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Resumo—O Long Term Evolution (LTE) é uma tecnologia que
está a ser fortemente implementada, não só em Portugal mas no
resto do mundo. A adoção do LTE deve-se em grande parte à
maior capacidade e à baixa latência oferecidas, para além de ser
expansível ao LTE Advanced.
O artigo apresentado tem por objetivo a análise do
desempenho de uma rede piloto LTE com consequente validação
experimental dos resultados teóricos conhecidos.
A partir destas medidas experimentais é também sugerido um
novo modelo de propagação em larga-escala para LTE em
2,6 GHz. Para distâncias inferiores a 1 km sugere-se o modelo
LTE-PL. Para distâncias superiores a 1 km foi feita uma
adaptação ao modelo Okumura-Hata para que se aproximasse
aos resultados obtidos.
Das medições efetuadas observou-se que em boas condições
rádio, os débitos binários são bastante próximos dos máximos
teóricos. Além disso, foi caracterizado o ambiente de propagação,
determinando-se a margem de desvanecimento log-normal e as
perdas de penetração no interior dos veículos para um ambiente
urbano denso.
Foi realizada ainda uma análise de vários Key Performance
Indicators (KPI) que permitem avaliar o desempenho do LTE,
avaliando-se também o impacto da variação de velocidade e da
distância à estação-base nas medidas realizadas.
Index Terms—LTE, Planning, Measurement, Performance, KPI
I. INTRODUÇÃO
O crescimento do mercado de dados em redes móveis e a
exigência dos utilizadores por débitos binários cada vez mais
elevados levou à necessidade do desenvolvimento de uma
nova tecnologia que permitisse manter a competitividade das
redes móveis no futuro. Desse modo surge como resposta o
Long Term Evolution (LTE).
O artigo desenvolvido tem como objetivo principal
clarificar acerca do que é expectável em termos do
desempenho efetivo de uma rede Long Term Evolution (LTE),
de 4ª Geração (4G) e comparar com os valores teóricos com
valores experimentais obtidos [1].
Para cumprir esse objetivo foram recolhidas medidas numa
rede LTE piloto em duas áreas, tendo as simulações adicionais
sido feitas sobre a ferramenta MATLAB [2].
O artigo encontra-se organizado da seguinte forma. A
secção II aborda numa primeira fase o planeamento em LTE.
São definidos os dois novos modelos de propagação
propostos, a margem de desvanecimento e as perdas de
penetração in-car. Além disso é feita uma comparação entre a
metodologia utilizada no planeamento e as medidas obtidas.
A secção III apresenta as medidas efectuadas na rede piloto
LTE, tal como as estatísticas obtidas nos dois sentidos da
ligação.
Por último, a secção IV analisa o desempenho de certos
indicadores, tais como a eficiência espectral e o o throughput,
em função das condições de propagação. É ainda realizada
uma análise tendo em conta a variação de velocidade do
móvel e a distância à estação-base (eNB, evolved Node B),
seguindo-se as conclusões.
II. PLANEAMENTO EM LTE
A. Modelo de Propagação LTE-PL
De acordo com as medidas empíricas realizadas, chegou-se
à conclusão que a determinação da atenuação de propagação
pelos modelos Okumura-Hata ou COST231-Hata era bastante
pessimista em relação aos valores obtidos, apresentando
diferenças da ordem dos 15 dB. Sendo assim, foi desenvolvido
um novo modelo baseado no modelo de propagação genérico,
que se apresenta em (1).
( )[ ] ̅̅̅̅ ( ) (
) (1)
O modelo de propagação tem como distância de referência
(d0) 30 metros. As correspondentes medidas para a
determinação do coeficiente de desvanecimento encontram-se
na TABELA I.
Avaliação Experimental de Desempenho em Redes Móveis
4G (Long Term Evolution) em Ambiente Urbano
J. Nascimento 1, L. Varela 2, P. Vieira 1,3
1Área Departamental de Eletrónica Telecomunicações e Computadores, ISEL, Lisboa, Portugal
2CELFINET - Consultoria em Telecomunicações, Lda, Lisboa, Portugal
3Instituto de Telecomunicações (IT), Lisboa, Portugal
2
TABELA I
POTÊNCIA MEDIDA E ESTIMADA A 500, 750 E 1000 METROS.
Distância
eNB [m] 500 750 1000
Potência
medida
[dBm]
-92,38 -94,51 -96,98
Potência
estimada
[dBm]
-84,36-12,5n -84,36-13,9n -84,36-15,2n
A determinação do coeficiente de desvanecimento n é feita
pela estimação do erro quadrático médio (MSE, Mean Square
Error) através de (2). O coeficiente de desvanecimento do
LTE a 2,6 GHz para uma área com as características das áreas
em estudo, ou seja, Dense Urban é determinado por (3),
chegando-se ao valor de 7,46 dB por década.
( )
∑( ̂)
(2)
( )
(3)
O modelo de propagação LTE-PL considera-se válido para
raios de célula de 30 a 1000 m. A atenuação de propagação
mediana, PL, dada pelo modelo LTE-PL é determinado pela
equação (4), em função da distância ao eNB.
( )[ ] ( [ ]
) (4)
Em termos de altura da antena na estação-base, a região de
validade encontra-se no intervalo de 18 a 38 m, uma vez que a
análise notou uma boa adaptação do modelo a esses valores,
apresentando uma diferença máxima de 5 dB em relação à
regressão linear das medidas. Esse valor é ainda superior ao
determinado pelo modelo Okumura-Hata [3] e
COST231-Hata [4].
A Fig. 1 apresenta uma comparação entre o modelo
LTE-PL, o modelo Okumura-Hata e o COST231-Hata e a
regressão linear das medidas empíricas realizadas para uma
antena com 27 m de altura.
É possível notar a forte adaptação do modelo proposto até 1
km, contra a grande disparidade dos outros modelos referidos.
Pois como se pode ver a uma distância de 1 km o modelo de
Okumura-Hata dista cerca de 15 dB em relação à regressão
linear das medidas. Enquanto o modelo proposto apresenta
uma diferença máxima de aproximadamente 2 dB até à
distância referida.
Fig. 1. Comparação do modelo de propagação LTE-PL, Okumura-Hata e
COST231-Hata com a regressão linear das medidas empíricas
B. Melhoramento do Modelo de Propagação Okumura-Hata
para LTE
O modelo LTE-PL não se considera válido para distâncias
superiores a 1 km. No entanto, nenhum dos modelos de
propagação analisados (Okumura-Hata e COST231-Hata)
apresentam uma boa aproximação. O modelo Okumura-Hata é
determinado através de (5) e (6). Para que existisse uma
aproximação à regressão linear das medidas realizadas, foi
feita uma alteração na variável A, dependente da altura a que
se situa a antena do eNB.
[ ] ( [ ]) (5)
( [ ]) (6)
Na sequência, a variável A passou a ser definida por,
( [ ]) ( [ ])
( [ ]) (7)
( ) ( ( )) (8)
A Fig. 2 comprova a desigualdade do modelo LTE-PL em
relação às medidas realizadas para distâncias superiores a
1 km. Além disso, mostra-se ainda o resultado da alteração ao
modelo Okumura-Hata para diferentes valores de altura das
antenas do eNB.
Apesar da alteração não apresentar resultados tão favoráveis
relativamente ao outro modelo proposto (para distâncias
inferiores a 1 km), são resultados mais aproximados do que os
dos modelos Okumura-Hata e COST231-Hata, sendo portanto
uma melhor estimativa para determinar a atenuação de
propagação mediana para LTE na faixa dos 2,6 GHz.
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1-130
-120
-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40Altura da estação base: 27m
Distância [km]
Potê
nci
a R
eceb
ida [
dB
m]
Medidas (20317)
LTE-PL
Okumura-Hata
COST231-Hata
Regressão Linear
3
Fig. 2. Comparação entre o modelo de propagação Okumura-Hata alterado, o
modelo de propagação LTE-PL e a regressão linear das medidas para uma altura de antenas de 18, 27 e 38 metros.
C. Margem de Desvanecimento
De acordo com as medições realizadas, foi possível obter a
potência recebida do sinal Reference Signal Received Power
(RSRP). Uma vez que existiam antenas situadas a diversas
alturas, foi analisado o desvio padrão individualmente. Os
resultados obtidos apresentam-se na TABELA II.
TABELA II
CARACTERÍSTICAS DAS DUAS ÁREAS ESTUDADAS
Altura das
antenas dos
eNB [m]
RSRP Médio
[dBm]
Desvio
Padrão [dB]
Número de
amostras
27 -93 10,46 20317
30 -89 10,76 3327
35 -98 10,39 3814
38 -98 10,14 17387
Como se observa o desvio padrão do ambiente de
propagação para antenas situadas de 27 a 38 m, ronda os
11 dB. Este constitui o valor utilizado no cálculo da margem
de desvanecimento para LTE a 2,6 GHz, em função da
probabilidade de cobertura pretendida.
D. Perdas de penetração in-car
Foram realizados dois percursos idênticos para avaliar as
perdas de penetração de in-car, como se pode observar na Fig.
3. Para tal, o primeiro percurso foi realizado com o User
Equipment (UE) dentro do veículo e o segundo com o UE
situado no exterior do veículo. A comparação dos dois
percursos foi apenas calculada para pontos que apresentavam
as mesmas coordenadas Global Positioning System (GPS).
Refira-se ainda que as diferenças só foram analisadas até à
meia distância entre os eNB’s, ou seja, até aproximadamente
450 metros.
Na TABELA III é possível observar as diferenças entre o
nível de sinal RSRP, e extrair o valor médio das perdas de
penetração in-car em LTE, para uma frequência de 2,6 GHz.
Desse modo o valor obtido é de 2,7 dB.
Note-se ainda que a velocidade entre dois percursos não é
igual, no entanto não é considerada significativa para efeitos
deste cálculo.
TABELA III
COMPARAÇÃO DOS NÍVEIS E QUALIDADE DE SINAL ENTRE O
INTERIOR E O EXTERIOR DO VEÍCULO
Parâmetros Interior Exterior
RSRP Médio [dBm] -82,26 -79,56
RSRQ Média [dB] -8,28 -10,83
SINR Média [dB] 17,57 14,76
Velocidade Média [km/h] 27,93 35,14
E. Comparação entre indicadores planeados e efectivos
Foram analisadas duas áreas nas quais estava implementada
a rede LTE piloto. As características principais dessas áreas
estão presentes na TABELA IV.
Refira-se a semelhança das características das duas áreas (à
exceção da área e da densidade populacional) que possibilitou
uma análise análoga.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5-120
-115
-110
-105
-100
-95
-90
-85
-80
Distância [km]
Po
tên
cia
Rec
ebid
a [
dB
m]
Medidas 18 m
Medidas 27 m
Medidas 38 m
Okumura-Hata alterado 18 m
Okumura-Hata alterado 27 m
Okumura-Hata alterado 38 m
LTE-PL
RSRP [dBm]
[-75,-60[
[-90,-75]
[-105,-90]
[-115,-105]
]-120,-115]
Fig. 3. Percurso com UE no interior do veículo (em cima) e no exterior (em
baixo) realizados na área 2 para avaliar as perdas de penetração in-car.
4
TABELA IV
CARACTERÍSTICAS DAS DUAS ÁREAS ESTUDADAS
Características Área 1 Área 2
Morfologia Dense Urban
Área [km2] ≈4,5 ≈13,96
Densidade Populacional
[hab/km2]
210,05 38,83
Número de eNB’s 4
Faixa de Frequências
[GHz] 2,6
Largura de Banda [MHz] 20
Padrão de distribuição de
frequências 1
Espaçamento entre PCI’s 4
Sectores Trisectorizados
Antenas
18,5 dBi de ganho
65º de abertura
duplamente polarizadas a 45º
Potência de Transmissão
Total [dBm] 43
Potência de Transmissão
dos sinais de referência
[dBm]
12
A atenuação máxima permitida foi calculada para um
utilizador veicular a 70 km/h no Transmission Mode 3 (TM3),
(MIMO 2x2 Open loop), sendo este o modo de transmissão
preferencial durante a obtenção de medidas.
A distância entre sites (Intra Site Distance, ISD) média para
a rede piloto da área 1 era de aproximadamente 540 m,
definindo-se o raio de célula com o valor de 360 m.
O planeamento foi efetuado tendo em conta este último
valor. Assumindo a validade do modelo LTE-PL, foi usado
para calcular a atenuação de propagação máxima.
O link budget seguiu a metodologia proposta pela Ericsson
[5], onde se assumiu uma percentagem da cobertura da área de
95% e um desvio padrão de 10 dB, assemelhando-se ao valor
obtido e estando assim tabelado. Os resultados experimentais e
do planeamento efetuado encontram-se na TABELA V.
TABELA V
COMPARAÇÃO ENTRE O PLANEAMENTO E OS INDICADORES
EFECTIVOS
Sentido Indicadores Obtido Simulado
Uplink Throughput 31 Mbit/s 31,8 Mbit/s
SINR 12,5 dB 14,64 dB
Downlink Débito binário 65 Mbit/s 66,9 Mbit/s
Throughput 18 dB 18,38 dB
É possível comprovar a validade da metodologia utilizada
em conjunção com o modelo LTE-PL proposto, tendo em
consideração a semelhança entre os valores simulados e
obtidos para o throughput e a Signal to Interference plus Noise
Ratio (SINR).
III. MEDIDAS EM LTE
A. Regime estacionário
As medidas realizadas para os pontos estáticos tiveram
como objectivo a análise do desempenho da rede piloto em
regime estacionário. Os locais de interesse influenciaram a
escolha destes pontos, mas eram também locais com boas
condições de nível de sinal.
Foram feitas 10 sessões com a duração de 60 segundos onde
se gerou tráfego UDP nos dois sentidos da ligação, com um
equipamento de categoria 3 [6]. As estatísticas obtidas para o
downlink podem ser observadas na TABELA VI.
TABELA VI
ESTATÍSTICAS OBTIDAS EM DOWNLINK EM REGIME
ESTACIONÁRIO
Downlink Área 1 Área 2
Ponto 1 2 3 1 2 3
Distância ao eNB [m]
118 181 557 1290 286 201
Sessões realizadas 10 10 10 10 7* 10
Quebras de serviço 0 0 0 0 0 0
Acessibilidade de serviço [%]
100 100 100 100 100 100
Setups não
realizados 0 0 0 0 0 0
RSRP Médio [dBm] -58,2 -82,5 -73,8 -83,1 -69,1 -83,3
RSRQ Média [dB] -9,1 -10,2 -9,5 -9,5 -7,9 -9,6
SINR Média [dB] 23,1 21,6 23,1 20,2 25,4 23,2
Débito Binário Médio [Mbit/s]
86,3 81,5 77,1 78,8 86,3 81,3
Débito Binário
Máximo [Mbit/s] 97,3 94,5 89,8 93,5 99,3 95,9
Latência [ms] 20 19 19 35 36 53
Amostras QPSK 7 5 25 10 4 23
Amostras 16QAM 4 41 17 28 4 10
Amostras 64QAM 620 592 583 614 461 623
PDSCH MCS0
Mediano 27 24 26 22 28 26
PDSCH MCS1
Mediano 27 24 26 22 28 26
Wideband CQI
Médio 11,9 13,4 11,5 11,5 14,2 12,4
* Apenas foram obtidas sete sessões pois o ficheiro de medidas encontrava-se corrompido.
Em primeiro lugar é possível observar que a acessibilidade
não registou nenhum problema, estando o serviço sempre
acessível para a realização de tráfego.
Para a área 1, o comando ping registou valores bastante
inferiores de latência relativamente aos máximos definidos
pelo 3GPP, podendo suportar qualquer dos serviços
propostos [7]. Embora para a área 2 tenham sido registados
valores mais elevados, ainda se mantêm dentro do limite. Essa
situação deve-se ao facto de existirem mais nós entre o User
Equipment (UE) e o Packet Data Network Gateway.
Relativamente ao throughput máximo obtido, é possível
observar que é bastante próximo ao máximo teórico do LTE
Release 8. O throughput médio é apenas inferior 10 a
5
15 Mbits/s relativamente ao máximo registado, para uma SINR
média acima de 20 dB.
Os testes em uplink foram registados nos mesmos pontos
de downlink, sendo o nível de sinal RSRP idêntico. As
estatísticas para o uplink apresentam-se na TABELA VII.
TABELA VII
ESTATÍSTICAS OBTIDAS EM UPLINK EM REGIME ESTACIONÁRIO
Estatísticas Uplink Área 1 Área 2
Ponto 1 2 3 1 2 3
Distância ao eNB [m] 118 181 557 1290 286 201
Sessões realizadas 10 10 10 10 10 10
Quebras de serviço 0 0 0 0 0 0
Acessibilidade de
5ervice [%] 100 100 100 100 100 100
RSRP Médio [dBm] -58,6 -85,4 -75,1 -83,3 -72,9 -83,1
RSRQ Média [dB] -5,8 -5,9 -5,9 -5,4 -3,8 -5,31
Débito Binário Médio
[Mbit/s] 43,6 35,5 44,2 38,9 44,3 38,62
Débito Binário Máximo [Mbit/s]
48,1 45,9 48,6 43,9 50,5 43,47
Note-se a diferença do sinal RSRQ em relação ao obtido em
downlink. Este é mais baixo, o que quer dizer que apresenta
menor interferência na largura de banda utilizada. Essa
situação deve-se ao facto de não existir transmissão de dados
no sentido descendente da ligação, no plano do utilizador.
Os débitos máximos são, tal como em downlink, bastante
próximos do máximo teórico para um equipamento de
categoria 3.
É possível comprovar que o desempenho do LTE nos dois
sentidos da ligação, em condições reais e em regime
estacionário, pode-se considerar igual ao esperado
teoricamente.
B. Regime de mobilidade
Em regime de mobilidade foram feitos 3 percursos idênticos
nas situações em que o UE se encontrava: em modo inactivo
(idle); a realizar tráfego em downlink e a realizar tráfego em
uplink.
Em modo inactivo é possível avaliar a distribuição dos
PCI’s na área de estudo, ou seja, permite saber qual o alcance
de cada célula e identificar algumas situações de conflito ou
mal dimensionadas. Esta análise ainda disponibiliza a
informação de re-seleção celular.
O percurso efetuado para o downlink é visível na Fig. 4, tal
como o throughput obtido para as duas áreas. Dos mapas é
possível identificar zonas com baixa qualidade de serviço,
vulgo, débito binário baixo (inferior a 20 Mbit/s).
A análise conjunta dos mapas de RSRP, RSRQ e da SINR,
permitem identificar as causas das zonas com baixo débito. Ou
seja, a análise do sinal RSRP permite definir os níveis de
cobertura de sinal na zona problemática e em conjunção com o
sinal RSRQ determinar se o débito é baixo devido à falta de
cobertura ou a interferência. Por último, é desejável que a
SINR seja o mais elevada possível de forma a alcançar o
throughput máximo.
Fig. 4. Débito binário obtido para o percurso em downlink para a área 1 (em
cima) e para a área 2 (em baixo)
Do percurso identificado, para além dos mapas referidos,
foi ainda possível obter as estatísticas presentes na TABELA
VIII.
Das estatísticas apresentadas destaca-se o débito médio que
se situa a metade do débito máximo teórico. O modo de
transmissão preferencial é o modo TM3 e a Block Error Ratio
(BLER) média situa-se entre os 10% e os 15%, como seria
desejável, de modo a evitar retransmissões elevadas [8].
TABELA VIII
ESTATÍSTICAS OBTIDAS EM DOWNLINK EM REGIME DE
MOBILIDADE
Estatísticas Downlink Área 1 Área 2
Pontos Obtidos 7494 12159
Sucesso Acessos aleatórios [%] 98,72 95,07
Sucesso RRC Connect [%] 100 100
Acessibilidade de serviço [%] 92,98 95,5
Número de setups não realizados 4 5
Tentativas de Handover 173 579
Sucesso dos Handovers [%] 99,42 99,83
RSRP Médio [dBm] -90,12 -95,53
RSRQ Média [dB] -9,86 -10,49
SINR Média [dB] 15,10 12,69
Débito Binário Médio [Mbit/s] 48,88 45,66
Débito Binário Máximo [Mbit/s] 100,25 99,97
Quantidade de amostras QPSK 698 1304
Quantidade de amostras 16QAM 3726 8685
Débito Binário
[Mbit/s]
[80,100]
[60,80[
[40,60[
[20,40[
[1,20[
[0,1[
6
Quantidade de amostras 64QAM 1124 1898
Número de amostras em TM3 6974 11910
Número de amostras em TM2 147 84
PDSCH MCS0 Mediano 17 16
PDSCH MCS1 Mediano 16 15
Número de amostras MCS0 5887 11887
Número de amostras MCS1 5318 11649
PDSCH BLER Média [%] 13,57 10,34
Wideband CQI Médio 9,99 10,08
O percurso de uplink, apresentou mapas de sinal RSRP
semelhantes aos de downlink. Os mapas RSRQ apresentaram
valores mais baixos pelas razões identificadas no regime
estacionário, desse modo apresentam-se apenas as estatísticas
principais obtidas para este percurso, na TABELA IX.
Deste percurso também é possível identificar que, à
semelhança do downlink, o débito binário médio se encontra a
cerca de metade do valor máximo.
Note-se ainda que a potência de transmissão apresenta um
valor próximo do máximo permitido, especialmente para a
área 2. Tendo em conta que essa área apresenta uma área
maior, essa é uma situação expectável. Isso reflectir-se-ia
numa perda na autonomia da bateria. No entanto, como os
testes foram realizados apenas para um utilizador, estes
envolveram o aproveitamento total da largura de banda e
exigiram sempre o máximo débito possível da rede.
TABELA IX
ESTATÍSTICAS OBTIDAS EM UPLINK EM REGIME DE
MOBILIDADE
Estatísticas Uplink Área 1 Área 2
Sucesso Acessos aleatórios [%] 96,89 100
Sucesso RRC Connect [%] 95,71 100
Acessibilidade de serviço [%] 94,29 100
Número de setups não realizados 4 0
Tentativas de Handover 141 743
Sucesso dos Handovers [%] 100 100
RSRP Médio [dBm] -88,48 -96,86
RSRQ Média [dB] -6,97 -4,69
SINR Média [dB] 15,74 13,57
Débito Binário Médio [Mbit/s] 24,32 18,41
Débito Binário Máximo [Mbit/s] 48,84 48,48
Potência Transmissão Média [dBm] 21,01 24,06
IV. DESEMPENHO
A. Eficiência Espectral
Uma das características definidas para o LTE é o de
apresentar uma eficiência espectral superior ao High Speed
Packet Access (HSPA), das anteriores redes de terceira
geração (3G). Nomeadamente, o LTE apresenta uma
eficiência espectral de três a quatro vezes superior ao High
Speed Downlink Packet Access (HSDPA) Release 6 e de duas
a três vezes superior ao High Speed Uplink Packet Access
(HSUPA) [9].
Da Fig. 5 é possível identificar que a rede piloto estudada
cumpre os requisitos do 3rd
Generation Partnership Project
(3GPP), com uma eficiência espectral, relativamente ao HSPA
Release 6, de 3,06 vezes superior em downlink e de 2,65
superior em uplink.
A rede piloto apresenta ainda um desempenho superior à
média no uplink [10].
Fig. 5. Comparação entre a eficiência espectral do HSPA R6, a rede LTE
piloto, a média de diversos fornecedores e o máximo teórico.
B. Throughput
O throughput é, a par da latência, um dos mais importantes
indicadores para análise do desempenho da rede LTE. Desse
modo, para oferecer um determinado débito ao utilizador é
necessário estabelecer uma SINR mínima que garanta o
serviço pretendido. A obtenção dessa SINR pode ser feita de
duas formas: simulações ou medidas empíricas.
Na Fig. 6 é possível observar as curvas da SINR usadas no
planeamento e as obtidas empiricamente.
Fig. 6. Throughput em função da SINR. Comparação entre o limite de Shannon, as regressões lineares dos valores obtidos para as duas áreas de
estudo e a fórmula utilizada no planeamento.
HSPA R6 Medidas Média Máximo0
0.5
1
1.5
2
2.5
Efi
ciên
cia
Esp
ectr
al
[bit
/Hz/
Cél
ula
]
Downlink
Uplink
-10 0 10 20 300
20
40
60
80
100
SINR [dB]
Th
rou
gh
pu
t [M
bit
/s]
Área 1 (Lowess 0.7)
Área 2 (Lowess 0.7)
Planeamento
Limite Shannon
7
Note-se que existe uma diferença entre a implementação na
rede piloto e o limite de Shannon de cerca 12 dB [11].
A Fig. 6 permite verificar mais uma vez que a determinação
da SINR no planeamento para as áreas de estudo se adequa à
SINR efectiva da rede piloto. É portanto possível extrair uma
relação entre a SINR necessária para oferecer um determinado
serviço.
C. CQI
O CQI (0-15) é um indicador reportado pelo UE das
condições do canal, sendo tanto mais baixo quanto a qualidade
de transmissão seja menor . Este é usado pelo scheduler
(escalonador) para aferir as condições do canal e determinar a
codificação e modulação a ser utilizada pelo UE em downlink.
A Fig. 7 pretende estabelecer uma relação entre o Wideband
CQI e a SINR obtida no sentido descendente da ligação, da
rede piloto.
Esta análise possibilita discernir entre possíveis problemas,
ou seja, a média de cada índice CQI tem que apresentar uma
relação aproximadamente linear com a SINR. Se isso não
acontecer, vão existir problemas ao nível do throughput
máximo oferecido, e do número de retransmissões efectuadas.
Caso o valor de CQI efetivo seja bastante inferior ao da média,
a qualidade do canal pode não suportar a modulação e
codificação atribuídas, aumentando o número de blocos com
erro e consequentemente as retransmissões. Caso seja superior
,irá existir um desaproveitamento dos recursos rádio pois
poder-se-ia oferecer um serviço com uma qualidade mais
elevada, nomeadamente um débito mais elevado.
Tendo em conta o desempenho analisado, a Fig. 7 aparenta
ter uma boa correspondência entre esses dois indicadores.
Fig. 7. Mapeamento do CQI em função da SINR da rede piloto.
D. BLER
A Fig. 8 representa os valores de throughput em função da
BLER. Tendo em conta que a BLER deve apresentar valores
abaixo dos 10%, nota-se que a maior parte dos pontos obtidos
estão situados em torno desse valor [8].
Para a BLER superior a esse valor, embora não seja possível
estabelecer uma relação com confiança devido ao menor
número de pontos, observa-se o impacto da BLER no débito
máximo, o qual tende a decrescer. Essa situação é facilmente
explicável pois o aumento de pacotes com erro, implica a
retransmissão da informação, levando a uma diminuição do
débito médio oferecido ao utilizador.
Fig. 8. Valores de throughput obtidos em função da BLER para as duas áreas
de estudo.
E. Distância ao eNB
A distância ao eNB desempenha um papel importante na
propagação do sinal, pois esta vai condicionar tipicamente um
aumento da atenuação do sinal, à medida que se aumenta a
distância entre os terminais.
Na Fig. 9 observa-se o comportamento da SINR e da BLER
médias. Tal como seria de esperar, à medida que a distância
aumenta a qualidade do sinal decresce, no entanto, a
adaptação da ligação permite à BLER manter-se estável em
torno dos 10%, como é desejável.
Acima dos 2 km a SINR torna de novo a aumentar,
devendo-se essa situação a um eNB que se encontrava a radiar
muito alto, sendo este também o responsável pelas amostras
recolhidas a essas distâncias. Como ainda existia linha de vista
com esse eNB, levou ao aumento da SINR identificadas.
Fig. 9. SINR e BLER em função da distância para a área 2.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
-5 0 5 10 15 20 25 30
CQ
I
SINR [dB]
Medidas
Lowess 0.7
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
100
BLER [%]
Th
rou
gh
pu
t [M
bit
/s]
Área 1
Área 2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
5
10
15
20
Distância [km]
SIN
R [
dB
]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
5
10
15
20
BL
ER
[%
]
SINR
BLER
8
Por último, é de referir que pelo menos até 2,7 km em
condições de linha de vista e de pouca carga na rede, usando
uma frequência de 2,6 GHz, foi possível oferecer no limite da
célula uma SINR média de 7 dB. Conseguindo suportar um
throughput médio de aproximadamente 30 Mbit/s.
F. Velocidade do UE
Tendo em conta os objetivos da mobilidade propostos para
o LTE, este necessita manter um elevado desempenho até aos
120 km/h [9]. Foi também verificada a influência da
velocidade na transmissão, nomeadamente no débito binário
médio, na SINR média e se provocava alterações significativas
ao nível da BLER.
Uma vez que as áreas de teste da rede LTE piloto se
encontravam em malha urbana, existiam apenas alguns pontos
com vias rápidas, não tendo sido obtidas medidas acima de
90 km/h.
Em primeiro lugar, a Fig. 10 retracta o débito binário médio
obtido em função da velocidade. Como é observável, para a
área 1 existe um decréscimo do débito binário a velocidades
elevadas.
Fig. 10. Throughput médio em função da velocidade para as duas áreas de estudo.
Essa descida leva a crer que para um utilizador que se
desloque num veículo a uma velocidade superior a 70 km/h vai
ter perdas significativas em termos da qualidade de serviço,
nomeadamente ao nível do throughput.
No entanto na análise da Fig. 11 é possível ver que esse
decréscimo deve-se ao facto da SINR ser também menor,
provocada por uma diminuição dos níveis de sinal e não pelo
impacto da mobilidade. Aliás, visível para a área 2, nota-se
que o impacto da velocidade até pelo menos 90 km/h não
influencia significativamente o desempenho da ligação.
Fig. 11. SINR média em função da velocidade para as duas áreas de estudo.
Na Fig. 12 é visível que para a área 1 a BLER média
aumentou para velocidades maiores, no entanto, esta deve-se à
diminuição da qualidade do canal rádio como se viu na Fig. 11.
Seria de esperar que para velocidades maiores, aumentasse o
número de retransmissões, mas como se observa para a área 2,
a BLER média manteve-se por volta dos 10% e vem reforçar a
robustez do LTE em regime de mobilidade.
Fig. 12. BLER média em função da velocidade para as duas áreas de estudo.
Apesar da velocidade média analisada não ter sido
considerada até aos 120 km/h, esta não apresenta alterações
significativas no desempenho até 90 km/h, o que deixa
adivinhar que para a mobilidade considerada pelo 3GPP, a
rede vai conseguir manter níveis de desempenho bastante
semelhantes ao regime estático ou a baixas velocidades.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Velocidade [km/h]
Th
rou
gh
pu
t M
édio
[M
bit
/s]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Área 1
Área 2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
5
10
15
20
Velocidade [km/h]
SIN
R M
édia
[d
B]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Área 1
Área 2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
5
10
15
20
Velocidade [km/h]
BL
ER
Méd
ia[%
]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Área 1
Área 2
9
V. CONCLUSÕES
Este artigo teve como objetivo analisar o desempenho
efetivo de uma rede LTE em comparação com os valores
teóricos e as simulações. Além disso, certas considerações
deste artigo podem ser aplicadas numa futura rede LTE, em
termos de planeamento e otimização.
Em primeiro lugar refira-se a confirmação da viabilidade
dos dois modelos propostos LTE-PL e o melhoramento do
modelo Okumura-Hata, através das medidas empíricas
realizadas numa área urbano denso.
Em relação à margem de desvanecimento para o mesmo
tipo de área (urbano denso) foi definido um valor de 11 dB.
Relativamente às perdas de penetração in-car foram definidos
2,7 dB.
A metodologia analisada em conjunção com o modelo de
propagação LTE-PL, também se revelou fidedigna para
executar um planeamento em LTE.
Relativamente às medidas realizadas, foi possível observar
que os valores máximos obtidos são idênticos aos máximos
teóricos, enquanto que os valores médios (em mobilidade) se
situam a cerca de metade desses valores.
A BLER média situava-se bastante próxima dos 10%, sendo
esse o valor desejável, de forma a evitar retransmissões
elevadas e as consequências que advêm dessa situação.
A eficiência espectral da rede analisada, esta cumpre os
requisitos do 3GPP. Tendo em conta as medições, não se pode
afirmar com certeza que cumpre os requisitos de mobilidade,
no entanto, deixa supor que tal facto seja possível.
AGRADECIMENTOS
Os autores desejam agradecer à CELFINET - Consultoria
em Telecomunicações, Lda. pelo suporte e financiamento
deste trabalho.
REFERÊNCIAS
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Móveis Long Term Evolution. Lisboa : ISEL, 2012.
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Computing. MathWorks. [Online] [Citação: 5 de Setembro de
2012.] http://www.mathworks.com/products/matlab/.
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Mobile Radio Services. Vehicular Technology, IEEE
Transactions on. 1980, Vols. 29, Issue 3, pp. 317–325.
[4]. European Comission. Digital mobile radio towards future
generation systems; COST Action 231. Belgium : Office for
Official Publications of the European Communities, 1999.
ISBN 92-828-5416-7.
[5]. Ericsson. Coverage and Capacity Dimensioning.
Estocolmo : s.n., 2010. 1/100 56-HSC 105 50/1-T Uen J.
[6] 3GPP Technical Specification 36.101. Evolved Universal
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radio transmission and reception (Release 8). France : 3GPP,
2008.
[7] 3GPP Technical Specification 22.105. Service aspects;
Services and service capabilities (Release 8). France : 3GPP,
2009.
[8] Kreher, Ralf e Gaenger, Karsten . LTE Signaling,
Troubleshooting and Optimization. United Kingdom : John
Wiley & Sons, Ltd, 2011. 978-0-470-68900-4.
[9] 3GPP. UTRA-UTRAN Long Term Evolution (LTE) and
3GPP System Architecture Evolution (SAE). s.l. : 3GPP, 2006.
[10] 3GPP TSG RAN R1-072261. LTE Performance
Evaluation – Uplink Summary. s.l. : 3GPP, 2007.
[11] Shannon, C. E. Communication in the presence of noise.
Proc. Institute of Radio Engineers. 1949, Vol. 37.
[12] Nokia Siemens Networks. The impact of latency on
application performance. Nokia Siemens Networks. [Online]
[Citação: 7 de Agosto de 2012.]
http://www.nokiasiemensnetworks.com/system/files/document
/LatencyWhitepaper.pdf.
