Diego dos Santos Planejamento de Cobertura e Capacidade...

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 Pós-Graduação 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

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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

CDD: 621.3

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.

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 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]. 72

Figura 4.3 – Relevo da região a ser atendida pelo serviço de banda

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 3.12 – Taxa de Código de Modulação. 53

Tabela 3.13 – Throughput para largura de banda de 5 MHz, adotando

taxa de código. 54


taxa de código. 54


taxa de código. 54


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. 60

Tabela 3.21 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente

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, SC-

FDMA (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 (HS-

PDSCH) 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, PDN-

GW), 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 1920 - 1980 / 2110 - 2170 33, 34 1900 - 1920 / 2010 - 20252 1850 - 1910 / 1930 - 1990 35, 36 1850 - 1910 / 1930 - 19903 1710 - 1785 / 1805 - 1880 37 1910 - 19304 1710 - 1755 / 2110 - 2155 38 2570 - 26205 824 - 849 / 869 - 894 39 1880 - 19206 830 - 840 / 875 - 885 40 2300 - 2400

7 2500 - 2570 / 2620 - 2690

8 880 - 915 / 925 - 9609 1750 - 1785 / 1845 - 188010 1710 - 1770 / 2110 - 217011 1428 - 1453 / 1476 - 150112 698 - 716 / 728 - 746

13 746 - 758 / 776 - 788

14 758 - 768 / 788 - 79817 704 - 716 / 734 - 746

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, empregando-

se 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

Cíclico

Subportadoras

(kHz)

Nº

Subportadoras

Símbolos

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 LTE-

Advanced 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 pós-

lançamento. 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:

MGdvLrxGrxSrxSNRLtxGtxPtxL querida −+−+−−−+= Re

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]

• queridaSNRRe - 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 - 15 MHz -93,2 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:

( ) 400092031848 −+−+−−−−+= dBmdBdBidBmLDL 3.1-2

dBLDL 151= 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



SNR 0 dB

Sensibilidade Requerida Recepção -101,5 dBm





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.

( ) dBdBdBdBidBmdBmLUL 433185,10100023 −+−+−−−−+=

3.1-4

dBLUL 5,138= 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:

sXXd

dAL hf +++

+=

0

log10γ

3.2-1

Que é valida para 0dd > , visto que md 1000 = representa a distância de

referência e A é a perda no espaço livre na distância 0d . O termo fX é a

correção da freqüência, hX 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.

=

λ

π 04log20

dA

3.2-2

=

2000log6

fX f

3.2-3

45

Onde f é a freqüência em MHz.

−=

2log8.10

hX h

3.2-4

Para terrenos do Tipo A e Tipo B e,

−=

2log20

hX h 3.2-5

Para terrenos do Tipo C, onde h é a altura da antena receptora, onde 2 m

≤ h ≤ 10 m.

bb h

chba +−= .γ

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, bh

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:

• GHzf 6.2=

• mh 2=

• mhb 30=

• dBs 4=

46

Obtendo os seguintes resultados para cada parâmetro:

Perda no Espaço Livre

=

6810.260010.3

100..4log.20

πA 3.2-7

dBA 74,80= 3.2-8

Correção da Freqüência

=

2000

10.2600log.6

6

fX 3.2-9

dBX f 6836,0= 3.2-10

Correção da Altura da Antena Receptora

−=

2

2log.8,10hX 3.2-11

dBX h 0= 3.2-12

Perda do Caminho em Função da Altura da Antena Transmissora

30

6,1230.0075,06,4 +−=γ 3.2-13

dB79,4=γ 3.2-14

Substituindo valores na equação 3.2-1, temos:

dBdBd

dBL 406836,0100

log.79,4.1074,80 +++

+= 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):

dBdBd

dBdB 406836,0100

log.79,4.1074,805,138 +++

+= 3.2-16

KmdR 3,1≅= 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

rasSubportadoBitsboloTempodeSímThroughput ××= 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

3006000071367.01 ××=Throughput 3.3-2

49

MbpsThroughput 2,25= 3.3-3

• 10 MHz e 64 QAM

6006000071367.01 ××=Throughput 3.3-4


• 15 MHz e 64 QAM

9006000071367.01 ××=Throughput 3.3-6


• 20 MHz e 64 QAM

12006000071367.01 ××=Throughput 3.3-8


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


10 MHz – QPSK 16,8

10 MHz – 16 QAM 33,6

50

10 MHz – 64 QAM 50,4


Largura de Banda e


15 MHz – QPSK 25,2

15 MHz – 16 QAM 50,4

15 MHz – 64 QAM 75,7


Largura de Banda e


20 MHz – QPSK 33,6

20 MHz – 16 QAM 67,3

20 MHz – 64 QAM 100,9


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].

0

20

40

60

80

100

120

5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz

8,416,8

25,2

33,6

16,8

33,6

50,4

67,3

25,2

50,4

75,7

100,9

Máximo Throughput Teórico

QPSK 16 QAM 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.

uraBandaLThroughputEspectralEf arg. = 3.4-1

Onde:

• Eficiência Espectral [bits/seg./hertz];

• Throughput [Mbps];

• Largura de Banda [MHz]

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

QPSK 16QAM 64QAM

1,68

3,37

5,05

Máxima Eficiência Espectral

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:

)1(log. 2 SNRBWC += 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.

rasSubportadoTaxaBitsboloTempodeSímThroughput ×××= 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.


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



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



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


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.

)1(log. 2 SNRBWC += 3.5-3

)1(log.2007,84 2 SNRMHzMbps += 3.5-4

dBSNR 41,12= 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.

R

Dq = 3.6-1

Sendo a a área de uma célula hexagonal (omnidirecional) e A a área de

um cluster hexagonal, temos:

233

2Ra = 3.6-2

57

23

2DA = 3.6-3

Assumindo que N seja o número de estações rádio base (células

hexagonais) que formam um cluster, podemos definir que:

2

2

2

3

1

3

===

R

D

R

D

a

AN 3.6-4

( )R

DN =

23 3.6-5

Substituindo 3.6-5 em 3.6-1:

NR

Dq 3

2

2 =

= 3.6-6

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:

...18

13

3

12

12

2

6

11

1 +++

=

∑∑∑=== k

kk

kk

k III

S

I

S

3.6-7

Onde:

• γ−×= dCS - Intensidade do sinal desejado transmitido a uma

distância d do transmissor;

• γ−⋅= knkn DCI - Intensidade do sinal interferente devido a

células no n-ésimo anel, a uma distância knD 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, Rd ≅ e para D >> R temos que nDDkn ≅ e conseqüentemente:

...)3(18)2(126 +++=

−−−

−

γγγ

γ

DCDCCD

Cd

I

S 3.6-8

( )...332216

1

+⋅+⋅+⋅

≅

−−

−

γγ

γ

CR

DI

S

3.6-9

∑∞

=

−

−

⋅

≅

1

16

1

kC

kR

DI

S

γ

γ

3.6-10

Através de uma aproximação que leva em consideração somente o

primeiro anel interferente tem-se:

γ−

≅

CR

DI

S

6

1

3.6-11

6

γq

I

S= 3.6-12

Através da equação 3.6-12, observamos que a relação IS (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

mhb 30= .

Considerando também os efeitos do segundo anel interferente temos:

( )γγ −− +⋅

=

121

1

6

1

CR

DI

S

3.6-13

( )γ

γ

−+⋅=

121

1

6

q

I

S 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 1=N , 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 3=N , 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, 1=N , 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:

∑=

−

≅

2

1

1

k CR

DI

Sγ

3.6-15

62

2

γq

I

S= 3.6-16

Para definirmos o ganho que a setorização tripla tem em relação a

sistemas que não utilizam a setorização, podemos definir que:

osetorizaçã sem célula

setorizada célula

SIR

SIRG = 3.6-17

Substituindo as equações 3.6-12 e 3.6-16 em 3.6-17, temos:

)6/(

)2/(γ

γ

q

qG = 3.6-18

3=G 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:

)3(log10 10=dBG 3.6-20

dBGdB 77,4= 3.6-21

Recalculando a relação SIR considerando a setorização tripla, e altura da

antena transmissora mhb 30= , 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 1=N 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:

∑=

−

≅

1

1

1

k CR

DI

Sγ

3.6-22

γqI

S= 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:

osetorizaçã sem célula

setorizada célula

SIR

SIRG = 3.6-24

Substituindo as equações 3.6-12 e 3.6-23 em 3.6-24, temos:

)6/( γ

γ

q

qG = 3.6-25

6=G 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:

)6(log10 10=dBG 3.6-27

dBGdB 78,7= 3.6-28

Recalculando a relação SIR considerando a setorização sêxtupla, e altura

da antena transmissora mhb 30= , 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 1=N 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 ( 1=N ) 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



SNR Variável

Sensibilidade Requerida Recepção -101,5 dBm





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.

MGdvLrxGrxSrxSNRLtxGtxPtxL querida −+−+−−−+= Re

3.7-1

( ) dBdBdBdBidBmdBdBmLUL 433185,10141,120023 −+−+−−−−+=

3.7-2

dBLUL 09,126= 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).

dBdBd

dBL 406836,0100

log.79,4.1074,80 +++

+= 3.7-4

dBdBd

dBdB 406836,0100

log.79,4.1074,8009,126 +++

+= 3.7-5

mdR 705≅= 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.


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.


banda de 15 MHz.


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.

2

33 2Ra = 4.2-1

2

)3,1(33 2kma = 4.2-2

24,4 kma = 4.2-3

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.

rÁreaCelula

rturaÁreaDeCobeberturaEstaçõesCoN =º 4.2-4

2

2

4,4

45º

Km

KmberturaEstaçõesCoN = 4.2-5

10º ≅berturaEstaçõesCoN 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).

2

33 2Ra = 4.3-1

2

)193,1(332km

a = 4.3-2

27,3 kma = 4.3-3

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.

rÁreaCelula

rturaÁreaDeCobepacidadeEstaçõesCaN =º 4.3-4

2

2

7,3

45º

Km

KmpacidadeEstaçõesCaN = 4.3-5

75

12º ≅pacidadeEstaçõesCaN 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 - 15 MHz -93,2 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 Min

0 dBm -60 dBm

-60 dBm -70 dBm

-70 dbm -80 dBm

-80 dBm -92 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

Modulação Taxa de

Códigos

Throughput

(Mbps) SNR (dB)

Raio (m)

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

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 Min

0 dBm -6 dB

-6 dB -8 dB

-8 dB -12 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, 1=N ,

desta forma, verificamos que ao adotarmos um fator de reuso 1=N , 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

IS fosse melhorada, e verificamos que utilizando a setorização tripla, com

1=N 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 1=N 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

( 1=N ) 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 ( 1=N ) 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.

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7 Glossário

3GPP 3rd Generation Partnership Project

8PSK 8 Phase Shift Keying

AWGN Additive White Gaussian Noise

BCCH Broadcast Control Channel

BCH Broadcast Channel

CCCH Common Control Channel

CS Circuit Switch

dB Decibel

DCCH Dedicated Control Channel

DL Downlink

DL-SCH Downlink Shared Channel

DSL Digital Subscriber Line

DTCH Dedicated Traffic Channel

E-DCH Enhanced Dedicated Channel

EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution

EGPRS Enhanced Data Rates for GPRS Evolution

eNB E-UTRAN NodeB

eNodeB E-UTRAN NodeB

EPC Evolved Packet Core

EPS Evolved Packet System

E-UTRAN Evolved-Universal Terrestrial Radio Access Network

FDD Frequency Division Duplex

FDM Frequency Division Multiplexing

FEC Forward Error Correction

FFT Fast Fourier Transform

Gbps Gigabit Per Second

GGSN Gateway GPRS Support Node

GPRS General Packet Radio Service

GSA Global Mobile Suppliers Association

GSM Global System for Mobile

HARQ Hybrid Automatic Repeat Request

HLR Home Location Register

HSDPA High-Speed Downlink Packet Access

HS-DSCH High-Speed Downlink Shared Channel

HSPA+ Evolved High Speed Packet Access

HS-PDSCH High-Speed Physical Downlink Shared Channel

HSS Home Subscriber Server

HSUPA High-Speed Uplink Packet Access

90

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

Kbps Kilobit Per Second

KPI Key Performance Indicator

LTE Long Term Evolution

MAC Media Access Control

Mbps Megabit Per Second

MCCH Multicast Control Channel

MCH Multicast Channel

MCS Modulation and Coding Schemes

MIMO Multiple-Input Multiple-Output

MME Mobility Management Entity

MTCH Multicast Traffic Channel

NAS Non Access Stratum

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PAPR Peak-to-average Power Ratio

PBCH Physical Broadcast Channel

PCCH Paging Control Channel

PCFICH Physical Control Format Indicator Channel

PCH Paging Channel

PDCCH Physical Downlink Control Channel

PDCP Packet Data Convergence Protocol

PDN-GW Packet Data Network Gateway

PDSCH Physical Downlink Shared Channel

PHICH Physical Hybrid ARQ Indicator Channel

PMCH Physical Multicast Channel

PRACH Physical Random Access Channel

PS Packet Switch

PSK Phase Shift – Keying

PUCCH Physical Uplink Control Channel

PUSCH Physical Uplink Shared Channel

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

R99 Release 99

RACH Random Access Channel

RLC Radio Link Control

RNC Radio Network Controller

RRC Radio Resource Control

RSCP Received Signal Code Power

S1-C S1-Control Plane

S1-U S1-User Plane

SAE Service Architecture Evolution

SC-FDMA Single-Carrier FDMA

Serving-GW Serving Gateway

SGSN Serving GPRS Support Node

SINR Signal to Interference + Noise Ratio

91

SNR Signal to Noise Ratio

SUI Stanford University Interin

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

TDD Time Division Duplex

TTI Transmit Time Interval

UL Uplink

UL-SCH Uplink Shared Channel

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

VOiP Voice Over Internet Protocol

WCDMA Wide-Band Code Division Multiple Access

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

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