Seção: Telefonia Celular

O LTE é a nova geração das redes móveis que foi padronizada pelo 3GPP. Inicialmente projetada para prover serviços de dados, espera-se que esta rede melhore substancialmente o throughput do usuário, a capacidade do setor e reduza a latência do plano do usuário trazendo uma nova experiência com total mobilidade. Esta tecnologia está programada para fornecer suporte ao tráfego baseado em IP com QoS fim-a-fim.

Ao contrário do HSPA, que foi acomodado dentro da arquitetura UMTS Release 99, o 3GPP está especificando um novo núcleo baseado em comutação por pacotes, o EPC, para apoiar a E-UTRAN através de uma redução no número de elementos de rede, melhorar a redundância e permitir conexões com outros serviços.

Os principais objetivos desta tecnologia são o esforço para minimizar a complexidade do sistema e dos equipamentos dos usuários, permitir a distribuição flexível do espectro através de novas frequências ou das faixas já utilizadas e permitir a coexistência desta rede com outras redes já implantadas como o GSM e o WCDMA além de oferecer altas taxas de downlink e uplink.

O LTE apresenta requisitos de desempenho agressivos, que dependem de outras tecnologias como o OFDMA e MIMO para alcançar os seus objetivos. A tabela 3 apresenta um resumo sobre as principais características desta rede:

Tabela 3: Principais características do LTE

Fonte: 3GPP, 2010

A seguir serão descritos os principais elementos da rede, protocolos e funcionalidades que compõem o LTE.

Topologia

A figura 8 apresenta a topologia de rede utilizada pelo LTE:

Figura 8: Topologia LTE
Fonte: D’ÁVILA, 2009

De acordo com D’avila (2009), as principais diferenças na arquitetura LTE em comparação com as releases anteriores estão na supressão do RNC e no sistema baseado em IP. A rede possui 4 grandes domínios que estão divididos em:

• User Equipament (UE): dispositivo de acesso do usuário.
• E-UTRAN: é composta de uma rede mesh de eNodeBs que se comunicam através da interface X2. A eNodeB contêm as camadas física (PHY), Medium Accesss Control (MAC), Radio Link Control (RLC) e o protocolo de controle de pacotes de dados. Ainda inclui a funcionalidade de compressão de cabeçalho, criptografia, gestão de recursos do rádio, controle de admissão, negociação de QoS no uplink e broadcast contendo informações da célula.
• EPC: nele estão contidos os principais elementos da rede. Eles desempenham as principais funções do sistema e são definidos como:
• MME (Mobility Management Entity): é o principal elemento de controle no EPC. Entre as suas funções estão autenticação, segurança, gerenciamento de mobilidade, gerenciamento de perfil do usuário, conexão e autorização de serviços.
• S-GW (Serving Gateway): este elemento faz o roteamento dos pacotes de dados dos usuários entre a rede LTE e outras tecnologias como o 2G / 3G utilizando a interface S4. Gerencia e armazena informações do UE como parâmetros de serviços IP suportados e informações sobre o roteamento interno dos pacotes na rede.
• P-GW (Packet Data Network Gateway): é o roteador de borda entre o EPC e redes de pacotes externas. Realiza a filtragem e controle de pacotes requeridos para os serviços em questão. Tipicamente, o P-GW aloca endereços IP para os equipamentos dos usuários para que eles possam se comunicar com outros dispositivos localizados em redes externas.
• PCRF (Policy and Charging Resource Function): elemento de rede responsável pelo PCC – Política e Controle de Carga. Provê o QoS adequado para que os serviços solicitados possam utilizar os recursos apropriados.
• HSS (Home Subscriber Server): banco de dados de registro do usuário. Executa de fato, funções equivalentes às do HLR, AuC e EIR definidos nas releases anteriores.
• Serviços: provê a interligação do LTE com outras redes.

Esta arquitetura permite uma drástica redução de custos referentes a operação e aquisição de equipamentos, uma vez que o E-UTRAN pode ser compartilhado por várias operadoras enquanto no EPC cada uma possui equipamentos próprios e define a sua própria topologia e os seus elementos de núcleo da rede com MME, S-GW e P-GW.

Pilha de Protocolos LTE

Nesta seção serão apresentadas as funções dos diferentes protocolos e sua localização na arquitetura LTE. Eles estão dispostos de acordo com a figura 9.

Figura 9: Diagrama da rede LTE
Fonte: ANRITSU, 2010

No plano de controle, o protocolo Non-Access Stratum (NAS), que funciona entre o MME e a UE, é utilizado para fins de controle, tais como conexão de rede, autenticação e gestão de mobilidade. Todas as mensagens NAS são cifradas e sua integridade é garantida pelo MME e UE.

A camada Radio Resource Control (RRC) na eNodeB toma decisões de handover com base em medições do nível de sinal das células vizinhas que são enviadas pelo UE. Além desta função esta camada ainda envia mensagens de broadcast contendo informações do sistema e controla as medições dos parâmetros do UE como a periodicidade do Channel Quality Information (CQI).

No plano de usuário, a camada Packet Data Control Protocol (PDCP) é responsável pela compressão / descompressão dos cabeçalhos dos pacotes IP dos usuários através do Robust Header Compression (ROHC). Este artifício permite uma eficiente utilização da largura de banda na interface aérea. Esta camada realiza também a criptografia dos dados tanto no plano do usuário quanto no plano de controle.

A camada RLC é utilizada para formatar e transportar os dados entre a UE e a eNodeB. Esta camada oferece três modos diferentes de confiabilidade para o transporte de dados, o Modo Reconhecido (AM - Acknowledged Mode), Modo Não Reconhecido (UM - Unacknowledged Mode) ou Modo Transparente (TM – Transparent Mode). O modo UM é adequado para o transporte de serviços em tempo real, pois eles são susceptíveis ao atraso e não permitem retransmissões. O modo AM por outro lado, é adequado para serviços que não são transmitidos em tempo real, como arquivos para download. O modo TM é utilizado quando o tamanho dos quadros já são previamente conhecidos, como a mensagem de broadcast contendo informações do sistema. A RLC também oferece a entrega sequencial das Service Data Units (SDUs) para as camadas superiores eliminando as informações duplicadas. De acordo com as condições do canal rádio, esta camada pode segmentar as SDUs.

Existem dois níveis de re-transmissões para fornecer confiabilidade, Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) na camada MAC e ARQ externa na camada RLC, que funciona como um complemento para tratar os erros residuais que não são corrigidos pelo HARQ. Vários processos do tipo “stop-and-wait” são empregados pelo HARQ para garantir uma retransmissão assíncrona no downlink e uma retransmissão síncrona no uplink. Retransmissões síncronas significam que os blocos HARQ ocorrem em um intervalo de tempo periódico pré-definido, desta forma nenhuma sinalização é necessária para indicar ao receptor a retransmissão dos dados. Já o HARQ assíncrono oferece a possibilidade de programar a retransmissão dos dados baseado nas condições da interface aérea. As figuras 10 e 11 mostram a estrutura da camada 2 para uplink e downlink respectivamente. As camadas PDCP, RLC e MAC constituem a camada 2.

Figura 10: Estrutura da camada 2 para downlink
Fonte: MOTOROLA, 2009.

Figura 11: Estrutura da camada 2 para uplink
Fonte: MOTOROLA, 2009

Canais e Sinalizações do LTE

Canais Físicos

Segundo Anritsu (2010) o E-UTRAN foi desenvolvido com o conceito de rede baseada totalmente em IP. Uma das principais consequências desta mudança é a substituição dos elementos que utilizam a comutação por circuito por elementos baseados na comutação por pacote. No entanto o uso de canais compartilhados e canais de broadcast que já foram introduzidos pelo 3GPP nas releases anteriores (ex: HSDPA, HSUPA e MBMS) são reutilizados no LTE. Esta tecnologia não faz uso dos canais dedicados, cuja função é transportar os dados de um usuário específico. Isto incrementa eficiência na interface aérea, pois a rede pode controlar a utilização dos recursos em tempo real de acordo com a demanda, e não há mais necessidade de se definir níveis fixos de recursos para cada usuário.

Os canais de rádio do LTE estão separados em dois tipos, os canais físicos e os sinais físicos. Os canais físicos correspondem a um conjunto de elementos que transportam as informações provenientes das camadas mais altas (NAS). Os sinais físicos são utilizados somente pela camada física (PHY) e não carregam nenhum tipo de informação das camadas mais altas. (Anritsu, 2010).

Os canais físicos podem ser classificados como canais de downlink ou uplink e estão dispostos conforme apresentado abaixo:

Figura 12: Disposição dos canais físicos

Downlink

Os canais físicos do downlink são apresentados a seguir:

• Physical Broadcast Channel (PBCH): A cada 40 ms o canal PBCH envia informações sobre o sistema para que o UE possa se conectar a rede.
• Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH): Informa para o UE o número de símbolos OFDM utilizados para transmitir o canal de controle PDCCH. Este canal é transmitido em todos os frames e utiliza modulação QPSK.
• Physical Downlink Control Channel (PDCCH): Os UEs obtêm os recursos de alocação para o uplink e downlink através deste canal.
• Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): É mapeado no canal de transporte DL-SCH e contêm os dados dos usuários.
• Physical Multicast Channel (PMCH): Carrega informações de multicast que são enviadas a múltiplos UEs simultaneamente. Assim como o PDSCH, este canal possui várias opções de modulação incluindo QPSK, 16-QAM ou 64-QAM.

Sinais Físicos

Os sinais físicos do downlink são apresentados a seguir:

• Reference Signal (RS): Os UEs utilizam o RS para estimar o canal de downlink. O RS é o produto de uma sequência ortogonal e uma sequência pseudo-aleatória. A especificação do 3GPP identifica 504 possibilidades de sequência para este sinal.
• Synchronization Signal (P-SS e S-SS): Os UEs utilizam o Primary Synchronization Signal (P-SS) e o Secondary Synchronization Signal (S-SS) para sincronizar os frames e para requisitar informações como frequência e ID da célula.

Uplink

Os canais físicos do uplink são apresentados a seguir:

• Physical Uplink Control Channel (PUCCH): Este canal transporta informações de controle como o CQI, ACK/NACK em resposta as transmissões de downlink e agendamentos de pedidos de uplink.
• Physical Uplink Shared Channel (PUSCH): É mapeado no canal de transporte UL-SCH e contêm os dados dos usuários.
• Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH): Carrega as informações ACK/NACK em resposta as transmissões de uplink.
• Physical Random Access Channel (PRACH): Este canal é utilizado para funções de acesso aleatório.

Sinais Físicos

Os sinais físicos do uplink são:

• Demodulation Reference Signal;
• Sounding Reference Signal.

Canais de Transporte

Há um esforço significativo por parte dos órgãos reguladores do LTE para simplificar o mapeamento dos canais de transportes e canais lógicos. Os canais de transporte se distinguem pelas características com o qual os dados são transmitidos através da interface rádio. A camada MAC é responsável por mapear os canais de transporte nos canais lógicos e seleciona o formato de transporte mais adequado (Motorola, 2009).

Assim como os canais físicos os canais de transporte podem ser classificados como canais de downlink ou uplink conforme apresentados a seguir:

Figura 13: Disposição dos canais de transporte

Downlink

Os canais de transporte do downlink são apresentados a seguir:

• Broadcast Channel (BCH): É caracterizado pelo formato pré-definido de transporte. Este canal carrega as informações de broadcast em uma área definida pela cobertura de uma célula.
• Downlink Shared Channel (DL-SCH): Provê suporte para o HARQ e para o link adaptativo dinâmico, este parâmetro possibilita a variação da modulação, da codificação e da potência transmitida. Pode ser utilizado como canal de broadcast no interior da célula.
• Paging Channel (PCH): Provê suporte para a recepção descontínua, isso permite uma economia no consumo de energia da bateria do UE. Pode ser utilizado tanto como um canal de trafego quanto para controle.
• Multicast Channel (MCH): Utilizado para enviar informações multicast para os UEs. Estas mensagens podem ser enviadas simultaneamente para vários dispositivos.

Uplink

Os canais de transporte do downlink são apresentados a seguir:

• Uplink Shared Channel (UL-SCH): Provê suporte para o HARQ e para o link adaptativo dinâmico, este parâmetro possibilita a variação da modulação, da codificação e da potência transmitida.
• Random Access Channel (RACH): Canal utilizado para efetuar o acesso ao sistema. Apenas permite o envio de uma identificação provisória e a razão do acesso.

Canais Lógicos

Estes canais proveem as funcionalidades requeridas pelas camadas de níveis superiores para entrega de aplicativos e serviços. Na camada 3 o protocolo NAS é utilizado para interligar os canais lógicos. Eles são mapeados dentro dos canais de transporte na camada 2, através do elemento RRC. O gerenciamento dos dados do usuário é feito pelo PDCP na camada 2, o controle e as conexões da camada física é feito pelos elementos RLC, MAC e PHY na camada 1 (Motorola, 2009).

Figura 14: Disposição dos canais lógicos

Na pilha de protocolos do LTE os canais de transporte são encapsulados pelos canais lógicos. Estes canais proveem as funcionalidades para as camadas mais altas e são especificados em termos dos serviços ao qual eles suportam. Cada canal lógico é definido pelo tipo de informação transferida, geralmente estes canais são divididos em 2 grupos, os canais de controle (utilizado para transferência de informação no plano de controle) e os canais de tráfego (utilizado para transferência de informação no plano do usuário), conforme apresentado no esquema a seguir:

Canais de Controle

Os canais de controle são apresentados a seguir:

• Broadcast Control Channel (BCCH): Canal utilizado no downlink para fazer o broadcast das informações de controle do sistema.
• Paging Control Channel (PCCH): Canal de downlink responsável pela transferência das informações de paging. É utilizado pelo sistema para que a rede possa localizar em qual célula está o UE.
• Common Control Channel (CCCH): Este canal é utilizado para obter informações de acesso aleatório.
• Multicast Control Channel (MCCH): Canal de downlink ponto-a-ponto utilizado para transmitir informações de controle MBMS da rede para o UE. Este canal é utilizado somente por dispositivos que suportam o MBMS.
• Dedicated Control Channel (DCCH): Canal bi-direcional ponto-a-ponto que transmite informações de controle dedicadas entre o UE e a rede. Utilizados pelos dispositivos quando eles fazem uma conexão RRC.

Canais de Tráfego

Os canais de tráfego são apresentados a seguir:

• Dedicated Traffic Channel (DTCH): É um canal ponto-a-ponto dedicado para um UE. É utilizado para transferir as informações do usuário tanto no downlink quanto no uplink.
• Multicast Traffic Channel (MTCH): É um canal de downlink ponto-a-ponto responsável pela transmissão do tráfego de dados da rede para o UE. Este canal e utilizado somente por dispositivos que suportam o MBMS.

Mapeamento dos Canais

Figura 15: Mapeamento dos canais de downlink
Fonte: ANRITSU, 2010

Figura 16: Mapeamento dos canais de uplink
Fonte: ARITSU, 2010

Estrutura de Frame

Para que o sistema seja capaz de sincronizar e gerir os diferentes tipos de informações que trafegam entre a eNodeB e o UE, o 3GPP padronizou a estrutura de frame utilizada pelo LTE. Esta estrutura difere entre os modos Time Division Duplex (TDD) e o Frequency Division Duplex (FDD).

De acordo com Anritsu (2009), cada frame é definido em função da variável Ts, que é a unidade básica de tempo utilizada pelo LTE e pode ser descrita como, Ts = 1/(15000 x 2048) = 32,6 nano segundos. Tanto as transmissões de downlink quanto de uplink são organizadas em frames com duração igual a Tf = 307200 x Ts, que equivalem a aproximadamente a 10 ms. Cada frame possui 10 subframes de 1ms e cada subframe é dividido em slots com duração de 0,5 ms.

Dois tipos de estrutura de frames são definidos para o LTE:

• Tipo 1: utiliza FDD
• Tipo 2: utiliza TDD

Para a estrutura de frame tipo 1, os frames são divididos em 20 slots de 0,5 ms. Um subframe consiste de dois slots consecutivos, assim um frame de rádio contém dez subframes conforme apresentado na figura 17.

Figura 17: Estrutura de frame tipo1
Fonte: ANRITSU, 2010

Ainda de acordo com Aritsu (2009), para a estrutura de frame tipo 2, cada frame de rádio de 10ms é constituído de dois semi-frames de 5 ms de comprimento onde cada um é dividido em 5 subframes de 1ms cada, conforme apresentado na figura 18. Existem 3 subframes considerados especiais que são reservados para o downlink e uplink respectivamente. Estes subframes especiais consistem em 3 campos: Downlink Pilot Timeslot (DwPTS), Guard Period (GP), e Uplink Pilot Timeslot (UpPTS). Todos os subframes que não são considerados especiais são definidos como dois slots de duração de 0,5 ms em cada subframe.

Figura 18: Estrutura de frame tipo 2
Fonte: ANRITSU, 2010.

A figura 18 representa uma transmissão de 5 ms e os campos especiais são apresentados nos subframes 1 e 6. Para a transmissão de 10ms, os campos especiais no subframe 6 não são utilizados. Os subframes 0, 5 e o campo DwPTS são sempre reservados para o downlink, já o campo UpPTS e o subframe que imediatamente procede este campo são reservados para o uplink.

Para o transporte das informações do usuário, o LTE utiliza 12 subportadoras espaçadas de 15 kHz. Cada bloco possui o mesmo tamanho para todas as larguras de bandas definidas para o LTE. Os dados são alocados para o UE através dos blocos de recursos. Cada UE pode ser alocado em vários blocos de recursos no domínio da frequência, onde cada bloco não precisa ser necessariamente ser adjacente um com o outro conforme apresentado na figura 19. No domínio do tempo, a decisão de agendamento é feita pela eNodeB. O algoritmo de agendamento deve levar em conta a situação do link de rádio de diferentes usuários, a situação global de interferências, exigências de QoS, prioridades de serviços, etc. (Rohde & Schawrz, 2009).

Figura 19: Alocação dos blocos de recursos para os usuários
Fonte: Silva, 2010

O número de símbolos OFDM utilizados depende da configuração do sistema. Para cada símbolo OFDM, um prefixo cíclico (CP) é utilizado como banda de guarda. Um slot de downlink é constituído de 6 ou 7 símbolos, essa variação se deve ao fato do sistema utilizar a configuração de prefixo cíclico estendido ou prefixo cíclico normal respectivamente. O prefixo Cíclico Estendido é habilitado para células com grande área de cobertura e com alto atraso de propagação no canal de rádio (Anritsu, 2010).

A figura 20 apresenta o esquema de transmissão dos frames tanto para o TDD quanto para o FDD.

Figura 20: Esquema de transmissão FDD e TDD
Fonte: ANRITSU, 2010

O quadro abaixo apresenta o número máximo de Blocos de Recurso utilizados pelo LTE para as diferentes larguras de banda utilizadas por este padrão:

Quadro 1: Dimensionamento dos Blocos de Recursos
Fonte: ANRITSU, 2010

É possível estimar a taxa de dados trafegados em 1 bloco de recursos. Para isso será considerado que o sistema possui as seguintes características:

• 14 símbolos OFDM por subframe de 1 ms;
• Modulação de 64 QAM com 6 bits por símbolo;

Então:

• x 14 = 84 bits por subframe de 1ms;
• 84 bits/ 1ms = 84kbps por subportadora;
• 12 subportadoras x 84kbps = 1.008 Mbps por bloco de recurso;
• Utilizado a banda de 20 MHz temos 100 blocos de recurso disponíveis, desta forma:
• 100 x 1.008 Mbps = 100.8 Mbps por antena;

Utilizando antena MIMO com configuração 4x4 é possível alcançar taxas de 403.2 Mbps. Na prática a taxa máxima alcançada chega a 320 Mbps.