visto que entre os próximos passos no desenvolvimento do sistema está contemplado o aumento da área da célula, que deverá ter pelo menos 70 km de raio. Entre outras melhorias previstas para o método apresentado, visando à aproximação do cenário de teste em laboratório ao cenário encontrado nos testes de campo, podem ser destacadas a inserção de sinais interferentes e a incorporação de simuladores de desvanecimento, contemplando variações dos sinais associadas à mobilidade. Referências 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). 3GPP Technical Specification : Physical Channels and Modulation (Release 8) Disponível em: < Acesso em: ago GPP Releases. Disponível em: < releases>. Acesso em: ago. 2014a.. 3GPP TR : LTE 450 MHz in Brazil Work Item Technical Report. Disponível em: < Acesso em: ago. 2014b. AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Resolução nº de dezembro de Disponível em: < 24-resolucao-558>. Acesso em: ago DAHLMAN, E. et al. 3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband. 2 nd ed. Academic Press, KIM, H. B. et al. A radio over fiber network architecture for road vehicle communication systems. In: IEEE 61 st VEHICULAR TECHNOLOGY CONFERENCE, 2005 (VTC 2005-Spring). IEEE, v. 5, p LEE, K. Radio over Fiber for Beyond 3G. In: INTERNATIONAL TOPICAL MEETING ON MICROWARE PHOTONICS (MWP), Proceedings 2005, p MIDWINTER, J. E. Optical Fibers for Transmission. Krieger Pub Co., PEREIRA, L. C. P.; VICENTE, D. R. Implementação e Demonstração em Laboratório de Rede de Acesso Híbrida Experimental GPON-WiMAX. PD A.0005A/RT-01-AA. CPqD, jun (relatório técnico). PNBL Programa Nacional de Banda Larga. Disponível em: < Acesso em: ago ROCHA, A. et al. On the adoption of LTE 450 MHz technology as a tool to leverage broadband services in rural and remote areas. ITU News Magazine, n. 10., Disponível em: < 450MHz-technology-for-broadband-services-in- rural-and-remote-areas-br-case-study-of- Brazil.note.aspx>. Acesso em: ago SESIA, S.; TOUFIK, I.; BAKER, M. LTE The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice. John Wiley & Sons, Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 2, p , jul./dez. 2014