LTE: Evoluo das Redes Mveis

A real histria do telefone mvel, tambm conhecido como celular, comeou em 1973, quando foi efetuada a primeira chamada de um telefone mvel para um telefone fixo. Foi a partir de Abril de 1973 que todas as teorias comprovaram que o celular funcionava perfeitamente, e que a rede de telefonia celular sugerida em 1947 foi projetada de maneira correta. Este foi um momento no muito conhecido, mas certamente foi um fato marcado para sempre e que mudou totalmente a histria do mundo.Inicialmente, os sistemas mveis tinham como objetivo alcanar uma grande rea de cobertura atravs de um nico transmissor de alta potncia, e utilizavam a tcnica de acesso conhecida comoFrequency Division Multiple Access (FDMA), onde cada usurio era alocado em uma frequncia distinta. Embora essa abordagem gerasse uma cobertura muito boa, o nmero de usurios era limitado. Como exemplo da baixa capacidade, pode-se citar o sistema mvel da Bell em Nova Iorque, em 1970: o sistema suportava um mximo de apenas doze chamadas simultneas em uma rea de mais de dois mil quinhentos e oitenta quilmetros quadrados. Dado o fato de que as agncias de regulamentao dos governos no poderiam realizar alocaes de espectro na mesma proporo do aumento da demanda de servios mveis, ficou bvia a necessidade de reestruturao do sistema de telefonia por rdio para que se obtivesse maior capacidade com as limitaes de espectro disponvel e, ao mesmo tempo, provendo grandes reas de cobertura. (AL-SHAHRANI, Abdurrhman; AL-OLYANI, Hammod, 2009).O conceito celular foi uma grande descoberta na soluo do problema de congestionamento espectral e limitao de capacidade de usurios que havia em sistemas de comunicaes mveis at ento. O Federal Communication Commission (FCC) rgo americano regulamentador de telecomunicaes, em uma regulamentao de 22 de Junho de 1981 definiu o sistema celular como:Um sistema mvel terrestre de alta capacidade no qual o espectro disponvel dividido em canais que so reservados, em grupos, a clulas que cobrem determinada rea geogrfica de servio. Os canais podem ser reusados em clulas diferentes na rea de servio. (RODRIGUES, 2000).As tecnologias de telefonia celular so classificadas em geraes e sua evoluo apresentada na figura 1 a seguir.

Figura 1: Evoluo da tecnologia celularFonte: SILVA, 2010Primeira GeraoCom a inveno dos microprocessadores e a concepo da comunicao celular nas dcadas de 70 e 80, a primeira gerao das comunicaes mveis nascia. Estes sistemas eram essencialmente analgicos e utilizavam o FDMA para se comunicar e foi projetado para trafegar somente voz. Os primeiros sistemas desenvolvidos foram oNordic Mobile Telecomunications (NMT),Advanced Mobile Phone Service (AMPS),Total Access Comunications System (TACS),Extended Total Access Comunications System (ETACS), C450 e o Radicom 2000. (AL-SHAHRANI, Abdurrhman; AL-OLYANI, Hammod, 2009).De acordo com AL-SHAHRANI e AL-OLYANI (2009) o NMT foi o primeiro sistema celular analgico que comeou a ser operado na Escandinvia em 1979. Inicialmente utilizava a banda de 450 MHz e um pouco mais tarde foi nomeado NMT450. Devido a necessidade de mais capacidade, o sistema adotou a banda de 900 MHz e ficou conhecido como NMT900. O AMPS foi introduzido nos EUA em 1978 pelos laboratrios Bell e comeou efetivamente a ser operado em 1983 em Chicago. O TACS teve inicio em UK em 1982. Os sistemas celulares conhecidos como C-450 (operava na banda de 450 MHz) e o Radicom 2000 (operava na banda de 200 MHz) foram introduzidos na Alemanha e na Frana respectivamente em 1985.Estes sistemas possuam inmeros problemas como limitao de capacidade, terminais de usurios grandes e pesados, incompatibilidade entre os sistemas, as interfaces no eram padronizadas, baixa qualidade nas ligaes e no havia nenhum tipo de segurana na transmisso das informaes. Os principais sistemas desenvolvidos na 1 gerao so comparados na tabela 1 a seguir:Tabela 1: Sistemas mveis de 1 geraoPARMETROS DO SISTEMAAMPS(EUA)TACS(REINO UNIDO)NMT(ESCANDI-NVIA)C450(ALEMANHA, OCIDENTAL)NTT(JAPO)

Frequncia de transmisso (MHz)- base- mvel870890825845935960890915463-467,5453-457,5461,3-465,74451,3-455,74870-885925-940

Espaamento entre banda de transmisso e recepo (MHz)4545101055

Largura de canal (kHz)3025252025

Nmero de canais666 (NES) / 832 (ES)1000180222600

Raio de Cobertura da Base (km)2 - 252 201,8 405 305 (urbano)10 (suburbano)

Sinal de udio- modulao- f mximo (kHz)FM12FM9,5FM5FM4FM5

Sinais de controle- modulao- f (kHz)FSK8FSK6,4FSK3,5FSK2,5FSK4,5

Taxa de transmisso de dados (kbps)1081,25,280,3

Fonte: SILVA, 2010Segunda geraoDevido a necessidade de padronizao para o sistema celular Europeu e a crescente demanda pelo servio mvel, foi necessrio dar incio ao desenvolvimento de sistemas digitais. Os sistemas de 2 gerao comearam a ser efetivamente utilizados no incio de 1990 e foi impulsionado pelo avano da tecnologia dos circuitos integrados que permitiram a efetiva utilizao da transmisso digital.Estes sistemas, alm de possibilitar uma maior capacidade, ofereciam as seguintes vantagens sobre os analgicos: Tcnicas de codificao digital de voz mais poderosas Maior eficincia espectral Melhor qualidade nas ligaes Trfego de dados na rede Criptografia da informao transmitidaComo resultados deste esforo surgiram os sistemas conhecidos como GSM, CT-2 e DECT na Europa, oTime Division Multiple Acess (TDMA, tambm conhecido como IS-54 e IS-136), oCode Division Multiple Access(CDMA IS-95) nos EUA e oPersonal Digital Cellular(PDC) no Japo. (CASTRO, 2009).A tabela 2 apresenta as principais caractersticas de cada tecnologia:Tabela 2: Sistemas mveis de 2 geraoPARMETROS DO SISTEMAIS-54IS-136(EUA)GSM(EUROPA)IS-95(EUA)CT-2(EUROPA, SIA)CT-3, DCT-900(SUCIA)DECT(EUROPA)

Tcnica de acessoTDMATDMACDMAFDMATDMATDMA

Uso principalcelularcelularcelularcordlesscordlesscelular / cordless

Frequncia de transmisso (MHz)- base- mvel86989482484993596089091517101785180518808698948248498648688628661800-1900

Tcnica de duplexaoFDDFDDFDDTDDTDDTDD

Largura de canal (kHz)30200125010010001728

Modulao/4 DQPSKGMSKBPSK / QPSKBFSKGMSKGMSK

Potncia mxima / mdia (mW)600 / 2002000 / 12560010 / 580 / 5250 / 10

Controle de potncia- base- mvelsimsimsimsimsimsimnononononono

Codificao de vozVSELPRPE-LTPQCELPADPCMADPCMADPCM

Taxa de codificao de voz (kbps)7,95138(varivel)323232

N de canais de voz por portadora38-1812

Taxa de transmisso do canal (kbps)48,6207,833-726401152

Tamanho do quadro (ms)404,6152021619

Fonte: SILVA, 2010Gerao 2.5A principal caracterstica destes sistemas foi a possibilidade de solucionar os problemas de capacidade enfrentados pelos sistemas anteriores. Vrias tecnologias foram desenvolvidas para este fim como oHigh Speed Circuit Switched Data (HSCSD),Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE)e oGeneral Purpose Radio Services (GPRS).Segundo AL-SHAHRANI e AL-OLYANI (2009) o GPRS permite taxa de dados de 115 Kbps e a utilizao de cdigos para correo de erros. Esta tecnologia baseada na comutao por pacotes, o que torna o uso eficiente da largura de banda disponvel com taxas de bits varivel. apropriado para servios que utilizam transmisso por rajadas, devido a sua capacidade de alocar dinamicamente os recursos.O EDGE representa uma fcil evoluo do padro GSM / GPRS rumo terceira gerao, possibilitando maiores taxas de dados, usando a mesma portadora de 200KHz. As alteraes na rede so mnimas, com foco nas caractersticas de modulao e na implementao de nova codificao e decodificao do sinal, associadas com adaptaes do sinal e envio de redundncia de informao que aumentam a eficincia da utilizao do espectro. Uma das principais caractersticas do EDGE esta no seu baixo custo de implantao, pois sua implementao feita atravs da atualizao de software dasbase transceiver station (BTS).Terceira GeraoO incio dos estudos sobre os sistemas de terceira gerao foi marcado por uma indeciso mantida por duas correntes: uma defendia a criao de um nico padro mundial enquanto a outra defendia a evoluo das redes e sistemas atuais de forma a atender aos requisitos definidos a partir da viso 3G. Apesar de ambas as alternativas possibilitarem a economia de escala de fabricao para os componentes do sistema, a segunda teve maior fora, pois tambm permitia que os macios investimentos j realizados pelas operadoras na implantao das redes e pelos fabricantes em processo de fabricao e etapas de desenvolvimento de produtos em todo o mundo fossem de certa forma protegidos.Os sistemas 3G provm diversas vantagens em comparao a seus antecessores, pois alm de oferecer servios de telefonia e comunicao de dados com altas taxas detroughput, possui maior imunidade a interferncias. Os principais padres desenvolvidos so: UMTS: termo adotado para designar o padro de 3 Gerao estabelecido como evoluo para operadoras de GSM e que utiliza como interface rdio o WCDMA ou o EDGE. Esta tecnologia foi desenvolvida para prover servios com altos nveis de consumo de banda, como streaming, transferncia de grandes arquivos e videoconferncias para uma grande variedade de aparelhos como telefones celulares, PDAs e laptops. Possui taxas de transmisso que variam de 144 Kbps a 2Mbps, que dependem diretamente do ambiente e da mobilidade do usurio. Evolution Data-Optimized(CDMA 1xEV-DO): O CDMA 1xEV-DO a evoluo do CDMA (IS-95), e possui alta performance para transmisso de dados com picos de at 2,4 Mbps. Portadoras distintas so necessrias para dados e voz neste sistema. Ouplinkpermanece praticamente inalterado em comparao com o CDMA2000, mas nodownlinkesta tecnologia utiliza a tcnica TDMA. Opera em 800 e 1900MHz. HSPA: o resultado da utilizao de dois protocolos de telefonia mvel, oHigh Speed Downlink Packet Access (HSDPA)e doHigh Speed Uplink Packet Access (HSUPA). Ele amplia e melhora o desempenho dos protocolos WCDMA existentes com taxa de dados que podem chegar at 14 Mbps nodownlinke 5.8 Mbps nouplink.LTE: Conceitos de Transmisso e Recepo

Multiple Input Multiple Output (MIMO)Nos ltimos anos, a tecnologia MIMO surgiu como uma das abordagens mais promissoras para alcanar maiores taxas de dados em sistemas celulares. Um sistema MIMO corresponde a um conjunto de antenas na transmisso e na recepo, caracterizando um sistema que utiliza diversidade espacial (3G Americas, 2009).Esta tcnica associada a outras, como modulao de alta ordem, antenas adaptativas e poderosos DSPs (Digital Signal Processor) garantem as altas taxas exigidas pelo padro LTE. Este conceito vem sendo padronizado pelo 3GPP, e agora vem se tornando um fator determinante para as novas tecnologias mveis devido as altas taxas dedownlinkeuplinkexigidas. A figura 2 apresenta um tpico sistema MIMO utilizando a configurao 2x2.

Figura 2: Sistema MIMO 2x2Fonte: 3G Americas, 2009O 3GPP padroniza as tcnicas de transmisso para o LTE utilizando a tecnologia MIMO apresentadas a seguir.Codificao espao-tempoNeste caso o sistema MIMO fornece ganho de diversidade para combater o desvanecimento do sinal causado por multi-percurso. Neste sistema, feito uma cpia do sinal, porm eles so codificados de formas diferentes e so enviados simultaneamente por diferentes antenas. O fato de enviar a mesma quantidade de dados por diferentes fontes ao mesmo tempo aumenta a fora total do sinal enviado. A figura 3 apresenta um sistema MIMO utilizando a codificao espao-tempo.

Figura 3: Codificao espao-tempoFonte: 3G Americas, 2009O LTE ainda utiliza outra tcnica similar a codificao espao-tempo conhecida comoSpace Frequency Block Coded (SFBC). Este sistema tambm proporciona ganho de diversidade, porm necessita apenas de uma antena na recepo. Isto ocorre, pois alm de realizar a cpia do sinal e codifica-los de forma diferente, eles so transmitidos em frequncias distintas. (3G Americas, 2009)Multiplexao espacialOs sinais so enviados em vrios feixes, que exploram o ambiente para alcanar o destino. Esse recurso utilizado considerando as mudanas de direo do sinal quando este colide e desvia nos vrios obstculos que podem existir no caminho entre o emissor e o receptor conforme apresentado na figura 4. As mudanas de percurso podem gerar atrasos em partes do sinal, que so compensados por algoritmos sofisticados utilizados nas antenas receptoras, que fazem os clculos baseando-se na reflexo sofrida pelo sinal ao longo do seu percurso. O receptor possui filtros que so capazes de recuperar o sinal original aps a chegada atravs do tratamento de todos os feixes enviados pela fonte.

Figura 4: Multiplexao espacialFonte: 3G Americas, 2009O MIMO ainda pode ser classificado comoMulti-UserMIMO (MU-MIMO) ouSingle UserMIMO (SU-MIMO). A principal diferena entre eles que no SU-MIMO um nico usurio transmite os dados para o receptor enquanto no MU-MIMO vrios usurios transmitem os dados para o receptor simultaneamente. Estes recursos esto disponveis tanto nodownlinkquanto para ouplink. Apesar de ser suportado, o SU-MIMO no indicado para uso nouplinkdevido a complexidade e aumento do custo no equipamento do usurio.Modulao OFDMAO OFDM tem se tornado uma das principais tcnicas utilizadas por tecnologias sem fio devido as suas propriedades como tolerncia contra interferncia inter-simblica e boa eficincia espectral. Esta tcnica tem sido desenvolvida desde os anos 60, e uma de suas principais caractersticas o baixo custo de implantao.O OFDM uma tcnica baseada na Modulao por Multi Portadoras (MCM Multi Carrier Modulation) e na Multiplexao por Diviso de Frequncia (FDM Frequency Division Multiplex) e pode ser considerada como um mtodo de modulao ou de multiplexao. Basicamente a modulao por multi-portadoras divide a banda do sinal em portadoras paralelas que so chamadas subportadoras. Diferentemente dos sistemas tradicionais MCM, que utilizam subportadoras no sobrepostas, o OFDM utiliza subportadoras que so matematicamente ortogonais entre si, isto permite que cada informao possa ser enviada por subportadoras sobrepostas, onde cada uma delas pode ser extrada individualmente (AL-SHAHRANI, Abdurrhman; AL-OLYANI, Hammod, 2009). Essa propriedade ajuda a reduzir interferncias causadas por portadoras vizinhas e faz com que sistemas que utilizam o OFDMA possuam melhor eficincia espectral com relao a outros sistemas, conforme apresentado na figura 5:

Figura 5: Espectro de frequncia do FDM tradicional e do OFDMFonte: AL-SHAHRANI e AL-OLYANI, 2009Para o LTE, o OFDM divide a banda de frequncia da portadora em pequenas subportadoras espaadas de 15kHz, e modula cada uma individualmente usando QPSK, 16QAM ou 64 QAM. H uma pequena diferena entre o OFDM e o OFDMA, pois no primeiro caso a banda de frequncia destinada a um nico usurio enquanto no segundo caso vrios usurios compartilham a banda ao mesmo tempo conforme mostrado na figura 6. A diviso dos canais em pequenos subcanais ajuda o OFDM a combater o efeito de desvanecimento seletivo.

Figura 6: Diferena entre OFDM e OFDMAFonte: ANRITSU, 2010.Modulao SC-FDMAVrias alternativas continuam a ser estudas pelos rgos responsveis pela padronizao do LTE para utilizar o melhor esquema de transmisso para ouplink. Apesar de o OFDMA atender aos requisitos dedownlink, suas propriedades so menos favorveis para ouplink, principalmente devido ao desvanecimento do parmetro chamadoPeak to Average Power Ratio (PAPR)nouplink.Assim, o esquema de transmisso parauplinkLTE em FDD e TDD o modo baseado em SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) com prefixo cclico. A utilizao deste mtodo tem como objetivos melhorar o desempenho em comparao a sinais OFDMA e a reduo de custos nos projetos dos amplificadores utilizados pelo UE.H diferentes formas para se gerar um sinal SC-FDMA. O modo conhecido comoDiscret Fourier Transform - spread - OFDM (DTF-s-ODFM)foi escolhido para aEvolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN). Seu princpio de funcionamento ilustrado na figura 7.Figura 7: Diagrama de bloco do DFT-s-OFDMFonte: Rohde & Schwarz, 2009.Inicialmente o fluxo de dados convertido de serial para paralelo. Cada bit modulado e transformado do domnio do tempo para o domnio da frequncia atravs da Transformada Rpida de Fourier (FFT) e o resultado mapeado nas subportadoras disponveis. Aps o sinal ser submetido a Transformada Inversa de Fourier (IFFT) adicionado o prefixo cclico, que utilizado como um tempo de guarda entre os smbolos. Ao final do processo o sinal convertido novamente de paralelo para serial. (Rohde & Schwarz, 2009).O DFT-s-OFDMA a diferena fundamental entre a gerao de sinal do SC-FDMA e do OFDMA. Em um sinal SC-FDMA, cada subportadora utilizada para transmisso contm informao de todos os smbolos modulados transmitidos. Em contrapartida, cada subportadora com um sinal OFDM carrega informaes relacionadas a um smbolo especfico.LTE: Conceitos de Rede

O LTE a nova gerao das redes mveis que foi padronizada pelo 3GPP. Inicialmente projetada para prover servios de dados, espera-se que esta rede melhore substancialmente othroughputdo usurio, a capacidade do setor e reduza a latncia do plano do usurio trazendo uma nova experincia com total mobilidade. Esta tecnologia est programada para fornecer suporte ao trfego baseado em IP com QoS fim-a-fim.Ao contrrio do HSPA, que foi acomodado dentro da arquitetura UMTS Release 99, o 3GPP est especificando um novo ncleo baseado em comutao por pacotes, o EPC, para apoiar a E-UTRAN atravs de uma reduo no nmero de elementos de rede, melhorar a redundncia e permitir conexes com outros servios.Os principais objetivos desta tecnologia so o esforo para minimizar a complexidade do sistema e dos equipamentos dos usurios, permitir a distribuio flexvel do espectro atravs de novas frequncias ou das faixas j utilizadas e permitir a coexistncia desta rede com outras redes j implantadas como o GSM e o WCDMA alm de oferecer altas taxas dedownlinkeuplink.O LTE apresenta requisitos de desempenho agressivos, que dependem de outras tecnologias como o OFDMA e MIMO para alcanar os seus objetivos. A tabela 3 apresenta um resumo sobre as principais caractersticas desta rede:Tabela 3: Principais caractersticas do LTEPRINCIPAIS CARACTERSTICAS LTE

Pico da taxa de dadosDL: 100 Mbps UL:50 Mbps (para o espectro de 20 MHz)

Suporte a MobilidadeA eficincia mxima encontra-se nas baixas velocidades 0-15 Km/h, mas pode chegar at a 500 Km/h.

Latncia para o Plano de Controle< 100 ms (do modo idle para ativo)

Latncia para o Plano de Usurio< 5 ms

Capacidade do Plano de Controle> 200 usurios por clula (para o espectro de 5 MHz)

Cobertura (tamanho das clulas)5 -100Km com pequena degradao aps os 30 Km

Espectro1.25, 2.5, 5, 10, 15 e 20 MHz.

Fonte: 3GPP, 2010A seguir sero descritos os principais elementos da rede, protocolos e funcionalidades que compem o LTE.TopologiaA figura 8 apresenta a topologia de rede utilizada pelo LTE:

Figura 8: Topologia LTEFonte: DVILA, 2009De acordo com Davila (2009), as principais diferenas na arquitetura LTE em comparao com as releases anteriores esto na supresso do RNC e no sistema baseado em IP. A rede possui 4 grandes domnios que esto divididos em: User Equipament (UE): dispositivo de acesso do usurio. E-UTRAN: composta de uma redemeshde eNodeBs que se comunicam atravs da interface X2. A eNodeB contm as camadas fsica (PHY),Medium Accesss Control (MAC),Radio Link Control (RLC)e o protocolo de controle de pacotes de dados. Ainda inclui a funcionalidade de compresso de cabealho, criptografia, gesto de recursos do rdio, controle de admisso, negociao de QoS nouplinke broadcast contendo informaes da clula. EPC: nele esto contidos os principais elementos da rede. Eles desempenham as principais funes do sistema e so definidos como: MME (Mobility Management Entity): o principal elemento de controle no EPC. Entre as suas funes esto autenticao, segurana, gerenciamento de mobilidade, gerenciamento de perfil do usurio, conexo e autorizao de servios. S-GW (Serving Gateway): este elemento faz o roteamento dos pacotes de dados dos usurios entre a rede LTE e outras tecnologias como o 2G / 3G utilizando a interface S4. Gerencia e armazena informaes do UE como parmetros de servios IP suportados e informaes sobre o roteamento interno dos pacotes na rede. P-GW (Packet Data Network Gateway): o roteador de borda entre o EPC e redes de pacotes externas. Realiza a filtragem e controle de pacotes requeridos para os servios em questo. Tipicamente, o P-GW aloca endereos IP para os equipamentos dos usurios para que eles possam se comunicar com outros dispositivos localizados em redes externas. PCRF (Policy and Charging Resource Function): elemento de rede responsvel pelo PCC Poltica e Controle de Carga. Prov o QoS adequado para que os servios solicitados possam utilizar os recursos apropriados. HSS (Home Subscriber Server): banco de dados de registro do usurio. Executa de fato, funes equivalentes s do HLR, AuC e EIR definidos nas releases anteriores. Servios: prov a interligao do LTE com outras redes.Esta arquitetura permite uma drstica reduo de custos referentes a operao e aquisio de equipamentos, uma vez que o E-UTRAN pode ser compartilhado por vrias operadoras enquanto no EPC cada uma possui equipamentos prprios e define a sua prpria topologia e os seus elementos de ncleo da rede com MME, S-GW e P-GW.Pilha de Protocolos LTENesta seo sero apresentadas as funes dos diferentes protocolos e sua localizao na arquitetura LTE. Eles esto dispostos de acordo com a figura 9.

Figura 9: Diagrama da rede LTEFonte: ANRITSU, 2010No plano de controle, o protocoloNon-Access Stratum (NAS), que funciona entre o MME e a UE, utilizado para fins de controle, tais como conexo de rede, autenticao e gesto de mobilidade. Todas as mensagens NAS so cifradas e sua integridade garantida pelo MME e UE.A camadaRadio Resource Control (RRC)na eNodeB toma decises dehandovercom base em medies do nvel de sinal das clulas vizinhas que so enviadas pelo UE. Alm desta funo esta camada ainda envia mensagens de broadcast contendo informaes do sistema e controla as medies dos parmetros do UE como a periodicidade doChannel Quality Information (CQI).No plano de usurio, a camadaPacket Data Control Protocol (PDCP) responsvel pela compresso / descompresso dos cabealhos dos pacotes IP dos usurios atravs doRobust Header Compression (ROHC). Este artifcio permite uma eficiente utilizao da largura de banda na interface area. Esta camada realiza tambm a criptografia dos dados tanto no plano do usurio quanto no plano de controle.A camada RLC utilizada para formatar e transportar os dados entre a UE e a eNodeB. Esta camada oferece trs modos diferentes de confiabilidade para o transporte de dados, o Modo Reconhecido (AM - Acknowledged Mode), Modo No Reconhecido (UM - Unacknowledged Mode) ou Modo Transparente (TM Transparent Mode). O modo UM adequado para o transporte de servios em tempo real, pois eles so susceptveis ao atraso e no permitem retransmisses. O modo AM por outro lado, adequado para servios que no so transmitidos em tempo real, como arquivos para download. O modo TM utilizado quando o tamanho dos quadros j so previamente conhecidos, como a mensagem de broadcast contendo informaes do sistema. A RLC tambm oferece a entrega sequencial dasService Data Units (SDUs)para as camadas superiores eliminando as informaes duplicadas. De acordo com as condies do canal rdio, esta camada pode segmentar as SDUs.Existem dois nveis de re-transmisses 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 no so corrigidos pelo HARQ. Vrios processos do tipo stop-and-wait so empregados pelo HARQ para garantir uma retransmisso assncrona nodownlinke uma retransmisso sncrona nouplink. Retransmisses sncronas significam que os blocos HARQ ocorrem em um intervalo de tempo peridico pr-definido, desta forma nenhuma sinalizao necessria para indicar ao receptor a retransmisso dos dados. J o HARQ assncrono oferece a possibilidade de programar a retransmisso dos dados baseado nas condies da interface area. As figuras 10 e 11 mostram a estrutura da camada 2 parauplinkedownlinkrespectivamente. As camadas PDCP, RLC e MAC constituem a camada 2.Figura 10: Estrutura da camada 2 para downlinkFonte: MOTOROLA, 2009.Figura 11: Estrutura da camada 2 para uplinkFonte: MOTOROLA, 2009Canais e Sinalizaes do LTECanais FsicosSegundo Anritsu (2010) o E-UTRAN foi desenvolvido com o conceito de rede baseada totalmente em IP. Uma das principais consequncias desta mudana a substituio dos elementos que utilizam a comutao por circuito por elementos baseados na comutao por pacote. No entanto o uso de canais compartilhados e canais de broadcast que j foram introduzidos pelo 3GPP nas releases anteriores (ex: HSDPA, HSUPA e MBMS) so reutilizados no LTE. Esta tecnologia no faz uso dos canais dedicados, cuja funo transportar os dados de um usurio especfico. Isto incrementa eficincia na interface area, pois a rede pode controlar a utilizao dos recursos em tempo real de acordo com a demanda, e no h mais necessidade de se definir nveis fixos de recursos para cada usurio.Os canais de rdio do LTE esto separados em dois tipos, os canais fsicos e os sinais fsicos. Os canais fsicos correspondem a um conjunto de elementos que transportam as informaes provenientes das camadas mais altas (NAS). Os sinais fsicos so utilizados somente pela camada fsica (PHY) e no carregam nenhum tipo de informao das camadas mais altas. (Anritsu, 2010).Os canais fsicos podem ser classificados como canais dedownlinkouuplinke esto dispostos conforme apresentado abaixo:

Figura 12: Disposio dos canais fsicosDownlinkOs canais fsicos dodownlinkso apresentados a seguir: Physical Broadcast Channel (PBCH): A cada 40 ms o canal PBCH envia informaes sobre o sistema para que o UE possa se conectar a rede. Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH): Informa para o UE o nmero de smbolos OFDM utilizados para transmitir o canal de controle PDCCH. Este canal transmitido em todos os frames e utiliza modulao QPSK. Physical Downlink Control Channel (PDCCH): Os UEs obtm os recursos de alocao para ouplinkedownlinkatravs deste canal. Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): mapeado no canal de transporte DL-SCH e contm os dados dos usurios. Physical Multicast Channel (PMCH):Carrega informaes de multicast que so enviadas a mltiplos UEs simultaneamente. Assim como o PDSCH, este canal possui vrias opes de modulao incluindo QPSK, 16-QAM ou 64-QAM.Sinais FsicosOs sinais fsicos dodownlinkso apresentados a seguir: Reference Signal (RS): Os UEs utilizam o RS para estimar o canal dedownlink. O RS o produto de uma sequncia ortogonal e uma sequncia pseudo-aleatria. A especificao do 3GPP identifica 504 possibilidades de sequncia para este sinal. Synchronization Signal (P-SS e S-SS): Os UEs utilizam oPrimary Synchronization Signal (P-SS)e oSecondary Synchronization Signal (S-SS)para sincronizar os frames e para requisitar informaes como frequncia e ID da clula.UplinkOs canais fsicos douplinkso apresentados a seguir: Physical Uplink Control Channel (PUCCH): Este canal transporta informaes de controle como o CQI, ACK/NACK em resposta as transmisses dedownlinke agendamentos de pedidos deuplink. Physical Uplink Shared Channel (PUSCH): mapeado no canal de transporte UL-SCH e contm os dados dos usurios. Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH): Carrega as informaes ACK/NACK em resposta as transmisses deuplink. Physical Random Access Channel (PRACH): Este canal utilizado para funes de acesso aleatrio.Sinais FsicosOs sinais fsicos douplinkso: Demodulation Reference Signal; Sounding Reference Signal.Canais de TransporteH um esforo significativo por parte dos rgos reguladores do LTE para simplificar o mapeamento dos canais de transportes e canais lgicos. Os canais de transporte se distinguem pelas caractersticas com o qual os dados so transmitidos atravs da interface rdio. A camada MAC responsvel por mapear os canais de transporte nos canais lgicos e seleciona o formato de transporte mais adequado (Motorola, 2009).Assim como os canais fsicos os canais de transporte podem ser classificados como canais dedownlinkouuplinkconforme apresentados a seguir:

Figura 13: Disposio dos canais de transporteDownlinkOs canais de transporte dodownlinkso apresentados a seguir: Broadcast Channel (BCH): caracterizado pelo formato pr-definido de transporte. Este canal carrega as informaes de broadcast em uma rea definida pela cobertura de uma clula. Downlink Shared Channel (DL-SCH): Prov suporte para o HARQ e para o link adaptativo dinmico, este parmetro possibilita a variao da modulao, da codificao e da potncia transmitida. Pode ser utilizado como canal de broadcast no interior da clula. Paging Channel (PCH): Prov suporte para a recepo descontnua, 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 informaes multicast para os UEs. Estas mensagens podem ser enviadas simultaneamente para vrios dispositivos.UplinkOs canais de transporte dodownlinkso apresentados a seguir: Uplink Shared Channel (UL-SCH): Prov suporte para o HARQ e para o link adaptativo dinmico, este parmetro possibilita a variao da modulao, da codificao e da potncia transmitida. Random Access Channel (RACH): Canal utilizado para efetuar o acesso ao sistema. Apenas permite o envio de uma identificao provisria e a razo do acesso.Canais LgicosEstes canais proveem as funcionalidades requeridas pelas camadas de nveis superiores para entrega de aplicativos e servios. Na camada 3 o protocolo NAS utilizado para interligar os canais lgicos. Eles so mapeados dentro dos canais de transporte na camada 2, atravs do elemento RRC. O gerenciamento dos dados do usurio feito pelo PDCP na camada 2, o controle e as conexes da camada fsica feito pelos elementos RLC, MAC e PHY na camada 1 (Motorola, 2009).

Figura 14: Disposio dos canais lgicosNa pilha de protocolos do LTE os canais de transporte so encapsulados pelos canais lgicos. Estes canais proveem as funcionalidades para as camadas mais altas e so especificados em termos dos servios ao qual eles suportam. Cada canal lgico definido pelo tipo de informao transferida, geralmente estes canais so divididos em 2 grupos, os canais de controle (utilizado para transferncia de informao no plano de controle) e os canais de trfego (utilizado para transferncia de informao no plano do usurio), conforme apresentado no esquema a seguir:Canais de ControleOs canais de controle so apresentados a seguir: Broadcast Control Channel (BCCH): Canal utilizado nodownlinkpara fazer o broadcast das informaes de controle do sistema. Paging Control Channel (PCCH): Canal dedownlinkresponsvel pela transferncia das informaes depaging. utilizado pelo sistema para que a rede possa localizar em qual clula est o UE. Common Control Channel (CCCH): Este canal utilizado para obter informaes de acesso aleatrio. Multicast Control Channel (MCCH): Canal dedownlinkponto-a-ponto utilizado para transmitir informaes de controle MBMS da rede para o UE. Este canal utilizado somente por dispositivos que suportam o MBMS. Dedicated Control Channel (DCCH): Canal bi-direcional ponto-a-ponto que transmite informaes de controle dedicadas entre o UE e a rede. Utilizados pelos dispositivos quando eles fazem uma conexo RRC.Canais de TrfegoOs canais de trfego so apresentados a seguir: Dedicated Traffic Channel (DTCH): um canal ponto-a-ponto dedicado para um UE. utilizado para transferir as informaes do usurio tanto nodownlinkquanto nouplink. Multicast Traffic Channel (MTCH): um canal de downlink ponto-a-ponto responsvel pela transmisso do trfego de dados da rede para o UE. Este canal e utilizado somente por dispositivos que suportam o MBMS.Mapeamento dos CanaisO mapeamento dos canais entre as camadas fsica, de transporte e lgica so representados nas figuras 12 e 13.

Figura 15: Mapeamento dos canais de downlinkFonte: ANRITSU, 2010

Figura 16: Mapeamento dos canais de uplinkFonte: ARITSU, 2010Estrutura de FramePara que o sistema seja capaz de sincronizar e gerir os diferentes tipos de informaes que trafegam entre a eNodeB e o UE, o 3GPP padronizou a estrutura de frame utilizada pelo LTE. Esta estrutura difere entre os modosTime Division Duplex (TDD)e oFrequency Division Duplex (FDD).De acordo com Anritsu (2009), cada frame definido em funo da varivel Ts, que a unidade bsica de tempo utilizada pelo LTE e pode ser descrita como, Ts = 1/(15000 x 2048) = 32,6 nano segundos. Tanto as transmisses dedownlinkquanto deuplinkso organizadas em frames com durao igual a Tf = 307200 x Ts, que equivalem a aproximadamente a 10 ms. Cada frame possui 10 subframes de 1ms e cada subframe dividido em slots com durao de 0,5 ms.Dois tipos de estrutura de frames so definidos para o LTE: Tipo 1: utiliza FDD Tipo 2: utiliza TDDPara a estrutura de frame tipo 1, os frames so divididos em 20 slots de 0,5 ms. Um subframe consiste de dois slots consecutivos, assim um frame de rdio contm dez subframes conforme apresentado na figura 17.

Figura 17: Estrutura de frame tipo1Fonte: ANRITSU, 2010Ainda de acordo com Aritsu (2009), para a estrutura de frame tipo 2, cada frame de rdio de 10ms constitudo de dois semi-frames de 5 ms de comprimento onde cada um dividido em 5 subframes de 1ms cada, conforme apresentado na figura 18. Existem 3 subframes considerados especiais que so reservados para odownlinkeuplinkrespectivamente. Estes subframes especiais consistem em 3 campos:Downlink Pilot Timeslot (DwPTS),Guard Period (GP), eUplink Pilot Timeslot (UpPTS). Todos os subframes que no so considerados especiais so definidos como dois slots de durao de 0,5 ms em cada subframe.Figura 18: Estrutura de frame tipo 2Fonte: ANRITSU, 2010.A figura 18 representa uma transmisso de 5 ms e os campos especiais so apresentados nos subframes 1 e 6. Para a transmisso de 10ms, os campos especiais no subframe 6 no so utilizados. Os subframes 0, 5 e o campo DwPTS so sempre reservados para odownlink, j o campo UpPTS e o subframe que imediatamente procede este campo so reservados para ouplink.Para o transporte das informaes do usurio, o LTE utiliza 12 subportadoras espaadas de 15 kHz. Cada bloco possui o mesmo tamanho para todas as larguras de bandas definidas para o LTE. Os dados so alocados para o UE atravs dos blocos de recursos. Cada UE pode ser alocado em vrios blocos de recursos no domnio da frequncia, onde cada bloco no precisa ser necessariamente ser adjacente um com o outro conforme apresentado na figura 19. No domnio do tempo, a deciso de agendamento feita pela eNodeB. O algoritmo de agendamento deve levar em conta a situao do link de rdio de diferentes usurios, a situao global de interferncias, exigncias de QoS, prioridades de servios, etc. (Rohde & Schawrz, 2009).Figura 19: Alocao dos blocos de recursos para os usuriosFonte: Silva, 2010O nmero de smbolos OFDM utilizados depende da configurao do sistema. Para cada smbolo OFDM, um prefixo cclico (CP) utilizado como banda de guarda. Um slot dedownlink constitudo de 6 ou 7 smbolos, essa variao se deve ao fato do sistema utilizar a configurao de prefixo cclico estendido ou prefixo cclico normal respectivamente. O prefixo Cclico Estendido habilitado para clulas com grande rea de cobertura e com alto atraso de propagao no canal de rdio (Anritsu, 2010).A figura 20 apresenta o esquema de transmisso dos frames tanto para o TDD quanto para o FDD.

Figura 20: Esquema de transmisso FDD e TDDFonte: ANRITSU, 2010O quadro abaixo apresenta o nmero mximo de Blocos de Recurso utilizados pelo LTE para as diferentes larguras de banda utilizadas por este padro:

Quadro 1: Dimensionamento dos Blocos de RecursosFonte: ANRITSU, 2010 possvel estimar a taxa de dados trafegados em 1 bloco de recursos. Para isso ser considerado que o sistema possui as seguintes caractersticas: 14 smbolos OFDM por subframe de 1 ms; Modulao de 64 QAM com 6 bits por smbolo;Ento: 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 disponveis, desta forma: 100 x 1.008 Mbps = 100.8 Mbps por antena;Utilizando antena MIMO com configurao 4x4 possvel alcanar taxas de 403.2 Mbps. Na prtica a taxa mxima alcanada chega a 320 Mbps.

LTE: Voz sobre LTE

Quando se trata de uma nova gerao de servios mveis, os assinantes provavelmente esperam que os seus dispositivos possam trabalhar to bem, ou melhor, do que os seus dispositivos atuais 2G/3G. Esta experincia vale tanto para voz quanto para dados e cria no usurio a expectativa de novos servios gerados por esta nova tecnologia.Segundo o 3G Americas (2010), a percepo do assinante, o valor global do servio prestado referido comoQuality of Experience (QoE). O QoE leva em considerao todos os fatores que contribuem para a percepo geral do usurio como velocidade, largura de banda, conjunto de recursos, rea de cobertura, mobilidade, custo, personalizao e escolha.Para fornecer QoE que atenda as expectativas do assinante, os fatores a seguir sero considerados crticos para o sistema LTE: O dispositivo LTE deve prover altas taxas detroughputcom baixa latncia. O sistema LTE deve prover caractersticas e funcionalidades equivalentes ou melhores que as tecnologias anteriores. Chamadas em curso e os recursos utilizados pelo UE devem ser mantidos enquanto o dispositivo se desloca das zonas cobertas pelo LTE para as reas de cobertura do 2G/3G. A rede deve prover interoperabilidade entre as operadoras e proporcionar capacidade integral de roaming. O sistema deve ser capaz de fazer distino entre os planos de usurios e prover diferentes taxas de dados, servios, QoS, etc.Baseado nestas consideraes o LTE no considerado como a 4 gerao da telefonia mvel, pois, para simplificar e reduzir os custos de implantao, inicialmente o LTE foi desenvolvido para oferecer somente servios de dados. Esta estratgia tem como vantagem a sua rpida implementao sem que haja a necessidade de se criar uma soluo para o servio de voz. Alm disso, os operadores podem ganhar experincias operacionais e de implantao com LTE, antes de adicionar a complexidade da voz e de seus extensos requisitos regulamentares.A voz ainda uma grade geradora de receita para as operadoras de telefonia mvel, porm, devido a grande demanda de usurios por altas taxas de dados, as operadoras pretendem implantar uma rede de dados de alta capacidade que seja compatvel com as redes 2G e 3G j implantadas. Com isso os operadores esperam oferecer altas taxas detroughputcom o LTE e caso o assinante necessite realizar chamadas de voz, o mesmo seria comutado para as redes 2G e 3G existentes. Isto feito atravs da soluo conhecida como CS-Fallback, que a interface entre a rede LTE e as redes GSM / UMTS (3G Americas, 2010).O CS-Fallback funciona de duas maneiras: Para fazer chamada, o UE migra para a rede 3G e procede com a chamada normalmente. Para as chamadas recebidas inicia-se um procedimento de transio entre as redes LTE e 2G / 3G para receber as chamadas. Se houver uma sesso de dados ativa, ela pode ser migrada para a rede 3G.A figura 21 apresenta a arquitetura de referncia utilizada pelo LTE, onde os elementos da rede so conectados por interfaces padro. Atravs desta arquitetura possvel fazer a comutao da rede LTE para as redes 2G/3G para oferecer os servios de voz e SMS aos usurios. A interface SGs que interliga a MSC ao MME responsvel por realizar as funes de paginao. A interface S3 que interliga o MME ao SGSN facilita a continuao de uma sesso ativa de dados enquanto o usurio migra do LTE para a rede 3G.Figura 21: Arquitetura de referncia LTEFonte: 3G Americas, 2010A interface SGs tambm pode ser usada para fornecer suporte de SMS sobre a rede LTE. Um centro de SMS est conectado a MSC 3G atravs de uma interface padro. O MSC servidor pode entregar as mensagens SMS via interface SGs ao MME. Para o servio de SMS o sistema no exige uma MSC completa, necessria apenas uma verso simplificada do MSC servidor (3G Americas, 2010).Paralelamente aos estudos para se utilizar as redes sobrepostas, vrias alternativas vm sendo desenvolvidas para prover servios de voz e SMS sobre o LTE. Dentre elas destaca-se aVoice Over LTE via Generic Access (VOLGA), que permite aos operadores implementarem estes servios com base em um padro existente desenvolvido pelo 3GPP conhecido como Generic Access Network (GAN). O VOLGA ainda exige que um elemento conhecido comoVOLGA Access Network Controller (VANC)seja adicionado ao ncleo das redes GSM / UMTS existentes (3G Americas, 2010).Esta modificao permite que a rede LTE suporte servios baseados em comutao por circuito atravs da criao de um tnel IP, que permitir criao da interface A para fazer a comunicao com o ncelo da rede GSM-UMTS. Uma preocupao por parte dos operadores e fabricantes quanto a utilizao desta soluo, est na dificuldade em se realizar o roaming, pois sem a padronizao das solues de voz utilizadas pelo LTE, esta se tornaria uma tarefa quase impossvel se ser realizada.LTE: Consideraes Finais

O LTE est bem posicionado para atender aos requisitos das redes mveis de prxima gerao tanto para as operadoras existentes que seguem 3GPP/3GPP2, como para as novas. Com ela, podero ser oferecidos servios de banda larga mvel de elevado desempenho para o mercado de massa, por meio de uma combinao de elevadas taxas de bit ethroughput tanto nouplinkcomo nodownlink com baixa latncia.Analisando com cuidado as tcnicas apresentadas na escala evolutiva do 3GPP, observamos a preocupao com dois aspectos complementares: de um lado a tentativa de aumentar a eficincia espectral com a adoo de tcnicas de modulao de alta ordem, como o 64QAM e a utilizao de tcnicas de acesso como o OFDMA, e de outro a tentativa de melhorar o C/I com a adoo de tcnicas como o MIMO, a diversidade de recepo e o cancelamento sucessivo de interferncia. Com o aumento de ordem da modulao, tende-se a aumentar a vulnerabilidade do receptor no caso de ocorrncia de interferncias, porm isto compensado pelo uso do FDMA. J o MIMO tenta minimizar o efeito da interferncia percebida, viabilizando o uso mais eficiente do espectro de frequncia.A infra-estrutura LTE projetada para ser a mais simples possvel de implementar e operar, por meio de tecnologia flexvel que pode utilizar vrias faixas de frequncia. O LTE oferece larguras de banda escalonveis, de menos de 5MHz a 20MHz, com suporte a espectros de FDD e TDD. A arquitetura LTE reduz o nmero de ns, suporta configuraes flexveis de rede e fornece um alto nvel de disponibilidade de servio. Alm disso, ter interoperabilidade com GSM, WCDMA/HSPA, TD-SCDMA e CDMA.Apesar de no ser considerada efetivamente como uma tecnologia de 4 gerao, o LTE se apresenta como uma tecnologia promissora que permitir ao usurio uma experincia real de banda larga mvel. O 3GPP continua a realizar os estudos para definir os parmetros da 4 gerao das comunicaes mveis atravs da Release-10 conhecida como LTE Advanced. Esta tecnologia ir reunir dois aspectos fundamentais da telefonia mvel: a utilizao de altas taxas de dados com as facilidades encontradas nas tecnologias que antecedem o LTE como o trfego de voz e SMS. O LTE estar disponvel no apenas nos telefones mveis de prxima gerao, mas tambm nos notebooks, cmeras fotogrficas, cmeras de vdeo, terminais sem fio fixos e outros dispositivos que se beneficiam da banda larga mvel.Referncias3G Americas.The Mobile Broadband Evolution: 3GPP Release 8 and Beyond HSPA+, SAE/LTE and LTE-Advanced. 3G Americas, 2009. 178 p.3G Americas.GSM-UMTS Network Migration to LTE: LTE and 2G-3G interworking functions. 3G Americas, 2010. 42 p.3GPP. Disponvel em: < http://www.3gpp.org/LTEAnritsu.LTE Resource Guide. Anritsu, 2010. 18p. Disponvel em:http://www.eu.anritsu.com/lte_resourcesAL-SHAHRANI, Abdurrhman; AL-OLYANI, Hammod.LTE:Project EE-424. 2009. 21p. Disponvel em:http://faculty.ksu.edu.sa/adelali/Student%20Presentations%20May%202008/LTE.pdfAnritsu.White paper: Future technologies and testing for fixed Mobile convergence, SAE and LTE in cellular mobile communication. Anritsu, 2010. 38 p. Disponvel em:http://www.eu.anritsu.com/lte_white_paperDAHLMAN, Erik; PARKVALL, Stefan; SKLD, Johan; BEMING, Per.3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband. San Diego: Elsevier, 2007. 485 p.DVILA, Csar Kyn.LTE: Long Term Evolution Arquitetura Bsica e Acesso Mltiplo. 2009. Disponvel em:http://www.cedet.com.br/index.php?/Tutoriais/Telecom/lte-long-term-evolution-arquitetura-basica-e-acesso-multiplo.htmlERICSSON.LTE:an introduction. 2009. Disponvel em:http://www.ericsson.com/res/docs/whitepapers/lte_overview.pdfMOTA,Tiago Andrade.Redes 3G e evoluo para as redes 4G.2009. Disponvel em:http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialev4g/Default.aspQUALCOMM.LTE: Uma Soluo OFDMA Otimizada para Espectro com Maior largura de Banda. 2009. Disponvel em: