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2 Tecnologia LTE Arquitetura da Rede Enhanced Base Stations
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Adriano Castro Sanches
1 2 Tecnologia LTE 2.1. Arquitetura da Rede Existe há alguns anos uma tendência para que as redes migrem os serviços que utilizam circuit switch (CS) para uma rede baseada totalmente em IP, packet switch (PS). Na prática, isto já pode ser observado nas redes fixas, onde algumas operadoras já migraram seus serviços de telefonia para packet switch, oferecendo ambos os acessos de internet e telefonia via DSL ou cable modem. Nas redes wireless esta tendência ainda não foi iniciada. Isto se deve ao fato da arquitetura das redes existentes (2G, 3G e outras) ainda ser otimizada para CS, tanto no acesso quanto no core. Além disto, a implementação de VoiP nas redes sem fio atuais aumentaria significantemente a quantidade de dados transferidos na interface ar, fazendo com que a capacidade para as chamadas de voz via CS fosse reduzida. Por outro lado, a busca incessante pelo aumento das bandas de transmissão fez com que o 3GPP decidisse que a próxima geração de telefonia móvel seria baseada somente em PS. Como resultados, inicialmente surgiram duas pesquisas separadas, o programa LTE (Long Term Evolution), focado no design de uma nova arquitetura para a rede de acesso e interface ar, e o programa SAE (Service Architecture Evolution). Mais tarde, estes dois programas foram combinados em uma frente única de trabalho, o EPS (Evolved Packet System) [3] Enhanced Base Stations No LTE temos uma nova arquitetura, totalmente diferente do que vinha sendo utilizado nas tecnologias anteriores, e um exemplo disto é a estação rádio base, denominada de enodeb (Enhanced NodeB), que no LTE passa a realizar tarefas de processamento antes realizadas na RNC (Radio Network Controller).
2 19 As Enhanced NodeB do LTE são denominadas desta forma (enodeb ou enb), para se diferenciar da nomenclatura utilizada no UMTS (NodeB). A figura 2.1 mostra os principais componentes de uma rede LTE (Core e Acesso). No LTE a rede é menos complexa do que no UMTS. Por exemplo, não existe no LTE a topologia da RNC (Radio Network Controller) existente no UMTS, onde parte de suas funcionalidades foram transferidas para a enodeb e parte para o Core Network Gateway. No LTE também não teremos a central controlando os elementos na rede de acesso. A enodeb irá realizar o controle de tráfego na interface área assegurando QoS (Quality of Service) para os serviços oferecidos [3]. Figura 2.1 Arquitetura Básica. A enb também será responsável pelas decisões de handover dos móveis, através da comunicação entre os elementos, fazendo uso da interface X2. No entanto é possível que na falta da comunicação através de X2 (interface opcional), a comunicação entre as base stations será realizada através de outra via no Access Gateway. Neste caso os dados do usuário não serão transmitidos durante o handover, podendo ocasionar perda de pacotes. No LTE temos somente o hard handover, ou seja, apenas uma única célula irá se comunicar com o móvel em um mesmo momento. A enodeb é conectada com o gateway
3 20 através da interface S1 (baseada em IP). No LTE a enodeb é preparada para trabalhar com portas Ethernet de 100 Mbps e 1 Gbps Core Network e Gateway O Gateway entre a rede de acesso e o core é dividido em duas entidades: Serving Gateway (Serving-GW) e Mobility Management Entity (MME). Juntos eles são responsáveis por tarefas semelhantes às controladas pelo SGSN (Serving GPRS Support Node) do UMTS. Na prática, estas duas entidades lógicas podem ser implementadas no mesmo hardware físico, ou separadas em níveis diferentes. Quando separadas, a interface S11 será a responsável pela comunicação entre estas entidades. Figura 2.2 Gateway LTE. O MME é responsável pela mobilidade do usuário e pela sinalização, incluindo autenticação, estabelecimento de conexões, suporte ao handover entre diferentes enodebs e entre diferentes tecnologias (ex. GSM, UMTS). É responsável também pelo móvel em idle mode (quando ainda não temos o
4 21 estabelecimento de conexões com alguma portadora). O MME também é responsável pela seleção do PDN-GW quando o móvel requer estabelecimento com endereços IP da rede. O Serving Gateway é responsável pelo encaminhamento de pacotes IP entre o móvel e a internet. Do ponto de vista de capacidade, a capacidade da MME depende da carga de sinalização da rede (S1-C Control Plane), e a capacidade de uma Serving Gateway (S1-U User Plane) depende da carga de tráfego dos usuários. A separação destas entidades neste ponto de vista é interessante, agregando facilidades para o dimensionamento. No LTE o router é chamado Packet Data Network (PDN-Gateway, PDN- GW), sendo responsável em desempenhar as mesmas tarefas que o GGSN (Gateway GPRS Support Node) do UMTS. A quantidade de PDNs depende do número de usuários, da capacidade de hardware e da quantidade de dados trafegados pelos usuários. Assim como o HLR (Home Location Register) para o UMTS, no LTE existe o HSS (Home Subscriber Server). Essencialmente o HSS é considerado um Enhanced HLR. O HSS é a combinação dos dados dos usuários, sendo utilizado simultaneamente pelo GSM, UMTS e LTE. A comunicação entre o HSS e a MME é realizado pela interface S6, como descrito na figura 2.2. Figura 2.3 Handover entre LTE e UMTS.
5 22 Quando um usuário se move para fora de uma área coberta pelo LTE, o móvel reporta para a enodeb que uma célula UMTS ou GSM foi encontrada. Essa informação é passada para o MME que tem a responsabilidade de conectar, trocar informações com o SGSN responsável (UMTS, GSM) solicitando o procedimento de handover. Quando a rede UMTS ou GSM estiver preparada para receber o móvel, o MME envia uma mensagem de handover para a enodeb responsável comunicar o móvel. Após a execução do handover, o túnel de dados entre o Serving Gateway e a enodeb é roteado para o novo SGSN. O MME é liberado do controle do usuário, que é repassado para o SGSN. O Serving Gateway, no entanto, continua com o caminho do usuário e ativa o GGSN do ponto de vista do SGSN. Do ponto de vista do SGSN, a interface entre GGSN e Serving Gateway, é considerada como uma interface transparente entre SGSN e GGSN. A figura 2.3 mostra na prática como um usuário se move de uma cobertura LTE para uma cobertura UMTS dentro da rede de uma mesma operadora. Na figura 2.4 podemos observar a estrutura que pode ser implementada por uma operadora que possua redes GSM, UMTS e LTE integradas. Figura 2.4 Integração de Redes GSM, UMTS e LTE.
6 Faixas de Freqüências As faixas de freqüências consideradas para o padrão LTE estão divididas em dois grupos, de acordo com os modos de operação: FDD (Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex). Na tabela 2.1 [4], podem ser verificadas as freqüências de operação definidas pela 3GPP em Maio de FDD TDD Banda Freqüências UL/DL (MHz) Banda Freqüências UL/DL (MHz) / , / / , / / / / / / / / / / / / / / Tabela 2.1 Freqüências definidas pelo 3GPP para o LTE. Nos sistemas FDD, o tráfego de DL e UL são transmitidos simultaneamente em freqüências separadas. Com o TDD, as transmissões de DL e UL são descontinuadas na mesma freqüência. Como exemplo, se o tempo para DL e UL for dividido em 1/1, o uplink utiliza metade do tempo e a média da potência para cada link é a metade da potência de pico. Como a potência de pico é limitada por regulamentações, o resultado é que para a mesma potência de pico, o modo TDD oferece uma menor cobertura que o modo FDD. As operadoras quando fazem uso do modo TDD, habitualmente configuram o sistema DL/UL em 3/1. Para se obter uma cobertura parecida quando
7 24 comparado à sistemas FDD, se faz necessário a instalação de 120% de ERBs a mais no modo TDD [4]. Acredita-se que para o Brasil as Bandas 1, 7 e 13 sejam as utilizadas na implantação das redes, a começar pela Banda 7. Em nosso estudo iremos considerar esta Banda de 2600 MHz. No LTE existe a possibilidade de escalonamento da banda, variando-se desde 1.4 MHz até 20 MHz, como pode ser observado na figura 2.5. Figura 2.5 Possibilidades de configurações de largura de banda MIMO MIMO (Multiple-input multiple-output) significa o uso de múltiplas antenas empregadas na transmissão e na recepção dos sistemas de comunicações sem fio. Esta tecnologia é capaz de oferecer ganhos significativos nas taxas de dados, sem a necessidade de se utilizar mais banda ou potência adicional para a transmissão dos sinais. Figura 2.6 Configuração MIMO [5]. A comunicação sem fio com a utilização desta tecnologia tira proveito da propagação de multipercurso para aumentar a taxa de transmissão e o alcance, ou reduzir as taxas de erro por bit (eficiência espectral), através do envio e recebimento de mais de um sinal no mesmo canal ao mesmo tempo, ao invés de tentar eliminar os efeitos da propagação de multipercurso. A figura 2.6 ilustra a transmissão e recepção dos dados com MIMO.
8 Arquitetura de Protocolos A 3GPP teve como premissas iniciais no desenvolvimento dos protocolos da interface rádio da rede Evolved UTRAN os seguintes pontos: Simplificar a arquitetura de protocolos; Inexistência de canais dedicados com objetivo de se obter uma camada MAC (Media Access Control) simplificada; Evitar a existência de funções similares entre os elementos de Acesso e os elementos de Core; O projeto do LTE é completamente baseado em canais compartilhados e de broadcast, não havendo mais nenhum canal dedicado para trafegar dados a usuários específicos. Esta escolha aumenta a eficiência da interface aérea, fazendo com que a rede seja capaz de controlar a utilização dos recursos da interface ar, de acordo com a demanda de cada usuário em tempo real, não existindo mais a necessidade de alocação de recursos fixos para cada usuário, independente dos requerimentos necessários [6]. A figura 2.7 ilustra o mapeamento dos canais lógicos, de transporte e físicos no LTE. Figura 2.7 Estrutura dos canais lógicos, de transporte e físicos no LTE.
9 26 Os canais lógicos no sistema provêem os serviços e funções requisitados pelas altas camadas (NAS - Non Access Stratum) para a entrega de aplicações e serviços. Os canais lógicos por sua vez, são mapeados pelos canais de transporte na camada 2, através de elementos RRC (Radio Resource Control). Estes canais são responsáveis pelo controle e gerenciamento do fluxo de dados, tais como retransmissões, controle de erros e priorização. O tráfego gerado pelos usuários é gerenciado na camada 2 pelo protocolo PDCP (Packet Data Convergence Protocol). A interface ar e as conexões da camada física são controladas e gerenciadas pela camada 1, através do RLC (Radio Link Control) e MAC (Media Access Control) [6]. Os canais da interface rádio no LTE podem ser separados em dois tipos, canais físicos e sinais físicos. Os canais físicos correspondem a um conjunto de elementos que carregam informações originadas pelas altas camadas (NAS). Os sinais físicos correspondem a um conjunto de elementos utilizados unicamente pela camada física, que não carregam informações originadas pelas altas camadas Canais e Sinais Físicos Canais Físicos de Downlink: Physical Downlink Control Channel (PDCCH) - Carrega as principais informações de alocação de recursos; Physical Broadcast Channel (PBCH) - Carrega informações de acesso dos usuários que solicitam acesso a rede; Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) - Carrega informações do DL-SCH; Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) - Informa ao usuário o número de símbolos OFDM utilizados no PDCCHs; Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) - Respostas de ACK/NAKs (Acknowledge/Negative Acknowledge) das transmissões de uplink; Physical Multicast Channel (PMCH) - Carrega informações de Multicast;
10 27 Sinais Físicos de Downlink: Sinal de Referência; Sinal de Sincronização; Canais Físicos de Uplink: Physical Random Access Channel (PRACH) - Canal de uplink utilizado para funções de acesso randômico; Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) - Carrega as informações do UL-SCH; Physical Uplink Control Channel (PUCCH) - Respostas de ACK/NAKs das transmissões de downlink; Sinais Físicos de Uplink: Sinal de Referência de Demodulação Associado às transmissões de PUSCH ou PUCCH; Canais de Transporte Com o objetivo de se reduzir a complexidade da arquitetura de protocolos do LTE, o número de canais de transporte foi reduzido. Isto se tornou possível através da utilização de canais compartilhados, e não mais dedicados [7]. Os canais de transporte no Downlink são: Paging Channel (PCH) - Utilizado para transmitir PCCH; Broadcast Channel (BCH) - Canal de transporte mapeado pelo BCCH; Downlink Shared Channel (DL-SCH) - Principal canal para transferência de dados de downlink - Responsável pela alocação dinâmica dos recursos, através de verificações da modulação, codificação e potência de transmissão;
11 28 Multicast Channel (MCH) - Utilizado na transmissão das informações do MCCH; Os canais de transporte no Uplink são: Random Access Channel (RACH) - Utilizado para requerimentos do acesso randômico; Uplink Shared Channel (UL-SCH) - Principal canal para transferência de dados no uplink - Responsável pela alocação dinâmica dos recursos, através de verificações da modulação, codificação e potência de transmissão; Canais Lógicos Os canais lógicos podem ser classificados em canais lógicos de controle e canais lógicos de tráfego. São canais lógicos de controle: Paging Control Channel (PCCH) - Utilizado para informações de paging; Broadcast Control Channel (BCCH) - Fornece informações sistêmicas para todos os terminais conectados na enodeb; Common Control Channel (CCCH) - Utilizado para informações de acesso randômico; Dedicated Control Channel (DCCH) - Carrega informações especificas de controle para cada usuário (controle de potência, handover, etc); Multicast Control Channel (MCCH) - Transmissão de informações necessárias para a repetição de multicast; Os canais lógicos de tráfego são: Dedicated Traffic Channel (DTCH) - Canal Ponto a Ponto (uplink e downlink) - Utilizado para transmitir dados aos usuários;
12 29 Multicast Traffic Channel (MTCH) - Utilizado para transmissão de dados multicast; 2.5. Downlink LTE OFDM O OFDM, Multiplexação Ortogonal por Divisão de Freqüência (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), é uma técnica complexa baseada na idéia da multiplexação pela divisão da freqüência (FDM). Figura 2.8 Disposição das portadoras na Modulação FDM e OFDM. Na técnica de OFDM, ao invés de utilizar bandas de guarda entre as portadoras para poder separá-las, emprega-se uma sobreposição das mesmas, como demonstrado na figura 2.8, resultando em um ganho espectral de até 50% em relação à técnica FDM. O OFDM é uma técnica que distribui a informação de dados sobre um grande número de freqüências, denominadas de subportadoras, que são espaçadas em freqüências precisas. Este espaçamento provê a ortogonalidade no sentido matemático, o que previne que na demodulação não ocorra interferência entre as portadoras. Os benefícios de OFDM são alta eficiência espectral, robustez contra interferência de radiofreqüência (RF) e baixa distorção por propagação multi-percurso. No OFDM emprega-se a técnica IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) na modulação e FFT (Fast Fourier Transform) na demodulação, utilizando-se 256 portadoras, onde cada canal de freqüência pode ser modulado com uma
13 30 modulação simples QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ou PSK (Phase Shift - Keying). Figura 2.9 Configuração de acesso no OFDM [8]. Visando-se o compartilhamento dos recursos do espectro por múltiplos usuários, foi criada a técnica OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), que é um refinamento da OFDM. No OFDMA os sub-canais são alocadas no domínio da freqüência e os símbolos OFDM são alocados no domínio do tempo, conforme ilustrado na figura OFDMA Foi decidido que no LTE o esquema de transmissão de dados na interface aérea seria um novo esquema, completamente diferente do WCDMA do UMTS. Em vez de se usar uma única portadora como é feito no 3G, no LTE, a utilização de um esquema de transmissão denominado OFDMA, permite que sejam transmitidos dados utilizando múltiplas portadoras estreitas simultaneamente, como 512, 1024 ou mais, dependendo da banda utilizada, por exemplo: 5, 10, 20 MHz [3]. Na figura 2.10 podemos observar a transmissão OFDMA, empregandose a IFFT na transmissão e a FFT na recepção.
14 31 Figura 2.10 Transmissão OFDMA [3]. O OFDMA tem sua camada física baseada no OFDM, tecnologia empregada no downlink do LTE. De forma semelhante ao OFDM, o OFDMA emprega múltiplas subportadoras sobrepostas no domínio da freqüência, fato que pode ser observado na figura Figura 2.11 OFDMA no domínio do tempo e da freqüência [7]. A principal diferença está na subdivisão das subportadoras em grupos, onde cada grupo, formado por 12 subportadoras com espaçamento regular de 15 khz cada, formam um resource block. O número de resource blocks está associado à banda disponível, conforme apresentado na tabela 2.2. A duração
15 32 de um símbolo OFDM é de 66,667 µs e o prefixo cíclico padrão é de 4,7 µs, logo, o tempo total de transmissão de um símbolo OFDM é de 71,367 µs. O prefixo cíclico é transmitido antes de cada símbolo OFDM como medida de prevenção ao multi-percurso. Para aplicações onde existe grande degradação por multi-percurso, um prefixo cíclico de 16,67 µs pode ser utilizado, no entanto este maior prefixo cíclico faz com que seja reduzido o throughput, mantendo-se a mesma duração do símbolo [3]. Canal (MHz) Resource Blocks Subportadoras Tabela 2.2 Resource Blocks e Subportadoras [7]. Como os dados são alocados em resource blocks, um usuário pode ser alocado em um resource block inteiro no domínio da freqüência. No domínio do tempo, a alocação deve ser analisada e pode ser modificada na transmissão em intervalos de 1 ms (esta decisão é tomada na enodeb). O conjunto de múltiplas subportadoras são independentes quanto à modulação, e no LTE elas podem ser moduladas em QPSK, 16 QAM ou 64 QAM. O menor arranjamento de dados agregados é referido ao resource block, que contem 12 subportadoras e 7 símbolos para cada subportadora (no caso de se utilizar o prefixo cíclico curto). Este grupo de 12 subportadoras (resource block) tem uma banda de 180 khz e 0.5 ms de duração no domínio do tempo (1 slot). Dois slots são agrupados em um subframe, referente a um TTI (Transmit Time Interval) [3]. Dez subframes são agrupados juntos para formar um frame de radio único, com duração de 10 ms (figura 2.12). A menor quantidade de resource elements (símbolos) que pode ser alocada para um único usuário em um determinado instante de tempo são dois resource blocks, o que significa um sub-frame (ou um TTI). Para aumentar as taxas de dados para os dispositivos móveis, a alocação dos recursos da rede pode concatenar vários resource blocks no domínio do tempo e da freqüência.
16 33 Figura 2.12 Acesso no LTE [3]. É importante deixar claro que nem todos os resource elements de um resource block são alocados para a transmissão de dados, podendo ser utilizados também para outros fins, como por exemplo, referência do canal piloto e medidas de qualidade dos canais de downlink [3] Resource Blocks O termo Resource Block é utilizado para descrever o mapeamento dos canais físicos que descrevem os Resource Elements. Fisicamente podemos definir um resource block como um conjunto de símbolos OFDM consecutivos no domínio do tempo em consecutivas subportadoras no domínio da freqüência. No domínio da freqüência, as subportadoras são agregadas em slots de 180 khz cada, e dependendo do prefixo cíclico adotado (normal ou estendido), o número de subportadoras e símbolos OFDM trafegados em 180 khz podem variar de acordo com o exposto na tabela 2.3.
17 34 Prefixo Cíclico Subportadoras (khz) Nº Subportadoras Símbolos OFDM Normal Estendido Estendido 7, Tabela 2.3 Parâmetros físicos dos Resource Blocks [7] Uplink LTE SC-FDMA O SC-FDMA (Single Carrier FDMA) é utilizado no uplink no LTE e da mesma forma que ocorre no OFDM, intervalos de guarda com prefixos cíclicos são introduzidos entre os blocos de símbolos a serem transmitidos. Figura 2.13 Transmissão SC-FDMA [3].
18 35 A principal vantagem do SC-FDMA, em comparação com OFDM e OFDMA, é que os sinais apresentam um baixo PAPR (Peak-to-average Power Ratio) diminuindo a necessidade de transmissores complexos. Podemos classificar o SC-FDMA como um sistema híbrido que, combina o baixo PAPR do SC utilizado no GSM com o bom desempenho relacionado ao multi-percurso do OFDM. Apesar do nome, o SC-FDMA também transmite dados na interface aérea utilizando-se múltiplas subportadoras, assim como o OFDMA. Como exemplo, podemos observar a figura 2.14, onde no OFDMA os quatro símbolos QPSK são transmitidos paralelamente, sendo um em cada subportadora, e no SC-FDMA os quatro símbolos são transmitidos em série em quatro tempos distintos. No OFDMA, cada subportadora carrega somente informações de um símbolo específico. NO SC-FDMA, cada subportadora contem informações de todos os símbolos transmitidos. No uplink, os dados são transmitidos também em 12 subportadoras, como no downlink, com o mesmo TTI de 1 ms. Figura 2.14 Transmissão utilizando OFDMA x SC-FDMA. As principais diferenças entre OFDMA e SC-FDMA podem ser resumidas da seguinte forma: No OFDMA são tomados grupos de input de bits (0 s e 1 s) para montar as subportadoras que são processadas com IFFT para se ter um sinal no tempo. No SC-FDMA primeiro se tem uma FFT sobre grupos de input para espalhar sobre todas subportadoras, e em seguida usar o resultado no IFFT que cria o sinal no
19 36 tempo. Este é o motivo que por vezes o SC-FDMA é referido como FFT espalhado OFDM LTE Advanced Em meio às discussões sobre as futuras tecnologias em termos de mobilidade, um aspecto comum nas discussões diz respeito à necessidade de ampliar a capacidade das redes móveis e de fornecer maiores taxas para os usuários, o que de fato mostra a necessidade de novos projetos de rede. O padrão LTE-Advanced vem sendo desenvolvido pela 3GPP a fim de ir ao encontro desse cenário Requisitos Com a finalidade de ser uma evolução das redes LTE, o projeto LTE- Advanced apresenta algumas condições que são adotadas em seu estudo em desenvolvimento. Alguns dos acordos já firmados entre fornecedores e 3GPP confirmam como pré-requisitos os itens abaixo: Taxa de pico Downlink: 1 Gbps, Uplink: 500 Mbps; Capacidade de pico Downlink: 30 bps/hz, Uplink: 15 bps/hz; Largura de banda maior que 70 MHz para downlink e 40 MHz para uplink; Taxa de transferência média para o usuário três vezes maior do que no LTE; Capacidade três vezes maior do que no LTE, refletida como a eficiência espectral; Flexibilidade do espectro: suporte à agregação espectral e largura de banda escalável; Mobilidade igual à do padrão LTE; Compatibilidade com redes anteriores. Assim como no LTE, a implementação do LTE-Advanced deverá ser totalmente baseada no protocolo IP.
20 Tecnologia Algumas propostas técnicas por parte do 3GPP encontram-se em estudo, podendo ser divididas em certas categorias, como as seguintes: Soluções de antenas para técnicas MIMO; Correção automática de erro (Forward Error Correction - FEC); Largura de banda escalável excedendo 20 MHz, até mesmo 100 MHz (uso flexível do espectro); Configuração e operação automática da rede. A fim de atingir taxas de pico de 1 Gbps, uma largura de banda de até 100 MHz é analisada como o meio para tal objetivo. Como só se tem conseguido suportar larguras de banda de 20 MHz, uma solução para esse obstáculo seria a adoção de múltiplos terminais.
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