Seção: Tutoriais Telefonia Celular

Nesta seção são descritas as principais características da interface aérea do 1xEV-DO, explicando como as altas taxas de dados são alcançadas. A padronização deste sistema foi concluída em outubro de 2000 como IS-856 pelo TIA/EIA e 3GPP2.

A principal meta no desenvolvimento do 1xEV-DO foi a de prover máxima otimização na utilização do espectro para suportar serviços de dados sem se preocupar com serviços como voz (comutada a circuito) que tem características bastante diferenciadas. Assim, foram empregadas diversas técnicas no nível físico e MAC que não seriam possíveis se voz também estivesse sendo considerada no padrão.

Dentre elas, foram inclusas técnicas de controle adaptativo de taxas, vários tipos de modulação e codificação, turbo codes de baixa taxa, redundância incremental, diversidade multi-usuário, "soft-handoff virtual" e controle de erro de pacotes adaptativo. Em seguida estas técnicas são discutidas em maiores detalhes.

Enlace Direto

No enlace direto (BTS para terminal), o 1xEV-DO utiliza divisão no tempo de sua portadora, fazendo com que a BTS transmita a um usuário por vez com toda a sua potência, maximizando as taxas observadas por este usuário.

Desta forma, os recursos são compartilhados no tempo entre usuários, porém ao contrário dos sistemas TDMA, não existem alocações fixas de slots para cada usuário.

Todos os pacotes transmitidos são precedidos de um preâmbulo que identifica o destinatário do pacote. A portadora é dividida em slots de 1.67ms e um conjunto de 16 slots perfaz um quadro 1xEV-DO.

Característica TDM 1xEV-DO

Em qualquer sistema celular, a potência do sinal normalmente varia dentro da área de cobertura de uma BTS e o 1xEV-DO se beneficia desta característica adaptando a forma como transmite o sinal para o usuário dependendo da potência observada pelo usuário.

Se o usuário estiver em uma área com alta potência de sinal recebido, irá provavelmente suportar esquemas de modulação mais altos (mais bits por símbolo) e corretores de erro mais fracos mantendo um nível aceitável de erros de pacotes. Inversamente, em uma situação de sinal mais fraco, um esquema mais robusto de modulação e uma melhor codificação devem ser utilizados.

No 1xEV-DO, o terminal informa a condição do sinal para a rede de acesso através de um canal lógico chamado de DRC ( Data Rate Control ). Esta informação pode ser enviada até 600 vezes por segundo, uma vez que o sinal varia bastante dependendo da velocidade de locomoção do terminal (se está em um carro por exemplo).

Através do DRC também são indicados a taxa de transmissão que deve ser utilizada, o tipo de modulação, a taxa de código do corretor de erros e o número de slots que deve ser utilizado. Adicionalmente, o DRC também leva a informação de qual o setor de ERB que deve servi-lo, isto é, informa o único setor de BTS que irá transmitir para o terminal.

Esta é uma grande diferença em relação aos outros sistemas CDMA que utilizam soft-handoff no qual mais de um setor serve um mesmo terminal a fim de se diminuir a queda de chamadas. Desta forma, o 1xEV-DO se baseia na rápida seleção de qual setor irá lhe atender de acordo com a potência do sinal que o terminal observa de cada um deles.

O terminal utiliza um mecanismo de controle de taxa envolvendo a predição do canal e um algoritmo de controle de taxa de erro de pacotes (PER - Packet Error Rate) para determinar a taxa máxima de dados que pode ser suportada no enlace direto mantendo um PER de menos de 1%. Isto é feito selecionando-se a melhor taxa dentre as definidas pelo padrão 1xEV-DO e resumidas abaixo:

Para melhorar ainda mais a percepção do usuário de altas taxas de dados, uma outra técnica foi adicionada ao 1xEV-DO explorando a característica de variação do canal de radio. Pacotes que utilizam mais de um slot (vide tabela 2) são transmitidos com um espaçamento de 4 slots, figura a seguir.

O espaçamento de 4 slots provê tempo suficiente para que o terminal decodifique a parte do pacote que chegou e envie um ACK caso já tenha conseguido decodificar completamente a informação do pacote.

Caso a BTS receba um ACK do terminal, a transmissão do pacote é terminada, aumentando efetivamente a taxa de dados percebida pelo usuário. Este procedimento também é referenciado como hybrid-ARQ e quando o canal é bastante imprevisível como em canais com desvanecimento rápido, este esquema de ARQ traz uma melhora substancial na eficiência espectral.

O histograma mostrado na figura a seguir exemplifica a melhora no throughput devido à terminação abreviada ( early termination ) de um terminal que solicitou DRC=76.8 bkps (8 slots ) em uma situação de alta velocidade (120km/h).

Pode ser visto que a grande maioria dos pacotes foi decodificada antes do 4 o slot , aumentando substancialmente a taxa percebida pelo usuário e a capacidade do sistema em 2 vezes em muitos casos.

Histograma Hybrid-ARQ

Proportional Fair Scheduler

Em geral, mais de um usuário solicita recursos ao mesmo tempo e nestes casos o sistema precisa selecionar como os slots serão alocados para os diferentes usuários. A escolha mais simples seria servir um usuário por vez por ordem de chegada em um esquema round-robin , apesar de não ser o método que maximiza a capacidade do sistema.

Um novo scheduler foi sugerido para o 1xEV-DO que leva em consideração a informação entregue pelo DRC. Este scheduler é referido como Proportional Fair Algorithm . O conceito é servir um usuário quando este estiver com uma condição de sinal acima da média observada, ou seja, aproveitar a variação temporal do canal servindo o usuário nos momentos em que está com um bom sinal (up-fade), porém o algoritmo mantém também um fator de justiça entre usuários servindo todos de uma maneira igualitária na média.

Utilizando este algoritmo, implica em um capacidade de setor muito maior que um scheduler round-robin . O processo de selecionar quem irá ser servido explorando a SINR é uma forma de diversidade de seleção chamada também de diversidade multi-usuário. O ganho multi-usuário aumenta com o número de terminais ativos.

A figura a seguir mostra o ganho do Scheduler de Eqüidade Proporcional (Proportional Fair Scheduler) em função do número de usuários simultaneamente ativos para o caso de um canal do tipo pedestre com desvanecimento lento. É importante enfatizar que a vazão do sistema aumenta de 670 kbps, para o caso de um único usuário, para 1.3 Mbps com 16 usuários simultaneamente ativos. Isto representa um ganho de quase 100% referente a diversidade multi-usuário.

Diversidade de recepção

Diversidade de recepção é uma outra técnica para aumentar capacidade e melhorar performance de usuário introduzida no 1xEV-DO. Hoje, terminais podem facilmente integrar uma arquitetura com duas antenas a um custo acessível, possibilitando ganhos de diversidade de recepção em vários cenários de mobilidade. Esta implementação aumenta significativamente a experiência de usuário com taxas mais altas de dados em adição à capacidade total do sistema.

Finalmente, a Tabela 3 sumariza a capacidade de um setor de BTS com uma portadora de 1.25 MHz. A excepcional eficiência espectral alcançada pelo 1xEV-DO é resultado de muitas técnicas avançadas brevemente explicadas nesta seção. Maiores detalhes nas técnicas de melhora de capacidade usadas no 1xEV-DO podem ser encontrados na literatura listada nas referências.

Enlace Reverso

O enlace reverso (terminal para BTS) tem bastante similaridade com o cdma2000 1xRTT. A transmissão de pacotes acontece apenas na duração do quadro de 26.67 ms. Procedimentos comuns ao cdmaOne e cdma2000 1x como controle de potência e soft-handoff também se aplicam ao enlace reverso do 1xEV-DO. As taxas de dados podem ser de 9.6, 19.2, 38.4, 76.8 ou 153.6 kbps.

A melhora de performance no enlace reverso é alcançada, entre outras razões, utilizando modulação avançada BPSK e pacotes com turbo code com taxas de código de ½ e ¼. A transmissão no enlace reverso utiliza um canal de piloto, melhorando a performance do sistema através do uso de deteção coerente de sinal.

A taxa de transmissão permitida para cada terminal é determinada por um algoritmo MAC distribuído. O conceito deste algoritmo é permitir que os terminais decidam se querem ou não transmitir a uma taxa mais alta baseado em algumas regras. Isto elimina a necessidade da BTS determinar a taxa que o usuário pode utilizar, minimizando cabeçalhos de controle e eliminando recursos não utilizados.

Porém a BTS ainda fica capaz de controlar a carga total do enlace reverso, indicando aos terminais se devem aumentar ou diminuir suas taxas de transmissão. Esta informação é enviada através do canal lógico RAB (Reverse Activity Bit) e indica a carga da BTS (setor).

Como mostrado na figura, se o estado da carga da BTS é " not busy ", é permitido que os terminais aumentem sua taxa em um degrau com uma certa probabilidade. Por outro lado, se o estado é " busy ", todos os terminais devem reduzir sua taxa de transmissão em um degrau também com uma certa probabilidade. As probabilidades de alteração de taxas são parâmetros específicos por usuário e designado pela rede 1xEV-DO.

Transição de taxas de dados no enlace reverso

Utilizando este mecanismo de controle re-alimentado, é possível controlar o nível de interferência recebido na BTS. Neste caso, aumentando o ponto de operação de interferência resulta em aumento da capacidade da BTS sem perda de área de cobertura. Esta é uma melhora significativa sobre o cdmaOne, onde o nível de interferência era controlado indiretamente.

Um resumo da capacidade da BTS por setor é mostrado na Tabela 4 em função do ponto de operação de interferência (caracterizado pelo índice ROT - Rise Over Thermal) e várias condições de mobilidade do canal.