Diego dos Santos
Planejamento de Cobertura e Capacidade de
Redes de Acesso em Banda Larga com
Tecnologia LTE
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Engenharia Elétrica da PUC-Rio
como requisito parcial para obtenção do título de
Mestre em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Luiz Alencar Reis da Silva Mello
Rio de Janeiro
Abril de 2010
Diego dos Santos
Planejamento de Cobertura e Capacidade de
Redes de Acesso em Banda Larga com
Tecnologia LTE
Dissertação de Mestrado apresentada como
requisito parcial para obtenção do grau de Mestre
pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Elétrica do Departamento de Engenharia Elétrica
do Centro Técnico Científico da PUC-Rio.
Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo
assinada.
Prof. Luiz Alencar Reis da Silva Mello
Orientador
Centro de Estudos de Telecomunicações – PUC-Rio
Prof. Rodolfo Saboia Lima de Souza
Inmetro
Prof. Renato Arregui Gomes
Operadora de Celular Claro
Prof. Pedro Vladimir Gonzalez
Castellanos
Inmetro
Prof. José Eugenio Leal
Coordenador Setorial do Centro
Técnico Científico - PUC-Rio
Rio de Janeiro, 8 de abril de 2010
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total
ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do
autor e do orientador.
Diego dos Santos
Graduou-se em Engenharia Elétrica, em Março de 2007,
na Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Em
Março do mesmo ano, iniciou no Centro de Estudos em
Telecomunicações da Pontifícia Universidade Católica do
Rio de Janeiro seu Mestrado na área de Eletromagnetismo
Aplicado.
Ficha Catalográfica
Santos, Diego dos
Planejamento de cobertura e capacidade de redes de
acesso em banda larga com tecnologia LTE / Diego dos
Santos; orientador: Luiz Alencar Reis da Silva Mello. –
2010.
91 f. : il. (color.) ; 30 cm
Dissertação (mestrado) – Pontifícia Universidade
Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia
Elétrica, 2010.
Inclui bibliografia
1. Engenharia elétrica – Teses. 2. Sistemas LTE. 3.
Planejamento celular. I. Mello, Luiz Alencar Reis da Silva.
II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Departamento de Engenharia Elétrica. III. Título.
CDD: 621.3
À minha família.
Agradecimentos
Ao meu orientador Dr. Silva Mello.
À minha família.
Aos amigos.
Aos colegas do CETUC-Rio.
À FAPERJ e PUC-Rio, pelos auxílios concedidos.
Resumo
Santos, Diego dos; Mello, Luiz Alencar Reis da Silva. Planejamento de
Cobertura e Capacidade de Redes de Acesso em Banda Larga com
Tecnologia LTE. Rio de Janeiro, 2010. 91p. Dissertação de Mestrado Departamento de Engenharia Elétrica, Pontifícia Universidade Católica do
Rio de Janeiro.
Atualmente, as redes celulares estão sendo utilizadas como uma saída
para prover serviços de banda larga em locais que ainda não são atendidos
pelas redes fixas, principalmente em países subdesenvolvidos como o Brasil. As
tecnologias empregadas atualmente no Brasil, o GSM (Global System for Mobile)
e o UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), não são tecnologias
desenvolvidas para absorver a grande demanda que vem sendo observada no
mercado de banda larga móvel. Devido a essa demanda inesperada, acredita-se
que o LTE (Long Term Evolution), a primeira tecnologia desenvolvida com o
objetivo de atender não somente as chamadas de voz, mas principalmente as
conexões banda larga, apresente condições de suportar com maior eficiência
esta crescente necessidade. Para que todas as expectativas relacionadas à
capacidade das redes LTE sejam atendidas, é extremamente necessário que um
correto dimensionamento dessas redes seja realizado, pois somente desta forma
será possível estabelecer o compromisso de se atender os usuários com
qualidade.
Palavras-chave
Sistemas LTE; Planejamento Celular.
Abstract
Santos, Diego dos; Mello, Luiz Alencar Reis da Silva (Advisor). Coverage
and Capacity Planning of LTE Broadband Access Networks. Rio de
Janeiro, 2010. 91p. MSc. Dissertation - Departamento de Engenharia
Elétrica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
At the moment, the cellular networks are being used as an option to
provide broadband services in places that have not yet been covered by the fixed
networks, mainly in underdeveloped countries like Brazil. The employed
technologies now in Brazil, GSM (Global System is Mobile) and UMTS (Mobile
Universal Telecommunications System), they were not developed to absorb the
great demand that has been observed at the broadband mobile market. Due to
that unexpected demand, it’s being believed that LTE (Long Term Evolution), the
first technology developed with the objective of supporting not only the voice
calls, but mainly the broadband connections, is able to hold with larger efficiency
this growing needs. For all that expectations about the LTE network’s capacity be
achieved, it is extremely necessary that a correct sizing of those networks be
accomplished, therefore only this way it will be possible to establish the
commitment of supporting the subscribers with quality.
Keywords
LTE Systems; Cellular Planning.
Sumário
1 Introdução
14
1.1. Evolução das Redes Celulares
15
1.2. Objetivos do Trabalho
17
2 Tecnologia LTE
18
2.1. Arquitetura da Rede
18
2.1.1. Enhanced Base Stations
18
2.1.2. Core Network e Gateway
20
2.2. Faixas de Freqüências
23
2.3. MIMO
24
2.4. Arquitetura de Protocolos
25
2.4.1. Canais e Sinais Físicos
26
2.4.2. Canais de Transporte
27
2.4.3. Canais Lógicos
28
2.5. Downlink LTE
29
2.5.1. OFDM
29
2.5.2. OFDMA
30
2.5.3. Resource Blocks
33
2.6. Uplink LTE
34
2.6.1. SC-FDMA
34
2.7. LTE Advanced
36
2.7.1. Requisitos
36
2.7.2. Tecnologia
37
3 Planejamento de Sistemas LTE
38
3.1. Link Budget
39
3.1.1. Link Budget de Downlink
41
3.1.2. Link Budget de Uplink
42
3.2. Cálculo do Raio Teórico
43
3.3. Cálculo do Máximo Throughput Teórico
47
3.4. Cálculo da Máxima Eficiência Espectral
51
3.5. Cálculo da Capacidade do Canal e da Relação Sinal Ruído (SNR)
51
3.6. Cálculo da Interferência Co-Canal
56
3.6.1. Cálculo da Interferência Co-Canal com Setorização Tripla
61
3.6.2. Cálculo da Interferência Co-Canal com Setorização Sêxtupla
63
3.7. Cálculo do Raio em Função da Modulação e SNR
65
4 Estudo de Caso
71
4.1. Introdução
71
4.2. Cálculo da Quantidade de Estações Necessárias para Cobertura
72
4.3. Cálculo da Quantidade de Estações Necessárias para Capacidade
73
4.4. Projeto de Rede
75
5 Conclusões
84
6 Referências Bibliográficas
87
7 Glossário
89
Lista de Figuras
Figura 1.1 - LTE como capacidade para a rede 3G existente.
16
Figura 2.1 – Arquitetura Básica.
19
Figura 2.2 – Gateway LTE.
20
Figura 2.3 – Handover entre LTE e UMTS.
21
Figura 2.4 – Integração de Redes GSM, UMTS e LTE.
22
Figura 2.5 – Possibilidades de configurações de largura de banda.
24
Figura 2.6 – Configuração MIMO [5].
24
Figura 2.7 – Estrutura dos canais lógicos, de transporte e físicos no LTE.
25
Figura 2.8 – Disposição das portadoras na Modulação FDM e OFDM.
29
Figura 2.9 – Configuração de acesso no OFDM [8].
30
Figura 2.10 – Transmissão OFDMA [3].
31
Figura 2.11 – OFDMA no domínio do tempo e da freqüência [7].
31
Figura 2.12 – Acesso no LTE [3].
33
Figura 2.13 – Transmissão SC-FDMA [3].
34
Figura 2.14 – Transmissão utilizando OFDMA x SC-FDMA.
35
Figura 3.2 – Eficiência Espectral do LTE.
51
Figura 3.3 – Cluster.
56
Figura 3.4 – Interferência dos anéis adjacentes.
58
Figura 3.5 – Interferência com setorização tripla.
61
Figura 3.6 – Interferência com setorização sêxtupla.
63
Figura 3.7 – Variação do Throughput (Mbps) conforme a distância (m)
para largura de banda de 5 MHz.
68
Figura 3.8 – Variação do Throughput (Mbps) conforme a distância (m)
para largura de banda de 10 MHz.
68
Figura 3.9 – Variação do Throughput (Mbps) conforme a distância (m)
para largura de banda de 15 MHz.
69
Figura 3.10 – Variação do Throughput (Mbps) conforme a distância (m)
para largura de banda de 20 MHz.
69
Figura 4.1 – Massificação da banda larga móvel, relação do crescimento
mundial de dados em comparação ao serviço de voz [16].
71
Figura 4.2 – Previsão do crescimento da banda larga móvel em comparação
com o serviço de voz. Aproximadamente 80% devido HSPA/LTE [16].
Figura 4.3 – Relevo da região a ser atendida pelo serviço de banda
72
larga móvel.
75
Figura 4.4 – Ilustração da distribuição das eNodeBs na área a ser atendida.
76
Figura 4.5 – Intensidade do Sinal na área de cobertura (RSCP).
79
Figura 4.6 – Cobertura Best RSCP (Melhor Servidor).
80
Figura 4.7 – Área de atuação das modulações 64 QAM, 16 QAM e QPSK.
81
Figura 4.8 – Relação Ec/Io.
82
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Freqüências definidas pelo 3GPP para o LTE.
23
Tabela 2.2 – Resource Blocks e Subportadoras [7].
32
Tabela 2.3 – Parâmetros físicos dos Resource Blocks [7].
34
Tabela 3.1 – Valores dos Parâmetros para o Link Budget de Downlink.
41
Tabela 3.2 – Sensibilidade Requerida na Recepção para a modulação
QPSK [13].
42
Tabela 3.3 – Valores dos Parâmetros para o Link Budget de Uplink.
42
Tabela 3.4 – Valores dos Parâmetros do Modelo SUI.
45
Tabela 3.5 – Valores calculados no Link Budget.
47
Tabela 3.6 – Largura de Banda e Subportadoras LTE.
48
Tabela 3.7 – Capacidade de bits por símbolo das modulações utilizadas
no downlink.
48
Tabela 3.8 – Throughput para largura de banda de 5 MHz.
49
Tabela 3.9 – Throughput para largura de banda de 10 MHz.
50
Tabela 3.10 – Throughput para largura de banda de 15 MHz.
50
Tabela 3.11 – Throughput para largura de banda de 20 MHz.
50
Tabela 3.12 – Taxa de Código de Modulação.
53
Tabela 3.13 – Throughput para largura de banda de 5 MHz, adotando
taxa de código.
54
Tabela 3.14 – Throughput para largura de banda de 10 MHz, adotando
taxa de código.
54
Tabela 3.15 – Throughput para largura de banda de 15 MHz, adotando
taxa de código.
54
Tabela 3.16 – Throughput para largura de banda de 20 MHz, adotando
taxa de código.
55
Tabela 3.17 – SNR requerido para respectivas modulações e taxas
de códigos.
55
Tabela 3.18 – Fator de Reuso e Razão de Reuso Celular.
57
Tabela 3.19 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente.
59
Tabela 3.20 – Relação SIR considerando o primeiro e o segundo
anel interferente.
Tabela 3.21 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente
60
com setorização tripla.
62
Tabela 3.22 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente
com setorização sêxtupla.
64
Tabela 3.23 – SNR requerido para respectivas modulações e taxas
de códigos.
66
Tabela 3.24 – Valores dos Parâmetros para o Link Budget de Uplink.
66
Tabela 3.25 – Raio de atuação das Modulações e respectivas taxas
de códigos (MCS).
67
Tabela 4.1 – Throughput dimensionado para o limite celular com SNR
de 1,45 dB.
75
Tabela 4.2 – Alturas adotadas para as eNodeBs utilizadas no estudo
de caso.
77
Tabela 4.3 – Configurações dos equipamentos utilizados.
77
Tabela 4.4 – Sensibilidade Requerida na Recepção pela estação móvel.
78
Tabela 4.5 – Raio de atuação das Modulações e respectivas taxas
de códigos e throughput celular para largura de banda de 20 MHz.
81
1
Introdução
O LTE (Long Term Evolution) surge como uma evolução das redes 2G
(GSM) e 3G (UMTS) existentes. Espera-se que o LTE seja capaz de absorver
eficientemente o crescente volume de dados trafegados pelas redes celulares na
atualidade.
Esta nova tecnologia tem por objetivo somar melhorias ao padrão de
telefonia móvel UMTS, também conhecido como redes de terceira geração, que
segundo informações divulgadas em Fevereiro de 2010 pela GSA (Global Mobile
Suppliers Association) estaria presente em 135 países, somando-se 325 redes
lançadas comercialmente até a presente data [1].
O LTE traz consigo aspectos relevantes que o tornam o principal
sucessor das tecnologias existentes, tais como maior eficiência espectral,
redução da latência, taxas de dados elevadas, melhorias de capacidade, de
cobertura e redução dos custos, levando esta tecnologia a uma evolução da
interface aérea e de core.
Entretanto, a evolução da interface ar do UMTS para o LTE é na verdade
um novo e completo sistema, contemplado no Release 8 do 3GPP [2], baseado
no OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) no downlink, SCFDMA (Single-Carrier FDMA) no uplink e em um eficiente suporte a antenas com
tecnologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output).
A arquitetura resultante desta evolução é chamada de EPS (Evolved
Packet System) e compreende E-UTRAN (Evolved-Universal Terrestrial Radio
Access Network) para o acesso e EPC (Evolved Packet Core) para o Core da
Rede.
Uma característica fundamental das redes LTE, também denominada 4G,
é que o Core deverá ser fundamentalmente baseado em TCP/IP, assumindo-se
que a voz será servida através de Packet Switch (PS), uma vez que o VOiP
(Voice Over Internet Protocol) tem se mostrado um método eficiente para se
transferir dados de voz.
Com o crescente avanço das tecnologias de redes de comunicação e a
chegada do 3G (UMTS), as pessoas estão descobrindo facilidades de acessar,
de qualquer lugar, estando o usuário sob cobertura da rede celular, enormes
15
quantidades de informações, na forma de textos, gráficos, áudio e vídeo. À
medida que o tamanho dos arquivos transmitidos se tornam cada vez maiores e
os canais de acesso vão ficando congestionados há a necessidade de empregar
tecnologias que permitam um maior fluxo de dados.
O LTE irá possibilitar o tráfego de serviços de comunicações de grandes
volumes e altas taxas de dados em conjunto com a facilidade e rapidez de
implantação de redes sem fio a baixo custo em comparação com as redes
baseadas em cabos.
O LTE representa uma tecnologia de evolução natural ao UMTS em
expansão, e um importante avanço tecnológico na área de redes sem fio, em
virtude das perspectivas em termos de desempenho e cobertura.
1.1.
Evolução das Redes Celulares
O GSM (Global System for Mobile Communications) se tornou o sistema
de comunicações móvel mais popular no mundo, sendo tratado como um
sistema de segunda geração (2G), pois emprega a tecnologia digital para os
canais de tráfego e controle.
Como evolução das redes GSM, que originalmente apresentavam baixa
eficiência na transferência de dados, temos o GPRS (General Packet Radio
Service), uma tecnologia que eleva as taxas nas redes GSM existentes. O GPRS
permite a transferência de dados por pacotes, possibilitando taxas de
transferências mais altas que as anteriores, onde se fazia uso da transferência
dos dados apenas por circuito.
Representando uma evolução das tecnologias de segunda geração rumo à
terceira geração, surge por volta de 2003 o EDGE (Enhanced Data rates for
GSM Evolution) ou EGPRS (Enhanced Data Rates for GPRS Evolution),
possibilitando que as operadoras passassem a oferecer maiores taxas de dados
usando a mesma portadora de 200 kHz de banda ou faixa, adicionando-se um
novo esquema de modulação, 8PSK, minimizando problemas de interferência.
Usada cada vez mais para o tráfego de dados, as redes celulares
continuaram sua evolução tecnológica e seguindo a tendência de crescimento e
inovação a partir do GSM, temos o surgimento do UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System), termo adotado para designar esta que é a
tecnologia de 3º Geração (3G) que utiliza como interface rádio o WCDMA (Wide-
16
Band Code Division Multiple Access). O WCDMA é uma tecnologia de acesso
rádio que provê capacidades de transmissão de 384 Kbps no R99 (Release 99),
e que permite o uso mais eficiente do espectro.
Figura 1.1 - LTE como capacidade para a rede 3G existente.
Da mesma forma que ocorreu no GSM, no UMTS também temos pacotes
que permitem que maiores taxas de dados sejam atingidas fazendo-se uso da
mesma banda de 5 MHz. Para suportar maiores taxas no downlink, utiliza-se o
HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), permitindo a transmissão de
dados com taxas de até 14,4 Mbps. O HSDPA utiliza um novo canal físico (HSPDSCH) e de transporte (HS-DSCH), cujas diferenças em relação aos canais
compartilhados do WCDMA são principalmente a utilização da modulação 16
QAM, a retransmissão automática hibrida (HARQ) e a modulação e codificação
adaptativa (MAC).
O subsistema que permite que taxas elevadas sejam atingidas no uplink é
denominado de HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access), permitindo taxas de
até 5.8 Mbps quando a modulação empregada é o QPSK, ou taxas de até 12
Mbps quando a modulação 16 QAM passa a ser utilizada. O HSUPA usa o canal
dedicado E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) para oferecer maiores taxas.
Dando continuidade a novas funcionalidades oferecidas no WCDMA,
existe ainda um novo subsistema denominado HSPA+, um pacote que traz
inovações tanto para o downlink quanto para o uplink, permitindo em um primeiro
momento taxas de aproximadamente 21 Mbps no downlink através da utilização
da modulação 64 QAM. À medida que novas características são adicionadas a
este subsistema, podem-se atingir taxas ainda maiores. Para se ter uma idéia,
fazendo-se uso de sistemas MIMO e também de múltiplas portadoras, taxas da
ordem de 80 Mbps no downlink e 40 Mbps no uplink podem ser atingidas.
17
1.2.
Objetivos do Trabalho
O trabalho a ser desenvolvido através desta dissertação concentra-se no
desenvolvimento de uma metodologia para o Planejamento de Cobertura e
Capacidade de sistemas com acesso sem fio móvel em banda larga. Este
planejamento deverá considerar vários aspectos em seu dimensionamento de
forma a garantir a qualidade dos serviços a serem oferecidos por meio da
transmissão de informações pelas novas redes sem fio banda larga.
Será realizado um estudo sobre a capacidade que pode ser oferecida
pela tecnologia do futuro das Redes Móveis, o LTE.
Ao longo do segundo capítulo deste trabalho, são apresentados os
elementos e as características que compõem a Arquitetura de Acesso e Core do
LTE. Algumas informações sistêmicas, tais como faixas de freqüências de
operação, canais físicos, lógicos e de transporte, o OFDMA e o SC-FDMA
também são apresentados no segundo capítulo a fim de contextualizá-los.
Ainda no segundo capítulo apresentamos de forma sucinta o que está
sendo proposto pela 3GPP no desenvolvimento do padrão LTE Advanced, suas
características e pré-requisitos para que se torne, como esperado, o futuro das
redes LTE.
No capítulo três estão expostos os aspectos do planejamento de redes de
acesso que foram levados em consideração para o correto dimensionamento da
rede celular abordada nesta dissertação. Cálculos do link budget, raio teórico de
cobertura do serviço, throughput máximo teórico, máxima eficiência espectral,
capacidade do canal, relação sinal ruído e interferência co-canal são tratados ao
longo do capítulo três.
O capítulo quatro apresenta o estudo de caso realizado, abordando o
projeto que consiste no dimensionamento de cobertura e capacidade de uma
rede de acesso sem fio para prover serviços de banda larga móvel em uma
região da cidade do Rio de Janeiro. Neste capítulo determinamos a mínima
quantidade de estações rádio base necessárias para prover a cobertura e a
capacidade requerida na região a ser atendida.
Por fim, ao longo do capítulo cinco estão discriminadas as conclusões
obtidas durante a realização deste trabalho de dissertação.
2
Tecnologia LTE
2.1.
Arquitetura da Rede
Existe há alguns anos uma tendência para que as redes migrem os
serviços que utilizam circuit switch (CS) para uma rede baseada totalmente em
IP, packet switch (PS). Na prática, isto já pode ser observado nas redes fixas,
onde algumas operadoras já migraram seus serviços de telefonia para packet
switch, oferecendo ambos os acessos de internet e telefonia via DSL ou cable
modem. Nas redes wireless esta tendência ainda não foi iniciada. Isto se deve
ao fato da arquitetura das redes existentes (2G, 3G e outras) ainda ser otimizada
para CS, tanto no acesso quanto no core. Além disto, a implementação de VoiP
nas redes sem fio atuais aumentaria significantemente a quantidade de dados
transferidos na interface ar, fazendo com que a capacidade para as chamadas
de voz via CS fosse reduzida.
Por outro lado, a busca incessante pelo aumento das bandas de
transmissão fez com que o 3GPP decidisse que a próxima geração de telefonia
móvel seria baseada somente em PS. Como resultados, inicialmente surgiram
duas pesquisas separadas, o programa LTE (Long Term Evolution), focado no
design de uma nova arquitetura para a rede de acesso e interface ar, e o
programa SAE (Service Architecture Evolution). Mais tarde, estes dois
programas foram combinados em uma frente única de trabalho, o EPS (Evolved
Packet System) [3].
2.1.1.
Enhanced Base Stations
No LTE temos uma nova arquitetura, totalmente diferente do que vinha
sendo utilizado nas tecnologias anteriores, e um exemplo disto é a estação rádio
base, denominada de eNodeB (Enhanced NodeB), que no LTE passa a realizar
tarefas de processamento antes realizadas na RNC (Radio Network Controller).
19
As Enhanced NodeB do LTE são denominadas desta forma (eNodeB ou
eNB), para se diferenciar da nomenclatura utilizada no UMTS (NodeB).
A figura 2.1 mostra os principais componentes de uma rede LTE (Core e
Acesso). No LTE a rede é menos complexa do que no UMTS. Por exemplo, não
existe no LTE a topologia da RNC (Radio Network Controller) existente no
UMTS, onde parte de suas funcionalidades foram transferidas para a eNodeB e
parte para o Core Network Gateway. No LTE também não teremos a central
controlando os elementos na rede de acesso. A eNodeB irá realizar o controle de
tráfego na interface área assegurando QoS (Quality of Service) para os serviços
oferecidos [3].
Figura 2.1 – Arquitetura Básica.
A eNB também será responsável pelas decisões de handover dos móveis,
através da comunicação entre os elementos, fazendo uso da interface X2. No
entanto é possível que na falta da comunicação através de X2 (interface
opcional), a comunicação entre as base stations será realizada através de outra
via no Access Gateway. Neste caso os dados do usuário não serão transmitidos
durante o handover, podendo ocasionar perda de pacotes. No LTE temos
somente o hard handover, ou seja, apenas uma única célula irá se comunicar
com o móvel em um mesmo momento. A eNodeB é conectada com o gateway
20
através da interface S1 (baseada em IP). No LTE a eNodeB é preparada para
trabalhar com portas Ethernet de 100 Mbps e 1 Gbps.
2.1.2.
Core Network e Gateway
O Gateway entre a rede de acesso e o core é dividido em duas entidades:
Serving Gateway (Serving-GW) e Mobility Management Entity (MME). Juntos
eles são responsáveis por tarefas semelhantes às controladas pelo SGSN
(Serving GPRS Support Node) do UMTS. Na prática, estas duas entidades
lógicas podem ser implementadas no mesmo hardware físico, ou separadas em
níveis diferentes. Quando separadas, a interface S11 será a responsável pela
comunicação entre estas entidades.
Figura 2.2 – Gateway LTE.
O MME é responsável pela mobilidade do usuário e pela sinalização,
incluindo autenticação, estabelecimento de conexões, suporte ao handover entre
diferentes eNodeBs e entre diferentes tecnologias (ex. GSM, UMTS). É
responsável também pelo móvel em idle mode (quando ainda não temos o
21
estabelecimento de conexões com alguma portadora). O MME também é
responsável pela seleção do PDN-GW quando o móvel requer estabelecimento
com endereços IP da rede.
O Serving Gateway é responsável pelo encaminhamento de pacotes IP
entre o móvel e a internet.
Do ponto de vista de capacidade, a capacidade da MME depende da carga
de sinalização da rede (S1-C – Control Plane), e a capacidade de uma Serving
Gateway (S1-U – User Plane) depende da carga de tráfego dos usuários. A
separação destas entidades neste ponto de vista é interessante, agregando
facilidades para o dimensionamento.
No LTE o router é chamado Packet Data Network (PDN-Gateway, PDNGW), sendo responsável em desempenhar as mesmas tarefas que o GGSN
(Gateway GPRS Support Node) do UMTS. A quantidade de PDNs depende do
número de usuários, da capacidade de hardware e da quantidade de dados
trafegados pelos usuários.
Assim como o HLR (Home Location Register) para o UMTS, no LTE existe
o HSS (Home Subscriber Server). Essencialmente o HSS é considerado um
Enhanced HLR. O HSS é a combinação dos dados dos usuários, sendo utilizado
simultaneamente pelo GSM, UMTS e LTE. A comunicação entre o HSS e a MME
é realizado pela interface S6, como descrito na figura 2.2.
Figura 2.3 – Handover entre LTE e UMTS.
22
Quando um usuário se move para fora de uma área coberta pelo LTE, o
móvel reporta para a eNodeB que uma célula UMTS ou GSM foi encontrada.
Essa informação é passada para o MME que tem a responsabilidade de
conectar, trocar informações com o SGSN responsável (UMTS, GSM) solicitando
o procedimento de handover. Quando a rede UMTS ou GSM estiver preparada
para receber o móvel, o MME envia uma mensagem de handover para a
eNodeB responsável comunicar o móvel. Após a execução do handover, o túnel
de dados entre o Serving Gateway e a eNodeB é roteado para o novo SGSN. O
MME é liberado do controle do usuário, que é repassado para o SGSN. O
Serving Gateway, no entanto, continua com o caminho do usuário e ativa o
GGSN do ponto de vista do SGSN. Do ponto de vista do SGSN, a interface entre
GGSN e Serving Gateway, é considerada como uma interface transparente entre
SGSN e GGSN. A figura 2.3 mostra na prática como um usuário se move de
uma cobertura LTE para uma cobertura UMTS dentro da rede de uma mesma
operadora. Na figura 2.4 podemos observar a estrutura que pode ser
implementada por uma operadora que possua redes GSM, UMTS e LTE
integradas.
Figura 2.4 – Integração de Redes GSM, UMTS e LTE.
23
2.2.
Faixas de Freqüências
As faixas de freqüências consideradas para o padrão LTE estão divididas
em dois grupos, de acordo com os modos de operação: FDD (Frequency
Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex).
Na tabela 2.1 [4], podem ser verificadas as freqüências de operação
definidas pela 3GPP em Maio de 2009.
FDD
TDD
Banda
Freqüências UL/DL (MHz)
Banda
Freqüências UL/DL (MHz)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
17
1920 - 1980 / 2110 - 2170
1850 - 1910 / 1930 - 1990
1710 - 1785 / 1805 - 1880
1710 - 1755 / 2110 - 2155
824 - 849 / 869 - 894
830 - 840 / 875 - 885
2500 - 2570 / 2620 - 2690
880 - 915 / 925 - 960
1750 - 1785 / 1845 - 1880
1710 - 1770 / 2110 - 2170
1428 - 1453 / 1476 - 1501
698 - 716 / 728 - 746
746 - 758 / 776 - 788
758 - 768 / 788 - 798
704 - 716 / 734 - 746
33, 34
35, 36
37
38
39
40
1900 - 1920 / 2010 - 2025
1850 - 1910 / 1930 - 1990
1910 - 1930
2570 - 2620
1880 - 1920
2300 - 2400
Tabela 2.1 – Freqüências definidas pelo 3GPP para o LTE.
Nos
sistemas
FDD,
o
tráfego
de
DL
e
UL
são
transmitidos
simultaneamente em freqüências separadas. Com o TDD, as transmissões de
DL e UL são descontinuadas na mesma freqüência. Como exemplo, se o tempo
para DL e UL for dividido em 1/1, o uplink utiliza metade do tempo e a média da
potência para cada link é a metade da potência de pico. Como a potência de
pico é limitada por regulamentações, o resultado é que para a mesma potência
de pico, o modo TDD oferece uma menor cobertura que o modo FDD. As
operadoras quando fazem uso do modo TDD, habitualmente configuram o
sistema DL/UL em 3/1. Para se obter uma cobertura parecida quando
24
comparado à sistemas FDD, se faz necessário a instalação de 120% de ERBs a
mais no modo TDD [4].
Acredita-se que para o Brasil as Bandas 1, 7 e 13 sejam as utilizadas na
implantação das redes, a começar pela Banda 7.
Em nosso estudo iremos considerar esta Banda de 2600 MHz.
No LTE existe a possibilidade de escalonamento da banda, variando-se
desde 1.4 MHz até 20 MHz, como pode ser observado na figura 2.5.
Figura 2.5 – Possibilidades de configurações de largura de banda.
2.3.
MIMO
MIMO (Multiple-input multiple-output) significa o uso de múltiplas antenas
empregadas na transmissão e na recepção dos sistemas de comunicações sem
fio. Esta tecnologia é capaz de oferecer ganhos significativos nas taxas de
dados, sem a necessidade de se utilizar mais banda ou potência adicional para a
transmissão dos sinais.
Figura 2.6 – Configuração MIMO [5].
A comunicação sem fio com a utilização desta tecnologia tira proveito da
propagação de multipercurso para aumentar a taxa de transmissão e o alcance,
ou reduzir as taxas de erro por bit (eficiência espectral), através do envio e
recebimento de mais de um sinal no mesmo canal ao mesmo tempo, ao invés de
tentar eliminar os efeitos da propagação de multipercurso. A figura 2.6 ilustra a
transmissão e recepção dos dados com MIMO.
25
2.4.
Arquitetura de Protocolos
A 3GPP teve como premissas iniciais no desenvolvimento dos protocolos
da interface rádio da rede Evolved UTRAN os seguintes pontos:
•
Simplificar a arquitetura de protocolos;
•
Inexistência de canais dedicados com objetivo de se obter uma
camada MAC (Media Access Control) simplificada;
•
Evitar a existência de funções similares entre os elementos de
Acesso e os elementos de Core;
O projeto do LTE é completamente baseado em canais compartilhados e
de broadcast, não havendo mais nenhum canal dedicado para trafegar dados a
usuários específicos. Esta escolha aumenta a eficiência da interface aérea,
fazendo com que a rede seja capaz de controlar a utilização dos recursos da
interface ar, de acordo com a demanda de cada usuário em tempo real, não
existindo mais a necessidade de alocação de recursos fixos para cada usuário,
independente dos requerimentos necessários [6]. A figura 2.7 ilustra o
mapeamento dos canais lógicos, de transporte e físicos no LTE.
Figura 2.7 – Estrutura dos canais lógicos, de transporte e físicos no LTE.
26
Os canais lógicos no sistema provêem os serviços e funções requisitados
pelas altas camadas (NAS - Non Access Stratum) para a entrega de aplicações
e serviços. Os canais lógicos por sua vez, são mapeados pelos canais de
transporte na camada 2, através de elementos RRC (Radio Resource Control).
Estes canais são responsáveis pelo controle e gerenciamento do fluxo de dados,
tais como retransmissões, controle de erros e priorização. O tráfego gerado
pelos usuários é gerenciado na camada 2 pelo protocolo PDCP (Packet Data
Convergence Protocol). A interface ar e as conexões da camada física são
controladas e gerenciadas pela camada 1, através do RLC (Radio Link Control) e
MAC (Media Access Control) [6].
Os canais da interface rádio no LTE podem ser separados em dois tipos,
canais físicos e sinais físicos. Os canais físicos correspondem a um conjunto de
elementos que carregam informações originadas pelas altas camadas (NAS). Os
sinais físicos correspondem a um conjunto de elementos utilizados unicamente
pela camada física, que não carregam informações originadas pelas altas
camadas.
2.4.1.
Canais e Sinais Físicos
Canais Físicos de Downlink:
•
Physical Downlink Control Channel (PDCCH) - Carrega as
principais informações de alocação de recursos;
•
Physical Broadcast Channel (PBCH) - Carrega informações de
acesso dos usuários que solicitam acesso a rede;
•
Physical
Downlink
Shared
Channel
(PDSCH)
-
Carrega
informações do DL-SCH;
•
Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) - Informa ao
usuário o número de símbolos OFDM utilizados no PDCCHs;
•
Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) - Respostas de
ACK/NAKs (Acknowledge/Negative Acknowledge) das transmissões
de uplink;
•
Physical Multicast Channel (PMCH) - Carrega informações de
Multicast;
27
Sinais Físicos de Downlink:
•
Sinal de Referência;
•
Sinal de Sincronização;
Canais Físicos de Uplink:
•
Physical Random Access Channel (PRACH) - Canal de uplink
utilizado para funções de acesso randômico;
•
Physical
Uplink
Shared
Channel
(PUSCH)
-
Carrega
as
informações do UL-SCH;
•
Physical Uplink Control Channel (PUCCH) - Respostas de
ACK/NAKs das transmissões de downlink;
Sinais Físicos de Uplink:
•
Sinal de Referência de Demodulação – Associado às transmissões
de PUSCH ou PUCCH;
2.4.2.
Canais de Transporte
Com o objetivo de se reduzir a complexidade da arquitetura de protocolos
do LTE, o número de canais de transporte foi reduzido. Isto se tornou possível
através da utilização de canais compartilhados, e não mais dedicados [7].
Os canais de transporte no Downlink são:
•
Paging Channel (PCH) - Utilizado para transmitir PCCH;
•
Broadcast Channel (BCH) - Canal de transporte mapeado pelo
BCCH;
•
Downlink Shared Channel (DL-SCH) - Principal canal para
transferência de dados de downlink - Responsável pela alocação
dinâmica dos recursos, através de verificações da modulação,
codificação e potência de transmissão;
28
•
Multicast
Channel
(MCH)
-
Utilizado
na
transmissão
das
informações do MCCH;
Os canais de transporte no Uplink são:
•
Random Access Channel (RACH) - Utilizado para requerimentos do
acesso randômico;
•
Uplink
Shared
Channel
(UL-SCH)
-
Principal
canal
para
transferência de dados no uplink - Responsável pela alocação
dinâmica dos recursos, através de verificações da modulação,
codificação e potência de transmissão;
2.4.3.
Canais Lógicos
Os canais lógicos podem ser classificados em canais lógicos de controle e
canais lógicos de tráfego.
São canais lógicos de controle:
•
Paging Control Channel (PCCH) - Utilizado para informações de
paging;
•
Broadcast Control Channel (BCCH)
- Fornece informações
sistêmicas para todos os terminais conectados na eNodeB;
•
Common Control Channel (CCCH) - Utilizado para informações de
acesso randômico;
•
Dedicated Control Channel (DCCH) - Carrega informações
especificas de controle para cada usuário (controle de potência,
handover, etc);
•
Multicast Control Channel (MCCH) - Transmissão de informações
necessárias para a repetição de multicast;
Os canais lógicos de tráfego são:
•
Dedicated Traffic Channel (DTCH) - Canal Ponto a Ponto (uplink e
downlink) - Utilizado para transmitir dados aos usuários;
29
•
Multicast Traffic Channel (MTCH) - Utilizado para transmissão de
dados multicast;
2.5.
Downlink LTE
2.5.1.
OFDM
O OFDM, Multiplexação Ortogonal por Divisão de Freqüência (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing), é uma técnica complexa baseada na idéia da
multiplexação pela divisão da freqüência (FDM).
Figura 2.8 – Disposição das portadoras na Modulação FDM e OFDM.
Na técnica de OFDM, ao invés de utilizar bandas de guarda entre as
portadoras para poder separá-las, emprega-se uma sobreposição das mesmas,
como demonstrado na figura 2.8, resultando em um ganho espectral de até 50%
em relação à técnica FDM.
O OFDM é uma técnica que distribui a informação de dados sobre um
grande número de freqüências, denominadas de subportadoras, que são
espaçadas em freqüências precisas. Este espaçamento provê a ortogonalidade
no sentido matemático, o que previne que na demodulação não ocorra
interferência entre as portadoras. Os benefícios de OFDM são alta eficiência
espectral, robustez contra interferência de radiofreqüência (RF) e baixa distorção
por propagação multi-percurso.
No OFDM emprega-se a técnica IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) na
modulação e FFT (Fast Fourier Transform) na demodulação, utilizando-se 256
portadoras, onde cada canal de freqüência pode ser modulado com uma
30
modulação simples QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ou PSK (Phase
Shift - Keying).
Figura 2.9 – Configuração de acesso no OFDM [8].
Visando-se o compartilhamento dos recursos do espectro por múltiplos
usuários, foi criada a técnica OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple
Access), que é um refinamento da OFDM. No OFDMA os sub-canais são
alocadas no domínio da freqüência e os símbolos OFDM são alocados no
domínio do tempo, conforme ilustrado na figura 2.9.
2.5.2.
OFDMA
Foi decidido que no LTE o esquema de transmissão de dados na interface
aérea seria um novo esquema, completamente diferente do WCDMA do UMTS.
Em vez de se usar uma única portadora como é feito no 3G, no LTE, a utilização
de um esquema de transmissão denominado OFDMA, permite que sejam
transmitidos dados utilizando múltiplas portadoras estreitas simultaneamente,
como 512, 1024 ou mais, dependendo da banda utilizada, por exemplo: 5, 10, 20
MHz [3]. Na figura 2.10 podemos observar a transmissão OFDMA, empregandose a IFFT na transmissão e a FFT na recepção.
31
Figura 2.10 – Transmissão OFDMA [3].
O OFDMA tem sua camada física baseada no OFDM, tecnologia
empregada no downlink do LTE. De forma semelhante ao OFDM, o OFDMA
emprega múltiplas subportadoras sobrepostas no domínio da freqüência, fato
que pode ser observado na figura 2.11.
Figura 2.11 – OFDMA no domínio do tempo e da freqüência [7].
A principal diferença está na subdivisão das subportadoras em grupos,
onde cada grupo, formado por 12 subportadoras com espaçamento regular de
15 kHz cada, formam um “resource block”. O número de resource blocks está
associado à banda disponível, conforme apresentado na tabela 2.2. A duração
32
de um símbolo OFDM é de 66,667 µs e o prefixo cíclico padrão é de 4,7 µs, logo,
o tempo total de transmissão de um símbolo OFDM é de 71,367 µs.
O prefixo cíclico é transmitido antes de cada símbolo OFDM como medida
de prevenção ao multi-percurso. Para aplicações onde existe grande degradação
por multi-percurso, um prefixo cíclico de 16,67 µs pode ser utilizado, no entanto
este maior prefixo cíclico faz com que seja reduzido o throughput, mantendo-se a
mesma duração do símbolo [3].
Canal (MHz)
1.4
3
5
10
15
20
Resource Blocks
6
15
25
50
75
100
Subportadoras
72
180
300
600
900
1200
Tabela 2.2 – Resource Blocks e Subportadoras [7].
Como os dados são alocados em resource blocks, um usuário pode ser
alocado em um resource block inteiro no domínio da freqüência. No domínio do
tempo, a alocação deve ser analisada e pode ser modificada na transmissão em
intervalos de 1 ms (esta decisão é tomada na eNodeB). O conjunto de múltiplas
subportadoras são independentes quanto à modulação, e no LTE elas podem
ser moduladas em QPSK, 16 QAM ou 64 QAM.
O menor arranjamento de dados agregados é referido ao resource block,
que contem 12 subportadoras e 7 símbolos para cada subportadora (no caso de
se utilizar o prefixo cíclico curto). Este grupo de 12 subportadoras (resource
block) tem uma banda de 180 kHz e 0.5 ms de duração no domínio do tempo (1
slot). Dois slots são agrupados em um subframe, referente a um TTI (Transmit
Time Interval) [3].
Dez subframes são agrupados juntos para formar um frame de radio único,
com duração de 10 ms (figura 2.12). A menor quantidade de resource elements
(símbolos) que pode ser alocada para um único usuário em um determinado
instante de tempo são dois resource blocks, o que significa um sub-frame (ou um
TTI).
Para aumentar as taxas de dados para os dispositivos móveis, a alocação
dos recursos da rede pode concatenar vários resource blocks no domínio do
tempo e da freqüência.
33
Figura 2.12 – Acesso no LTE [3].
É importante deixar claro que nem todos os resource elements de um
resource block são alocados para a transmissão de dados, podendo ser
utilizados também para outros fins, como por exemplo, referência do canal piloto
e medidas de qualidade dos canais de downlink [3].
2.5.3.
Resource Blocks
O termo Resource Block é utilizado para descrever o mapeamento dos
canais físicos que descrevem os Resource Elements.
Fisicamente podemos definir um resource block como um conjunto de
símbolos OFDM consecutivos no domínio do tempo em consecutivas
subportadoras no domínio da freqüência.
No domínio da freqüência, as subportadoras são agregadas em slots de
180 kHz cada, e dependendo do prefixo cíclico adotado (normal ou estendido), o
número de subportadoras e símbolos OFDM trafegados em 180 kHz podem
variar de acordo com o exposto na tabela 2.3.
34
Prefixo
Subportadoras
Nº
Símbolos
Cíclico
(kHz)
Subportadoras
OFDM
Normal
15
12
7
Estendido
15
12
6
Estendido
7,5
24
3
Tabela 2.3 – Parâmetros físicos dos Resource Blocks [7].
2.6.
Uplink LTE
2.6.1.
SC-FDMA
O SC-FDMA (Single Carrier FDMA) é utilizado no uplink no LTE e da
mesma forma que ocorre no OFDM, intervalos de guarda com prefixos cíclicos
são introduzidos entre os blocos de símbolos a serem transmitidos.
Figura 2.13 – Transmissão SC-FDMA [3].
35
A principal vantagem do SC-FDMA, em comparação com OFDM e
OFDMA, é que os sinais apresentam um baixo PAPR (Peak-to-average Power
Ratio) diminuindo a necessidade de transmissores complexos.
Podemos classificar o SC-FDMA como um sistema híbrido que, combina o
baixo PAPR do SC utilizado no GSM com o bom desempenho relacionado ao
multi-percurso do OFDM.
Apesar do nome, o SC-FDMA também transmite dados na interface aérea
utilizando-se múltiplas subportadoras, assim como o OFDMA.
Como exemplo, podemos observar a figura 2.14, onde no OFDMA os
quatro símbolos QPSK são transmitidos paralelamente, sendo um em cada
subportadora, e no SC-FDMA os quatro símbolos são transmitidos em série em
quatro tempos distintos.
No OFDMA, cada subportadora carrega somente informações de um
símbolo específico. NO SC-FDMA, cada subportadora contem informações de
todos os símbolos transmitidos.
No uplink, os dados são transmitidos também em 12 subportadoras, como
no downlink, com o mesmo TTI de 1 ms.
Figura 2.14 – Transmissão utilizando OFDMA x SC-FDMA.
As principais diferenças entre OFDMA e SC-FDMA podem ser resumidas
da seguinte forma:
No OFDMA são tomados grupos de input de bits (0’s e 1’s) para montar as
subportadoras que são processadas com IFFT para se ter um sinal no tempo. No
SC-FDMA primeiro se tem uma FFT sobre grupos de input para espalhar sobre
todas subportadoras, e em seguida usar o resultado no IFFT que cria o sinal no
36
tempo. Este é o motivo que por vezes o SC-FDMA é referido como FFT
espalhado OFDM.
2.7.
LTE Advanced
Em meio às discussões sobre as futuras tecnologias em termos de
mobilidade, um aspecto comum nas discussões diz respeito à necessidade de
ampliar a capacidade das redes móveis e de fornecer maiores taxas para os
usuários, o que de fato mostra a necessidade de novos projetos de rede. O
padrão LTE-Advanced vem sendo desenvolvido pela 3GPP a fim de ir ao
encontro desse cenário.
2.7.1.
Requisitos
Com a finalidade de ser uma evolução das redes LTE, o projeto LTEAdvanced apresenta algumas condições que são adotadas em seu estudo em
desenvolvimento. Alguns dos acordos já firmados entre fornecedores e 3GPP
confirmam como pré-requisitos os itens abaixo:
•
Taxa de pico – Downlink: 1 Gbps, Uplink: 500 Mbps;
•
Capacidade de pico – Downlink: 30 bps/Hz, Uplink: 15 bps/Hz;
•
Largura de banda maior que 70 MHz para downlink e 40 MHz para uplink;
•
Taxa de transferência média para o usuário três vezes maior do que no
LTE;
•
Capacidade três vezes maior do que no LTE, refletida como a eficiência
espectral;
•
Flexibilidade do espectro: suporte à agregação espectral e largura de
banda escalável;
•
Mobilidade igual à do padrão LTE;
•
Compatibilidade com redes anteriores.
Assim como no LTE, a implementação do LTE-Advanced deverá ser
totalmente baseada no protocolo IP.
37
2.7.2.
Tecnologia
Algumas propostas técnicas por parte do 3GPP encontram-se em estudo,
podendo ser divididas em certas categorias, como as seguintes:
•
Soluções de antenas para técnicas MIMO;
•
Correção automática de erro (Forward Error Correction - FEC);
•
Largura de banda escalável excedendo 20 MHz, até mesmo 100 MHz
(uso flexível do espectro);
•
Configuração e operação automática da rede.
A fim de atingir taxas de pico de 1 Gbps, uma largura de banda de até 100
MHz é analisada como o meio para tal objetivo. Como só se tem conseguido
suportar larguras de banda de 20 MHz, uma solução para esse obstáculo seria a
adoção de múltiplos terminais.
3
Planejamento de Sistemas LTE
O processo de planejamento de rede é realizado com o objetivo de se
obter a maior cobertura de atuação com a menor quantidade de equipamento
possível, e ao mesmo tempo prover a capacidade de rede necessária para se
atender a demanda de tráfego dos usuários atendidos.
Para que estes objetivos sejam alcançados, existem estágios típicos a
serem realizados, que incluem a definição dos parâmetros de projeto (plano
inicial e detalhado) e otimização.
O primeiro estágio do planejamento consiste em se obter informações tais
como a cobertura desejada, a quantidade de usuários e sua respectiva
distribuição na região de cobertura, estimativas de tráfego por usuário, serviços a
serem oferecidos, a qualidade de serviço requerida (QoS - Quality of Service), a
capacidade
necessária,
características
de
possíveis
equipamentos
e
funcionalidades que podem ser utilizadas.
O resultado final deve ser a mínima densidade de estações rádio base a
ser instalada, para atender aos objetivos do projeto. Esse estágio usualmente
envolve uma simulação para estimar a cobertura e capacidade requerida para os
usuários do sistema.
O planejamento detalhado pode ser divido em processos que incluem [9]:
•
Ajuste do Modelo de Propagação (Model Tuning) - Processo para
calibração do modelo de propagação teórico utilizado. Essa
calibração geralmente é realizada através da importação nas
ferramentas de predições de arquivos obtidos em medições de
campo específicas;
•
Definição dos Locais de Instalação (Site Selection) - Nos sistemas
celulares, a seleção de locais para instalação dos equipamentos é
um grande desafio. Esse processo envolve a identificação dos
candidatos que podem atender às necessidades de projeto, tais
como: KPIs (Key Performance Indicator), Cobertura e Capacidade;
39
•
Dimensionamento
-
O
objetivo
final
desta
etapa
é
o
dimensionamento do equipamento (células e eNodeBs) para
atender a demanda de cobertura e capacidade da região a ser
atendida;
•
Parametrização - Os parâmetros do sistema precisam ser
identificados e configurados para o melhor desempenho da rede;
O processo de otimização pode ser dividido em pré-lançamento e póslançamento. Devido à carga que o sistema passará a receber após o lançamento
comercial da rede, é necessário o acompanhamento dos indicadores de
capacidade, cobertura, interferência, entre outros, alterando-se os parâmetros
associados para que o sistema fique adequado às necessidades do momento.
3.1.
Link Budget
O Link Budget é uma das etapas realizadas no Planejamento Celular. Com
o Link Budget é calculada a máxima perda de propagação permitida para que os
usuários alocados nas bordas das células tenham condições de utilizar o
sistema.
Através do Link Budget podem-se determinar a área de cobertura e raio da
célula, permitindo estimar a quantidade de estações rádio base necessárias para
cobrir a região onde se pretende oferecer o serviço.
Vale ressaltar que as características do ambiente (urbano denso, urbano,
suburbano, etc.) no qual a rede será instalada, influenciam o resultado do Link
Budget, devido às múltiplas reflexões que o sinal propagado irá sofrer.
O Link Budget também varia de acordo com o objetivo de cobertura
desejado, seja ela indoor, incar ou outdoor, pois para cada uma destas, as
perdas de propagação do sinal são diferentes.
A potência de transmissão, o ganho das antenas e as perdas do sistema
são alguns dos parâmetros que devem ser levados em consideração no cálculo
do Link Budget.
Cálculos independentes para o uplink e para o downlink são realizados,
dada a distinção dos parâmetros em cada sentido de transmissão.
40
O sistema celular é raramente limitado pelo downlink, pois, a potência
transmitida pela estação rádio base é maior que a potência que o móvel é capaz
de transmitir.
A equação básica para o cálculo do Link Budget em dB é:
L = Ptx + Gtx − Ltx − SNR Re querida − Srx + Grx − Lrx + Gdv − M
3.1-1
Onde:
•
L - Máxima Perda de Downlink / Uplink;
•
Ptx - Potência de Transmissão [dBm];
•
Gtx - Ganho da Antena Transmissora [dBi];
•
Ltx - Perdas na Transmissão [dB]
•
SNRRe querida - Relação Sinal Ruído Requerida [dB];
•
Srx - Sensibilidade Requerida na Recepção [dB]
•
Grx - Ganho da Antena Receptora [dBi];
•
Lrx - Perdas na Recepção [dB];
•
Gdv - Ganho de Diversidade [dBi];
•
M - Margem de Desvanecimento [dB].
A Margem de Desvanecimento ou Fade Margin é a margem a ser
considerada no Link Budget a fim de garantir que o terminal móvel consiga
operar na borda das células, onde a relação SINR (Sinal Ruído + Interferência) é
baixa. Devido aos efeitos do multipercurso presentes nos sistemas celulares esta
garantia, ou Margem de Desvanecimento deve ser considerada.
Uma boa referência para ser adotada como margem de desvanecimento, é
o desvanecimento cujo canal de rádio segue a distribuição de Rayleigh, onde
para áreas urbanas o valor adotado deve ser entre 4 dB e 6 dB [10].
Uma das formas adotadas para minimizar os efeitos de Fading é a técnica
da diversidade, que atua fornecendo ao receptor réplicas do mesmo sinal
transmitido, que chegam através de caminhos de propagação independentes.
Neste trabalho assumimos como sendo de 3 dB o Ganho de Diversidade no Link
Budget de Uplink [11].
41
O SNR vai depender da modulação e da taxa de código adotada, ou seja,
está diretamente relacionado à taxa de transferência de dados e ao número de
Resource Blocks alocados [12].
Conforme mencionado anteriormente, faz-se necessário calcular o Link
Budget para o downlink e para o uplink, e a máxima perda encontrada (menor
valor de L na comparação entre downlink e uplink) será adotada na
determinação do raio da célula.
3.1.1.
Link Budget de Downlink
Na tabela 3.1 encontramos os parâmetros necessários e os valores
adotados para o cálculo do Link Budget de Downlink, com exceção da
sensibilidade requerida na recepção.
A sensibilidade requerida na recepção segundo a Série 36101 da 3GPP
[13] está apresentada na tabela 3.2 e se referem apenas para a modulação
QPSK, sendo que os valores variam de acordo com a largura de banda adotada
e também com a faixa de freqüência de operação do sistema.
Potência de Transmissão
60W; 48 dBm
Ganho da Antena Transmissora
18 dBi
Perdas na Transmissão
3 dB
SNR
0 dB
Ganho da Antena Receptora
0 dBi
Perdas na Recepção
0 dB
Ganho de Diversidade
0 dB
Margem de Desvanecimento
4 dB
Tabela 3.1 – Valores dos Parâmetros para o Link Budget de Downlink.
O valor da Sensibilidade Requerida na Recepção adotado no cálculo do
Link Budget de Downlink foi de -92 dBm (a maior sensibilidade requerida, para
20 MHz de largura de banda). Este cálculo deve ser realizado para o pior caso,
pois se operarmos com larguras de bandas diferentes, perde-se cobertura,
impactando diretamente na configuração espacial das eNodeBs planejadas para
42
cobrir a área original, podendo até mesmo faltarem eNodeBs para atender os
objetivos de cobertura e capacidade.
Sensibilidade Requerida Recepção - 5 MHz
-98 dBm
Sensibilidade Requerida Recepção - 10 MHz
-95 dBm
Sensibilidade Requerida Recepção - 15 MHz
-93,2 dBm
Sensibilidade Requerida Recepção - 20 MHz
-92 dBm
Tabela 3.2 – Sensibilidade Requerida na Recepção para a modulação QPSK [13].
Utilizando a equação 3.1-1 e a tabela 3.1, que apresenta os valores
adotados no Link Budget de Downlink, podemos determinar o valor de L em dB:
L DL = 48dBm + 18dBi − 3dB − 0 − (− 92dBm) + 0 − 0 + 0 − 4
3.1-2
LDL = 151dB
3.1-3
3.1.2.
Link Budget de Uplink
Na tabela 3.3 encontramos os parâmetros necessários e os valores
adotados para o cálculo do Link Budget de Uplink.
Potência de Transmissão
23 dBm
Ganho da Antena Transmissora
0 dBi
Perdas na Transmissão
0 dB
SNR
0 dB
Sensibilidade Requerida Recepção
-101,5 dBm
Ganho da Antena Receptora
18 dBi
Perdas na Recepção
3 dB
Ganho de Diversidade
3 dB
Margem de Desvanecimento
4 dB
Tabela 3.3 – Valores dos Parâmetros para o Link Budget de Uplink.
43
A potência de transmissão adotada para o móvel se refere à máxima
potência permitida segundo a Série 36101 da 3GPP [13], com tolerância de 2 dB
para mais ou para menos.
O valor adotado para a Sensibilidade Requerida na Recepção está de
acordo com a Série 36104 da 3GPP [14], sendo que os valores para as faixas de
freqüência de 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz e 20 MHz são de -101,5 dBm para as
modulações QPSK, 16 QAM e 64 QAM.
Utilizando a equação 3.1-1 e a tabela 3.3, que apresenta os valores
adotados no Link Budget de Uplink, determinamos o valor de L em dB.
LUL = 23dBm + 0 − 0 − 0 − (− 101,5dBm) + 18dBi − 3dB + 3dB − 4dB
LUL = 138,5dB
3.1-4
3.1-5
Comparando os resultados das equações 3.1-3 e 3.1-5, concluímos que a
máxima perda de propagação permitida ocorre no Link Budget de Uplink,
conforme esperado, sendo este o valor que deverá ser adotado no cálculo do
raio teórico da célula.
3.2.
Cálculo do Raio Teórico
No dimensionamento de sistemas de comunicações sem fio, necessitamos
uma adequada escolha de modelos de propagação. De modo geral, os modelos
de propagação provêem estimativas das perdas de propagação considerando,
distância entre transmissor e receptor, fatores de terreno, altura das antenas
transmissoras e receptoras e as freqüências utilizadas.
O modelo de propagação escolhido para ser utilizado neste trabalho é o
modelo SUI (Stanford University Interin), que é uma extensão do trabalho
realizado anteriormente por Erceg et al, para determinar a cobertura da rede
[15].
Este modelo foi escolhido, pois é indicado pelo 3GPP para o planejamento
de redes WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), padrão
IEEE 802.16, que utilizam as faixas de freqüência de 2.5 GHz e 3.5 GHz,
cobrindo a necessidade que teremos em nosso dimensionamento LTE.
44
O modelo SUI distingue diferentes categorias para diferentes terrenos, que
podem ser classificados como sendo do tipo:
•
Terreno Tipo A – Terreno Montanhoso com Alta ou Moderada
Densidade de Árvores;
•
Terreno Tipo B – Terreno Montanhoso com Baixa Densidade de
Árvores ou Planície com Alta ou Moderada Densidade de Arvores;
•
Terreno Tipo C – Planície de Baixa Densidade de Árvores.
Para nossa análise, escolhemos a categoria A, pois com esta categoria
estaremos realizando o dimensionamento para o prior caso, resultando em uma
quantidade maior de estações rádio base.
As perdas de propagação (Path Loss, Path Attenuation) pelo modelo (em
dB) são descritas da seguinte forma:
 d 
L = A + 10γ log   + X f + X h + s
 d0 
Que é valida para
d > d0
, visto que
d 0 = 100m
3.2-1
representa a distância de
Xf
d
referência e A é a perda no espaço livre na distância 0 . O termo
é a
correção da freqüência,
X h é a correção da altura da antena receptora,
s corresponde ao desvanecimento dado pelo tipo de terreno e γ é o expoente
de perda do caminho em função da altura da estação rádio base. O termo λ na
equação 3.2-2 representa o comprimento de onda associado à freqüência de
operação do sistema.
 4πd 0 
A = 20 log

 λ 
3.2-2
 f 
X f = 6 log 

 2000 
3.2-3
45
Onde f é a freqüência em MHz.
h
X h = −10.8 log  
2
3.2-4
Para terrenos do Tipo A e Tipo B e,
 h
X h = −20 log 
 2
3.2-5
Para terrenos do Tipo C, onde h é a altura da antena receptora, onde 2 m
≤ h ≤ 10 m.
γ = a − b.hb +
c
hb
3.2-6
Onde as constantes a , b e c foram determinadas empiricamente, e
podem ser obtidas na tabela 3.4. A altura da antena da estação rádio base,
deve ter valores entre 10 e 80 metros.
Parâmetro Terreno Tipo A Terreno Tipo B Terreno Tipo C
a
4.6
4.0
3.6
b (1/m)
0.0075
0.0065
0.0050
c (m)
12.6
17.1
20.0
Tabela 3.4 – Valores dos Parâmetros do Modelo SUI.
Neste trabalho adotamos a seguinte configuração:
•
f = 2.6GHz
•
h = 2m
•
hb = 30m
•
s = 4 dB
hb
46
Obtendo os seguintes resultados para cada parâmetro:
Perda no Espaço Livre

4.π .100
A = 20. log
8
6
 3.10 2600.10



3.2-7
A = 80,74dB
3.2-8
Correção da Freqüência
 2600.10 6
X f = 6. log
 2000



X f = 0,6836dB
3.2-9
3.2-10
Correção da Altura da Antena Receptora
2
X h = −10,8. log 
2
3.2-11
X h = 0dB
3.2-12
Perda do Caminho em Função da Altura da Antena Transmissora
γ = 4,6 − 0,0075.30 +
12,6
30
γ = 4,79dB
3.2-13
3.2-14
Substituindo valores na equação 3.2-1, temos:
 d 
L = 80,74dB + 10.4,79. log
 + 0,6836dB + 0 + 4dB
 100 
3.2-15
47
Com os valores de L calculados nas seções 3.1.1 (Link Budget de
Downlink) e 3.1.2 (Link Budget de Uplink), conforme os resultados demonstrados
na tabela 3.5, realizamos o balanceamento do canal utilizando a equação 3.2-15
e a maior perda de percurso (L) permitida, 138,5 dB, para a determinação do raio
máximo das células.
Link Budget
Perda de Percurso (L)
Downlink
151 dB
Uplink
138,5 dB
Tabela 3.5 – Valores calculados no Link Budget.
Substituindo o resultado da máxima perda de percurso permitida na
equação 3.2-15, obtemos a máxima distância de atuação de uma célula (d):
 d 
138,5dB = 80,74dB + 10.4,79. log
 + 0,6836dB + 0 + 4dB
 100 
R = d ≅ 1,3Km
3.2-16
3.2-17
Existem ferramentas de predição que permitem obter com maior precisão o
resultado do cálculo realizado, tornando possível a análise visual e um
dimensionamento mais preciso. Tais ferramentas de predição consideram outros
fatores, como edificação e relevo no cálculo de cobertura da estação rádio base
do sistema.
3.3.
Cálculo do Máximo Throughput Teórico
O throughput oferecido na camada física de uma estação rádio base LTE,
pode ser calculado levando-se em consideração o tempo do símbolo, a
modulação a ser utilizada na interface aérea (QPSK, 16 QAM, 64 QAM) e o
número de subportadoras disponíveis, que está diretamente relacionada à banda
adotada no sistema (como visto, a banda varia de 1.4 até 20 MHz), conforme
equação 3.3-1 [3].
48
Throughput = TempodeSímbolo × Bits × Subportadoras
3.3-1
Conforme mencionado na seção 2.5.2, o tempo de transmissão de um
símbolo é de 71,367 µs.
Vamos calcular o throughput na camada física para as bandas de 5 MHz,
10 MHz, 15 MHz e 20 MHz. Desta forma, a quantidade de subportadoras
capazes de transportar dados é apresentado na tabela 3.6 [3]:
Largura de Banda
Subportadoras
5 MHz
300
10 MHz
600
15 MHz
900
20 MHz
1200
Tabela 3.6 – Largura de Banda e Subportadoras LTE.
Cada modulação adotada no sistema é capaz de transportar uma
quantidade de bits por símbolo, sendo que a tabela 3.7 traz a capacidade de
cada uma.
Modulação
Bits por Símbolo
QPSK
2
16 QAM
4
64 QAM
6
Tabela 3.7 – Capacidade de bits por símbolo das modulações utilizadas no downlink.
Utilizando as informações ilustradas nas tabelas 3.6 e 3.7, e fazendo-se
uso da equação 3.3-1, somos capazes de determinar o throughput para cada
modulação e largura de banda disponível. Como exemplo, vamos calcular o
throughput para a modulação 64 QAM.
•
5 MHz e 64 QAM
Throughput = 1 0.000071367 × 6 × 300
3.3-2
49
Throughput = 25,2 Mbps
•
•
•
3.3-3
10 MHz e 64 QAM
Throughput = 1 0.000071367 × 6 × 600
3.3-4
Throughput = 50,4 Mbps
3.3-5
15 MHz e 64 QAM
Throughput = 1 0.000071367 × 6 × 900
3.3-6
Throughput = 75,7 Mbps
3.3-7
20 MHz e 64 QAM
Throughput = 1 0.000071367 × 6 × 1200
3.3-8
Throughput = 100,9 Mbps
3.3-9
Nas tabelas 3.8, 3.9, 3.10 e 3.11, constam os valores do throughput
calculados, fazendo-se uso da equação 3.3-1 para as bandas de 5 MHz até 20
MHz com as modulações QPSK, 16 QAM e 64 QAM. A figura 3.1 ilustra estes
resultados.
Largura de Banda e
Modulação
Throughput (Mbps)
5 MHz – QPSK
8,4
5 MHz – 16 QAM
16,8
5 MHz – 64 QAM
25,2
Tabela 3.8 – Throughput para largura de banda de 5 MHz.
Largura de Banda e
Modulação
Throughput (Mbps)
10 MHz – QPSK
16,8
10 MHz – 16 QAM
33,6
50
10 MHz – 64 QAM
50,4
Tabela 3.9 – Throughput para largura de banda de 10 MHz.
Largura de Banda e
Modulação
Throughput (Mbps)
15 MHz – QPSK
25,2
15 MHz – 16 QAM
50,4
15 MHz – 64 QAM
75,7
Tabela 3.10 – Throughput para largura de banda de 15 MHz.
Largura de Banda e
Modulação
Throughput (Mbps)
20 MHz – QPSK
33,6
20 MHz – 16 QAM
67,3
20 MHz – 64 QAM
100,9
Tabela 3.11 – Throughput para largura de banda de 20 MHz.
Quando uma configuração MIMO 2x2 é utilizada, o throughput pode atingir
valores de até 173 Mbps, e quando for utilizada a configuração MIMO 4x4,
podemos chegar a taxas de transferência de até 326 Mbps [3].
Máximo Throughput Teórico
120
100,9
100
75,7
67,3
80
50,4
50,4
60
33,6
33,6
40
20
25,2
25,2
8,4
16,8
16,8
0
5 MHz
10 MHz
QPSK
15 MHz
16 QAM
20 MHz
64 QAM
Figura 3.1 - Throughput na camada física do LTE.
51
3.4.
Cálculo da Máxima Eficiência Espectral
A eficiência espectral para cada modulação pode ser calculada através da
equação 3.4-1, e os resultados são apresentados na figura 3.2.
Ef .Espectral = Throughput L arg uraBanda
3.4-1
Onde:
•
Eficiência Espectral [bits/seg./hertz];
•
Throughput [Mbps];
•
Largura de Banda [MHz]
Máxima Eficiência Espectral
5,05
5,00
3,37
4,00
3,00
1,68
2,00
1,00
0,00
QPSK
16QAM
64QAM
Figura 3.2 – Eficiência Espectral do LTE.
3.5.
Cálculo da Capacidade do Canal e da Relação Sinal Ruído (SNR)
O tipo de modulação utilizado em sistemas de comunicações móveis tem
influência na área de serviço de um sistema. Cada tipo de modulação tem um
requisito mínimo de relação entre os níveis de sinal, ruído e interferência (SINR).
Em uma célula, esta relação varia de um ponto para o outro, podendo fazer com
52
que em algumas áreas o requisito mínimo não seja atendido para os tipos de
modulação disponíveis. Se isto ocorrer, a qualidade oferecida não será suficiente
para que os serviços requisitados sejam atendidos.
Um importante ponto a ser destacado é que o ruído tratado é o AWGN
(Additive White Gaussian Noise), um ruído branco adicionado ao sinal, assim
utilizaremos o termo SNR (Sinal Ruído) em vez de SINR.
As larguras dos canais utilizados influem diretamente na capacidade de um
sistema, conforme o teorema de Shannon-Hartley, que afirma que a capacidade
máxima, em bits por segundo, de um canal sujeito ao ruído pode ser calculada
por:
C = BW . log 2 (1 + SNR)
3.5-1
Onde:
•
C - Capacidade do Canal [bps];
•
BW - É a largura de faixa do canal utilizado [Hz];
•
SNR - É a relação Sinal/Ruído [dB]
Teoricamente a taxa máxima de comunicação R que pode ser usada neste
tipo de canal é menor ou igual à capacidade C do canal dependendo do
esquema de modulação/codificação utilizado.
A taxa máxima de comunicação dependerá, portanto, da largura de faixa
do canal alocado e das condições de propagação do canal de RF (da relação
Sinal/Ruído). A interferência sentida irá influenciar no tipo de modulação que
pode ser utilizada, causando efeito diretamente na capacidade do canal.
Na seção 3.3, calculamos as capacidades dos canais na camada física
para larguras de faixa que variaram de 5 MHz até 20 MHz, para as modulações
QPSK, 16 QAM e 64 QAM, no entanto, não levamos em consideração as taxas
de códigos. Nesta seção iremos determinar a capacidade dos canais e também
o SNR requerido para que cada modulação seja utilizada.
A tabela 3.12 mostra as taxas de códigos que serão consideradas para o
cálculo da capacidade do canal desta seção.
53
Modulação
Taxa de Códigos
QPSK
1/2
QPSK
3/4
16 QAM
1/2
16 QAM
3/4
64 QAM
1/2
64 QAM
2/3
64 QAM
3/4
64 QAM
5/6
Tabela 3.12 – Taxa de Código de Modulação.
A taxa de código indica a proporção dos bits de cada modulação que é
transmitida como informação em cada símbolo. Como exemplo, para a
modulação 64 QAM, que é capaz de transmitir 6 bits por símbolo, quando uma
taxa de modulação de 5/6 é utilizada, apenas 5 bits serão transmitidos como
informação.
Levando em consideração os valores das taxas de códigos de cada
modulação que compõem a tabela 3.12, e fazendo uso da equação 3.5-2
(adaptação da equação 3.3-1, com inclusão da taxa de códigos), os valores de
throughput calculados na seção 3.3 podem ser determinados novamente.
Throughput = TempodeSímbolo × Bits × Taxa × Subportadoras
3.5-2
Nas tabelas 3.13, 3.14, 3.15 e 3.16, constam os valores do throughput
calculados, fazendo-se uso da equação 3.5-2 para as bandas de 5 MHz até 20
MHz com as modulações QPSK, 16 QAM e 64 QAM e respectivas taxas de
códigos.
Modulação
Taxa de Códigos
Throughput (Mbps)
QPSK
1/2
4,20
QPSK
3/4
6,31
16 QAM
1/2
8,41
16 QAM
3/4
12,61
64 QAM
1/2
12,61
54
64 QAM
2/3
16,81
64 QAM
3/4
18,92
64 QAM
5/6
21,02
Tabela 3.13 – Throughput para largura de banda de 5 MHz, adotando taxa de código.
Modulação
Taxa de Códigos
Throughput (Mbps)
QPSK
1/2
8,41
QPSK
3/4
12,61
16 QAM
1/2
16,81
16 QAM
3/4
25,22
64 QAM
1/2
25,22
64 QAM
2/3
33,63
64 QAM
3/4
37,83
64 QAM
5/6
42,04
Tabela 3.14 – Throughput para largura de banda de 10 MHz, adotando taxa de código.
Modulação
Taxa de Códigos
Throughput (Mbps)
QPSK
1/2
12,61
QPSK
3/4
18,92
16 QAM
1/2
25,22
16 QAM
3/4
37,83
64 QAM
1/2
37,83
64 QAM
2/3
50,44
64 QAM
3/4
56,75
64 QAM
5/6
63,05
Tabela 3.15 – Throughput para largura de banda de 15 MHz, adotando taxa de código.
Modulação
Taxa de Códigos
Throughput (Mbps)
QPSK
1/2
16,81
QPSK
3/4
25,22
16 QAM
1/2
33,63
16 QAM
3/4
50,44
64 QAM
1/2
50,44
55
64 QAM
2/3
67,26
64 QAM
3/4
75,67
64 QAM
5/6
84,07
Tabela 3.16 – Throughput para largura de banda de 20 MHz, adotando taxa de código.
Através da equação 3.5-3, e assumindo que o throughput calculado nas
tabelas 3.13, 3.14, 3.15 e 3.16 representam a capacidade máxima do canal para
cada largura de faixa do canal, podemos encontrar o SNR requerido para cada
modulação e taxa de código.
A equação 3.5-5 traz o resultado de um exemplo do cálculo do SNR, onde
foi considerada a largura de banda de 20 MHz e o throughput de 84,07 Mbps.
C = BW . log 2 (1 + SNR)
3.5-3
84,07 Mbps = 20MHz. log 2 (1 + SNR )
3.5-4
SNR = 12,41dB
3.5-5
A tabela 3.17 traz a informação do SNR requerido para cada modulação e
taxa de código.
Modulação
Taxa de Códigos
SNR (dB)
QPSK
1/2
-1,02
QPSK
3/4
1,45
16 QAM
1/2
3,44
16 QAM
3/4
6,76
64 QAM
1/2
6,76
64 QAM
2/3
9,68
64 QAM
3/4
11,06
64 QAM
5/6
12,41
Tabela 3.17 – SNR requerido para respectivas modulações e taxas de códigos.
Optou-se pela determinação do SNR requerido para cada modulação e
respectiva taxa de código através de cálculos considerando a equação de
56
Shannon-Hartley, pois não foi encontrado na literatura e nas especificações da
3GPP, referências para cálculos dos níveis de projeto.
3.6.
Cálculo da Interferência Co-Canal
Sistemas celulares se baseiam no reuso de freqüências para obter da rede
uma maior capacidade e qualidade na cobertura.
Um conjunto de estações rádio base vizinhos que utilizem todo espectro
disponível formam um cluster.
Na figura 3.3 podemos observar dois clusters formados por um conjunto
de 7 estações rádio base cada, onde D representa a distância de reuso e R o
raio de cada célula.
Figura 3.3 – Cluster.
Através dos valores de D e R , pode-se definir a razão de reuso q , como
pode ser observado na equação 3.6-1.
q=
D
R
3.6-1
Sendo a a área de uma célula hexagonal (omnidirecional) e A a área de
um cluster hexagonal, temos:
a=3 3
R2
2
3.6-2
57
A= 3
Assumindo que N
D2
2
3.6-3
seja o número de estações rádio base (células
hexagonais) que formam um cluster, podemos definir que:
N=
A D2 1  D 
=
=  
a 3R 2 3  R 
2
3.6-4
(3N )2 = D
3.6-5
R
Substituindo 3.6-5 em 3.6-1:
2
D
q =   = 3N
R
3.6-6
2
Fazendo uso da equação 3.6-6, pode-se calcular a razão de reuso q para
diferentes formações de clusters, variando-se o reuso celular N . Na tabela 3.18
temos alguns exemplos.
Fator de Reuso ( N ) Razão de Reuso ( q )
1
1,73205
3
3
4
3,4641
7
4,58258
9
5,19615
Tabela 3.18 – Fator de Reuso e Razão de Reuso Celular.
A configuração celular, com reuso de freqüências para grupos de células
adjacentes, gera uma interferência dentro do sistema denominada de
interferência co-canal.
Esta interferência co-canal pode ser determinada levando-se em
consideração 6 células adjacentes (1º anel) a uma distância D, 12 células
adjacentes (2º anel) a uma distância 2D, ou ainda, 18 células adjacentes (3º
58
anel) a uma distância 3D e assim sucessivamente, conforme ilustrado na figura
3.4.
A relação entre o sinal desejado e a interferência co-canal é dada por:
S
=
I
S
6
12
3.6-7
18
∑ I k1 +
∑ Ik2 +
∑I
k 1=1
k 2 =1
k 3=1
k3
+ ...
Onde:
•
S = C × d −γ - Intensidade do sinal desejado transmitido a uma
distância d do transmissor;
•
I kn = C ⋅ D kn−γ - Intensidade do sinal interferente devido a
células no n-ésimo anel, a uma distância Dkn do transmissor;
•
γ - Fator de variação da perda de propagação com a
distância;
•
C
-
Constante
que
depende
das
características
do
transmissor e de parâmetros que influenciam a propagação
tais como altura das antenas, freqüência entre outros.
Figura 3.4 – Interferência dos anéis adjacentes.
59
Se pudéssemos considerar um móvel na borda da célula, assumimos
assim que a distância d do transmissor seja aproximadamente igual ao raio
celular, d ≅ R e para D >> R temos que Dkn ≅ nD e conseqüentemente:
S
Cd −γ
=
I 6CD −γ + 12C (2 D) −γ + 18C (3D) −γ + ...
S
≅
I
 D
6
 RC
3.6-8
1



−γ
(
3.6-9
)
⋅ 1 + 2 −γ ⋅ 2 + 3 −γ ⋅ 3 + ...
S
≅
I
 D
6
 RC
1



−γ
3.6-10
∞
⋅ ∑ k 1−γ
k =1
Através de uma aproximação que leva em consideração somente o
primeiro anel interferente tem-se:
S
1
≅
I
 D
6
 RC



−γ
3.6-11
S qγ
=
I
6
3.6-12
Através da equação 3.6-12, observamos que a relação S I (SIR) é maior
quando adotamos um maior fator de reuso co-canal, maior valor para N .
SIR (dB)
N=1
N=3
N=4
N=7
N=9
Terreno A
3,65746
15,09645
18,09185
23,91871
26,53542
Terreno B
2,655506
13,09254
15,82557
21,14205
23,52956
Terreno C
2,039225
11,85998
14,43163
19,43418
21,68072
Tabela 3.19 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente.
60
A tabela 3.19 traz a relação SIR calculada através da equação 3.6-12 para
os casos onde o reuso N adotado varia de 1 a 9 para as três categorias de
terreno observado no modelo de propagação de Erceg et al, lembrando que o
fator de variação da perda de propagação com a distância, γ , pode ser
calculado através da equação 3.2-6, onde a altura da antena transmissora seja
hb = 30m .
Considerando também os efeitos do segundo anel interferente temos:
S
1
=
I
 D
6
 RC



−γ
⋅
1
1 + 21−γ
(
)
3.6-13
S qγ
1
=
⋅
I
6 (1 + 21−γ )
3.6-14
SIR (dB)
N=1
N=3
N=4
N=7
N=9
Terreno A
3,355338
14,79433
17,78973
23,61659
26,2333
Terreno B
2,255863
12,6929
15,42592
20,74241
23,12992
Terreno C
1,565349
11,3861
13,95775
18,96031
21,20684
Tabela 3.20 – Relação SIR considerando o primeiro e o segundo anel interferente.
Observando os valores de SIR para os cenários onde levamos em
consideração o primeiro anel interferente, tabela 3.19 e também o segundo anel
interferente, tabela 3.20, concluímos que para o terreno do tipo A, que adotamos
para a realização do dimensionamento de capacidade e cobertura, e com o fator
de reuso N = 1 , os usuários da borda estariam atendidos com as modulações
QPSK ½ e QPSK ¾, que segundo a tabela 3.17 requerem uma SNR mínima de
-1,02 dB e 1,45 dB respectivamente para operar.
Se adotássemos no sistema um fator de reuso N = 3 , com o auxilio das
tabelas 3.17 e 3.20, podemos concluir que os usuários de borda estariam
atendidos com todas as possibilidades de modulação do sistema, QPSK, 16
QAM e 64 QAM.
De acordo com a literatura e com o 3GPP, o sistema LTE poderá adotar
um fator de reuso de freqüências unitário,
N = 1 , desta forma, outras
61
possibilidades podem ser levadas em consideração para que a relação SIR seja
melhorada, tais como a redução da altura da antena transmissora ou ainda a
setorização, que consiste na divisão das células em setores, sendo cada um
destes setores iluminados por uma antena direcional independente que recebe
um subconjunto de freqüências. Na prática a setorização tripla e sêxtupla são
adotadas em sistemas celulares, sendo a setorização tripa a mais usual.
3.6.1.
Cálculo da Interferência Co-Canal com Setorização Tripla
A setorização tripla consiste na divisão celular em setores de 120º. Para
facilitar a compreensão dos benefícios que a setorização pode trazer quanto à
diminuição da interferência co-canal, analisando a figura 3.5 podemos observar
que apenas as células 4 e 5 possuem setores voltados para a célula interferida
que possuem o mesmo subconjunto de freqüências.
Figura 3.5 – Interferência com setorização tripla.
Se considerarmos somente o primeiro anel interferente, a relação SIR será
dada por:
S
≅
I
1
 D

∑
k =1  RC
2



−γ
3.6-15
62
S qγ
=
I
2
3.6-16
Para definirmos o ganho que a setorização tripla tem em relação a
sistemas que não utilizam a setorização, podemos definir que:
G=
SIRcélula setorizada
SIRcélula sem setorização
3.6-17
Substituindo as equações 3.6-12 e 3.6-16 em 3.6-17, temos:
G=
(q γ / 2)
( q γ / 6)
3.6-18
G =3
3.6-19
Aplicando o logaritmo na equação 3.6-19, temos que o ganho da
setorização tripla em relação a sistemas sem setorização é:
G dB = 10 log 10 (3)
3.6-20
G dB = 4,77dB
3.6-21
Recalculando a relação SIR considerando a setorização tripla, e altura da
antena transmissora hb = 30m , chegamos aos valores da tabela 3.21.
SIR (dB)
N=1
N=3
N=4
N=7
N=9
Terreno A
8,428672
19,86766
22,86306
28,68993
31,30664
Terreno B
7,426719
17,86375
20,59678
25,91326
28,30077
Terreno C
6,810438
16,63119
19,20284
24,2054
26,45193
Tabela 3.21 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente com setorização
tripla.
63
Considerando o fator de reuso N = 1 e o terreno do tipo A, temos uma SIR
de aproximadamente 8,43 dB o que seria suficiente para que os usuários na
borda das células estivessem atendidos pelas modulações QPSK ½, ¾, 16 QAM
½, ¾ e pela modulação 64 QAM ½, que segundo a tabela 3.17 requerem uma
SNR mínima de -1,02 dB, 1,45 dB, 3,44 dB, 6,76 dB e 6,76 dB respectivamente
para operar.
3.6.2.
Cálculo da Interferência Co-Canal com Setorização Sêxtupla
A setorização sêxtupla consiste na divisão celular em setores de 60º.
Analisando a figura 3.6 podemos observar que apenas a célula 4 possui um
setor voltado para a célula interferida que possui o mesmo subconjunto de
freqüências.
Figura 3.6 – Interferência com setorização sêxtupla.
Se considerarmos somente o primeiro anel interferente, a relação SIR será
dada por:
S
≅
I
1
 D

∑
k =1  RC
1
S
= qγ
I



−γ
3.6-22
3.6-23
64
Para definirmos o ganho que a setorização sêxtupla apresenta em relação
a sistemas que não utilizam a setorização, podemos definir que:
G=
SIRcélula setorizada
SIRcélula sem setorização
3.6-24
Substituindo as equações 3.6-12 e 3.6-23 em 3.6-24, temos:
G=
qγ
( q γ / 6)
3.6-25
G =6
3.6-26
Aplicando o logaritmo na equação 3.6-26, temos que o ganho da
setorização tripla em relação a sistemas sem setorização é:
G dB = 10 log 10 (6)
3.6-27
G dB = 7,78dB
3.6-28
Recalculando a relação SIR considerando a setorização sêxtupla, e altura
da antena transmissora hb = 30m , chegamos aos valores da tabela 3.22.
SIR (dB)
N=1
N=3
N=4
N=7
N=9
Terreno A
11,43897
22,87796
25,87336
31,70023
34,31694
Terreno B
10,43702
20,87405
23,60708
28,92356
31,31107
Terreno C
9,820737
19,64149
22,21314
27,2157
29,46223
Tabela 3.22 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente com setorização
sêxtupla.
Considerando o fator de reuso N = 1 e o terreno do tipo A, temos uma SIR
de aproximadamente 11,43 dB o que seria suficiente para que os usuários na
borda das células estivessem atendidos por todas as modulações do sistema,
65
QPSK, 16 QAM e 64 QAM, com exceção da modulação 64 QAM com taxa de
códigos 5/6, que segundo a tabela 3.17 requerem uma SNR mínima de 12,41 dB
para operar.
Analisando os resultados das seções 3.6.1 e 3.6.2, percebemos que se
pode utilizar o reuso unitário ( N = 1 ) em sistemas LTE sem que os usuários da
borda estejam desprovidos de cobertura e serviço.
3.7.
Cálculo do Raio em Função da Modulação e SNR
Na seção 3.2 calculamos o raio máximo teórico da célula adotando valores
nulos para a SNR requerida no sistema. O valor encontrado naquela seção é
importante quando desejamos determinar a quantidade de estações rádio base
necessárias para cobrir a área na qual se pretende oferecer o serviço celular,
mas não deve ser levada em consideração na determinação do número de
estações necessárias para um determinado tipo de serviço, como por exemplo a
taxa de transferência (bps).
Nesta seção iremos repetir o que foi realizado na seção 3.2 levando-se em
consideração os valores de SNR Requeridos para cada taxa de modulação, ou
ainda, para cada MCS (Modulation and Coding Schemes) a fim de determinar os
raios máximos de modulação e respectivo throughput.
Fazendo uso de ferramentas de predição também conseguimos determinar
a área de atuação de cada modulação, levando-se em consideração outros
fatores não considerados nos cálculos, tais como o relevo.
No LTE, o principal indicador relacionado à capacidade de transferência de
dados é a distribuição do SNR ao longo da célula.
Conforme verificado anteriormente, a máxima perda permitida no sistema
(L) ocorre no uplink, sendo assim, nesta seção realizaremos os cálculos somente
para o Link Budget de Uplink, substituindo os valores de SNR requeridos para
cada MCS.
A tabela 3.23 abaixo repete o que está ilustrado na tabela 3.17.
Modulação
Taxa de Códigos
SNR (dB)
QPSK
1/2
-1,02
QPSK
3/4
1,45
16 QAM
1/2
3,44
66
16 QAM
3/4
6,76
64 QAM
1/2
6,76
64 QAM
2/3
9,68
64 QAM
3/4
11,06
64 QAM
5/6
12,41
Tabela 3.23 – SNR requerido para respectivas modulações e taxas de códigos.
A tabela 3.24 traz as mesmas informações da tabela 3.3, com a diferença
que o SNR adotado não será nulo e receberá valores variáveis de acordo com
cada MCS representado na tabela 3.23.
Potência de Transmissão
23 dBm
Ganho da Antena Transmissora
0 dBi
Perdas na Transmissão
0 dB
SNR
Variável
Sensibilidade Requerida Recepção
-101,5 dBm
Ganho da Antena Receptora
18 dBi
Perdas na Recepção
3 dB
Ganho de Diversidade
3 dB
Margem de Desvanecimento
4 dB
Tabela 3.24 – Valores dos Parâmetros para o Link Budget de Uplink.
Com auxílio das tabelas 3.23, 3.24 e a equação 3.7-1, somos capazes de
determinar os valores de L para cada MCS.
Como exemplo, calculamos para a modulação 64 QAM e taxa de código
5/6, a qual requer uma SNR de 12,08 dB.
L = Ptx + Gtx − Ltx − SNR Re querida − Srx + Grx − Lrx + Gdv − M
LUL = 23dBm + 0 − 0 − 12,41dB − (− 101,5dBm) + 18dBi − 3dB + 3dB − 4dB
LUL = 126,09dB
3.7-1
3.7-2
3.7-3
67
Substituindo o resultado da equação 3.7-3 em 3.7-4, chegamos ao máximo
raio de atuação da modulação 64 QAM - 5/6 (equação 3.7-6).
 d 
L = 80,74dB + 10.4,79. log 
 + 0,6836dB + 0 + 4dB
 100 
3.7-4
 d 
126,09dB = 80,74dB + 10.4,79. log
 + 0,6836dB + 0 + 4 dB
 100 
3.7-5
R = d ≅ 705m
3.7-6
Na tabela 3.25 constam os valores dos raios calculados para as demais
modulações e respectivas taxas de códigos, da mesma forma como foi
demonstrado no exemplo acima.
Modulação
Taxa de Códigos
SNR (dB)
Raio (m)
QPSK
1/2
-1,02
1343
QPSK
3/4
1,45
1193
16 QAM
1/2
3,44
1084
16 QAM
3/4
6,76
924
64 QAM
1/2
6,76
924
64 QAM
2/3
9,68
804
64 QAM
3/4
11,06
752
64 QAM
5/6
12,41
705
Tabela 3.25 – Raio de atuação das Modulações e respectivas taxas de códigos (MCS).
As figuras 3.7, 3.8, 3.9 e 3.10 ilustram a variação do throughput conforme a
distância para as larguras de banda de 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz e 20 MHz
respectivamente.
Conforme a distância entre a transmissão e a recepção se torna maior, os
níveis de Sinal Ruído (SNR) se tornam menores devido ao acréscimo das perdas
de propagação, logo, níveis de modulação que requerem valores de SNR
maiores não poderão ser empregados, fazendo com que modulações robustas
sejam adotadas.
68
Figura 3.7 – Variação do Throughput (Mbps) conforme a distância (m) para largura de
banda de 5 MHz.
Observando os gráficos, pode-se notar que a máxima distância de atuação
das modulações não se altera mesmo variando-se a largura de banda, devido ao
fato que a sensibilidade requerida na recepção da estação rádio base ser a
mesma para as quatro larguras de banda utilizadas no cálculo, -101,5 dBm [14],
lembrando que o Link Budget está limitado no uplink.
Figura 3.8 – Variação do Throughput (Mbps) conforme a distância (m) para largura de
banda de 10 MHz.
69
Outro ponto importante, que pode ser observado nos gráficos, destaca
para distâncias menores do que 620 metros o throughput não sofre variações,
embora as condições rádio possam ser ainda melhores (SNR), pois a
capacidade máxima de transporte de dados do canal já foi alcançada, conforme
vimos na seção 3.5.
Figura 3.9 – Variação do Throughput (Mbps) conforme a distância (m) para largura de
banda de 15 MHz.
Figura 3.10 – Variação do Throughput (Mbps) conforme a distância (m) para largura de
banda de 20 MHz.
70
O máximo throughput atingido com 20 MHz de banda é de 100,9 Mbps,
logo taxas de dados maiores não serão atingidas devido ao limite que existe no
canal de transmissão, com a máxima taxa de dados sendo atingida com 6 bits
(64 QAM) por símbolo.
4
Estudo de Caso
4.1.
Introdução
A crescente demanda pelos serviços de banda larga móvel, principalmente
em países subdesenvolvidos, impulsiona o mercado e entidades acadêmicas
para o desenvolvimento de novas tecnologias capazes de suportar as
necessidades dos usuários residentes em localidades afastadas ou carentes da
cobertura e qualidade dos serviços oferecidos pela banda larga fixa.
Atualmente no Brasil, o UMTS (3G) vem sendo cada vez mais utilizado por
estes usuários, que contentes em um primeiro momento por estarem utilizando
um serviço banda larga, passam a desejar cada vez mais, maiores taxas para a
transmissão de seus dados.
Figura 4.1 – Massificação da banda larga móvel, relação do crescimento mundial de
dados em comparação ao serviço de voz [16].
72
O estudo de caso realizado neste capítulo, mostra a implementação de um
projeto que consiste no dimensionamento de cobertura e capacidade de uma
rede de acesso sem fio para prover serviços de banda larga móvel em uma
região da cidade do Rio de Janeiro, com área de aproximadamente 45 km2.
Podemos observar no gráfico exposto na figura 4.2 que, em 2014,
aproximadamente 80% das conexões banda larga sejam devido às conexões
móveis, HSPA e LTE.
Figura 4.2 – Previsão do crescimento da banda larga móvel em comparação com o
serviço de voz. Aproximadamente 80% devido HSPA/LTE [16].
4.2.
Cálculo da Quantidade de Estações Necessárias para Cobertura
A máxima perda de propagação permitida ao longo do caminho (L)
calculada na seção 3.1 (tabela 3.5), conforme configuração adotada para o
sistema celular foi utilizada na seção 3.2 para a determinação do raio máximo de
cobertura de uma célula, resultado observado na equação 3.2-17, que é de
aproximadamente 1,3 Km.
A área para a qual se pretende prover o serviço celular neste trabalho é da
ordem de 45 km2 e através da equação 3.6-2, introduzida na seção 3.6 e
73
repetida abaixo (equação 4.2-1), pode-se obter a área de cobertura de cada
estação rádio base.
3 3R 2
2
4.2-1
3 3 (1,3km) 2
2
4.2-2
a=
a=
4.2-3
a = 4,4km 2
Sabendo que a região a ser atendida tem uma área de aproximadamente
45 km2, e que a área de cobertura de uma célula é de 4,4 km2, com a equação
4.2-4 encontramos a quantidade de estações rádio base necessárias para prover
a cobertura da região, ressaltando que o resultado da equação deverá ser
arredondado.
N º EstaçõesCobertura =
ÁreaDeCobertura
ÁreaCelular
4.2-4
45Km 2
4,4 Km 2
4.2-5
N º EstaçõesCobertura =
N º EstaçõesCobertura ≅ 10
4.2-6
4.3.
Cálculo da Quantidade de Estações Necessárias para Capacidade
Para o dimensionamento da quantidade de estações necessárias para
capacidade, deve ser levada em consideração qual o throughput médio que se
espera oferecer na rede.
A melhor maneira para estimar o throughput celular é o mapeamento da
distribuição da relação sinal ruído ao longo da célula (SNR), que irá variar de
74
acordo com os MCS (Modulation and Coding Schemes) utilizados pelos
usuários.
No LTE assumimos que para a cobertura o limite é o uplink, fato
comprovado anteriormente, onde o Link Budget de Uplink indicou a máxima
perda suportável pelo sistema, e a limitação de capacidade é dada pelo
downlink.
Desta forma, partindo do princípio que desejamos garantir um throughput
médio da ordem de 25 Mbps na célula, ao utilizamos uma largura de banda de
20 MHz, com o auxilio das tabelas 3.16 e 3.25 chegamos à conclusão que o
SNR a ser garantida é de 1,45 dB e que a modulação e a taxa de código
utilizada será a QPSK ¾.
Almejando a garantia de uma SNR igual ou superior a 1,45 dB, devemos
determinar a área de atuação das células limitadas ao raio de 1193 metros
(tabela 3.25).
3 3R 2
2
4.3-1
3 3 (1,193km) 2
2
4.3-2
a = 3,7 km 2
4.3-3
a=
a=
Sabendo que a região a ser atendida tem uma área de aproximadamente
45 km2, e que a área de cobertura de uma célula é de 3,7 km2, com a equação
4.3-4 encontramos a quantidade de estações rádio base necessárias para prover
a capacidade necessária na região, ressaltando que o resultado da equação
deverá ser arredondado.
N º EstaçõesCapacidade =
ÁreaDeCobertura
ÁreaCelular
4.3-4
45Km 2
3,7 Km 2
4.3-5
N º EstaçõesCapacidade =
75
N º EstaçõesCapacidade ≅ 12
4.3-6
Com o resultado encontrado, podemos assegurar que com 12 estações
rádio base somos capazes de garantir a SNR de 1,45 dB no limite celular, desta
forma, o usuário poderá usufruir de throughputs que variam de acordo com a
largura de banda utilizada pela rede celular conforme valores demonstrados na
tabela 4.1.
Largura de Banda
Throughput (Mbps)
5 MHz
6,31
10 MHz
12,61
15 MHz
18,92
20 MHz
25,22
Tabela 4.1 – Throughput dimensionado para o limite celular com SNR de 1,45 dB.
4.4.
Projeto de Rede
A região a ser atendida pela rede celular se estende por uma área de
aproximadamente 45 km2, a figura 4.3 apresenta esta área e seu relevo com a
distribuição espacial das 12 estações rádio base (eNodeBs) a serem utilizadas.
Figura 4.3 – Relevo da região a ser atendida pelo serviço de banda larga móvel.
76
A marcação em forma de círculo observada na figura 4.3 representa a área
de 45 km2 para a qual se pretende oferecer a cobertura e serviço.
Na teoria, poderíamos distribuir as eNodeBs na região de forma
eqüidistante umas das outras, no entanto, em projetos reais deve-se, por
exemplo, levar em consideração o reuso de estruturas de estações existentes
(utilizadas por outras tecnologias) de forma a reduzir a poluição visual e os
investimentos em novas estruturas. A figura 4.4 ilustra novamente a distribuição
das eNodeBs onde se pode observar também a concentração de edificações da
região.
Figura 4.4 – Ilustração da distribuição das eNodeBs na área a ser atendida.
A altura de cada uma das eNodeBs varia de acordo com o local a ser
utilizado e também do reuso das estruturas existentes. Elas podem estar
localizadas no alto de edifícios, em terrenos próprios ou ainda aproveitar postes
de avenidas.
A tabela 4.2 traz a informação da altura de cada uma das 12 eNodeBs
configuradas para o estudo.
77
eNodeBs
Altura (m)
1
37
2
27
3
38
4
50
5
54
6
33
7
33
8
20
9
30
10
38
11
30
12
30
Tabela 4.2 – Alturas adotadas para as eNodeBs utilizadas no estudo de caso.
Na fase de projeto, com o conhecimento dos serviços que se pretende
oferecer e o crescimento do número de clientes esperado ao longo dos anos
pelo Marketing das operadoras, a área de Engenharia de Rede deve analisar
cuidadosamente os equipamentos existentes no mercado e suas possibilidades
de configuração e capacidade de gerenciamento, a fim de certificar que os
produtos atendem ou não aos requisitos de projeto.
Os equipamentos utilizados neste projeto apresentam as características
informadas na tabela 4.3, considerando que o número de usuários se refere à
soma de todos os usuários que utilizam qualquer serviço em um dado momento.
Banda de Operação
2600 MHz
Faixa de DL
2620 MHz – 2690 MHz
Faixa de UL
2500 MHz – 2570 MHz
Max Taxa de Dados DL (Célula)
173 Mbps
Max Taxa de Dados UL (Célula)
56 Mbps
Número de Células Permitidas
6
Usuários por eNodeB
1000
Potência de Saída (Rádio)
60W; 47 dBm
Tabela 4.3 – Configurações dos equipamentos utilizados.
78
Observando a distribuição e a quantidade das estações radio base
apresentadas na figura 4.4, podemos fazer uma analogia e considerar que uma
rede UMTS (3G) implementada nesta mesma área de cobertura seria capaz de
absorver simultaneamente cerca de 4.608 usuários, 384 usuários por estação
rádio base, estando eles providos do subsistema HSDPA, onde taxas de até
14.4 Mbps podem ser atingidas na teoria. Para chegar a estes números,
consideramos que, cada uma das 12 estações rádio base UMTS estejam
configuradas com duas portadoras de 5 MHz cada (6 células), e que cada célula
absorve até 64 usuários HSDPA.
Além dos usuários
atendidos
pelo
HSDPA teríamos
também a
possibilidade de atendimento de outros usuários capazes de trafegar taxas de
dados menores em banda larga, da ordem de 384 Kbps, e ainda os usuários de
voz.
A rede LTE proposta neste estudo, com 12 eNodeBs instaladas, fazendo
uso do equipamento e respectiva configuração da tabela 4.3, seria capaz de
absorver até 12.000 usuários (1000 usuários por eNodeB), atendidos com
capacidades de throughput celular da ordem de 100 Mbps, sem considerarmos a
utilização de configurações MIMO, o que poderia elevar o throughput a até 173
Mbps no caso de configurações MIMO 2x2, conforme cálculos da seção 3.3.
Ao longo do capítulo 3 realizamos inúmeros cálculos através de equações
teóricas, com base em premissas que foram adotadas para o projeto, que nos
orientaram no dimensionamento de cobertura e capacidade do tráfego de dados
da rede LTE proposta.
Neste capítulo demonstraremos uma aproximação prática do que se pode
esperar da rede LTE dimensionada ao longo deste trabalho. Para tal, imagens
obtidas com o auxilio de ferramentas computacionais de predição irão ilustrar os
resultados obtidos nos cálculos das seções anteriores.
Sensibilidade Requerida Recepção - 5 MHz
-98 dBm
Sensibilidade Requerida Recepção - 10 MHz
-95 dBm
Sensibilidade Requerida Recepção - 15 MHz
-93,2 dBm
Sensibilidade Requerida Recepção - 20 MHz
-92 dBm
Tabela 4.4 – Sensibilidade Requerida na Recepção pela estação móvel.
Na seção 3.1 realizamos o Link Budget do sistema (uplink e downlink), e
para o Link Budget de Downlink o valor de -92 dBm foi adotado como a
79
sensibilidade requerida pela estação móvel, com base na especificação da Série
36101 da 3GPP [13]. A tabela 4.4 refere-se aos valores requeridos por cada
largura de banda adotada.
O valor de -92 dBm foi adotado, pois representará a máxima perda de
propagação (L) possível para o Link Budget de Downlink, sendo que ao
garantirmos este nível de sinal na cobertura do sistema, para qualquer que seja
a largura de banda adotada, a cobertura continuará existindo em níveis
aceitáveis e em condições de oferecer os serviços aos usuários.
Max
0 dBm
-60 dBm
-70 dbm
-80 dBm
-92 dBm
Min
-60 dBm
-70 dBm
-80 dBm
-92 dBm
-100 dBm
Figura 4.5 – Intensidade do Sinal na área de cobertura (RSCP).
A figura 4.5 apresenta o nível RSCP (Received Signal Code Power)
distribuído na região de cobertura, onde se pode observar que em praticamente
toda a área na qual se pretende oferecer serviço móvel, ao menos o sinal de -92
dBm está garantido.
80
Decorrente das configurações que resultaram os resultados da figura 4.5,
pode-se analisar outro resultado que é a figura 4.6. Nesta figura estão ilustrados
em cores diferentes qual o setor se apresenta, para uma respectiva área, como o
melhor servidor entre as 12 eNodeBs que provêem a cobertura da região.
Figura 4.6 – Cobertura Best RSCP (Melhor Servidor).
O melhor servidor representa qual o setor que está em melhores condições
para prover os serviços aos usuários que estão distribuídos ao longo da área de
cobertura.
Quando nos referimos às melhores condições, levamos em consideração
alguns itens tais como: nível de sinal, ruído, interferência entre outros, que juntos
determinarão a capacidade do canal utilizado para transmitir dados aos usuários.
Ao longo da seção 3.7 determinamos o raio de atuação de cada MCS
(Modulation and Coding Schemes) que poderá ser utilizada pelos usuários
distribuídos na área de cobertura através do SNR requerido por cada modulação
e taxa de código. Desta forma, chegamos aos raios máximos de modulação e
respectivo throughput de cada MCS.
81
Taxa de
Throughput
Códigos
(Mbps)
QPSK
1/2
16,81
-1,02
1343
QPSK
3/4
25,22
1,45
1193
16 QAM
1/2
33,63
3,44
1084
16 QAM
3/4
50,44
6,76
924
64 QAM
1/2
50,44
6,76
924
64 QAM
2/3
67,26
9,68
804
64 QAM
3/4
75,67
11,06
752
64 QAM
5/6
84,07
12,41
705
Modulação
SNR (dB)
Raio (m)
Tabela 4.5 – Raio de atuação das Modulações e respectivas taxas de códigos e
throughput celular para largura de banda de 20 MHz.
A tabela 4.5 traz esta informação considerando um exemplo onde a
configuração da largura de banda é de 20 MHz.
64 QAM
16 QAM
QPSK
Figura 4.7 – Área de atuação das modulações 64 QAM, 16 QAM e QPSK.
82
Na seção 4.3 calculamos a quantidade de eNodeBs necessárias por
capacidade (throughput celular requerido) e chegamos ao resultado de que 12
eNodeBs seriam suficientes para prover ao longo dos 45 km2 um throughput
celular mínimo da ordem de 25 Mbps, considerando uma largura de banda de 20
MHz, valor obtido com a modulação QPSK e taxa de código ¾.
Analisando o resultado ilustrado na figura 4.7, observamos que
praticamente toda a área de cobertura está atendida com as modulações mais
altas, 64 QAM e 16 QAM, e que na borda da área de cobertura, assim como
desejado, ao menos a modulação QPSK se faz presente.
A figura 4.8 ilustra a variação do Ec/Io do sistema em questão, que é a
informação da taxa de chip em relação à interferência do sistema, e é utilizada
como medida do desempenho do canal rádio.
Max
0 dBm
-6 dB
-8 dB
-12 dB
Min
-6 dB
-8 dB
-12 dB
-18 dB
Figura 4.8 – Relação Ec/Io.
83
A relação Ec/Io varia de acordo com a quantidade de usuários presentes
no sistema em um determinado momento, com a taxa de dados que está sendo
requerida por cada usuário e também conforme sua localização ao longo da área
de cobertura. Variando-se os fatores citados, a interferência no sistema irá se
alterar, diminuindo ou aumentando, fazendo com que os resultando de Ec/Io
também venham a variar.
Conforme mencionado, podemos ter inúmeros resultados de Ec/Io
variando-se, por exemplo, a quantidade de usuários. Para o exemplo
demonstrado na figura 4.8, consideramos 5.000 usuários distribuídos ao longo
da área de serviço.
A distribuição dos usuários foi realizada empregando-se o método de
Monte Carlo (presente na ferramenta de predição de cobertura utilizada). Este
método estatístico é utilizado em simulações estocásticas e envolve a geração
de observações, através de vários experimentos, de alguma distribuição de
probabilidade e o uso da amostra obtida para aproximar a função de interesse.
5
Conclusões
As tecnologias de comunicações móveis existentes e empregadas pelas
operadoras na atualidade foram desenvolvidas e preparadas desde o inicio para
operar no modo CS (Circuit Switched), eficiente quando tratamos do tráfego de
voz, mas não para o tráfego de dados, assim estas tecnologias foram sendo
adaptadas ao longo dos anos para suportar o crescente tráfego de dados.
Neste contexto, o LTE surge como uma tecnologia desenvolvida desde o
inicio com a concepção de absorver o tráfego de dados, e irá operar somente no
modo PS (Packet Switched), sendo a voz trafegada através de IP (Internet
Protocol), VoIP (Voice Over Internet Protocol).
Para que toda expectativa relacionada à capacidade e desempenho das
redes LTE sejam atendidos, um correto dimensionamento na fase de projeto
deve ser realizado, a começar pela área de atuação de cada eNodeB,
decorrente do raio máximo de atuação de cada célula.
Utilizando o modelo de propagação SUI (Stanford University Interin),
determinamos que o raio máximo de cobertura de cada célula seria de 1,3 Km e
para a área na qual se pretende prover o serviço celular sendo de 45 km2,
chegamos ao resultado onde 10 eNodeBs seriam suficientes para que a
cobertura fosse atendida. No entanto, devido a capacidade do tráfego de dados
desejado na célula ser da ordem de 25 Mbps (considerando 20 MHz como
largura de banda), a área de atuação das células se tornou limitada ao raio de
1,193 Km, passando a necessitar 12 eNodeBs.
Sistemas celulares se baseiam no reuso de freqüências para obter da rede
uma maior capacidade e qualidade na área de cobertura. A configuração celular,
com reuso de freqüências para grupos de células adjacentes, gera uma
interferência dentro do sistema denominada de interferência co-canal.
De acordo com a literatura e com o 3GPP, existe uma forte tendência para
que os sistemas LTE adotem um fator de reuso de freqüências unitário, N = 1 ,
desta forma, verificamos que ao adotarmos um fator de reuso N = 1 , os usuários
da borda estariam atendidos com as modulações QPSK ½ e QPSK ¾.
85
Outras possibilidades foram levadas em consideração para que a relação
S I fosse melhorada, e verificamos que utilizando a setorização tripla, com
N = 1 os usuários na borda das células estariam atendidos pelas modulações
QPSK ½, ¾, 16 QAM ½, ¾ e pela modulação 64 QAM ½.
Considerando o fator de reuso N = 1 e setorização sêxtupla, os usuários
na borda das células estariam atendidos por todas as modulações do sistema,
QPSK, 16 QAM e 64 QAM, com exceção da modulação 64 QAM com taxa de
códigos 5/6.
Analisando os resultados percebemos que se pode utilizar o reuso unitário
( N = 1 ) em sistemas LTE sem que os usuários da borda estejam desprovidos de
qualidade na cobertura.
No LTE, o principal indicador relacionado à capacidade é a distribuição da
SNR ao longo da célula. Neste trabalho optou-se pela determinação do SNR
requerido para cada modulação, e respectiva taxa de código através de cálculos
considerando a equação de Shannon-Hartley, pois não foi encontrado na
literatura e nas especificações da 3GPP, referências para cálculos dos níveis de
projeto.
No Capítulo 4 realizamos um estudo de caso onde simulamos uma rede
com 12 eNodeBs com fator de reuso unitário ( N = 1 ) e setorização tripla, e uma
conclusão importante do mesmo foi que as bordas das células apresentam uma
SNR suficiente para utilizar ao menos a modulação QPSK.
Verificamos que o throughput varia entre os valores de 8.4 Mbps (quando
adotamos uma largura de banda de 5 MHz e modulação QPSK) a 100,9 Mbps
(com largura de banda de 20 MHz e modulação 64 QAM) sem considerar MIMO.
Taxas de dados maiores não serão atingidas devido ao limite que existe no canal
de transmissão, com a máxima taxa de dados sendo atingida com 6 bits (64
QAM) por símbolo.
Este trabalho descreveu uma metodologia para o planejamento de
cobertura e capacidade para sistemas LTE, abordando temas como o link
budget, SNR requerido por modulação, raio de atuação celular, efeitos da
interferência co-canal e a capacidade do canal de transmissão.
Vale ressaltar que as redes LTE terão sua eficiência aproveitada ao
máximo, quando configurações que levam em consideração a utilização de
bandas superiores a 10 MHz forem utilizadas, trazendo um relevante avanço em
relação ao UMTS, seja no HSPA ou HSPA+.
86
Comparando-se os resultados encontrados com 5 MHz de banda, a
mesma utilizada no UMTS, notamos melhoras na taxa entregue ao usuário, da
ordem de 20% maior em comparação ao HSPA+ (considerando modulação de
64 QAM) e 75% maior em comparação ao HSDPA, existente hoje no mercado
brasileiro.
Pelo que foi apresentando na presente dissertação, pode-se afirmar que as
Redes LTE trarão grandes melhorias para o acesso em banda larga móvel,
especialmente no que diz respeito à qualidade do serviço e às taxas de
transferência de dados.
6
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7
Glossário
3GPP
8PSK
AWGN
BCCH
BCH
CCCH
CS
dB
DCCH
DL
DL-SCH
DSL
DTCH
E-DCH
EDGE
EGPRS
eNB
eNodeB
EPC
EPS
E-UTRAN
FDD
FDM
FEC
FFT
Gbps
GGSN
GPRS
GSA
GSM
HARQ
HLR
HSDPA
HS-DSCH
HSPA+
HS-PDSCH
HSS
HSUPA
3rd Generation Partnership Project
8 Phase Shift Keying
Additive White Gaussian Noise
Broadcast Control Channel
Broadcast Channel
Common Control Channel
Circuit Switch
Decibel
Dedicated Control Channel
Downlink
Downlink Shared Channel
Digital Subscriber Line
Dedicated Traffic Channel
Enhanced Dedicated Channel
Enhanced Data rates for GSM Evolution
Enhanced Data Rates for GPRS Evolution
E-UTRAN NodeB
E-UTRAN NodeB
Evolved Packet Core
Evolved Packet System
Evolved-Universal Terrestrial Radio Access Network
Frequency Division Duplex
Frequency Division Multiplexing
Forward Error Correction
Fast Fourier Transform
Gigabit Per Second
Gateway GPRS Support Node
General Packet Radio Service
Global Mobile Suppliers Association
Global System for Mobile
Hybrid Automatic Repeat Request
Home Location Register
High-Speed Downlink Packet Access
High-Speed Downlink Shared Channel
Evolved High Speed Packet Access
High-Speed Physical Downlink Shared Channel
Home Subscriber Server
High-Speed Uplink Packet Access
90
IFFT
Kbps
KPI
LTE
MAC
Mbps
MCCH
MCH
MCS
MIMO
MME
MTCH
NAS
OFDMA
PAPR
PBCH
PCCH
PCFICH
PCH
PDCCH
PDCP
PDN-GW
PDSCH
PHICH
PMCH
PRACH
PS
PSK
PUCCH
PUSCH
QAM
QoS
QPSK
R99
RACH
RLC
RNC
RRC
RSCP
S1-C
S1-U
SAE
SC-FDMA
Serving-GW
SGSN
SINR
Inverse Fast Fourier Transform
Kilobit Per Second
Key Performance Indicator
Long Term Evolution
Media Access Control
Megabit Per Second
Multicast Control Channel
Multicast Channel
Modulation and Coding Schemes
Multiple-Input Multiple-Output
Mobility Management Entity
Multicast Traffic Channel
Non Access Stratum
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
Peak-to-average Power Ratio
Physical Broadcast Channel
Paging Control Channel
Physical Control Format Indicator Channel
Paging Channel
Physical Downlink Control Channel
Packet Data Convergence Protocol
Packet Data Network Gateway
Physical Downlink Shared Channel
Physical Hybrid ARQ Indicator Channel
Physical Multicast Channel
Physical Random Access Channel
Packet Switch
Phase Shift – Keying
Physical Uplink Control Channel
Physical Uplink Shared Channel
Quadrature Amplitude Modulation
Quality of Service
Quadrature Phase Shift Keying
Release 99
Random Access Channel
Radio Link Control
Radio Network Controller
Radio Resource Control
Received Signal Code Power
S1-Control Plane
S1-User Plane
Service Architecture Evolution
Single-Carrier FDMA
Serving Gateway
Serving GPRS Support Node
Signal to Interference + Noise Ratio
91
SNR
SUI
TCP/IP
TDD
TTI
UL
UL-SCH
UMTS
UTRAN
VOiP
WCDMA
WiMAX
Signal to Noise Ratio
Stanford University Interin
Transmission Control Protocol/Internet Protocol
Time Division Duplex
Transmit Time Interval
Uplink
Uplink Shared Channel
Universal Mobile Telecommunications System
UMTS Terrestrial Radio Access Network
Voice Over Internet Protocol
Wide-Band Code Division Multiple Access
Worldwide Interoperability for Microwave Access