Seção: Tutoriais Telefonia Celular

Arquitetura

Em paralelo com o acesso rádio LTE, os núcleos de rede em pacotes estão também evoluindo para a arquitetura SAE – System Architecture Evolution básica. Essa nova arquitetura é projetada para otimizar o desempenho de rede, reduzir os custos e facilitar a captura de serviços baseados em IP.

Existem somente dois nós no plano do usuário na arquitetura SAE: a estação rádio-base LTE (eNodeB) e o gateway SAE (SAE GW) (figura 3). As estações rádio-base LTE são conectadas ao núcleo da rede usando a interface RAN-núcleo da Rede (S1). Essa arquitetura plana reduz o número de nós envolvidos nas conexões.

Os sistemas 3GPP (GSM e WCDMA/HSPA) e 3GPP2 (CDMA2000 1xRTT, EV-DO) existentes são integrados ao sistema evoluído através de interfaces padronizadas fornecendo mobilidade otimizada com o LTE. Para os sistemas 3GPP, isso significa uma interface de sinalização entre o SGSN e o núcleo da rede evoluído e para 3GPP2, uma interface de sinalização entre CDMA RAN e o núcleo da rede evoluído. Tal integração suportará o handover dual e único, permitindo uma migração flexível para o LTE.

A sinalização de controle – por exemplo, para mobilidade – é feita pelo nó da MME – Mobility Management Entity, separada do gateway. Isso facilita a implantação otimizada da rede e permite a escalabilidade total da capacidade flexível.

O HSS – Home Subscriber Server conecta-se ao núcleo da rede de pacote por meio de uma interface baseada no protocolo Diameter, e não na sinalização SS7, conforme usada nas redes GSM e WCDMA anteriores. A sinalização de rede para controle de política e cobrança já está baseada no Diameter. Assim, todas as interfaces na arquitetura são interfaces IP.

Sistemas GSM e WCDMA/HSPA existentes são integrados ao sistema evoluído através de interfaces padronizadas entre o SGSN e o núcleo da rede evoluída. Espera-se que o esforço para integrar o acesso CDMA também leve à mobilidade transparente entre o CDMA e LTE. Tal integração suportará o handover de rádio dual e único, permitindo a migração flexível do CDMA para LTE.

O LTE-SAE adotou um conceito de QoS baseado em classe de serviços. Isso fornece uma solução simples, ainda que eficaz, para que as operadoras ofereçam diferenciação entre os serviços.

Tecnologia de rádio OFDM

O LTE usa OFDM para o downlink – que é, da estação rádio-base para o terminal. O OFDM atende ao requisito do LTE quanto à flexibilidade de espectro e possibilita soluções eficientes e econômicas para portadoras banda larga com taxas de pico elevadas. É uma tecnologia bem estabelecida, por exemplo, em padrões como IEEE 802.11a/b/g, 802.16, Hiperlan-2, DVB e DAB.

O OFDM usa várias subportadoras estreitas para transmissão multiportadoras. O recurso físico para o downlink LTE básico pode ser verificado com uma grade de tempo-freqüência (figura 4). No domínio de freqüência, o espaçamento entre as subportadoras (f) é de 15kHz. Além disso, o tempo de duração do símbolo OFDM é 1/f + prefixo cíclico. O prefixo cíclico é usado para manter a ortogonalidade entre as subportadoras, mesmo para um canal de rádio dispersivo no tempo.

Um elemento de recurso transporta QPSK, 16QAM ou 64QAM. Com 64QAM, cada elemento de recurso transporta seis bits.

Os símbolos OFDM são agrupados em blocos de recursos, que têm um tamanho total de 180kHz no domínio da freqüência e 0,5ms no domínio do tempo. Cada TTI – intervalo de tempo de transmissão de 1ms consiste de dois slots (Tslot).

A cada usuário é alocado um número dos assim chamados blocos de recurso, na grade tempo-freqüência. Quanto mais blocos de recurso um usuário recebe, e quanto mais alta a modulação usada nos elementos de recurso, mais elevada será a taxa de bit.

Quais blocos de recurso e quantos deles o usuário recebe em um dado momento no tempo dependerá de mecanismos de sincronização avançada nas dimensões de freqüência e tempo. Os mecanismos de sincronização em LTE são similares àqueles utilizados no HSPA e permitem um desempenho ótimo para diferentes serviços, em diferentes ambientes de rádio.

No uplink, o LTE usa uma versão pré-codificada de OFDM chamada SC-FDMA – Single Carrier Frequency Division Multiple Access. Isso é para compensar uma redução com OFDM normal, que tem uma PAPR (Peak to Average Power Ratio) muito elevada. A PAPR elevada requer amplificadores de potência caros e ineficientes, com elevadas exigências na linearidade, o que aumenta o custo do terminal e acaba com a bateria rapidamente.

O SC-FDMA resolve esse problema pelo agrupamento conjunto dos blocos de recurso, de tal maneira que reduz a necessidade de linearidade, e dessa maneira o consumo de potência, no amplificador de potência. Uma baixa PAPR também melhora a cobertura e o desempenho na borda da célula.

Antenas avançadas

Soluções avançadas de antena que são introduzidas no eHSPA – HSPA evoluído –  são também usadas pelo LTE. Soluções incorporando múltiplas antenas atendem às demandas da rede de banda larga móvel de próxima geração por taxas de dados elevadas, cobertura estendida e alta capacidade.

Soluções avançadas multiantena são os principais componentes para atingir essas metas. Não existe uma solução de antena que aborde cada cenário. Conseqüentemente, uma família de soluções de antena está disponível para cenários específicos. Por exemplo, taxas de dados elevadas podem ser atingidas com soluções de antenas multicamadas, como o MIMO – Multiple Input Multiple Output 2x2 ou 4x4, enquanto a cobertura estendida pode ser atingida com formador de feixe (beam-forming).

Faixas de freqüência para FDD e TDD

O LTE pode ser usado nos modos FDD – Frequency Division Duplex e TDD – Time Division Duplex. Os primeiros lançamentos de produto suportarão ambos os esquemas duplex. Em geral, o FDD é mais eficiente e representa volumes mais elevados do dispositivo e infra-estrutura, enquanto o TDD é um bom complemento, por exemplo, nos gaps centrais do espectro.

Como o hardware para LTE é o mesmo para FDD e TDD (exceto pelos filtros), os operadores TDD serão, pela primeira vez, capazes de desfrutar das economias de escala que vêm com os produtos FDD amplamente suportados.

Até o momento, dez diferentes faixas de freqüência FDD e quatro diferentes faixas de freqüência TDD foram definidas no 3GPP, que podem ser usadas para LTE (tabela 1). É provável que mais bandas sejam acrescentadas a essa lista, como a de 700 MHz nos EUA.

A primeira infra-estrutura de rede e terminais LTE suportarão faixas de freqüência múltiplas desde o início. O LTE será, portanto, capaz de atingir rapidamente elevadas economias de escala e cobertura global.

O LTE é definido para suportar portadoras com largura de banda flexíveis, de abaixo de 5MHz até 20MHz, em várias faixas do espectro e para os modos FDD e TDD. Isso significa que um operador pode introduzir LTE em faixas novas e existentes.

As primeiras poderão ser faixas nas quais, em geral, é mais fácil implantar portadoras de 10MHz ou 20MHz [por exemplo, banda de 2,6GHz (Banda VII), AWS (Banda IV) ou 700 MHz], mas no final o LTE será implementado em todas as faixas celulares. Em contraste a sistemas celulares mais antigos, o LTE será rapidamente implementado em múltiplas bandas.