Coordenação de Interferência Multi-Celular em Sistemas LTE utilizando Técnicas de Beamforming

Sérgio Galveia Nunes

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Júri

Presidente: Prof. Fernando Duarte Nunes

Orientador: Prof. António José Castelo Branco Rodrigues

Co-Orientador: Prof. Nuno António Fraga Juliano Cota

Vogal: Prof. Pedro Joaquim Sebastião

Outubro 2012

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Para os meus pais

Para a Marilyn

Para a minha família e amigos

“Dreams may be impossible, yet still be dreamed.”

(Isaac Asimov)

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Agradecimentos

Em primeiro lugar quero agradecer ao Professor António Rodrigues (IST, Lisboa) e ao Professor Luc Vandendorpe (UCL, Bélgica) por me terem introduzido no tema desta dissertação e também ao Professor Nuno Cota (ISEL, Lisboa) pela supervisão e todo o apoio dado ao longo do desenvolvimento da tese.

Quero também agradecer ao meu pai pelas palavras de encorajamento e à minha mãe pelo suporte dado mesmo nas alturas em que surgiam mais obstáculos.

Quero agradecer à minha família que sempre me apoiou e que sem os quais este trabalho teria sido uma tarefa muito mais difícil.

Quero agradecer à Marilyn e aos meus amigos mais próximos pela paciência, motivação e otimismo constante que me transmitiram ao longo destes anos de curso, sem os quais o meu percurso académico não seria o mesmo.

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Resumo

O principal objetivo desta tese foi apresentar a problemática do efeito de interferência numa rede LTE e propor uma solução de Beamforming que, através de um incremento de complexidade de processamento, permite mitigar os efeitos de interferência, aumentar a qualidade da cobertura da rede LTE e assim melhorar a equidade do serviço prestado aos utilizadores da rede. São descritos vários cenários a fim de poder obter uma comparação entre um sistema com e sem Beamforming.

Inicialmente é apresentado um cenário monoutilizador numa célula sem interferentes. De seguida são introduzidos interferentes e é avaliada a qualidade da cobertura da rede. Por fim são aplicadas técnicas de Beamforming num modelo global com vários interferentes e utilizadores em diferentes células.

Os resultados mostram que num cenário com interferência, a qualidade da cobertura de uma célula LTE é bastante afetada. A utilização de Beamforming permite aumentar até +11 dB o nível de SINR na periferia da célula e isto reflete-se num aumento de até +54 Mbps de débito de Download expectável para um utilizador que se encontra na periferia. A eficiência espectral é também bastante melhorada conseguindo-se um aumento significativo de +3 bps/Hz.

Estes resultados levam à conclusão que a utilização de Beamforming aplicada à tecnologia LTE tem um potencial enorme, principalmente em cenários em que existe muita interferência inter-celular, podendo assim ser considerado como alternativa válida como método de coordenação de interferência inter-celular (ICIC).

Palavras-chave LTE, MIMO, ICIC, Beamforming, QoS

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Abstract

The main objective of this thesis was to present the problem of the effect of interference in a LTE network and propose a solution using Beamforming, mitigating the effects of interference, increasing the quality of network coverage and thus improving the fairness of service to network users. Various scenarios are described in order to obtain a comparison between a system with and without Beamforming.

Initially, a single-user, single-cell model with no interferents is presented. Another model including interferents is then introduced in order to evaluate the quality of the network coverage. Finally, we simulate a model where we apply Beamforming techniques in a global scenario with multiple interfering cells.

The results show that in the presence of strong interference, the quality of the coverage of a LTE cell is greatly affected. The use of Beamforming allows for an increase of SINR power in Cell-Edge of around +11 dB and this is reflected with an increase of up to +54 Mbps of Downlink throughput for the Cell-Edge user. Spectral efficiency is also greatly improved with results showing a significant increase of up to +3 bps/Hz.

These results lead to the conclusion that the use of Beamforming applied to LTE technology has enormous potential, especially in scenarios where there is a lot of inter-cell interference and therefore these techniques can be considered as a valid alternetive for Inter-cell Interference

Coordination (ICIC).

Keywords LTE, MIMO, ICIC, Beamforming, QoS

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Índice Agradecimentos .............................................................................. v

Resumo ........................................................................................... vi

Abstract .......................................................................................... vii

Índice ............................................................................................. viii

Lista de Figuras ............................................................................... x

Lista de tabelas ............................................................................... xi

Lista de acrónimos ......................................................................... xii

Lista de Software ........................................................................... xiv

Capítulo 1 Introdução ...................................................................... 1

1.1. Motivações ..................................................................................................... 2

1.2. Estrutura da dissertação ................................................................................. 3

Capítulo 2 Conceitos Fundamentais ................................................ 5

2.1 Espectro Electromagnético ............................................................................. 6

2.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM e OFDMA) ..................... 8

2.3 LTE ................................................................................................................. 9

2.3.1 Arquitetura de rede ................................................................................ 10

2.3.2 Interface Rádio ...................................................................................... 11

2.3.3 Link Budget ........................................................................................... 16

2.3.3.1 Capacidade ........................................................................................ 16

2.3.3.2 Cobertura ........................................................................................... 18

2.4 Modos de transmissão (MIMO) ..................................................................... 19

2.5 Modulação e Codificação Adaptativa (AMC) ................................................. 22

2.6 Técnicas de Coordenação de Interferência (ICIC) ........................................ 24

2.7 Beamforming ................................................................................................ 26

2.8 Qualidade de serviço/qualidade de experiência ............................................ 31

2.9 Key performance Indicators (KPIs) ............................................................... 33

2.9.1 Reference Signal Received Power (RSRP) ........................................... 33

2.9.2 Reference Signal Received Quality (RSRQ) .......................................... 33

2.9.3 Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) ...................................... 35

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Capítulo 3 Descrição do Modelo e Cenários Simulados ................ 37

3.1 Estrutura Celular ........................................................................................... 38

3.2 Cenário Mono-celular sem interferentes ....................................................... 39

3.3 Cenário Multi-Celular com Interferentes ........................................................ 40

3.3.1 Sem Beamforming ................................................................................. 40

3.3.2 Com Beamforming ................................................................................. 40

3.3.3 Cálculo do débito de DL e eficiência espectral ....................................... 41

3.3.4 Funcionamento do simulador ................................................................. 43

Capítulo 4 Apresentação e Análise de Resultados ........................ 45

4.1 Modelo Sem Interferentes (Mono-Celular) .................................................... 46

4.2 Modelo Com Interferentes (Multi-Celular) ..................................................... 47

4.2.1 Com variação da posição do utilizador (D1)........................................... 47

4.2.1.1 Relação Sinal/Ruído - SINR ............................................................... 51

4.2.1.1.1 Ambiente Rural ............................................................................. 51

4.2.1.1.2 Ambiente Urbano .......................................................................... 52

4.2.1.2 Débito ................................................................................................ 53

4.2.1.2.1 Ambiente Rural ............................................................................. 53

4.2.1.2.2 Ambiente Urbano .......................................................................... 54

4.2.1.3 Eficiência Espectral ............................................................................ 55

4.2.2 Com variação da distância inter-celular (ISD) ........................................ 57

Capítulo 5 Conclusões e Trabalho Futuro ..................................... 59

Anexo A Link Budget ..................................................................... 63

Anexo B Mapeamento CQI/MCS ................................................... 67

Referências ................................................................................... 71

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Lista de Figuras Figura 1 – Evolução das redes móveis [1] .................................................................................... 2 Figura 2 – Esquema de divisão por frequência-tempo ................................................................. 8 Figura 3 – Crescimento anual do tráfego e evolução prevista do lucro em função do tráfego [4] 9 Figura 4 – Estrutura da E-UTRAN [5] ......................................................................................... 10 Figura 5 – Estrutura da EPC [5] .................................................................................................. 11 Figura 6 – Estrutura de símbolo OFDM [6] ................................................................................. 12 Figura 7 – Esquema de divisão tempo/frequência por Resource Blocks ................................... 12 Figura 8 – Estrutura de uma trama de DL [5] .............................................................................. 13 Figura 9 – Divisão em Resource Blocks [5] ................................................................................ 14 Figura 10 – Estrutura de uma trama de UL [7] ............................................................................ 15 Figura 11 – Esquema de transmissão MIMO .............................................................................. 19 Figura 12 – Classes de MIMO ..................................................................................................... 20 Figura 13 – SINR vs eficiência spectral para vários esquemas de modulação [9] ..................... 22 Figura 14 – Diagrama de ICIC [10] ............................................................................................. 24 Figura 15 – Comportamento teórico do SINR em função da distância ao eNB – (a) sem ICIC (b)

com ICIC ................................................................................................................. 25 Figura 16 – Estrutura celular com FFR [11] ................................................................................ 25 Figura 17 – Aumento do raio de cobertura da célula com Beamforming.................................... 26 Figura 18 – Layout básico de uma rede com Beamforming [5] .................................................. 27 Figura 19 – Layout típico de antenas de beamformers [5] ......................................................... 28 Figura 20 – Array de elementos de antena uniformemente espaçados [5] ................................ 29 Figura 21 – Fluxo de sinal MMSE [5] .......................................................................................... 30 Figura 22 – Mapeamento de parâmetros de QoS e QoE [12] .................................................... 31 Figura 23 – Comportamento de RSRP e RSRQ em diferentes situações [13] .......................... 34 Figura 24 – Estrutura celular proposta ........................................................................................ 38 Figura 25 – Detalhe da estrutura de uma célula ......................................................................... 39 Figura 26 – Estrutura celular do modelo multi-célula .................................................................. 40 Figura 27 – Diagrama lógico de cálculo de débito e eficiência espectral ................................... 41 Figura 28 – Diagrama lógico de cálculo de débito a partir de SINR ........................................... 41 Figura 29 – Eficiência espectral para diferentes modulações, em função do SNR [15] ............. 42 Figura 30 – Diagrama de funcionamento do simulador .............................................................. 43 Figura 31 – Diagrama das simulações realizadas. ..................................................................... 44 Figura 32 – Resultados de simulações para modelo mono-celular sem interferentes ............... 46 Figura 33 – SINR em função de D1 para ISD 3 Km ................................................................... 48 Figura 34 – SINR em função de D1 para ISD 10 Km ................................................................. 48 Figura 35 – SINR em função de D1 para ISD 20 Km ................................................................. 48 Figura 36 – SINR em função de D1 para ISD 1.5 Km ................................................................ 49 Figura 37 – SINR em função de D1 para ISD 3 Km ................................................................... 49 Figura 38 – SINR em função de D1 para ISD 10 Km ................................................................. 50 Figura 39 – Variação de SINR em função de ISD, Ambiente Rural, 8 Interferentes .................. 57 Figura 40 – Variação de SINR em função de ISD, Ambiente Rural, 0 Interferentes .................. 57 Figura 41 – Variação de SINR em função de ISD, Ambiente Urbano, 8 Interferentes ............... 58 Figura 42 – Variação de SINR em função de ISD, Ambiente Urbano, 0 Interferentes ............... 58 Figura 43 – Interpolação para 64-QAM code rate ¾ e ETU 70 Hz no DL [7] ............................. 68

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Lista de tabelas Tabela 1 – Resultados da fase de licitação do leilão multi-faixas [3]............................................ 7 Tabela 2 – Número de RB em função da BW [5] ........................................................................ 15 Tabela 3 – Débitos de pico da camada física para DL [7] .......................................................... 17 Tabela 4 – Débitos de pico da camada física para UL [7] .......................................................... 17 Tabela 5 – Matriz de decisão na seleção do modo MIMO .......................................................... 21 Tabela 6 – CQI e respetivas modulações, code rates e eficiência espectral [8] ........................ 23 Tabela 7 – Mapeamento de medicos de RSRP [13] ................................................................... 33 Tabela 8 – Mapeamento de medicos de RSRQ [13] .................................................................. 34 Tabela 9 – Cell-Edge SINR [dB] sem Beamforming, modelo mono-utilizador sem interferentes

................................................................................................................................ 47 Tabela 10 – Cell-Edge SINR [dB] Sem Beamforming, Ambiente Rural ...................................... 51 Tabela 11 – Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Rural ..... 51 Tabela 12 – Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Rural ..... 51 Tabela 13 – Cell-Edge SINR [dB] Sem Beamforming, Ambiente Urbano .................................. 52 Tabela 14 – Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Urbano .. 52 Tabela 15 – Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Urbano .. 52 Tabela 16 – Débito por stream [Kbps] Sem Beamforming, Ambiente Rural .............................. 53 Tabela 17 – Débito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Rural

................................................................................................................................ 53 Tabela 18 – Débito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Rural

................................................................................................................................ 53 Tabela 19 – Débito por stream [Kbps] Sem Beamforming, Ambiente Urbano ........................... 54 Tabela 20 – Débito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Urbano

................................................................................................................................ 54 Tabela 21 – Débito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Urbano

................................................................................................................................ 54 Tabela 22 – Eficiência Espectral [bits/Hz], Ambiente Rural ........................................................ 55 Tabela 23 – Eficiência Espectral [bits/Hz], Ambiente Urbano ..................................................... 56 Tabela 24 – Índice de CQI, MCS e Itbs com respetivos code rates e modulações .................... 69 Tabela 25 – Transport block size em função do número de RB e Itbs ....................................... 70

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Lista de acrónimos 16-QAM 16 Quadrature Amplitude Modulation 3GPP Third Generation Partnership Project 64-QAM 64 Quadrature Amplitude Modulation ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AMC Adaptative Modulation Coding ANACOM Autoridade Nacional de Comunicações AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Ratio BF Beamforming BS Base Station BW Bandwidth CL-SM Closed Loop Spatial Multiplexing CP Cyclic Prefix CSI Channel State Information D1 Distância do utilizador à Serving Cell DL Downlink DOA Destination of Arrival EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power eNB Evolved NodeB EPA Extended Pedestrian A EPC Evolved Packet Core ETU Extended Typical Urban EUTRAN Evolved UTRAN F Frequência FDD Frequency Division Duplexing FFR Fraction Frequency Reuse FSU Flexible Spectrum Usage FTTH Fiber to the Home HARQ Hybrid ARQ HSDPA High-Speed Downlink Packet Access HSPA High-Speed Packet Access HSPA+ High-Speed Packet Access Evolutions ICIC Inter-Cell Interference Coordination IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISD Inter-Site Distance ISI Inter-symbol Interference KPI Key Performance Indicator M Número de Elementos de Antena MCS Modulation and Coding Scheme MIMO Multiple Input Multiple Output MME Mobile Management Entity MMSE Minimum Mean Square Error MU-MIMO Multi user MIMO OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access OL-SM Open Loop Spatial Multiplexing PAR Peak-to-average power Ratio PBCCH Physical Broadcast Control CH PBCH Physical Broadcast Channel PCFICH Physical Control Format Indicator Channel PDCCH Physical Downlink Control Channel PDCP Packet Data Convergence Protocol PDCP Packet Data Convergence Protocol P-GW Packet Data Network Gateway PMI Pre-coding Matrix Indicator

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P-SCH Primary Synchronization Channel QOE Quality of Experience QOS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Key RB Resource Block RE Resource Element RF Radio Frequency RLC Radio Link Control RRC Radio Resource Control RRM Radio Resource Management RS Reference Signal RSRP Reference Signal Received Power RSRQ Reference Signal Received Quality RSSI Received Signal Strenght Indicator RTT Round trip time RX Reception SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access SDMA Space-Division Multiple Access S-GW Serving Gateway SIMO Single-Input Multiple-Output SINR Signal to Noise plus Interference Ratio SISO Single-Input Single-Output SMI Simple Matrix Inversion S-SCH Secondary Synchronization Channel SU-MIMO Single user MIMO TB Transport Block Size TDD Time Division Duplexing TX Transmission UE User Equipment UL Uplink UMTS Universal Mobile Telecommunications System USIM UMTS Subscriber Identity Module WCDMA Wideband Code Division Multiple Access WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

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Lista de Software

MATLAB Ferramenta computacional de simulação e matemática

Microsoft Excel Ferramenta de cálculo

Microsoft Visio Ferramenta de design gráfico

Microsoft Word Editor de texto

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Capítulo 1 Introdução

Este capítulo apresenta uma breve descrição do trabalho. São apresentadas as motivações e a estrutura em que a dissertação se baseia.

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1.1. Motivações

Nos últimos anos tem sido evidente uma evolução contínua das tecnologias de acesso móvel, sendo suportados cada vez mais serviços que necessitam de uma performance e robustez, mesmo em ambientes de grande mobilidade. Na Figura 1 é apresentada a evolução das redes móveis nos últimos anos.

Figura 1 – Evolução das redes móveis [1]

A fim de melhorar a capacidade da tecnologia LTE e LTE-Advanced, estão a ser consideradas opções de Multiple Input Multiple Output (MIMO), alcançando-se assim uma elevada eficiência espectral com uma alocação inteligente do espetro eletromagnético. Os sistemas MIMO permitem também criar vários streams paralelos de informação, o que em teoria levaria a uma multiplicação de capacidade usando os mesmos recursos.

Para melhorar a capacidade e eficiência espectral, assume-se que vários utilizadores da mesma célula possam utilizar as mesmas frequências. Como tal é necessário considerar uma utilização flexível do espectro, oferecendo assim uma elevada escalabilidade do sistema comparando com a abordagem clássica de utilização espectral. Considera-se assim o acesso múltiplo recorrendo a Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) com Space Division Multiple Access (SDMA) que permite uma partilha eficiente dos recursos da rede aumentando assim a eficiência espectral do sistema.

De forma a melhorar este sistema é considerada a possibilidade de introduzir técnicas de Beamforming (BF) na estação de base (eNodeB – eNB) que através de um conhecimento total da localização dos utilizadores, é capaz de redireccionar o feixe emitido de forma a melhorar substancialmente a cobertura de um utilizador num dado momento. O Beamforming permitirá também reduzir substancialmente a interferência causada aos outros utilizadores do cluster, já que são criados lobos de baixa potência nas direcções dos User Equipments (UE) que não estão a ser focados nesse dado momento.

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1.2. Estrutura da dissertação

Esta dissertação é composta por várias secções. A primeira secção tem como objetivo fazer uma introdução teórica do tema. Para tal começa-se por apresentar o problema da utilização partilhada do espectro electromagnético. De seguida são explicadas as técnicas de multiplexagem e acesso múltiplo utilizadas na tecnologia LTE.

São depois apresentadas as características principais da tecnologia LTE, nomeadamente a Arquitetura de Rede, a Interface Rádio e o Link Budget. Nesta última são apresentadas as principais preocupações de um operador, nomeadamente Capacidade, Cobertura.

De seguida são apresentados os modos de transmissão Multiple Input Multiple Output e as respetivas configurações e como são aplicadas no LTE.

O objetivo principal desta dissertação é compreender como a interferência pode prejudicar a performance da rede LTE e como tal são então descritas várias técnicas de coordenação de interferência inter-celular (Inter-celular Interference Coordination – ICIC) aprofundando-se depois a solução de Beamforming, onde se estuda a possibilidade de, através de algum processamento de sinal, se conseguem criar feixes direcionais, aumentando a potência do sinal e reduzindo interferência para utilizadores de outras células do cluster.

A secção seguinte é dedicada à descrição do modelo teórico e dos parâmetros utilizados para a simulação. Começa-se por descrever a estrutura celular da rede LTE e, através de vários patamares de complexidade, são apresentados cenários que combinam um número variável de utilizadores com um número variável de interferentes (cluster de células vizinhas).

É então analisado um novo cenário que, utilizando as técnicas de Beamforming descritas anteriormente, permitem criar um ganho da potência do sinal útil recebido pelo utilizador principal e ao mesmo tempo reduzir a potência de interferência para as outras células adjacentes. Com este modelo consegue-se assim aumentar o SINR do utilizador, sendo este efeito mais proponderante na periferia da célula.

Na secção seguinte são apresentados e analisados os resultados obtidos pelo simulador de acordo com os vários cenários propostos anteriormente, com especial foco em redes Urbanas onde atualmente se utiliza a banda de 2600 MHz com 20 MHz de bandwidth (BW), e redes Rurais, onde normalmente é usada a banda de 800 MHz com 10 MHz de BW por ter um alcance superior.

Por fim são retiradas conclusões e são propostas novas metodologias para o trabalho futuro.

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Capítulo 2 Conceitos

Fundamentais

Neste capítulo é, inicialmente, apresentada uma descrição da problemática da partilha do espectro electromagnético e é apresentado o mais recente leilão de espectro electromagnético conduzido pela entidade reguladora das telecomunicações em Portugal (ANACOM). De seguida é abordada a técnica de acesso OFDM, fundamental na tecnologia LTE.

Explica-se também o funcionamento do LTE, nomeadamente: Arquitetura de Rede (EUTRAN e EPC), Interface Radio (estrutura de tramas de Downlink e Uplink) e Link Budget (cobertura e capacidade). São introduzidos os conceitos de diversidade através dos modos de transmissão MIMO e coordenação de interferência através de técnicas de ICIC assim como o conceito de Beamforming.

Por fim foca-se a Qualidade de Serviço e Qualidade de Rede de uma rede LTE, evidenciando-se os respetivos indicadores chave ( Key Perfomance Indicator - KPI).

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2.1 Espectro Electromagnético

Inicia-se este capítulo com uma breve explicação do conceito de partilha de espectro electromagnético, funcionalidade fulcral nas novas redes de acesso móvel, que utilizam os recursos disponíveis no espectro electromagnético, para transmitir informação.

A partilha de espectro acontece quando vários sistemas rádio independentes (por exemplo rádios militares, redes móveis celulares, etc) ou utilizadores independentes utilizam as mesmas frequências do espectro electromagnético cooperativamente (no tempo, espaço, código, etc) [2]. O processo de partilha de espectro baseia-se em cinco passos fundamentais:

1. Sensibilidade espectral: uma tecnologia pode apenas alocar uma porção do espectro que não esteja licenciada a outro utilizador.

2. Alocação espectral: de acordo com a disponibilidade do espectro, pode ser alocado um canal associado a uma banda de frequências do espectro.

3. Acesso ao espectro: é possível que vários utilizadores acedam às mesmas frequências depois de alocadas, este acesso tem de ser coordenado para evitar interferência.

4. Acordo entre transmissor e recetor: quando uma porção do espectro é definido para comunicações o recetor desta comunicação deve também ser informado sobre as frequências escolhidas, a fim de ser possível estabelecer o canal de ligação entre recetor e emissor.

5. Mobilidade de espectro: os utilizadores são considerados como “visitantes” das bandas de frequência do espectro que utilizam.

A classificação da Partilha Espectral é baseada na arquitetura de rede, comportamento de alocação espectral e técnica de acesso espectral:

• Arquitetura: o Centralizada, em que existe uma entidade centralizada que controla a alocação

e acesso. o Distribuída, em que cada nó é responsável pela alocação espectral e o acesso

é realizado de acordo com políticas e regras locais. • Alocação espectral:

o Cooperativa, em que existe comunicação entre os nós da rede, que partilham indicadores de medidas de interferência de cada nó.

o Não Cooperativa, em que cada nó é independente dos outros. • Acesso espectral:

o Overlay, em que cada nó utiliza uma parte do espectro que não foi licenciada por nenhum utilizador.

o Underlay, em que um nó começa a sua transmissão numa porção do espectro que é então considerada como ruído para os outros nós.

Estas características permitem o desenvolvimento de uma rede com partilha espectral entre redes (Inter-Network Spectrum Sharing) e/ou dentro da mesma rede (Intra-Network Spectrum Sharing).

Numa rede LTE é re-utilizado o espectro entre utilizadores (Intra-Network Spectrum Sharing) de células diferentes, o que vai provocar interferência entre utilizadores.

Para reduzir este efeito são utilizadas técnicas de Utilização Flexível do Espectro (Flexible Spectrum Usage), onde os utilizadores podem usar flexivelmente o espectr, permitindo assim uma maior escalabilidade espectral do sistema.

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Em Portugal, o regulador ICP-ANACOM lançou recentemente um leilão para os operadores em que foram atribuidos vários espectros em diversas bandas sem especificar que tecnologia será usada em cada banda.

Tabela 1 – Resultados da fase de licitação do leilão multi-faixas [3]

A oferta da LTE em Portugal foi muito recentemente apresentada e utiliza principalmente as bandas de frequências dos 2600 MHz e 800 MHz com diferentes larguras de banda.

A tecnologia LTE prevê dois tipos de modos duplex: FDD e TDD. A FDD está optimizada para funcionar em simultâneo com 384 Mcps UMTS enquanto que a TDD funciona a 128 Mcps UMTS TDD.

Após o leilão da ANACOM ficou claro que o modo de duplexagem escolhido pelos operadores será o FDD pelo que apenas consideraremos este modo no resto da tese já que permite uma optimização da eficiência da utilização espectral.

De seguida são apresentadas as técnicas de multiplexagem e acesso múltiplo aplicadas na rede LTE para servir os utilizadores.

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2.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM e OFDMA)

A tecnologia LTE utiliza Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) no Downlink, que é uma técnica de acesso múltiplo apropriado para obter elevados débitos de pico com grandes larguras espectrais de banda (bandwidth – BW).

Para atingir picos de débito de 100 Mbps é necessária uma complexidade bastante elevada a nível dos terminais, o que não é prático com a tecnologia da 3ª geração móvel, que se baseia no acesso multíplo por Wide-band Code-division Multiple Access (WCDMA). É aqui que o OFDM pode trazer vantagens.

A calendarização (scheduling) no domínio da frequência permite minimizar a interferência, aumentando a eficiência espectral. A vertente OFDMA permite a criação de canais com dimensões espectrais flexiveis, podendo se criar canais com larguras de banda escaláveis desde os 1.4 MHz até aos 20 MHz.

No Uplink não é utilizado OFDMA puro, já que isso implicaria um Peak to Average Ratio (PAR) elevado, comprometendo a utilização eficiente dos recursos energéticos dos terminais e consequentemente diminuindo drasticamente a capacidade da bateria dos equipamentos. No LTE utiliza-se a técnica de acesso múltiplo denominado de Single-carrier FDMA (SC-FDMA), que é similar ao OFDMA, mas tem uma vantagem entre 2 a 6 dB de PAR em relação ao OFDMA tal como é utilizado na tecnologia WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access).

Numa rede sem fios com elevada capacidade é crucial escolher uma modulação que permita a maior eficiência espectral possível.

Num sistema OFDM, o espectro disponível é dividido em sub-portadoras ortogonais. Cada uma das sub-portadoras é modulada independentemente e pode transportar um stream (canal) diferente de informação. Na Figura seguinte é apresentado o esquema de divisão por frequência-tempo para um sistema com 5 MHz de largura de banda.

Figura 2 – Esquema de divisão por frequência-tempo

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2.3 LTE

Nesta secção é descrita a tecnologia LTE, incluindo principais funcionalidades, arquitetura de rede, interface radio, cobertura e capacidade celular.

O crescimento acelerado do mercado de comunicações móveis levou a um paradigma de constante procura de evolução nos serviços prestados pelos operadores.

Figura 3 – Crescimento anual do tráfego e evolução prevista do lucro em função do tráfego [4]

A optimização de serviços orientados para a comutação de pacotes, a necessidade crescente de colmatar uma procura incessante de mais débito, muito devido ao crescimento das redes sociais e de conteúdos multimédia de alta definição, levaram o 3GPP a criar os standards da evolução da terceira geração móvel.

Na tecnologia LTE é apresentada uma arquitectura mais transversal que é capaz de operar em simultâneo com as anteriores gerações a nível da camada de rede.

As principais funcionalidades da tecnologia LTE são:

• Débitos de Downlink de pico até 326 Mbps com 20 MHz de BW.

• Débitos de Uplink de pico até 86.4 Mbps com 20 MHz de BW.

• Operabilidade tanto no modo Time-Division Duplex (TDD) como no modo Frequency-Division Duplex (FDD).

• Largura de banda escalável até 20 MHz, incluindo 1.4, 3, 5, 10, 15 e 20 MHz.

• Aumento da eficiência espectral em relação à Release 6 HSPA (High Speed Packet Access) por um fator multiplicativo de dois ou quatro.

• Redução substancial da latência, para 10 ms de RTT (round trip time) entre equipamento e o base station, assim como redução para menos de 100 ms para o tempo de transição de inatividade para atividade.

• Capacidade de auto-otimização de acordo com o controlo e preferências do operador, que deverá automatizar o planeamento da rede, reduzindo o custos.

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2.3.1 Arquitetura de rede

A Arquitetura de rede LTE tenta centralizar todo o processamento mais complexo na interface de rádio das Base Stations (BS), também denominadas de Evolved-NodeB (eNB).

A estrutura da rede LTE é simular à da geração anterior e é baseada no conceito de rede orientada à comutação de pacotes.

Figura 4 – Estrutura da E-UTRAN [5]

Os elementos desta rede são os seguintes:

• Evolved-NodeB (eNB), elemento representativo da E-UTRAN que contem todas as funções da interface Radio. No eNB podem ser identificadas as funções de Radio Link Control (RLC), Radio Resource Control (RRC) e Packet Data Convergence Protocol (PDCP). Assim todas as operações anteriormente desempenhadas pelo Resource Radio Manager (RRM) tais como controlo de admissão, controlo de barreira de radio e alocação dinâmica de recursos, são agora desempenhadas no eNB. É também definida uma interface X2 que providencia a ligação entre eNBs. Esta interface é bastante importante e permite a gestão de handovers entre células a nível de eNB sem necessidade de intervenção de controladores de um nível mais elevado de hierarquia.

• Acesso Radio e Core Network, representados pela Evolved Packet Core Network (EPC) Na rede Core encontramos os nós lógicos: o PDN Gateway (P-GW), Serving Gateway (S-GW) e a entidade de gestão de mobilidade (Mobility Management Entity – MME). Garantindo a interoperabilidade com as gerações anteriores, os nós P-GW e S-GW fazem o processamento a nível do plano de dados do utilizador, processam os pacotes IP e analisam as necessidades de QoS filtrando os pacotes a nível de DL.

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A estrutura da EPC é representada pela Figura 4.

Figura 5 – Estrutura da EPC [5]

É de salientar que a ligação entre a eUTRAN e a EPC é realizada através da interface S1 e que a comunicação entre eNBs é realizada através da interface X2.

2.3.2 Interface Rádio

A interface de rádio apresentada na tecnologia de 4ª Geração procura obter a eficiência máxima possível na transmissão de pacotes na rede. Assim sendo, na camada física podemos encontrar canais que são partilhados, o que torna a gestão de recursos dinâmica.

Esta interface tem ao mesmo tempo o desafio de co-existir com as tecnologias de gerações anteriores a fim de garantir uma passagem gradual e suave na evolução da oferta de mercado.

A largura de banda é definida em 6 valores: 1.4, 3.0, 5, 10, 15 e 20 MHz sendo de esperar que usando uma maior largura de banda obviamente teremos um maior débito binário.

O objetivo geral é providenciar tecnologia de acesso rádio com uma elevada performance que permita uma grande mobilidade e com capacidade de coexistir com as redes de gerações anteriores.

A tecnologia LTE implementa OFDM no Downlink. O princípio básico é de dividir o stream de elevado débito em vários streams de débito baixo, sendo cada um deles um sinal de banda estreita transportado por uma sub-portadora. Os streams de banda estreita são gerados no domínio da frequência e depois combinados para criar um stream de banda larga usando Inverse Fast Fourier Transform (IFFT).

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12

As sub-portadoras têm 15 KHz de espaçamento entre elas. Este espaçamento é mantido mesmo que se aumente a largura de banda global do sistema, simplificando-o. O número de sub-portadoras varia entre 72 para o sistema de 1.4 MHz de largura de banda até 1200 para 20 MHz de largura de banda.

O sinal é então obtido através de IFFT e extendido repetindo a parte inicial (denominado Cyclic

Prefix – CP). O sinal incluindo o CP é denominado de símbolo OFDM, considerando-se o CP como um tempo de guarda entre sinais com o objetivo de mitigar os efeitos de interferência inter-simbólica (ISI) originada pelo multi-percurso. Assim, este sistema pode ser tratado como ortogonal, porque as sub-portadoras são geradas no domínio da frequência (ortogonais) e essa característica é passada com IFFT.

Figura 6 – Estrutura de símbolo OFDM [6]

Devido à elevada mobilidade surgem efeitos de Doppler que fazem com que a ortogonalidade do sistema possa ser perdida e por isso o 3GPP decidiu normalizar o espaçamento entre sub-portadoras em 15 KHz já que um sistema com estas características sofrerá menos com o efeito do desvio de Doppler.

A funcionalidade principal da técnica de acesso OFDMA vem da possibilidade de atribuir a vários utilizadores várias sub-portadoras ao longo do tempo. Para tal define-se a unidade mínima de um Resource Block (RB) que pode ser alocada a um utilizador. Um RB consiste em 12 sub-portadoras com 14 símbolos OFDM em 1ms. A Figura 6 mostra um diagrama exemplo de como esta atribuição pode ser realizada.

Figura 7 – Esquema de divisão tempo/frequência por Resource Blocks

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É importante salientar que os recursos são então distribuidos aos vários utilizadores ao longo do tempo e da frequência.

Ao controlar que sub-portadoras estão associadas a cada um dos setores de uma célula, o operador pode então controlar a reutilização de frequências. Utilizando todas as sub-portadoras em cada setor a rede funciona com um fator de reutilização de frequências 1, mas utilizando um terço da capacidade em cada setor, o sistema atinge um fator de reutilização de 1/3 que implica reduzir a eficiência espectral mas permite aos utilizadores que estejam localizados na fronteira da célula obter débitos mais elevados.

Para a tecnologia LTE são também definidas várias configurações de MIMO (Multiple Input

Multiple Output). No Downlink são previstas as opções de 2x2, 4x2 (quatro antenas na base

station) e 4x4. No Uplink está prevista a abordagem de Single-user MIMO (SU-MIMO) e multi-

user MIMO (MU-MIMO). A configuração single-user é mais difícil de implementar pois necessita de dois canais de transmissão paralelos no equipamento móvel enquanto que na conFiguração multi-user não é necessário aumentar a complexidade do equipamento.

Uma trama em LTE segue o seguinte formato (Figura 8):

Figura 8 – Estrutura de uma trama de DL [5]

A transmissão de uma trama de tipo 1 implica o mapeamento de:

• Sinal de referência (Reference Signal – RS), usado para a estimação de canal, baseado no símbolo OFDM 0 a 4 de cada slot, também denominado de piloto

• Canal primário de sincronismo (Primary-Synchronisation Channel – P-SCH) e canal secundário de sincronismo (S-SCH), usados para procura de célula e sincronização da UE na rede celular

• Canal físico de broadcast (Physical Broadcast Channel – PBCH)

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• Canal físico de controlo de DL (Physical Downlink Control Channel – PDCCH), que promove o scheduling e detecção de erros e retransmissão

Na tecnologia LTE a camada física é projectada para garantir a eficiência máxima de transmissão de pacotes. As interfaces de DL e UL são compostas por canais físicos e sinais físicos. Os canais físicos têm a responsabilidade de transmitir informação das camadas superiores e transportam a informação dos utilizadores (foram eliminados os canais de transporte dedicados).

Independentemente da frequência e largura de banda, a estrutura de trama apresenta sempre 10 ms. Dentro dessa time-frame são definidos 20 slots com 0.5 ms cada e a junção de duas slots constituem uma sub-trama (com 1 ms de duração) equivalente ao TTI do L2.

Comparativamente com a tecnologia HSPA isto representa uma redução para metade da TTI.

No domínio tempo-frequência são definidas unidades denominadas de Resource Elements. Cada resource element tem um símbolo OFDM por sub-portadora.

A cada utilizador são atribuidos conjuntos de resource elements, cujo agrupamento se denomina Resource Block (RB). Cada RB possui na sua estrutura (apresentada na Figura 9) 84 Resource Elements (12 sub-portadoras x 7 símbolos).

Figura 9 – Divisão em Resource Blocks [5]

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Esta unidade é equivalente a 1 slot no domínio do tempo ou 180 KHz (12 Sub-portadoras x 15 KHz de espaçamento) no domínio da frequência. Um RB pode corresponder a 7 ou 6 símbolos OFDM consoante se considere CP normal ou estendido, respectivamente.

Consoante a largura de banda pretendida, podemos projectar o número de RBs físicos, sendo apresentados os valores teóricos máximos do número de RB sem função da largura de banda, na tabela seguinte.

Tabela 2 – Número de RB em função da BW [5]

A estrutura da trama UL mantém a estrutura de slots, sub-tramas e tramas de radio do DL. Suportando diversas modulações, os canais de controlo a nível de UL têem de garantir alocação dinâmica de recursos assim como a estimação de canais para se conseguir melhorar débitos de pico e maximizar a eficiência espectral.

Existe um mapeamento em Resource Blocks (RB) que representa o canal de controlo físico de UL. Analisando a estrutura da trama UL (apresentada na Figura 10) podemos observar que no terceiro símbolo do slot se encontra um sinal de referência que é utilizado para a estimação de canal e desmodelação coerente.

Figura 10 – Estrutura de uma trama de UL [7]

Por fim é importante referir que as bandas de frequências utilizadas comercialmente em Portugal para esta tecnologia são as 800 MHz em ambiente rural e 2600 MHz em ambiente urbano, pelo que serão estas as bandas analisadas nesta tese.

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2.3.3 Link Budget

Para compreender o funcionamento desta tecnologia temos de analisar o seu Link Budget.

O Link Budget é usado num sistema de telecomunicações para o cálculo de todos os ganhos e perdas desde o emissor, através do meio de propagação (espaço livre, cabo, fibra, etc) até ao recetor. Este cálculo tem em conta a atenuação devido a propagação, assim como os ganhos de antena e margens de desvancecimento (fading), antecipando os seus efeitos nocivos no sistema.

De seguida serão apresentados cálculos para os três fatores chaves da tecnologia LTE, nomeadamente Capacidade, Cobertura e Performance.

2.3.3.1 Capacidade

Nesta secção são apresentados os cálculos relativos à capacidade de um sistema celular LTE.

Tendo em conta que o débito de cada utilizador depende do número de RB que lhe são atribuidos e que o número de RB disponíveis depende de factores como a largura de banda escolhida, tipo de modulação, code rate, SNR e configuração MIMO, devemos ter tudo isto em conta quando se projeta a capacidade de uma célula LTE.

O número de RB por utilizador depende assim de [5]:

(2.1)

Onde:

• NRB é o número de RB.

• Nu é o número de utilizadores.

• NRB/user é o número de RB por utilizador.

Estima-se então que o débito oferecido a cada utilizador será de [5]:

(2.2)

Onde:

• Rb/u é o débito binário requerido por cada utilizador (nível de camada física da rede).

• Nsymbols/sub-frame é o número de símbolos OFDM por sub-trama (dependente do tamanho de CP, sendo 14 para o CP normal e 12 para o CP estendido).

• M é a ordem de modulação (QPSK, 16-QAM, 64-QAM).

• Nstreams é o número de fluxos no caso de se considerar MIMO.

• TTTI é 1 ms no caso do LTE.

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Os débitos de pico são calculados através da fórmula [7]:

(2.3)

Em que:

• Nbits é o número de bits em função da modulação.

• LB é a largura de banda (BW).

• Nsubcarrier é o número de sub-portadoras.

• NOFDM symbols per sub-frame é o número de símbolos OFDM por sub-trama.

• Tf é o tempo de trama, 1ms.

Seguidamente apresentam-se nas Tabelas 3 e 4, alguns valores teóricos para os débitos de pico em vários cenários de largura de banda e modulações [7].

Tabela 3 – Débitos de pico da camada física para DL [7]

Tabela 4 – Débitos de pico da camada física para UL [7]

Mostra-se assim a grande adaptabilidade da tecnologia LTE, sendo possível atingir débitos bastante elevados, equiparados à rede de acesso por ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line)

ou fibra ótica (Fiber to the Home - FTTH).

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2.3.3.2 Cobertura

Para melhorar o serviço prestado ao utilizador final são aplicados vários algoritmos de scheduling dinâmico na eNB. Esses algoritmos são aplicados procurando criar uma equidade entre utilizadores da célula cumprindo também as necessidades de QoS (Quality of Service) de cada utilizador com a criação de várias classes de tráfego.

É importante referir que, devido à reutilização de frequências em células adjacentes, se devem analisar os casos em que os utilizadores se encontram na fronteira entre duas células. A interferência inter-celular é um factor bastante limitativo pois influencia a relação sinal ruído (SINR) no UE.

Mesmo assumindo um conhecimento perfeito do estado de canal (Channel State Information – CSI) são necessários algoritmos de coordenação de interferência multi-celular, alguns dos quais serão apresentados posteriormente.

A potência disponível para emissão no eNB influencia fortemente o cálculo do Link Budget.

A área de cobertura da célula é então limitada à potência mínima necessária para garantir um sinal coerente no UE, assim como temos de ter em conta as condições de fading e os limites aceitáveis para o Bit Error Rate (BER).

Adaptando o modelo de propagação ao cenário escolhido podemos assim calcular o raio da célula [5]:

(2.4)

Onde:

• PTX-subcarrier[dBm] é a potência transmitida em cada sub-portadora.

• Pr-subcarrier[dBm] é a sensibilidade mínima necessária para atingir determinado débito.

A potência mínima recebida é calculada através da seguinte expressão [5]:

(2.5)

A largura de sub-banda é de ∆f = 15 KHz e Eb / N0 depende da modulação usada e das características do canal.

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2.4 Modos de transmissão (MIMO)

Com o desenvolvimento de técnicas MIMO, modulação adaptativa e outras inovações introduzidas em redes sem fio, o projeto de redes 4G de banda larga será mais desafiante do que das redes 2G e 3G atuais.

Vários fatores influenciam o seu impacto na rede e torna-se importante definir as aplicações, serviços e outras ofertas para que os operadores possam fazer um planeamento eficiente da rede. Essa complexidade permite a diferenciação de produtos tanto de fornecedores de equipamentos como service providers.

Com o objetivo de superar a performance obtida com as tecnologias anterior foram propostas várias soluções de MIMO (Multiple Input Multiple Output), que exploram as características de múltiplo percurso da transmissão rádio. Estas técnicas envolvem a utilização de várias antenas para transmitir e receber sinais que através da diversidade espacial.

O fator chave da performance do MIMO é o número de camadas do canal que determina a abilidade de melhorar a eficiência espectral. O ambiente de transmissão é propício a fenómenos de multi-percurso e isso permite estabelecer múltiplos canais de comunicação entre emissor e recetor.

O aumento de débito num sistema MIMO é linearmente proporcional com o número de antenas de emissão e recepção, estando limitado pelo número de camadas espaciais distintas. Assim, com 4 antenas de transmissão (Tx) e 2 antenas de recepção (Rx), o sistema MIMO permite obter até duas vezes o débito binário do sistema com apenas uma antena de recepção.

Em condições de linha de vista, a matriz de canal é apenas uma, o que faz com que mesmo com 4 antenas, não seja possível aumentar a eficiência espectral de um canal.

Figura 11 – Esquema de transmissão MIMO

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São definidos sete modos MIMO para o Downlink:

Figura 12 – Classes de MIMO

Modo 1 – Single-stream (Single-antenna port; Port 0): Este modo é análogo ao sistema com apenas um stream transmitido por uma antena e recebido por uma (SISO) ou mais que uma antena (SIMO, diversidade de recepção).

Modo 2 – Diversidade de Transmissão: Este modo envolve a transmissão da mesma informação através de múltiplas antenas (em LTE esse número pode ir até 4). A informação é codificada diferentemente em cada uma das antenas recorrendo-se a blocos de sinalização denominados de Space-Frequency Block Codes. Este é o modo de transmissão mais habitual nos sistemas LTE. Como a mesma informação é transmitida e recebida em várias antenas o débito de pico não é incrementado, no entanto a qualidade do sinal é substancialmente melhorada (SINR).

Modo 3 – Open loop spatial multiplexing (OL-SM): Neste modo são utilizadas várias antenas que transmitem streams diferentes de informação. Os streams são codificados e descodificados de acordo com code words. O número de camadas espaciais é comunicado através do Transmit Rank Indicator. Como é possível transmitir informação diferente em vários canais ou streams, consegue-se obter um débito de pico substancialmente superior ao modo anterior. É considerado um dos modos fundamentais do MIMO em LTE.

Mode 4 – Closed loop spatial multiplexing (CL-SM): Semelhante ao modo 3, são enviados dois streams independentes com code words distintos através de várias antenas (até 4). A diferença é que neste modo existe uma Pre-coding Matrix Indicator que é transmitida do UE para o eNB. Este mecanismo de feedback permite ao transmissor pre-codificar a informação, otimizando a transmissão no canal rádio para que os vários streams sejam fácilmente descodificados. Este modo permite obter o maior débito de pico entre os modos MIMO em LTE.

Modo 5 – Multi-User MIMO: Este modo é semelhante ao anterior mas a informação transmitida nos vários streams é enviada para diferentes destinatários que partilham os mesmos recursos espectrais. Cada utilizador obtem o mesmo débito binário, aumentando assim o débito binário médio da rede. O número de utilizadores servidos com este modo está limitado pelo número de camadas espaciais disponíveis. Cada utilizador é separado no domínio espacial e os seus sinais são totalmente incorrelacionados devido à formação de feixes direcionais. Caso não seja possível direcionar um feixe apenas para um utilizador, os restantes utilizadores irão sofrer interferência e a qualidade do seu sinal será degradado visto que estarão a utilizar os mesmos recursos.

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Modo 6 – Closed loop rank 1 with pre-coding: Neste modo apenas uma code word é transmitida através de uma camada espacial. Este modo é considerado para o cenário de fall-

back do modo 4 e está também associado a Beamforming.

Modo 7 – Single-antenna port; Port 5: Este é um modo que utiliza Beamforming com uma code word que é transmitida através de um canal. Um sinal de referência dedicado forma um porto de antena adicional (porto 5) e permite a transmissão de mais de 4 antenas. O terminal deve então estimar a qualidade do canal tendo em conta os canais de referência comuns das transmissões das antenas 1 a 4.

Uma característica fundamental do MIMO é que o seu desempenho depende de vários factores tais como: o estado do canal, a qualidade do sinal (medido pela SINR), a velocidade do terminal móvel, e a correlação dos sinais recebidos nas antenas de recepção. Por conseguinte, alguns modos MIMO são mais eficazes do que outros, dependendo desses factores críticos.

Os benefícios OL e CL-SM são evidentes quando a qualidade do sinal recebido (SINR) é mais elevado. Na periferia da célula, um SINR baixo reduz os benefícios inerentes à utilização de MIMO. Circuito fechado rank 1 ou transmitir a diversidade tornar-se mais atraente.

O modo de transmissão 2 (diversidade de transmissão) também é mais eficiente do que CL-SM e OL-SM num ambiente onde o scattering do sinal é baixo (por exemplo, áreas rurais). A comutação entre estes modos, é uma forma de otimizar o desempenho do sistema.

A correlação de sinal depende do posicionamento das antenas. Quanto maior for a distância entre as antenas de cada emissor, menor será correlação dos sinais transmitidos pelas antenas. Isto coloca certas restrições na implementação de uma rede com capacidade MIMO já que o espaço no eNB e no UE é limitado. As técnicas de Beamforming são uma alternativa eficaz em ambientes de correlação elevados.

A tabela 5 sumariza a matriz de decisão utilizada para selecionar o modo MIMO mais adequado ao cenário respetivo. Nesse sentido é possível adaptar dinâmicamente o modo consoante o SINR, o scattering e a velocidade de deslocação do UE.

Tabela 5 – Matriz de decisão na seleção do modo MIMO

Modo Qualidade do

Sinal (SINR) Dispersão Velocidade

Adaptação

Dinâmica

Diversidade de

Transmissão Baixa Baixa Alta Inexistente

Open-Loop Spatial

Multiplexing Alta Alta Alta

Diversidade de

Transmissão

Closed-Loop

Spatial

Multiplexing

Alta Alta Baixa

Diversidade de

Transmissão ou CL

Rank = 1

Closed-Loop

Rank=1 Precoding Baixa Baixa Baixa

Diversidade de

Transmissão

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2.5 Modulação e Codificação Adaptativa (AMC)

Em comunicações celulares, a qualidade do sinal recebido pelo UE depende da qualidade do canal da Serving Cell, do nível de interferência de outras células e do nível de ruído [8]. Para otimizar a capacidade e cobertura do sistema LTE para uma dada potência de transmissão, o transmissor deve ter em conta as variações de qualidade de sinal (SINR) do recetor e adaptar a distribuição de recursos de acordo com essa qualidade. Esta adaptação é normalmente baseada em Adaptive Modulation and Coding (AMC), que permite modificar a modulação e codificação de uma transmissão em de forma rápida e eficiente.

Figura 13 – SINR vs eficiência spectral para vários esquemas de modulação [9]

• Esquema de modulação: uma modulação de baixa ordem (por exemplo QPSK) permite uma transmissão mais robusta e tolera maiores níveis de interferência, mas com um débito baixo. Por sua vez, uma modulação de alta ordem (por exemplo QAM) permite um débito binário muito superior mas é mais sensível a erros porque é bastante mais sensível aos fenómenos de interferência, ruído e erros de estimação de canal, apenas devendo ser aplicado quando a qualidade (SINR) do canal é suficientemente elevada.

• Code rate: para uma dada modulação podem ser definidos vários code rates. O code

rate pode ser definido de acordo com as condições rádio, sendo de esperar que um SINR elevado traduz-se num code rate mais próximo de 1.

Numa transmissão LTE o eNB seleciona uma Modulation Coding Scheme (MCS) de acordo com um Channel Quality Indicator (CQI). Na tabela 6 apresenta-se um resumo dos valores de CQI e respetivos code rates e eficiências espectrais.

O CQI é calculado a partir do SINR medido pelo UE e é reportado ao eNB através de canais de sinalização Uplink. O eNB procede então a um mapeamento de CQI em MCS, resultando num débito máximo suportado pelo canal, de acordo com o SINR e características do recetor do UE. As modulações escolhidas são de um modo geral QPSK, 16-QAM e 64-QAM, dependendo da cobertura rádio do UE ser razoável, aceitável ou boa, respetivamente. Cada uma destas modulações permite escolher múltiplos code rates, que vão influenciar diretamente o débito útil.

No Uplink também ocorre um processo de adaptação similar com o do Downlink, sendo a seleção do MCS também da responsabilidade do eNB. O eNB faz uma avaliação aos canais disponíveis para transmissão e utiliza maioritariamente as modulações QPSK e 16-QAM.

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O cálculo do CQI por parte do UE pode ser realizado a partir da avaliação do Block Error Rate

(BLER), reportando-se um CQI que permite obter um BLER ≤ 10%.

Tabela 6 – CQI e respetivas modulações, code rates e eficiência espectral [8]

No Anexo B é apresentado um método de classificação por CQI e MCS em função do SINR.

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2.6 Técnicas de Coordenação de Interferência (ICIC)

A tecnologia LTE foi projetada para uma reutilização de frequências tipo 1, ou seja, todas as células utilizam toda a largura de banda disponível para transmissão, não havendo portanto planeamento para evitar a alocação de frequências entre células. Isto implica o aparecimento de interferência na periferia da célula, reduzindo substancialmente o nível de sinal (SINR).

Um elevado desempenho a nível de débito e um baixo consumo de energia são fatores essenciais nas células da rede LTE. Por esse motivo, o eNodeB tem de ser capaz de aplicar técnicas de controlo de interferência e aumentar a sua eficiência energética [10].

A coordenação inter-celular de interferência (Inter-cell Interference Coordination – ICIC) é uma funcionalidade chave do LTE, em que células vizinhas alocam recursos aos seus utilizadores de forma autónoma, tentando evitar situações de conflito de utilização dos mesmos RBs. A interferência inter-celular é gerada quando dois sinais rádio são transmitidos na mesma frequência em células adjacentes, sendo o seu efeito mais observável na periferia entre células (Cell Edge). A utilização de ICIC permite melhorar a cobertura rádio e consequentemente o débito dos terminais localizados na fronteira entre células.

Figura 14 – Diagrama de ICIC [10]

Ao utilizar ICIC, um operador consegue melhorar a equidade de cobertura de uma célula. Os utilizadores que estejam próximos do eNB não deverão sentir nenhum benefício prático, no entanto os utilizadores que estejam na periferia devem observar um aumento substancial da sua cobertura (SINR) e consequentemente obter débitos superiores[11].

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Figura 15 – Comportamento teórico do SINR em função da distância ao eNB – (a) sem ICIC (b) com ICIC

Na Figura 15 é representado a progressão do nível de sinal (SINR) de um utilizador ao deslocar-se desde o centro da célula até à periferia num sistema sem ICIC (a) e com ICIC (b).

Existem várias abordagens de implementação de ICIC, sendo uma delas a Reutilização Fracional de Frequência (Fractional Frequency Reuse – FFR).

FFR é uma técnica que oferece a separação de recursos espectrais dentro de um setor. O setor é particionado em diferentes áreas geográficas, cada uma utilizando uma banda específica de frequências, permitindo que nos setores que estão físicamente mais próximos, sejam alocadas larguras de banda diferentes. Em células que estão suficientemente longe essas bandas podem ser reutilizadas. Esta técnica implica uma redução da eficiência espectral.

Na Figura 16 é apresentado um diagrama com uma estrutura celular que utiliza FFR para minimzar os efeitos de interferência. No interior das células é utilizada sempre a mesma largura de banda e à periferia de cada célula é associada uma largura de banda diferente, representada pelas diferentes cores.

Figura 16 – Estrutura celular com FFR [11]

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2.7 Beamforming

Beamforming é uma técnica de combinação de sinais rádio emitidos por pequenas antenas não direcionais para simular uma antena direcional de grandes dimensões. A antena virtual pode ser direcionada recorrendo a processamento de sinal adicional e não necessita de se mover. Em telecomunicações Beamforming é usado principalmente para reduzir interferência e melhorar a qualidade de comunicação.

Uma antena direcional é uma antena adaptativa desenhada para ter um máximo numa direção e elevada atenuação para todas as outras direções. Para criar um feixe de Beamforming é necessário recorrer a um conjunto de antenas (antenna array) em que, ao variar eletronicamente a fase e potência emitida, consegue-se direcionar uma grande parte da potência emitida para uma região de cobertura.

Num sistema de Beamforming adaptativo, o lobo principal pode ser apontado virtualmente para qualquer direção, sendo necessária informação adicional de forma a compreender a posição do utilizador. Ao apontar o lobo para o utilizador é expectável um aumento considerável da qualidade do sinal recebido assim como uma redução da interferência para os outros utilizadores, através do controlo de diretividade dos nulos criados pelo array.

Os principais benefícios do Beamforming são:

• Expansão da área de cobertura da célula, já que se consegue aumentar a potência isotrópica de radiação (EIRP), obtendo-se assim um SINR equivalente a uma distância maior ao centro da célula.

Figura 17 – Aumento do raio de cobertura da célula com Beamforming

• Redução da energia consumida na célula, devido à introdução de um ganho de Beamforming que vai permitir obter um SINR equivalente reduzindo a potência emitida na célula.

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• Melhoria substancial da qualidade e fiabilidade do link rádio, através do benefício que advém da utilização de vários canais MIMO paralelos, obtendo-se assim diversidade espacial.

• Melhoria da equidade de cobertura na célula, tendo em conta que os utilizadores que se encontrem na periferia da célula têm acesso a um sinal de qualidade superior e os efeitos de interferência evidenciados anteriormente são atenuados.

• Incremento da eficiência espectral, já que através de um SINR superior e de uma modulação e codificação adaptativa (Adaptative Modulation and Coding – AMC) mais eficiente, a eficiência espectral média da célula será melhorada.

Para que a potência radiada possa ser concentrada numa direção específica, o beamformer tem de ter em conta a posição espacial do utilizador que deve ser servido.

Uma antena singular produz um diagrama de radiação setorial, irradiando de igual forma para todas as direções dentro desse setor.

Numa rede com Beamforming utilizam-se várias antenas que formam um array com capacidade para controlar a direção e potência do feixe criando-se lobos de radiação máxima e nula nas direções de interesse. A potência emitida na direção de interesse é melhorada através dum ganho de Beamforming e ao conhecer a localização dos utilizadores localizados nas células vizinhas, o beamformer tem de ser capaz de reduzir a potência emitida na direção destes utilizadores, mitigando assim os efeitos de interferência inter-celular.

Esta tese foca-se na melhoria da cobertura da rede LTE do ponto de vista do utilizador na periferia da célula, apresentando-se os benefícios inerentes à utilização de Beamforming como método eficaz na redução da interferência intercelular.

Numa rede com Beamforming, o sinal recebido em cada elemento de antena é quantificado, formando um feixe na direção de interesse. O processo de quantificação é aplicado tanto na amplitude como na fase do sinal recebido. Os sinais recebidos em todos os elementos do array são então combinados de forma a criar um único sinal que é capturado pelo recetor.

Figura 18 – Layout básico de uma rede com Beamforming [5]

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Apesar do elevado desempenho de uma rede Beamforming básica como aquela apresentada na Figura 18. O processamento é realizado ao nível de propagação e por este motivo, esta forma de quantificação é denominada de Beamforming analógico, o que implica que apenas um número limitado de feixes pode ser criado simultâneamente. A solução para criar um maior número de feixes na mesma antena é a introdução de processamento digital entre os elementos de antena e o receptor.

No Beamforming digital a quantificação é feita no domínio digital, dentro de um computador. A sua principal vantagem baseia-se no facto de que o sinal que chega a cada elemento da antena é capturado num stream digital. O processo de quantificação é efectuado localmente em cada antena e seguidamente os streams são digitalmente combinados num único sinal para o receptor. Na emissão, o sinal é decomposto em várias componentes, sendo cada uma quantificada de acordo com a direcionalidade pretendida e em seguida é convertida num sinal analógico para ser transmitido pela antena.

Uma rede Beamforming pode ser categorizada de acordo com a divisão por elementos de antena ou por feixes (beams). Na Figura 19 são apresentadas as duas categorias de beamformers. Numa rede categorizada por vários elementos de antena o beamformer quantifica um componente de sinal de cada um dos elementos de antena. Por outro lado uma rede Beamforming por feixes requer um conjunto de combinadores de feixes para quantificar os pesos associados a cada sinal. Em vez de considerar os sinais recebidos por cada elemento de antena, existem vários grupos de elementos de antena, que formam os lobos fixos. Preferencialmente, todos os lobos são ortogonais.

Figura 19 – Layout típico de antenas de beamformers [5]

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Os algoritmos adaptativos podem ser agrupados em dois grupos principais: Switched Beamforming e Direction Finding Beamforming.

Switched Beamforming resume-se numa análise do SINR dos vários feixes, escolhendo-se o máximo, mas não permite mitigar eficientemente a interferência.

Por outro lado o método de Direction Finding foca-se na compreensão comportamental do utilizador. Os movimentos do utilizador são registados e tenta-se prever o seu futuro a fim de estimar a configuração de antenas mais eficiente para garantir uma boa cobertura. Isto envolve um maior esforço computacional mas permite obter um sistema mais robusto e eficiente na mitigação da interferência.

De seguida é apresentada a metodologia para o cálculo da quantificação necessária para aplicar Beamforming a um sistema com vários utilizadores em várias células.

Existem vários algoritmos que permitem implementar um sistema de Beamforming otimal, diferindo fundamentalmente na sua velocidade de convergência para uma solução. O algoritmo utilizado baseia-se no cálculo do Menor Erro Quadrático Médio (Minimum Mean-Square Error – MMSE).

Considere-se um array linear de antenas uniformemente espaçadas com Na elementos.

Figura 20 – Array de elementos de antena uniformemente espaçados [5]

O sinal u1(t) chega ao array com um ângulo θ. Simultâneamente, existem Nu-1 sinais interferentes ui(t), com i=2, sendo que cada um chega ao array com o mesmo ângulo θ. Obtém-se assim à saída do array:

(2.6)

Onde vi representa o vetor de propagação para cada um dos sinais interferentes Nu-1 e é representado por:

(2.7)

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30

O sinal x(t) é então multiplicado por um vector que quantifica o beamformer e que é escolhido especificamente para minimizar o erro quadrático médio entre o sinal composto por ωHx(t) e o sinal de referência u*(t), que é conhecido por ambos os intervenientes na comunicação (emissor e recetor). O índice H denota a conjugada transporta e é utilizada para obter compatibilidade matricial. O erro quadrático médio é calculado a partir de:

(2.8)

Através de manipulação algébrica obtém-se o valor expectável do erro quadrático médio:

(2.9)

Define-se então E{x(t)xH(t)} como a matriz de covariância R e representando-se E{u*(t)x(t)} como r, o erro quadrático médio entre o sinal do beamformer e o sinal de referência é calculado a partir do nulo do vector gradiente 2.9 em relação a w, ou seja:

(2.10)

Obtém-se então o peso que otimiza e minimiza o MSE através da fórmula:

(2.11)

Na Figura 21 é representado o critério de escolha do erro quadrático médio mínimo aplicado ao beamformer.

Figura 21 – Fluxo de sinal MMSE [5]

Este algoritmo permite assim, através de informação que pode ser obtida analisando os sinais de referência de UL, calcular a localização do utilizador principal, para o qual será direcionado um feixe com um ganho de potência, assim como a localização dos utilizadores localizados em células vizinhas, para os quais será criado um feixe nulo, minimizando assim a interferência causada.

É importante realçar que a comunicação entre eNBs é crucial para coordenar a atribuição de utilizadores entre células e que no caso de haver um grande número de utilizadores espalhados uniformemente na mesma célula, os efeitos benéficos do beamformer são anulados.

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31

2.8 Qualidade de serviço/qualidade de experiência

A Qualidade de Serviço (QoS) diz respeito à capacidade (ou probabilidade) de uma rede fornecer um nível de serviço desejado para um tipo de tráfego específico numa rede.

A QoS de uma rede caracteriza-se da seguinte forma:

• Indicadores de nível de serviço: débito, latência, variação de atraso e perda de pacotes.

• Níveis de serviço consoante o tipo de tráfego.

• Para fornecer QoS a rede identifica ou classifica diferentes tipos de tráfego, tentando garantir um determinado nível de QoS para cada tipo.

• A eficiência de uma medida de QoS baseia-se na capacidade de atingir um determinado nível de serviço, de acordo com uma classe de tráfego.

A Qualidade de Experiência (QoE) é determinada pela forma como um utilizador percepciona a usabilidade de um serviço, ou seja, quão satisfeito fica com os termos de serviço, por exemplo: usabilidade, acessibilidade, integridade, etc. É aqui que entram fatores como o débito, o atraso, variação de atraso, perda de pacotes, indisponibilidade, segurança, perdas de conetividade, etc.

Na Figura 22 apresenta-se um diagrama que conjuga fatores de avaliação de QoE e QoS.

Figura 22 – Mapeamento de parâmetros de QoS e QoE [12]

A QoE refere-se à percepção do usuário sobre a qualidade de um determinado serviço ou rede. Ela é classificada em "bom", "excelente", "fraco", etc. Por outro lado, QoS é intrinsecamente um conceito técnico. Ele é medido, expresso e compreendido em termos de redes e elementos de rede, que geralmente tem pouco significado para um utilizador.

_____________________________________________________________________________

32

Se bem que uma rede classifcada com QoS excelente, normalmente tenha um resultado de QoE também excelente, tal pode não se verificar em alguns casos, dado que a QoE depende da percepção do utilizador e não dos números indicativos de QoS. Cumprir todos os parâmetros de tráfego de QoS não garante sempre um utilizador satisfeito.

Um débito excelente numa localização da rede pode não ser suficiente para melhorar a percepção de QoE de um utilizador, se este verificar que há falta de cobertura a poucos metros desse local.

Deve haver uma abordagem estatística dos indicadores da rede, de forma a se poder construir uma análise correta da satisfação dos utilizadores.

Através da compreensão dos fatores que melhor contribuem para a perceção do utilizador e aplicando esse conhecimento para definir os requisitos operacionais do sistema, um operador conseguirá garantir uma QoE de nível superior.

Esta abordagem top-down permite reduzir os custos de desenvolvimento, riscos de rejeição e reclamações dos clientes, garantindo que o equipamento e rede vão de encontro com as necessidades do mercado.

_____________________________________________________________________________

33

2.9 Key performance Indicators (KPIs)

2.9.1 Reference Signal Received Power (RSRP)

O Reference Signal Received Power (RSRP) é a média linear da potência dos sinais de referência (em watts) da largura de banda utilizada.

RSRP é usado para medir a cobertura de uma célula LTE no DL. O UE envia relatórios de medidas RRC que incluem os valores medidos de RSRP dentro do range [-140,-44] dBm.

A principal funcionalidade do RSRP é determinar qual é a célula com melhor cobertura e selecionar essa célula como Serving Cell.

Existe uma correlação entre o RSRP e o QoS do utilizador, sendo definidas as seguintes categorias:

Tabela 7 – Mapeamento de medicos de RSRP [13]

• RSRP > -75 dBm � QoS excelente, desde que não existam muitos utilizadores ativos.

• -95 < RSRP < -75 dBm � QoS com ligeira degradação, sendo de esperar uma redução de débito da ordem dos 30-50%.

• RSRP < -95 dBm � QoS inaceitável, com o débito a decair para 0 quando RSRP se aproxima de -100 dBm.

•

2.9.2 Reference Signal Received Quality (RSRQ)

Tal como o RSRP, o Reference Signal Received Quality (RSRQ) é usado para determinar a célula com melhor cobertura LTE numa determinada localização geográfica. No entanto o RSRQ indica um rátio entre a potência útil (RSRP) e toda a potência recebida (RSSI), funcionando como um SNR. Tal como para o RSRP, o RSRQ pode ser usado como critério para seleção inicial da célula ou para handover.

A expressão que permite o cálculo do RSRQ é a seguinte:

(2.12)

_____________________________________________________________________________

34

Figura 23 – Comportamento de RSRP e RSRQ em diferentes situações [13]

O RSRQ é definido dentro da gama [-19.5,-3] dB com uma resolução de 0.5 dB.

Quando são comparados indicadores de RSRQ e RSRP registados na mesma localização geográfica (definida pelo mesmo timestamp), é possível determinar se existem problemas de cobertura ou de interferência nessa localização. Isto é ilustrado na Figura 23.

Se um utilizador muda de localiazção ou se as condições rádio se alteram devido a outras razões e o RSRP permanece estável (ou até melhor) quando o RSRQ se deteriora, é sinónimo que houve um aumento de interferência naquele local. Se por outro lado o RSRP e o RSRQ decrescem ao mesmo tempo, é um claro indicador que existem problemas de cobertura na localização. Esta informação é bastante preciosa no troubleshooting de situações anómalas da rede.

Tabela 8 – Mapeamento de medicos de RSRQ [13]

De um modo geral, quando são reportados valores de RSRQ superiores a -9 dB é expectável que o UE esteja nas melhores condições de qualidade de cobertura. Entre -9 e -12 dB observa-se uma ligeira degradação de QoS e a partir dos -13 dB é expectável que o débito decresça rapidamente.

_____________________________________________________________________________

35

2.9.3 Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR)

Provavelmente o indicador mais útil para o planeamento de rede é o SINR médio, definido como [14]:

(2.13)

Em que S é a potência média do sinal recebido, I é a potência média de interferência e N é a potência de ruído.

A potência média de interferência pode ser decomposta em:

(2.14)

Em que Iown e Iother são as potências médias de interferência intra-celular e inter-celular, respetivamente. Devido à ortogonalidade em LTE a interferência intra-celular é considerada nula.

Na periferia da célula (cell edge) a interferência originada por K células vizinhas é máxima e é calculada pela fórmula:

(2.15)

Em que é a potência máxima de interferência na periferia da célula e

é um fator de atividade de sub-portadoras. Nesta tese assume-se que todas as células estão com utilização máxima de sub-portadoras, ou seja, com cell load = 100%.

Assim sendo a expressão de SINR pode ser re-escrita:

(2.16)

_____________________________________________________________________________

36

_____________________________________________________________________________

37

Capítulo 3 Descrição do Modelo e Cenários Simulados

Neste capítulo são apresentados os modelos mono-utilizador mono-celular e multi-celular desenvolvidos no âmbito desta tese. O principal objetivo é compreender e quantificar o benefício de utilizar Beamforming como técnica de coordenação de interferência inter-celular.

Começa-se por apresentar a estrutura celular que, semelhante à estrutura das redes de gerações passadas, apresenta uma estrutura álveolar produzindo um cluster de células hexagonais. Posteriormente é melhorado este modelo, considerando um número variável de células vizinhas interferentes e são explicadas as características principais deste modelo com e sem Beamforming.

_____________________________________________________________________________

3.1 Estrutura C

De forma a compreender a influência do fenómeno de interferência na performance da rede LTE é necessário definir alguns conceitos

A rede simulada tem uma topologia semelhante à utilizada nas gerações anteriores de redes móveis, nomeadamente uma estrutura dimensões, sendo a Figura 24

Assume-se que cada hexágonoPor sua vez cada eNB é compostode máximos de antenas de 120º

Nesta estrutura existem três célula principal, seguindo o esquema de cores de acordo com a legenda apresentada na 24.

Na célula principal (Serving Cell

dentro dos limites definidos por

Uma vez que no Downlink a distribuição de recursos que o mesmo recurso de rede (mesma célula, o que significa que a interferência

______________________________________________________

38

Estrutura Celular

De forma a compreender a influência do fenómeno de interferência na performance da rede alguns conceitos.

uma topologia semelhante à utilizada nas gerações anteriores de redes eadamente uma estrutura celular, representada por hexágonos de iguais

24 uma representação gráfica da estrutura proposta.

Figura 24 – Estrutura celular proposta

se que cada hexágono representa uma célula que é composta por um eNB no centro.composto por três antenas com uma distância angular

de antenas de 120º formando assim um setor cada uma.

três níveis possíveis de classificação consoante a sua distância à seguindo o esquema de cores de acordo com a legenda apresentada na

Serving Cell ou Home Cell) é introduzido um utilizador que se dentro dos limites definidos por esta célula.

a distribuição de recursos segue os princípios de OFDM, assumeque o mesmo recurso de rede (Resource Block) não será partilhado por vários

, o que significa que a interferência intra-celular é nula.

______________________________________________________

De forma a compreender a influência do fenómeno de interferência na performance da rede

uma topologia semelhante à utilizada nas gerações anteriores de redes por hexágonos de iguais

uma representação gráfica da estrutura proposta.

posta por um eNB no centro. angular entre direções

ificação consoante a sua distância à seguindo o esquema de cores de acordo com a legenda apresentada na Figura

do um utilizador que se desloca

de OFDM, assume-se por vários utilizadores da

_____________________________________________________________________________

No entanto, como um dos objetivos da tecnologia LTE é garantir a máxima eficiência espectralas células adjacentes re-utilizpodendo os mesmos RB serem alocados a uma elevada interferência inter

As células imediatamente adjacentes à (células vizinhas próximas) e deverão ser esta

As células mais afastadas (Far Neighbo

devido à sua maior distância à na qualidade da cobertura rád

As células adjacentes às Far Neighboor Cells

não são consideradas neste modelo porque a potência recebida vinda destas células é muito atenuada devido às perdas de p

A propagação em espaço livre segue o modelo assume-se que todos os recursos disponíveis são alocados ao utilizador da célula principal (load).

De seguida são apresentados os mono-celular com e sem interferentes.

3.2 Cenário Mono

De forma a ter uma base de através de uma abordagem simplista, permite obuma célula LTE.

Assim, define-se uma célula composta por três antenas que emitem omnidireccionalmente para cada um dos três setores definidos na estrutura apresentada anteriormente.

Figura

Neste cenário são considerados nulos os efeitos de interferência intraefeitos de interferência inter-celular, visto que não se consideram células vizinhas interferentes.

______________________________________________________

39

No entanto, como um dos objetivos da tecnologia LTE é garantir a máxima eficiência espectralutilizam os mesmos recursos espectrais (Frequency R

podendo os mesmos RB serem alocados a um utilizador de uma célula vizinhainter-celular, principalmente na fronteira entre células (

s células imediatamente adjacentes à Serving Cell são denominadas Close Neighbou

) e deverão ser estas as principais fontes de interferência.

(Far Neighbour Cells) podem gerar interferência interdistância à Serving Cell espera-se que este efeito tenha um menor impacto

na qualidade da cobertura rádio de um utilizador da célula principal.

Far Neighboor Cells, que estão ainda mais afastadas da não são consideradas neste modelo porque a potência recebida vinda destas células é muito

devido às perdas de propagação no espaço livre.

A propagação em espaço livre segue o modelo Cost 231 Walfisch-Ikegami (anexo A)se que todos os recursos disponíveis são alocados ao utilizador da célula principal (

De seguida são apresentados os cenários que serão simulados, nomeadamentecelular com e sem interferentes.

Mono-celular sem interferentes

De forma a ter uma base de referência, foi definido um primeiro cenário de simulação que, através de uma abordagem simplista, permite obter uma ideia da cobertura rádio dentro de

se uma célula composta por três antenas que emitem omnidireccionalmente para cada um dos três setores definidos na estrutura apresentada anteriormente.

Figura 25 – Detalhe da estrutura de uma célula

Neste cenário são considerados nulos os efeitos de interferência intra-celular assim como os celular, visto que não se consideram células vizinhas interferentes.

______________________________________________________

No entanto, como um dos objetivos da tecnologia LTE é garantir a máxima eficiência espectral, Frequency Re-use 1),

la vizinha gerando assim , principalmente na fronteira entre células (Cell edge).

Close Neighbour Cells

interferência.

podem gerar interferência inter-celular mas enha um menor impacto

que estão ainda mais afastadas da Serving Cell,

não são consideradas neste modelo porque a potência recebida vinda destas células é muito

Ikegami (anexo A) e se que todos os recursos disponíveis são alocados ao utilizador da célula principal (full

serão simulados, nomeadamente o cenário

, foi definido um primeiro cenário de simulação que, ter uma ideia da cobertura rádio dentro de

se uma célula composta por três antenas que emitem omnidireccionalmente para

celular assim como os celular, visto que não se consideram células vizinhas interferentes.

_____________________________________________________________________________

40

Com este cenário são feitas várias simulações variando-se a posição do utilizador dentro do mesmo setor, registando-se assim o comportamento da cobertura do sinal rádio, nomeadamente o SINR, dentro de uma célula LTE.

O SINR é calculado de acordo com a fórmula apresentada em (2.16).

3.3 Cenário Multi-Celular com Interferentes

3.3.1 Sem Beamforming

Tal como no cenário anterior, neste cenário é simulado um utilizador na Serving Cell que se desloca desde o centro da célula até à periferia do seu setor.

Ao deslocar-se, a potência do sinal vindo do eNB que o está a servir vai ser atenuado de acordo com o modelo de propagação escolhido, e a potência interferente (vinda dos eNB de células vizinhas) vai aumentando.

Figura 26 – Estrutura celular do modelo multi-célula

Conforme aumentamos o número de células vizinhas neste cenário, também aumenta a potência de sinal interferente do ponto de vista do utilizador principal, já que cada eNB vizinho utiliza a mesma frequência e largura de banda que o eNB da Serving Cell.

3.3.2 Com Beamforming

Neste cenário considerou-se a mesma estrutura celular que anteriormente.

A partir do conhecimento exato da localização do utilizador na Serving Cell, o algoritmo de Beamforming projeta o diagrama de radiação gerado pelo array de antenas (de 4 ou 8 elementos), permitindo a criação de um feixe com máxima potência na direção do utilizador.

_____________________________________________________________________________

41

Simultâneamente, o eNB deve ter capacidade para comunicar através da interface X2 com as células vizinhas de forma a obter a localização dos utilizadores que se encontram localizados nas Neighbour Cells. Com esta informação o beamformer é capaz de calcular os pesos necessários a aplicar nas antenas do seu array de forma a direcionar os lobos mínimos do diagrama de radiação para os utilizadores das células adjacentes, podendo assim reduzir a interferência causada a estes.

A utilização de Beamforming permite assim aumentar a potência do sinal emitido pelo eNB para um utilizador da sua célula, limitando a potência emitida (interferência) para utilizadores que estejam nas células vizinhas.

Existem portanto dois elementos fundamentais que são consequência direta da utilização de Beamforming.

3.3.3 Cálculo do débito de DL e eficiência espectral

Figura 27 – Diagrama lógico de cálculo de débito e eficiência espectral

A partir do SINR é possível realizar um mapeamento direto entre a qualidade do sinal recebido e o débito máximo teórico previsto para um utilizador. Este mapeamento pode ser realizado recorrendo a fórmulas obtidas através de simulações apresentadas em[4],[7],[5]), ou recorrendo a uma tabela que faça a seguinte conversão (Anexo B):

Figura 28 – Diagrama lógico de cálculo de débito a partir de SINR

A relação entre SINR e Transport block size está dependente do fornecedor do eNB que deve desenvolver um algoritmo de atribuição de capacidade (débito) de forma justa e equilibrada, normalmente recorrendo a distribuição round-robin ou distribuição proporcional justa (proportional fair distribution). Como tal existem inúmeras formas de calcular o débito máximo teórico.

É importante referir que para o cálculo do débito máximo teórico é fundamental definir a priori as condições do utilizador, nomeadamente:

• Velocidade do utilizador (EPA ou ETU). • Modulação aplicada (QPSK, 16QAM ou 64QAM). • Code rate (1/2, ¾, etc) • Utilização de MIMO

Cálculo do SINR Cálculo do débito máximo de DL

Cálculo da eficiência espectral

SINR CQI MCS Transport block size Troughput

_____________________________________________________________________________

42

A eficiência espectral é calculada a partir da seguinte fórmula:

(3.1)

Em que:

• η é a eficiência espectral (bps/Hz/Cell).

• P é o débito máximo (bps).

• Rav é um fator de MCS.

• G é um ganho.

• BW é a largura de banda do sistema.

Nos cenários simulados são consideradas duas classes de ambiente:

• Rural: com frequência de 800 MHz e largura de banda de 10 MHz.

• Urbano: com frequência de funcionamento de 2600 MHz e largura de banda de 20 MHz.

Estes parâmetros foram escolhidos de acordo com os critérios reais atualmente utilizados pelos operadores de telecomunicações móveis em Portugal.

Figura 29 – Eficiência espectral para diferentes modulações, em função do SNR[15]

_____________________________________________________________________________

43

3.3.4 Funcionamento do simulador

Foi desenvolvido um simulador capaz de calcular o Link Budget em LTE seguindo as orientações apresentadas na diversa bibliografia. Na Figura 30 apresenta-se o diagrama funcional do simulador desenvolvido, destacando-se as variáveis de entrada (input) e de saída (output).

Figura 30 – Diagrama de funcionamento do simulador

Inp

ut

Cenário (rural/urbano)

Beamforming

(4/8 antenas)

Dimensão do cluster (nº de interferentes)

Distância inter-celular (ISD)

Número de iterações

Sim

ula

ção

Inicialização de variáveis

Criação do User no Home eNB (coordenadas)

Cálculo da potência recebida no User

Criação dos eNB vizinhos (interferentes)

Cálculo da distância entre interferentes e User

Cálculo da potência recebida no User, vinda dos interferentes

Cálculo dos pesos a aplicar pelo beamformer

Definição do diagrama de radiação

Determinação da direção de ganho máximo

Cálculo do ganho de potência com beamforming

Cálculo da atenuação de potência interferente com beamforming

Cálculo do total da potência de interferência

Cálculo do SINR

Ou

tpu

t

Gráfico com diagrama de radiação

Gráfico com localização do utilizador e interferentes

Evolução do SINR em função da distância ao centro da célula

_____________________________________________________________________________

A apresentação dos resultados pode ser estruturada de várias formas optandorepresentação lógica em árvore segundo o diagrama da Figura 31.

Figura

O objetivo final é compreender como tal foram obtidos gráficos com dois tipos distintos:

1. Com variação do SINR em função da distância de um utilizador (forma a se afastar do centro da célulaquando o utilizador se encontra na periferia da célula.

2. Com variação do SINR em função da distância inter celularSINR do utilizador que se encontra na periferia, ou seja, na fronteira entre células, onde se estima que as condições de cobertura sejam piores.

Com os valores registados no 1º caso são então calculados os débitos máximos teóricos e as eficiências espectrais de cada cenário.

______________________________________________________

44

s resultados pode ser estruturada de várias formas optandorepresentação lógica em árvore segundo o diagrama da Figura 31.

Figura 31 – Diagrama das simulações realizadas.

compreender e analisar o comportamento do SINR em função do cenário, como tal foram obtidos gráficos com dois tipos distintos:

om variação do SINR em função da distância de um utilizador (D1) forma a se afastar do centro da célula, registando-se em particular os vaquando o utilizador se encontra na periferia da célula.

om variação do SINR em função da distância inter celular (ISD)SINR do utilizador que se encontra na periferia, ou seja, na fronteira entre células, onde

as condições de cobertura sejam piores.

Com os valores registados no 1º caso são então calculados os débitos máximos teóricos e as eficiências espectrais de cada cenário.

______________________________________________________

s resultados pode ser estruturada de várias formas optando-se por uma

omportamento do SINR em função do cenário,

) que se move de se em particular os valores do SINR

(ISD), registando-se o SINR do utilizador que se encontra na periferia, ou seja, na fronteira entre células, onde

Com os valores registados no 1º caso são então calculados os débitos máximos teóricos e as

_____________________________________________________________________________

45

Capítulo 4 Apresentação e Análise

de Resultados

Neste capítulo inicialmente são apresentados os resultados referentes ao modelo mono-utilizador, mono-celular sem interferentes, cujo principal objetivo é dar a conhecer o comportamento da qualidade de cobertura rádio (SINR) num sistema básico. Para tal são realizadas várias simulações variando-se a distância inter-celular e registando-se o SINR de um utilizador que se desloca desde o centro da célula até à periferia.

Para além deste modelo são também apresentados os resultados referentes ao modelo multi-celular com interferentes, onde inicialmente se simulou o sistema sem Beamforming de forma a poder ter uma referência do sistema atual. De seguida foram feitas simulações com um modelo multi-celular com interferentes e com Beamforming, com o objetivo de comprovar que a utilização de Beamforming trás benefícios diretos na cobertura de uma rede LTE.

Por forma a completar este estudo, foi registado o SINR de um utilizador que se encontra na periferia da célula, utilizando-se o modelo com interferentes sem Beamforming, com Beamforming com um array de 4 antenas e com Beamforming com um array de 8 antenas. De seguida calculou-se o débito máximo teórico e a partir daí calculou-se a eficiência espectral obtida nos três casos.

Por fim é também feita uma análise à variação do SINR com a variação da distância inter-celular, observando-se de uma forma geral em que situações será mais benéfico utilizar-se Beamforming.

_____________________________________________________________________________

46

4.1 Modelo Sem Interferentes (Mono-Celular)

O modelo inicialmente simulado foi o modelo em que apenas existia um utilizador que se deslocava dentro de um setor da Serving Cell.

Neste modelo foi registado o comportamento do SINR, tendo em conta que as células vizinhas não produziam interferência.

Foram realizadas simulações para um ambiente rural (frequência de 800 MHz e largura de banda de 10 MHz) e urbano (frequência de 2600 MHz e largura de banda de 20 MHz) tendo-se obtido os gráficos da Figura 32 que diferem pela variação da Distância Inter-Celular (Inter Site

Distance).

Figura 32 – Resultados de simulações para modelo mono-celular sem interferentes

Observa-se que num sistema sem interferentes, existe uma cobertura excelente em sistemas com células próximas, tal como era de esperar. De acordo com a fórmula aplicada para o cálculo do SINR, este apenas é influenciado pela atenuação causada pelo aumento da distância do utilizador ao eNB da Serving cell (aumento de perdas de propagação – Pathloss).

Nota-se também que em ambiente rural se conseguem obter bons níveis de sinal a elevadas distâncias ao eNB. Num ambiente Urbano não foram feitas simulações com ISD superior a 3 Km por não se considerar uma opção viável para este ambiente.

_____________________________________________________________________________

47

De seguida são apresentados, na Tabela 9, os resultados de SINR registados na periferia da célula.

Tabela 9 – Cell-Edge SINR [dB] sem Beamforming, modelo mono-utilizador sem interferentes

Tal como se verificou na Figura 30, é evidente a boa cobertura do sistema em ambiente rural, já que, ao utilizar-se frequências na banda dos 800 MHz, as perdas por propagação são menos acentuadas.

4.2 Modelo Com Interferentes (Multi-Celular)

Para o modelo com Interferentes (Multi-Celular) foram feitas duas abordagens distintas, tal como explicado anteriormente.

Inicialmente realizaram-se simulações com as seguintes características:

• Dois tipos de Ambiente: Rural e Urbano.

• Sem Beamforming e Com Beamforming (4 e 8 antenas).

• Com variação da posição do utilizador (D1), fixando-se a ISD.

• Com variação da distância entre células (ISD), com variação do número de interferentes.

Considera-se que em todas as células existe uma utilização total dos recursos da rede e que todas as células utilizam a mesma banda de frequências e largura de banda.

4.2.1 Com variação da posição do utilizador (D1)

Foram realizadas simulações em que foi fixada a ISD e variada a posição do utilizador.

Em ambiente Rural obtiveram-se os gráficos das Figuras 33, 34 e 35.

_____________________________________________________________________________

48

Figura 33 – SINR em função de D1 para ISD 3 Km

Figura 34 – SINR em função de D1 para ISD 10 Km

Figura 35 – SINR em função de D1 para ISD 20 Km

-505

101520253035

0,06

0,12

0,18

0,24 0,3

0,36

0,42

0,48

0,54 0,6

0,66

0,72

0,78

0,84 0,9

0,96

1,02

1,08

1,14 1,2

1,26

1,32

1,38

1,44 1,5

SINR [dB]

D1 (Km)

Ambiente Rural ISD 3

Sem BF Com BF (M=4) Com BF (M=8)

-10

0

10

20

30

40

0,2

0,4

0,6

0,8 1

1,2

1,4

1,6

1,8 2

2,2

2,4

2,6

2,8 3

3,2

3,4

3,6

3,8 4

4,2

4,4

4,6

4,8 5

SINR [dB]

D1 (Km)

Ambiente Rural ISD 10

Sem BF Com BF (M=4) Com BF (M=8)

-10

0

10

20

30

40

0,4

0,8

1,2

1,6 2

2,4

2,8

3,2

3,6 4

4,4

4,8

5,2

5,6 6

6,4

6,8

7,2

7,6 8

8,4

8,8

9,2

9,6 10

SINR [dB]

D1 (Km)

Ambiente Rural ISD 20

Sem BF Com BF (M=4) Com BF (M=8)

_____________________________________________________________________________

49

Pode-se observar que num Ambiente Rural, ao aumentar a ISD, os benefícios que advêm da utilização de Beamforming tornam-se menos acentuados. Existe no entanto um evidente benefício de utilização de Beamforming em todos os cenários, especialmente se for usado um array de 8 antenas que produzem feixes de maior diretividade e consequentemente maior ganho.

Nas Figuras 36, 37 e 38 são apresentados os gráficos referentes aos ambientes Urbanos com diferentes ISD.

Figura 36 – SINR em função de D1 para ISD 1.5 Km

Figura 37 – SINR em função de D1 para ISD 3 Km

-505

101520253035

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27 0,3

0,33

0,36

0,39

0,42

0,45

0,48

0,51

0,54

0,57 0,6

0,63

0,66

0,69

0,72

0,75

SINR [dB]

D1 (Km)

Ambiente Urbano ISD 1.5

Sem BF Com BF (M=4) Com BF (M=8)

-505

101520253035

0,06

0,12

0,18

0,24 0,3

0,36

0,42

0,48

0,54 0,6

0,66

0,72

0,78

0,84 0,9

0,96

1,02

1,08

1,14 1,2

1,26

1,32

1,38

1,44 1,5

SINR [dB]

D1 (Km)

Ambiente Urbano ISD 3

Sem BF Com BF (M=4) Com BF (M=8)

_____________________________________________________________________________

50

Figura 38 – SINR em função de D1 para ISD 10 Km

Num Ambiente Urbano existe maiores perdas de propagação pelo que o alcance de uma célula neste ambiente será reduzido em relação ao ambiente Rural. Simultâneamente a densidade populacional da área de cobertura de uma célula urbana é substancialmente maior pelo que será necessário instalar um maior número de células de forma a garantir um bom nível de cobertura da região, com capacidade para servir um grande número de utilizadores em simultâneo.

Dos gráficos apresentados anteriormente, nota-se novamente que é evidente o benefício de utilização de Beamforming como forma de melhorar o SINR da célula, no entanto quando a distância entre células é maior, esse benefício torna-se reduzido.

Quando o utilizador se aproxima da periferia de célula começa a ser cada vez mais influenciado pela interferência causada pelas células vizinhas e isto, aliado ao fato que se está a afastar cada vez mais do centro da célula, provoca uma grande deterioração da qualidade de cobertura.

Conclui-se assim que o sistema com Beamforming que utiliza um array de 8 antenas consegue oferecer uma melhor qualidade da cobertura rádio, principalmente na periferia da célula. Nota-se também que os efeitos de interferência são evidenciados a uma distância mais curta no sistema Sem Beamforming.

Devido à maior diretividade inerente da utilização de um array de 8 antenas com Beamforming, conseguem-se obter resultados superiores em relação à utilização de um array de 4 antenas.

Mostra-se assim que a utilização de Beamforming produz resultados vísiveis e mensuráveis na melhoria da qualidade da cobertura rádio de uma rede LTE.

De seguida são apresentadas as análises principais de um utilizador que se encontre na periferia da célula (Cell-Edge).

-20

-10

0

10

20

30

40

0,2

0,4

0,6

0,8 1

1,2

1,4

1,6

1,8 2

2,2

2,4

2,6

2,8 3

3,2

3,4

3,6

3,8 4

4,2

4,4

4,6

4,8 5

SINR [dB]

D1 (Km)

Ambiente Urbano ISD 10

Sem BF Com BF (M=4) Com BF (M=8)

_____________________________________________________________________________

51

4.2.1.1 Relação Sinal/Ruído - SINR

Tal como foi explicado anteriormente, um utilizador que esteja na periferia de uma célula será sempre aquele que mais sofrerá interferência e consequentemente terá a pior cobertura do sistema.

Realizou-se assim uma análise ao pior caso deste sistema, nomeadamente ao utilizador que se encontra na periferia.

Os resultados foram divididos consoante o Ambiente simulado, de forma a facilitar a comparação.

4.2.1.1.1 Ambiente Rural

O SINR foi obtido através de simulação e é apresentado na Tabela 10 o nível de sinal SINR para o cenário Sem Beamforming (que serve de referência) em função do ISD escolhido para um ambiente rural.

Tabela 10 – Cell-Edge SINR [dB] Sem Beamforming, Ambiente Rural

Cell-Edge SINR [dB] - Sem BF (REFERÊNCIA)

Ambiente f

[MHz] BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 10 Km ISD 20 Km

Rural 800 10 -1,45 -1,45 -1,46 -2,00 -5,54

A partir desta tabela conclui-se que existe uma degradação substancial da cobertura do utilizador na periferia considerando interferentes em comparação com o cenário anterior, em que não se consideravem interferentes (Tabela 9).

De seguida são apresentados, nas Tabela 11 e 12, os resultados de SINR obtidos através de simulação de um cenário com 8 interferentes e utilização de Beamforming com 4 antenas, e 8 antenas.

Tabela 11 – Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Rural

Cell-Edge SINR [dB] - COM BF (M = 4 Antenas)

Ambiente f

[MHz] BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 10 Km ISD 20 Km

Rural 800 10 3,32 3,32 3,30 2,28 -2,83 Var. para REFERÊNCIA 4,77 4,77 4,76 4,28 2,70

Tabela 12 – Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Rural

Cell-Edge SINR [dB] - COM BF (M = 8 Antenas)

Ambiente f

[MHz] BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 10 Km ISD 20 Km

Rural 800 10 9,52 9,51 9,48 7,27 0,07 Var. para REFERÊNCIA 10,97 10,97 10,94 9,27 5,60

É evidente a melhoria de SINR com a utilização de Beamforming, especialmente quando se considera uma ISD pequena e se utiliza um array de 8 antenas. Num ISD de 20 Km a utilização de Beamforming pode fazer a diferença entre ter cobertura e não ter.

_____________________________________________________________________________

52

4.2.1.1.2 Ambiente Urbano

Num ambiente urbano são consideradas ISD menores devido à necessidade de cobertura que é consequente de uma elevada densidade populacional.

Na Tabela 13 apresentam-se os resultados do SINR para o modelo Sem Beamforming que serve de referência.

Tabela 13 – Cell-Edge SINR [dB] Sem Beamforming, Ambiente Urbano

Cell-Edge SINR [dB] - Sem BF (REFERÊNCIA)

Ambiente f [MHz] BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 5 Km ISD 10 Km

Urbano 2600 20 -1,45 -1,48 -1,81 -3,26 -9,86

Observa-se uma enorme degradação de sinal na periferia de células quando a distância inter-celular é superior a 3 Km.

Nas Tabelas 14 e 15 são apresentados os resultados para o mesmo ambiente mas utilizando Beamforming com 4 e 8 antenas, respetivamente.

Tabela 14 – Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Urbano

Cell-Edge SINR [dB] - COM BF (M = 4 Antenas)

Ambiente f [MHz] BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 5 Km ISD 10 Km

Urbano 2600 20 3,32 3,26 2,64 0,24 -7,78 Var. para REFERÊNCIA 4,77 4,74 4,44 3,50 2,09

Tabela 15 – Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Urbano

Cell-Edge SINR [dB] - COM BF (M = 8 Antenas)

Ambiente f [MHz] BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 5 Km ISD 10 Km

Urbano 2600 20 9,52 9,36 7,97 3,98 -5,35 Var. para REFERÊNCIA 10,97 10,84 9,78 7,24 4,51

Mais uma vez nota-se uma diferença substancial entre o modelo de referência e o modelo com utilização de Beamforming, principalmente quando é utilizado um array de 8 antenas. No caso de ISD de 10 Km esta técnica pode beneficar a cobertura de forma tão significativa que pode fazer a diferença entre haver cobertura e não haver.

Quando um utilizador se encontra na periferia da célula a qualidade da sua cobertura rádio degrada-se devido à fraca potência do sinal que recebe da Serving Cell e devido ao aumento da interferência que recebe vinda das Neighbor Cells. Este fenómeno é evidenciado nas simulações realizadas.

Nos cenários em que se utiliza BF é notório um aumento do SINR devido ao ganho de BF e atenuação de interferência inerente à sua utilização. Como a diretividade do feixe criado é reforçada com a utilização de um array de 8 elementos de antena, observa-se também uma melhoria no SINR em relação ao array de 4 elementos de antena.

_____________________________________________________________________________

53

4.2.1.2 Débito

De seguida foi calculado o débito máximo que um utilizador que se encontre na periferia da célula consegue atingir.

Tal como foi referido no capítulo anterior, o cálculo do débito de pico atingível em função do SINR está dependente de vários fatores e existem vários modelos possíveis de serem aplicados.

Para ter em conta a possibilidade de adaptação de modulação e codificação foi utilizado uma metodologia que se baseia em tabelas de mapeamento de mínimos de SINR em CQI, seguido de um mapeamento de CQI em Modulation and Coding Scheme (MCS) e de MCS em Transport Block Size (apresentado em Anexo B).

Novamente faz-se a distinção entre o Ambiente Rural e Urbano.

4.2.1.2.1 Ambiente Rural

Utilizando a metodologia apresentada obtiveram-se os seguintes resultados para o cenário de referência (sem Beamforming) [Tabela 16], tendo em especial atenção que num ambiente rural se utilizam apenas 10 MHz de largura de banda e consequentemente apenas 50 RB.

Tabela 16 – Débito por stream [Kbps] Sem Beamforming, Ambiente Rural

Débito por stream [Kbps] - Sem BF (REFERÊNCIA)

Ambiente f

[MHz] BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 10 Km ISD 20 Km

Rural 800 10 2868 2868 2868 2868 0 MCS Index 3 3 3 3 0

Os resultados mostram que o débito possível de se obter é bastante baixo, ficando muito áquem do limite máximo publicitado pelos operadores (100 Mbps com equipamento de classe 3 com capacidade para MIMO 2x2).

Nas Tabelas 17 e 18 são apresentados os resultados de débito referentes às simulações com Beamforming de 4 e 8 antenas, respetivamente.

Tabela 17 – Débito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Rural

Débito por stream [Kbps] - COM BF (M = 8 Antenas) Ambiente

f [MHz]

BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 10 Km ISD 20 Km

Rural 800 10 7056 7056 7056 6058 1396 Var. para REFERÊNCIA 4188 4188 4188 3190 1396

MCS Index 8 8 8 7 2

Tabela 18 – Débito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Rural

Débito por stream [Kbps] - COM BF (M = 8 Antenas)

Ambiente f

[MHz] BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 10 Km ISD 20 Km

Rural 800 10 16428 16428 16428 12728 4380 Var. para REFERÊNCIA 13560 13560 13560 9860 4380

MCS Index 16 16 16 13 5

_____________________________________________________________________________

54

Nestes resultados observa-se uma melhoria considerável do débito máximo obtido na periferia das células, principalmente nos cenários com ISD menor. O incremento é maior quando se utilizam 8 antenas com capacidade para Beamforming.

Nota-se novamente que com ISD de 20 Km, a utilização de Beamforming permite obter algum débito de Downlink, apesar de este ser baixo.

Com SINR baixo o indíce de modulação (MCS) é baixo e consequentemente a modulação permitida será QPSK, que garante maior fiabilidade na ligação apesar de permitir débitos mais baixos. Com SINR aceitável o MCS é médio, podendo assim utilizar-se a modulação 16-QAM com um code rate aceitável, atingindo-se bons débitos de Download por stream. Com um SINR excelente o MCS é elevado, sendo o canal rádio capaz de utilizar a modulação de 64-QAM atingindo-se débitos muito superiores.

De seguida são apresentados os resultados obtidos para um ambiente urbano.

4.2.1.2.2 Ambiente Urbano

Num ambiente urbano obtiveram-se os resultados apresentados nas tabelas 19, 20 e 21, referentes ao cenário Sem Beamforming, Com Beamforming de 4 antenas e Com Beamforming de 8 antenas, respetivamente. Num ambiente Urbano utiliza-se a largura de banda de 20 MHz e consequentemente 100 RBs são alocados ao utilizador.

Tabela 19 – Débito por stream [Kbps] Sem Beamforming, Ambiente Urbano

Débito por stream [Kbps] - Sem BF (REFERÊNCIA) Ambiente f [MHz]

BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 5 Km ISD 10 Km

Urbano 2600 20 5736 5736 5736 3624 0 MCS Index 3 3 3 1 0

Tabela 20 – Débito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Urbano

Débito por stream [Kbps] - COM BF (M = 4 Antenas) Ambiente f [MHz]

BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 5 Km ISD 10 Km

Urbano 2600 20 14112 14112 14112 8760 0 Var. para REFERÊNCIA 8376 8376 8376 5136 0

MCS Index 8 8 8 5 0

Tabela 21 – Débito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Urbano

Débito por stream [Kbps] - COM BF (M = 8 Antenas) Ambiente f [MHz]

BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 5 Km ISD 10 Km

Urbano 2600 20 32856 32856 28336 17568 0 Var. para REFERÊNCIA 27120 27120 22600 13944 0

MCS Index 16 16 14 10 0

Num ambiente Urbano, é observado o mesmo fenómeno que num ambiente Rural, com a diferença de que se começa a observar um decaímento do débito com ISD mais baixos. Mais uma vez é evidente o potencial que a utilização de Beamforming traz a este sistema, principalemente com a utilização de 8 antenas.

_____________________________________________________________________________

55

4.2.1.3 Eficiência Espectral

Para poder ser feita uma correlação comparativa entre os resultados obtidos foi então calculada a eficiência espectral alcançada em cada um dos sistemas.

Considera-se que num ambiente rural se utilize apenas 10 MHz de largura de banda e no ambiente Urbano se utilizem os 20 MHz de largura de banda.

A eficiência espectral é obtida através das tabelas apresentadas no Anexo B.

Na tabela 22 apresentam-se os resultados dos cálculos da eficiência espectral para as simulações realizadas sem BF nos diferentes cenários de ISD num ambiente rural.

Tabela 22 – Eficiência Espectral [bits/Hz], Ambiente Rural

Eficiência Espectral [bps/Hz] - Sem BF (REFERÊNCIA)

Ambiente f [MHz] BW [MHz] ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 10 Km ISD 20 Km

Rural 800 10 0,0672 0,0672 0,0672 0,0672 0 MCS Index 3 3 3 3 0

Eficiência Espectral [bps/Hz] - COM BF (M = 4 Antenas)

Ambiente f [MHz] BW [MHz] ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 10 Km ISD 20 Km

Rural 800 10 0,4245 0,4245 0,4245 0,3644 0,0213 Variação em relação à

REFERÊNCIA 0,3572 0,3572 0,3572 0,2972 0,0213

MCS Index 8 8 8 7 2

Eficiência Espectral [bps/Hz] - COM BF (M = 8 Antenas)

Ambiente f [MHz] BW [MHz] ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 10 Km ISD 20 Km

Rural 800 10 1,5722 1,5722 1,5722 1,4965 0,1027 Variação em relação à

REFERÊNCIA 1,5050 1,5050 1,5050 1,4293 0,1027

MCS Index 16 16 16 13 5

Mais uma vez observa-se uma melhoria significativa do sistema com utilização de Beamforming, especialmente no caso de se usar 8 antenas.

Na Tabela 23 apresentam-se os valores de eficiências espectrais calculados para as simulações em Ambiente Urbano.

_____________________________________________________________________________

56

Tabela 23 – Eficiência Espectral [bits/Hz], Ambiente Urbano

Eficiência Espectral [bps/Hz] - Sem BF (REFERÊNCIA)

Ambiente f [MHz] BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 5 Km ISD 10 Km

Urbano 2600 20 0,1344 0,1344 0,1344 0,0276 0 MCS Index 3 3 3 1 0

Eficiência Espectral [bps/Hz] - COM BF (M = 4 Antenas)

Ambiente f [MHz] BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 5 Km ISD 10 Km

Urbano 2600 20 0,4245 0,4245 0,4245 0,1651 0,0000 Variação em relação à

REFERÊNCIA 0,2900 0,2900 0,2900 0,1375 0,0000

MCS Index 8 8 8 5 0

Eficiência Espectral [bps/Hz] - COM BF (M = 8 Antenas)

Ambiente f [MHz] BW [MHz]

ISD 0.5 Km ISD 1.5 Km ISD 3.0 Km ISD 5 Km ISD 10 Km

Urbano 2600 20 3,1444 3,1444 1,6658 0,7703 0,0000 Variação em relação à

REFERÊNCIA 3,0100 3,0100 1,5314 0,7427 0,0000

MCS Index 16 16 14 10 0

Da Tabela 23 conclui-se que o modelo com interferentes, sem Beamforming permite obter uma eficiência espectral inferior a 0.13 bps/Hz, que é um valor extremamente baixo, mais uma vez evidenciando a fraca qualidade de cobertura na periferia da célula.

Simultâneamente, a Tabela 23 mostra que com a utilização de Beamforming consegue-se atingir um valor de eficiência espectral aceitável na periferia da célula, mesmo na presença de muitos interferentes.

Conclui-se assim que no caso de ser implementado Beamforming com um array de 8 antenas, se obtêm resultados superiores aos obtidos com um array de 4 antenas, observando-se novamente que num ambiente Urbano a eficiência espectral do utilizador de periferia será bastante melhorada em comparação com a referência.

Uma maior eficiência espectral na periferia da célula tem consequentemente uma melhor equidade de serviço na célula, na medida em que um utilizador que se encontra na periferia é assim menos prejudicado em relação a um utilizador que se encontre no centro.

Os indicadores de QoS de cobertura da célula poderão assim ser melhorados o que poderá levar a uma melhoria substancial da percepção de qualidade da rede do ponto de vista do utilizador.

De seguida são apresentados os resultados das simulações realizadas com o objetivo de analisar o comportamento do SINR do user na periferia, variando-se a distância entre células (ISD).

_____________________________________________________________________________

57

4.2.2 Com variação da distância inter-celular (ISD)

Foram realizadas simulações em que foi fixada a posição do utilizador na fronteira entre células e variada a distância inter-celular. Estas simulações podem ser agrupadas consoante o número de interferentes que se consideraram (8 e 3).

Em ambiente Rural obtiveram-se os gráficos das Figuras 39 e 40, para 8 interferentes e 0 interferentes respetivamente.

Figura 39 – Variação de SINR em função de ISD, Ambiente Rural, 8 Interferentes

Figura 40 – Variação de SINR em função de ISD, Ambiente Rural, 0 Interferentes

Observa-se que, num cenário sem interferentes, o benefício que se obteria utilizando Beamforming é minimal, apenas sendo evidenciado a partir dos 3 Km de ISD. No entanto nota-se que ao utilizar Beamforming num cenário com 8 interferentes se obtem uma melhoria substancial em todos os ISD considerados, notando-se um decréscimo de melhoria quanto maior for o ISD.

-5

0

5

10

15

0,1

0,6

1,1

1,6

2,1

2,6

3,1

3,6

4,1

4,6

5,1

5,6

6,1

6,6

7,1

7,6

8,1

8,6

9,1

9,6

10,1

10,6

11,1

11,6

12,1

12,6

13,1

13,6

14,1

14,6

SINR [dB]

ISD [Km]

Variação de SINR em função de ISD - Ambiente Rural -8 Interferentes

SEM BF COM BF M4 COM BF M8

0

10

20

30

40

0,1

0,6

1,1

1,6

2,1

2,6

3,1

3,6

4,1

4,6

5,1

5,6

6,1

6,6

7,1

7,6

8,1

8,6

9,1

9,6

10

,11

0,6

11

,11

1,6

12

,11

2,6

13

,11

3,6

14

,11

4,6

SIN

R [

dB

]

ISD [Km]

Variação de SINR em função de ISD - Ambiente Rural -Sem Interferentes

SEM BF COM BF M4 COM BF M8

_____________________________________________________________________________

58

Nas Figuras 41 e 42 são apresentados os gráficos referentes ao ambiente urbano.

Figura 41 – Variação de SINR em função de ISD, Ambiente Urbano, 8 Interferentes

Figura 42 – Variação de SINR em função de ISD, Ambiente Urbano, 0 Interferentes

Destas simulações conclui-se o mesmo que nas simulações em ambiente rural, com especial atenção que o decaimento do SINR no caso de não serem considerados interferentes ocorre por volta dos 1 Km de ISD, muito anterior ao que se passa no ambiente rural (3 Km).

Da mesma maneira, o benefício que se obtem utilizando Beamforming tem uma variação semelhante ao ambiente rural.

-20

-10

0

10

20

0,1

0,7

1,3

1,9

2,5

3,1

3,7

4,3

4,9

5,5

6,1

6,7

7,3

7,9

8,5

9,1

9,7

10

,3

10

,9

11

,5

12

,1

12

,7

13

,3

13

,9

14

,5

SIN

R [

dB

]

ISD [Km]

Variação de SINR em função de ISD - Ambiente Urbano - 8 Interferentes

SEM BF COM BF M4 COM BF M8

-20

-10

0

10

20

30

40

0,1

0,7

1,3

1,9

2,5

3,1

3,7

4,3

4,9

5,5

6,1

6,7

7,3

7,9

8,5

9,1

9,7

10

,3

10

,9

11

,5

12

,1

12

,7

13

,3

13

,9

14

,5

SIN

R [

dB

]

ISD [Km]

Variação de SINR em função de ISD - Ambiente Urbano - 0 Interferentes

SEM BF COM BF M4 COM BF M8

_____________________________________________________________________________

59

Capítulo 5 Conclusões e Trabalho

Futuro

Este capítulo consiste nas principais conclusões deste trabalho, assim como algumas sugestões para futura investigação.

_____________________________________________________________________________

60

5.1 Conclusões

Esta tese teve como principal objetivo avaliar a utilização de técnicas de Beamforming como método de coordenação de interferência intercelular (ICIC). Para tal foram feitas simulações que permitem compreender o comportamento da qualidade de cobertura rádio dentro de uma célula, podendo assim comparar-se o nível de sinal (SINR), performance (débito) e eficiência espectral de um sistema que utiliza Beamforming em função de um sistema normal que não utiliza Beamforming nem técnicas de coordenação de interferência inter-celular.

No âmbito deste trabalho foi desenvolvido um simulador em MATLAB com capacidade para avaliar um sistema LTE de acordo com vários parâmetros, nomeadamente o tipo de ambiente a simular (rural ou urbano), número de células do cluster (interferentes), utilização opcional de Beamforming (array de 4 ou 8 antenas), distância intercelular e número de simulações.

O propósito deste trabalho é estudar o impacto que a utilização de Beamforming tem na melhoria da performance geral da rede. Assim, foi registada a variação do SINR tendo em conta a largura de banda e frequência para um utilizador singular que utiliza a totalidade dos recursos disponíveis da rede (cell load 100%).

Para facilitar o estudo foi estabelecido um primeiro modelo que consistiu num sistema mono-utilizador, ou seja, sem células interferentes. Fixando-se um valor para a distância inter-celular foi calculado o SINR de um utilizador ao longo de vários pontos dentro da célula. Registou-se também o SINR considerando que o utilizador se encontra na fronteira da célula, logo nas piores condições de cobertura possível, e a partir do seu nível de sinal foram calculados os débitos máximos possíveis e as respetivas eficiências espectrais.

O sistema foi então melhorado tendo em conta a presença de células vizinhas que geram interferência caso existissem utilizadores situados nessas células que estivessem a utilizar a totalidade dos recursos fornecidos pela rede (novamente considerando-se cell load 100%). Foram então feitas várias simulações tendo-se obtido as curvas de evolução do SINR quer em função da localização do utilizador, quer os vários cenários de distância inter-celular.

Por fim foi aumentada a complexidade do sistema, implementando-se um algoritmo de Beamforming baseado em Destination of Arrival (DoA) para conhecer a localização exata de um utilizador e que, através de um processamento extra, leva a uma minimização do erro quadrático médio (MMSE).

A performance de um sistema com Beamforming depende do número de elementos de antenas instalados, já que com um maior número de elementos se conseguem obter feixes com maiores diretividades e portanto melhorar ainda mais a qualidade do sinal recebido.

No simulador desenvolvido foram considerados 4 e/ou 8 elementos de antenas.

Os resultados das simulações mostram que no modelo de referência se obtem um débito de Download inferior a 6 Mbps (por stream) na periferia de uma célula em Ambiente Urbano, ficando-se pelos 6% do débito máximo publicitado pelas operadoras de telecomunicações que vendem equipamentos de banda larga de classe 3 (máximo de 100 Mbps no Download). Com a utilização de Beamforming consegue-se uma melhoria deste valor para 14 Mbps (14% do máximo possível com 100 RB) e 32 Mbps (32% do máximo possível com 100 RB) com 4 ou 8 antenas respetivamente.

Isto significa um aumento de +8 Mbps ou +27 Mbps em relação à referência, o que evidencia uma melhoria substancial da percepção do cliente que se encontra na região de fronteira entre células.

_____________________________________________________________________________

61

Já num ambiente rural este aumento não é tão acentuado, obtendo-se no modelo de referência débitos por stream inferiores a 3 Mbps (6% do máximo possível com 50 RB), sendo melhorados para 7 Mbps (14% do máximo) e 16 Mbps (32% do máximo) com 4 e 8 antenas, respetivamente.

Isto significa um aumento de +4 Mbps usando Beamforming com 4 antenas e +13 Mbps usando Beamforming com 8 antenas.

Em ambos os ambientes considerados observa-se uma maior melhoria nos modelos com menores ISD. Isto acontece porque com ISD superiores, a distância do utilizador à sua eNB é superior e o aumento da atenuação de propagação no espaço livre influencia muito no cálculo da potência útil recebida vinda da Serving Cell.

De forma a poder realizar uma comparação fiável entre os modelos sem BF e com BF foi também calculada a eficiência espectral do utilizador de periferia da célula, tendo em conta que num ambiente rural é de esperar a utilização de apenas 10 MHz de largura de banda, enquanto que num ambiente urbano se utilizam 20 MHz de largura de banda.

Os resultados de simulações mostram que sem Beamforming a eficiência espectral alcançável é muito reduzida, sendo inferior a 0.06 bps/Hz no caso do ambiente rural e inferior a 0.13 bps/Hz num ambiente urbano.

Com a utilização de Beamforming é possível aumentar bastante a eficiência espectral, obtendo-se um valor inferior a 0.42 bps/Hz no caso de Beamforming com 4 antenas e atingindo-se um valor de 1.57 bps/Hz num caso rural com 8 antenas e 3.14 bps/Hz num caso urbano com 8 antenas.

Novamente conclui-se que o benefício de utilização de Beamforming é superior nos cenários com ISD mais baixo.

Estes resultados foram calculados tendo em mente uma utilização em MIMO 2x2, ou seja, com dois streams paralelos de transmissão no Downlink. Consoante o nível de sinal são calculados os índices de modulação MCS e a partir daí é calculada a eficiência espectral tendo em conta a largura de banda e o code rate utilizado na modulação escolhida.

Assume-se também que o processamento de Beamforming permite reduzir para 50% a interferência causada pelo eNB para utilizadores vizinhos e aumentar em 50% a potência de sinal útil no caso de serem usadas 4 antenas.

Caso sejam usadas 8 antenas define-se também uma redução de interferência para outras células da ordem dos 80% (portanto para 20% da interferência original) e um aumento de 150% na potência de sinal útil recebida pelo utilizador devido ao ganho adicional de BF.

As simulações permitem também concluir que o benefício de utilização de Beamforming com ISD varia de 11 a 4 dB, diminuindo com o aumento da distância inter-celular. O sistema de Beamforming oferece assim uma melhoria superior em sistemas com ISD menor.

Se for definido como referência o SINR da periferia da célula sem Beamforming pode-se considerar que o ganho derivado da utilização de Beamforming permite um aumento do raio de cobertura da célula.

De acordo com os resultados obtidos através de simulação, o raio da célula pode ser aumentado em 20% ou 44%, com utilização de Beamforming de 4 ou 8 antenas, respetivamente.

_____________________________________________________________________________

62

O aumento do raio de cobertura da célula permite a um operador instalar menos antenas para cobrir a mesma região o que deverá permitir uma redução de custos de implementação da rede LTE.

Em conclusão, pode-se dizer que a implementação de base stations com funcionalidade para aplicar Beamforming na rede, pode trazer benefícios tanto para o utilizador como para operador na medida em que:

• O utilizador vai experienciar uma cobertura de melhor qualidade, especialmente se se encontrar na periferia da célula, o que lhe vai permitir atingir débitos de pico muito superiores.

• O operador pode aumentar a área de cobertura de uma célula LTE, reduzindo-se assim o número de células necessárias para cobrir uma dada região e consequentemente reduzindo-se o custo de implementação da nova rede de 4ª geração.

Cabe ao operador fazer uma análise de custo-benefício que tem impretrivelmente de ter em conta que um sistema com Beamforming necessita de uma infraestrutura altamente fiável, robusta e de elevada capacidade para comunicação entre eNBs. Tem também de ter em conta que será necessário instalar equipamento capaz de realizar um processamento de sinal mais complexo no eNB bem como um maior investimento relativo ao maior número de antenas a serem instaladas em cada local.

A tecnologia LTE é muito recente e está apenas a dar os primeiros passos neste momento, pelo que ainda existem muitas abordagens diferentes que permitem otimizar o sistema.

É notável o aumento substancial de débito que esta tecnologia permite em comparação com as gerações anteriores, mas ainda não foi verdadeiramente criada uma necessidade suficiente que justifique a aceitação e adoção por parte do grande público.

De qualquer forma, o impacto da utilização de várias técnicas de ICIC combinadas pode ser estudado com maior profundidade, permitindo uma estimativa mais rigorosa dos ganhos associados à gestão de recursos da rede.

As técnicas de Beamforming utilizadas também necessitam de um estudo mais aprofundado, dado que possuem um potencial imenso de melhoria da rede, principalmente a nível de cobertura e performance.

Para um estudo futuro propõe-se o desenvolvimento de algoritmos que associem uma técnica de acesso múltiplo com Beamforming, de forma a multiplexar o acesso à largura de banda total por vários utilizadores da mesma célula, multiplicando-se assim a capacidade do sistema.

Também devem ser desenvolvidas metodologias para medição de Qualidade de Serviço (QoS) e Qualidade de Experiência (QoE) que, aplicadas a sistemas que incluam as melhorias evidenciadas pela utilização de uma coordenação ICIC, permitam evidenciar a utilidade do desenvolvimento desta melhoria, do ponto de vista de um utilizador.

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63

Anexo A Link Budget

Neste anexo é apresentado o Link Budget.

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O Link Budget utilizado nesta tese é baseado na release 99 do 3GPP.

As perdas de percurso são calculadas através de [16]:

(A1)

Onde:

• Lp: perdas de percurso;

• Pt: potência de transmissão;

• Gt: ganho da antena de transmissão;

• Pr: potência recebida;

• Gr: ganho da antena de recepção;

Quando a diversidade é usada, Gr em (A1) é substituído por:

(A2)

Onde Gdiv representa o ganho de diversidade.

A potência equivalente radiada isotropicamente (EIRP) pode ser estimada para o DL por (A3):

(A3)

Onde:

• Lc: perdas por cabo entre o transmissor e o receptor;

• Psig: potência de sinalização;

A potência recebida pode ser calculada por (A4) para o DL:

(A4)

Onde Prx representa a potência recebida na entrada do receptor.

A sensibilidade do receptor é aproximadamente dada por:

(A5)

Onde:

• ρ: SNR;

• N: Total Noise Power (dado por A6);

(A6)

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65

Em que:

• ∆f: largura de banda dos RB alocados ao utilizador;

• F: receiver’s noise figure;

• Mi: margem de interferência (3dB);

As perdas de percurso totais são introduzidas no modelo de propagação COST 231 Walfisch-Ikegami, de forma a ser realizado o cálculo, para o modelo mono-utilizador, do raio da célula, r.

É importante referir que este modelo não está totalmente adaptado a funcionar nas frequências utilizadas nas simulações previstas (2600 MHz), contudo foi utilizado por ser o mais adequado a um ambiente urbano sem linha de vista.

O modelo de propagação COST 231 Walfisch-Ikegami é valido para:

• f entre 800 e 2000 MHz;

• r entre 0.02 e 5 Km

• Altura da estação base entre 4 e 50 m;

• Altura do terminal móvel entre 1 e 3 m;

Foram assim definidos as seguintes características para o modelo:

• Largura da rua: 24 m;

• Separação entre prédios: 48 m;

• Altura da BS: 26 m;

• Altura dos prédios: 24 m;

• Altura do terminal móvel: 1.8 m;

• Ângulo de orientação: 90 º;

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67

Anexo B Mapeamento CQI/MCS

Neste anexo é apresentada uma metodologia de mapeamento do SINR em débito através de tabelas de CQI/MCS.

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De forma a obter uma estimativa do débito máximo teórico disponível para um utilizador, podem ser utilizadas várias metodologias.

São apresentados em vários documentos presentes na bibliografia algumas fórmulas que permitem traçar um modelo do comportamento do SINR em função do débito de um RB e vice-versa, obtendo-se diagramas gráficos tais como o apresentado na Figura 43.

Figura 43 – Interpolação para 64-QAM code rate ¾ e ETU 70 Hz no DL [7]

Nesta tese foi utilizada outra metodologia que envolve um mapeamento em tabelas disponibilizadas pelo 3GPP. Este método resume-se em:

1. Registar o valor do SINR e número de RB alocados;

2. Obter o valor de CQI a partir do SINR (mapeamento dependente do fabricante);

3. Obter o valor do índice de MCS através da Tabela 24;

4. Obter o valor do índice Itbs a partir da Tabela 24;

5. Analisar a Tabela 25 para obter o Transport block size [em bits/ms] através o Itbs e do número de RB;

6. Múltiplicar o valor por 1000 ms e de seguida múltiplicar o valor pelo número de streams (canais físicos) utilizados (por exemplo 2x2 MIMO possui 2 canais);

Obtem-se assim um valor máximo teórico para o débito de um utilizador a partir do seu SINR ou CQI e número de RBs, em Kbps.

Para obter a eficiência espectral podem ser usadas as mesmas tabelas, registando-se o valor do code rate para ser multiplicado pelo débito e dividido pela largura de banda disponível.

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Tabela 24 – Índice de CQI, MCS e Itbs com respetivos code rates e modulações

Ordem de modulação

Code Rate

Índice MCS

CQI idx

Modulação Itbs

Reserved 0 0-QPSK 0

2 0,0762 1 1 1-QPSK 1

2 0,0967 2 2-QPSK 2

2 0,1172 3 2 3-QPSK 3

2 0,1528 4 4-QPSK 4

2 0,1885 5 3 5-QPSK 5

2 0,2446 6 6-QPSK 6

2 0,3008 7 4 7-QPSK 7

2 0,3696 8 8-QPSK 8

2 0,4385 9 5 9-QPSK 9

4 0,5132 10 10-16QAM 9

4 0,5879 11 6 11-16QAM 10

4 0,3315 12 12-16QAM 11

4 0,3691 13 7 13-16QAM 12

4 0,4238 14 14-16QAM 13

4 0,4785 15 8 15-16QAM 14

4 0,5400 16 16-16QAM 15

6 0,6016 17 9 17-64QAM 15

6 0,6421 18 18-64QAM 16

6 0,4551 19 10 19-64QAM 17

6 0,5044 20 20-64QAM 18

6 0,5537 21 11 21-64QAM 19

6 0,6021 22 22-64QAM 20

6 0,6504 23 12 23-64QAM 21

6 0,7021 24 24-64QAM 22

6 0,7539 25 13 25-64QAM 23

6 0,8032 26 26-64QAM 24

6 0,8525 27 14 27-64QAM 25

6 0,8892 28 28-64QAM 26

6 0,9258 29 15

2 1,2 30

Reserved 31

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70

Tabela 25 – Transport block size em função do número de RB e Itbs

# Resource blocks

1 ... 50 ... 100

0 16 ... 1384 ... 2792

1 24 ... 1800 ... 3624

2 32 ... 2216 ... 4584

3 40 ... 2856 ... 5736

4 56 ... 3624 ... 7224

5 72 ... 4392 ... 8760

6 328 ... 5160 ... 10296

7 104 ... 6200 ... 12216

8 120 ... 6968 ... 14112

9 136 ... 7992 ... 15840

10 144 ... 8760 ... 17568

11 176 ... 9912 ... 19848

12 208 ... 11448 ... 22920

13 224 ... 12960 ... 25456

14 256 ... 14112 ... 28336

15 280 ... 15264 ... 30576

16 328 ... 16416 ... 32856

17 336 ... 18336 ... 36696

18 376 ... 19848 ... 39232

19 408 ... 21384 ... 43816

20 440 ... 22920 ... 46888

21 488 ... 25456 ... 51024

22 520 ... 27376 ... 55056

23 552 ... 28336 ... 57336

24 584 ... 30576 ... 61664

25 616 ... 31704 ... 63776

26 712 ... 36696 ... 75376

TBSI

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