|
Introdução
As normas do UMTS LTE (Long Term Evolution) são realizadas pelo grupo 3gpp – 3rd generation partnership project (www.3gpp.org) que também foi responsável pelas especificações UMTS desde a sua versão inicial, Release 99, liberada no ano 2000.
Nestes mais de 10 anos de desenvolvimento do UMTS, já tivemos 6 releases já lançados (até novembro de 2009): - Em 2000 – Release 99
- Em 2001 – Release 4
- Em 2002 – Release 5
- Em 2004 – Release 6
- Em 2007 – Release 7
- Em 2008 – Release 8 (LTE)
Os releases 9 e 10 já estão em andamento, mas até a data deste tutorial não haviam sido lançados.
O nosso interesse neste tutorial recai sobre o Release 8 (LTE) e creio que é interessante começarmos falando sobre os seus objetivos. De fato, ainda em 2005, quando pela primeira vez especificada, a tecnologia LTE nasceu com a seguinte lista de pontos chave: - Operação total em comutação de pacotes – no LTE a idéia é abandonar totalmente a comutação por circuitos e tratar todo tráfego por “packet switching” otimizado.
- RTT (Round Trip Time) abaixo de 10 mseg e Access Delay abaixo de 300 mseg.
- Taxa de pico para o uplink (enlace reverso) de até 50 Mbps.
- Taxa de pico para o downlink (enlace direto) de até 100 Mbps.
- Possibilidade de handover e reselection com tecnologias legadas (GSM, releases anteriores do UMTS e CDMA2000) – a inclusão do CDMA2000 se dá para permitir a migração destas redes para o LTE.
- Alocação de diferentes larguras de banda (1,25, 2,5, 5, 10, 15 e 20 MHz) para possibilitar a construção da compatibilidade e interoperabilidade com outras tecnologias.
- Capacidade de tráfego de 2 a 4 vezes maior do que o Release 6 UMTS.
Neste tutorial iremos rapidamente entender as modificações introduzidas pelo Release 8, conhecido como UMTS LTE para se alcançar os objetivos acima listados. Inicialmente falaremos da arquitetura da rede LTE, para em seguida tratarmos dos aspectos da interface aérea, com a descrição sucinta da implementação OFDMA, SC-FDMA e MIMO. Não abordaremos neste tutorial os protocolos do user plane e control plane, não tratando portanto, de como o LTE lida com diferentes serviços (políticas de QoS).
No final do texto, você tem um link para baixar o tutorial em pdf, caso queira.
Arquitetura UMTS LTE (Long Term Evolution)
A figura abaixo mostra a arquitetura de rede UMTS LTE. Nela podemos verificar mudanças em relação aos releases anteriores, sendo que no LTE, a arquitetura de rede tem 4 grandes domínios: - UE – User Equipment
- E-UTRAN – Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network
- EPC – Evolved Packet Core Network
- Services
As grandes diferenças podem ser verificadas na E-UTRAN e no EPC. Na E-UTRAN, temos a supressão do antigo RNC e uma mudança de sigla (mais uma!!!) do NodeB para eNodeB. De fato, a E-UTRAN é composta de uma rede mesh de eNodeBs que se comunicam através da interface X2. No EPC temos diversos equipamentos como MME, S-GW, HSS, P-GW e PCRF. - MME é a sigla para Mobility Management Entity e é o elemento de controle principal no EPC. Entre as suas funções estão autenticação, segurança, gerenciamento de mobilidade, gerenciamento de perfil do usuário, conexão e autorização de serviços.
- S-GW é a sigla de Serving Gateway que faz o gerenciamento e comutação dos túneis do User Plane.
- P-GW é a sigla de Packet Data Network Gateway que é o roteador de borda entre o EPS e redes de pacotes externas. Realiza também filtragem e controle de pacotes requeridos para os serviços em questão. Tipicamente, o P-GW aloca endereços IP para o UE, utilizado pelo mesmo para comunicação com outros hosts em redes externas (como é o caso da Internet).
- PCRF é a sigla de Policy and Charging Resource Funcion e se refere ao elemento de rede LTE que é responsável pelo PCC – Policy and Charging Control. O PCRF decide quando e como se deve gerenciar os serviços em termos de QoS e dá informações a respeito para o P-GW e se é aplicável para o S-GW. Desta forma, os bearers apropriados e a política adequada podem ser configuradas para um determinado serviço.
- HSS é a sigla de Home Subscriber Server e se refere ao elemento LTE que é o banco de dados de registro do usuário. Executa de fato, funções equivalentes às do HLR, do AuC e do EIR antigos.
É importante notar que a arquitetura lógica apresentada é relativamente simples na sua descrição geral. Entretanto, cada elemento, se estudado com mais detalhes, executa uma grande quantidade de funções e procedimentos antes espalhados em diferentes.
OFDMA – Orthogonal Frequency Division Multiple Access
Uma das grandes diferenças que vemos no LTE em relação aos releases anteriores do UMTS, é a forma de acesso múltiplo. Até o HSPA+, a forma padrão era o W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) sendo que com o LTE, o acesso múltiplo é OFDMA. Algumas das motivações para esta mudanças são: - Excelente desempenho do OFDMA em canais com presença de fading seletivo em freqüência.
- Baixa complexidade do receptor banda base.
- Boas propriedades espectrais e gerenciamento de múltiplas larguras de banda.
- Adaptação de enlace e agendamento de domínio de freqüências.
- Compatibilidade com receptores avançados e novas tecnologias de antenas.
Para atingir estas melhorias, a tecnologia OFDMA transmite no domínio da freqüência em diversas sub-portadoras paralelamente, o que no domínio do tempo, correspondem a múltiplas ondas senoidais com diferentes freqüências (ver próxima figura).  O espaçamento entre freqüências básico do LTE é de 15 kHz, sendo que existe também um espaçamento alternativo de 7,5 kHz descrito na série 36.2 das normas 3gpp, porém não totalmente detalhado o que deverá ser feito nos releases posteriores.
Cabe também lembrar que o OFDMA será utilizado apenas no enlace direto, sendo que no reverso, o LTE especifica o SC-FDMA.
SC-FDMA: Sigle Carrier Frequency Division Multiple Access
No uplink do LTE, uma forma diferente de acesso múltiplo é utilizada, SC-FDMA. Apesar de ser uma forma de tecnologia OFDMA, a implementação é um pouco diferente.
O motivo para a utilização do SC-FDMA é o consumo de bateria do móvel. Sabemos que o consumo de potência é algo chave para o handset sendo que no eNodeB, isto não é problema tão sério. A eficiência na utilização de energia é muito afetada pela modulação utilizada na transmissão de RF, sendo que infelizmente o OFDMA tem um tem uma alta relação pico/média, o que exige um esquema de amplificação linear, não muito eficiente.
Por isso a tecnologia LTE utiliza o esquema de modulação SC-FDMA - Single Carrier Frequency Division Multiplex que tem um forma híbrida, combinando uma baixa relação pico/média com a boa eficiência contra múltiplos percursos e alocação flexível de sub-portadoras do OFDM.
Os blocos de transmissão SC-FDMA são baseados em um espaçamento de 15 kHz, semelhante ao utilizado no enlace direto, sendo que na forma mais simples, o móvel utilizará pelo menos 12 sub-portadoras, perfazendo um total de 180 kHz.
MIMO: Multiple Input Multiple Output
Uma das tecnologias fundamentais do release LTE é a operação MIMO (Multiple Input Multiple Output). Este é um conceito que utiliza diversidade para aproveitar os sinais propagados em múltiplos percursos presentes no ambiente rádio-móvel. Certamente os múltiplos percursos (multipath) podem causar interferência, porém com um esquema de diversidade, pode-se tirar alguma vantagem.
A técnica MIMO está gradativamente sendo mais e mais utilizada na transmissão de dados wireless, e essencialmente emprega antenas múltiplas no receptor e no transmissor para utilizar favoravelmente os múltiplos percursos. Os esquemas MIMO empregados no LTE são um pouco diferentes no uplink e no downlink. No caso do terminal do usuário, existe uma restrição forte do fator custo do produto o que acaba limitando as possibilidades de projeto.
No downlink, a configuração de duas antenas transmissoras na estação base e duas antenas receptoras no terminal do usuário é a configuração padrão. Porém, existem outras possibilidades que podem ser consideradas.
Para o uplink, o LTE utiliza o que é conhecido como MU-MIMO, ou ainda, Multi-User MIMO. Esta modalidade tem o eNodeB com múltiplas antenas e o móvel transmitindo em apenas uma, o que reduz o custo do móvel. Durante a operação, os vários móveis transmitem simultaneamente nos mesmos canais, porém a interferência mútua é baixa devido aos padrões de piloto ortogonais utilizados (SDMA – Spatial Domain Multiple Access).
Largura de Banda do LTE e Comparação com Tecnologias Anteriores
A tecnologia LTE teve como uma de suas principais motivações de mercado a ampliação da largura de banda para possibilitar novos serviços e melhor desempenho dos serviços já existentes. As especificações do 3gpp propõem uma ampliação significativa nas taxas de transmissão, sendo sempre bom enfatizar que os valores da tabela seguinte são de taxa de pico.  A tabela anterior mostra que o LTE é uma grande evolução em relação aos sistemas anteriores.
Considerações Finais e Conclusões
Neste tutorial foram apresentadas de forma resumida as modificações introduzidas pelo Release 8, conhecido como UMTS LTE. Foram abordados as principais tecnologias que afetam o desempenho do novo sistema como OFDMA, SC-FDMA e MIMO. Como a idéia do tutorial era apenas dar uma visão geral, não nos aprofundamos significativamente em alguns temas interessantes. Nos próximos tutoriais, pretendo detalhar a tecnologia OFDMA e a MIMO, além de uma descrição mais detalhada das diferentes configurações da arquitetura da rede LTE.
Sobre o autor César Kyn d'Ávila obteve sua graduação em Engenharia Elétrica em 1992 pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), onde também completou sua formação acadêmica com o Mestrado e Doutorado na área de Telecomunicações, nos anos de 1995 e 1998 respectivamente. Seus trabalhos acadêmicos se concentram em estudos sobre os sistemas celulares com tecnologia CDMA (UMTS, CdmaOne, 1xRTT, 1xEVDO) aplicada às Comunicações sem Fio. Desde a sua formação como doutor, atua no mercado de telecomunicações, como consultor em diversas empresas operadoras, fabricantes de equipamentos e prestadoras de serviço. Possui grande experiência didática e ministrou inúmeros treinamentos em empresas como Samsung, Motorola, Nortel, Ericsson, Instituto Eldorado, Flextronics, Brasil Telecom, Telemar, Vivo, Claro, Telemig Celular, e outras, bem como cursos de pós-graduação em faculdades. Atualmente ocupa a posição de Diretor de Tecnologia do Centro de Desenvolvimento Profissional e Tecnológico (CEDET) empresa com projetos com as tecnologias GSM, UMTS e Wi-MAX e atua como pesquisador independente tendo orientado teses e trabalhos científicos em instituições de renome como Unicamp e Inatel.
Consulte nossos Treinamentos de Desenvolvimento Pessoal na nossa Lista de Cursos.
Entre em contato pelo e-mail:
Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você deve habilitar o JavaScript para visualizá-lo.
Baixe o arquivo do tutorial em pdf  Autor: Dr. César Kyn d´Ávila
Última atualização em 09/11/2009
Copyright © CEDET – Centro de Desenvolvimento Profissional e Tecnológico
Este conteúdo pode ser utilizado livremente desde que citados o autor e o site do CEDET (www.cedet.com.br). |
