LTE (Long Term Evolution): A Evolução das Redes 3G

Este tutorial apresenta os conceitos básicos do padrão LTE – Long Term Evolution, que representa aevolução das redes celulares 3G, oferecendo taxas de bits acima de 200 Mbit/s. Este tutorial foi produzido a partir do White Paper “LONG TERM EVOLUTION (LTE): AN

INTRODUCTION”, de outubro de 2007, elaborado pela Ericsson.

Categoria: Telefonia Celular

Nível: Introdutório Enfoque: Técnico

Duração: 15 minutos Publicado em: 16/02/2009

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LTE: Introdução

A banda larga móvel está se tornando uma realidade, e não apenas em casa ou no escritório. Além dosestimados 1,8 bilhão de pessoas que terão banda larga em 2012, cerca de dois terços serão consumidores debanda larga móvel – e a maioria será servida por redes HSPA - High Speed Packet Access e LTE - LongTerm Evolution, uma evolução das redes 3G, capaz de oferecer velocidades acima de 200 Mbit/s. As pessoas já podem navegar pela Internet ou enviar e-mails usando notebooks com HSPA integrado,substituir seus modems DSL fixos por modems HSPA e enviar e receber vídeo ou música usando terminais3G. Com o LTE, a experiência do usuário será ainda melhor, pois acrescentará novas aplicações, como TVinterativa, blogs de vídeo móvel, jogos avançados e serviços profissionais. O LTE oferece vários benefícios para os consumidores e operadores:

Desempenho e capacidade: um dos requisitos do LTE é fornecer taxas de pico downlink de pelomenos 100Mbit/s. A tecnologia permite velocidades acima de 200Mbit/s e a Ericsson já demonstroutaxas acima de 150Mbit/s. Além disso, a latência deverá ser inferior a 10ms. Efetivamente, issosignifica que o LTE – mais do que qualquer outra tecnologia – já atende aos principais requisitos de4G.Simplicidade: primeiramente, o LTE suporta portadoras com largura de banda flexível, de menos de

5MHz até 20MHz nos modos FDD - Frequency Division Duplex o TDD - Time Division Duplex. Dezfaixas de espectro pareadas e quatro não-pareadas foram, até o momento, identificadas pelo 3GPP(3rd Generation Partnership Project) para LTE e há mais faixas em discussão a serem adicionadas embreve. Assim, uma operadora pode introduzir LTE em faixas ‘novas’, onde for mais fácil posicionarportadoras de 10MHz ou 20MHz e, assim, implementar o LTE em todas as faixas. Em segundo lugar,produtos LTE terão diversos aspectos que simplificam a construção e gerenciamento das redes depróxima geração. Por exemplo, aspectos como instalação plug-and-play, autoconfiguração eauto-otimização simplificarão e reduzirão o custo de implantação e gerenciamento da rede. Emterceiro lugar, o LTE será implementado em paralelo com redes de transporte e núcleo baseado em IPsimplificados, nos quais a construção, manutenção e introdução de serviços são mais fáceis.Ampla variedade de terminais: além dos telefones móveis, computadores e dispositivos eletrônicos

incorporarão módulos LTE. Como o LTE suporta handover e roaming para redes móveis existentes,todos esses dispositivos podem ter cobertura de banda larga móvel ubíqua desde o primeiro dia.

Em resumo, as operadoras podem introduzir a flexibilidade do LTE para ir ao encontro dos objetivos de suasredes existentes, espectro e negócios para banda larga móvel e serviços multimídia.

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LTE: Requisitos e Padronização

Satisfazendo os Requisitos do Consumidor Como mencionado, espera-se que as assinaturas de banda larga atinjam 1,8 bilhão em 2012. Cerca de doisterços desses consumidores usarão Internet móvel. O tráfego de dados nas redes móveis está crescendoexponencialmente e, em alguns mercados já ultrapassou o de voz, o que coloca elevados requisitos sobre asredes móveis, hoje e no futuro.

Figura 1: Crescimento da banda larga 2005-2012.

Fonte: OUVM, Strategy Analitics & Internal Ericsson.

Existem fortes evidências a favor da adoção da banda larga móvel. Primeiramente, os consumidorescompreendem e apreciam os benefícios da banda larga móvel. A maioria das pessoas já usa telefonesmóveis, e muitos também conectam seus notebooks a LANs sem fio. A etapa em direção à banda largamóvel plena é intuitiva e simples, especialmente com o LTE, que oferece cobertura ubíqua e roaming comas redes 2G e 3G existentes. Em segundo lugar, a experiência com HSPA mostra que quando as operadoras fornecem boa cobertura,ofertas de serviço e terminais, a banda larga móvel rapidamente decola. O tráfego de dados começou a exceder o de voz em maio de 2007 nas redes WCDMA no mundo (figura 2).Isso se deve principalmente à introdução do HSPA. Recentemente, cartões de dados HSPA e dispositivosUSB se tornaram muito populares. Várias operadoras têm verificado um aumento de quatro vezes no tráfegode dados em apenas três meses após o lançamento do HSPA.

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Figura 2: Crescimento do tráfego de voz e dados nas redes WCDMA no mundo.

Em muitos casos, a banda larga móvel pode competir com a banda larga fixa em preço, desempenho,segurança e, claro, conveniência. Os usuários podem passar um tempo usando o serviço, em vez deestabelecer a conexão WLAN, preocupando-se com segurança ou perdendo cobertura. Em terceiro lugar, diversas aplicações banda larga estão crescendo significativamente com a mobilidade.Sites comunitários, ferramentas de busca, aplicações de presença e sites de compartilhamento de conteúdo,como o YouTube, são apenas alguns exemplos. Com a mobilidade, essas aplicações tornam-se significativamente mais valiosas às pessoas. O conteúdogerado pelo usuário é particularmente interessante, porque ele muda os padrões de tráfego para tornar ouplink muito mais importante. As elevadas taxas de pico e a pequena latência do LTE possibilitamaplicações em tempo real como jogos e IPTV.

Satisfazendo os Requisitos do Operador As operadoras estão fazendo negócios em um ambiente cada vez mais competitivo, concorrendo não apenascom outros operadores, mas também com novos players e modelos de negócios. Entretanto, novos modelosde negócios também significam novas oportunidades, e as operadoras móveis têm a vantagem de oferecerserviços de banda larga móvel competitivos, aproveitando os investimentos existentes em redes 2G e 3G. Essa é a razão pela qual as operadoras são tão ativas na elaboração de estratégias e requisitos através deentidades de padronização para a banda larga móvel. Algumas das principais operadoras, fornecedores einstitutos de pesquisa do mundo juntaram forças na NGMN – Next Generation Mobile Networks. A NGMN trabalha com as entidades de padronização existentes e estabeleceu claras metas de desempenho,recomendações fundamentais e cenários de implementação para uma futura rede de banda larga móvel. Osimperativos da NGMN para sua evolução incluem:

Reutilização eficiente dos ativos existentes, incluindo espectro.Competitividade (baixa latência ponto a ponto e “always-on” econômicos) no momento da introduçãoe à frente das tecnologias rivais, enquanto acrescenta um valor exclusivo à qualidade de serviço,

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mobilidade e roaming ponto a ponto, econômicos.Nenhum impacto sobre o atual cronograma HSPA.Um novo regime IPR () para suportar o licenciamento, de forma a conduzir a transparência eprevisibilidade muito maiores do custo total do IPR para operadoras, provedores de infra-estrutura efabricantes de dispositivos.

Embora não definido pela NGMN, o LTE atende a seus requisitos.

Padronização do LTE O LTE é a próxima etapa principal nas comunicações móveis por rádio e será introduzida no release 8 do3GPP. O LTE usa OFDM – Multiplexação por Divisão de Freqüência Ortogonal como tecnologia de acessorádio, junto com tecnologias avançadas de antena. O 3GPP é um acordo de colaboração estabelecido em dezembro de 1998 que agrega diversas entidades depadronização das telecomunicações. Pesquisadores e engenheiros de desenvolvimento de todo o mundo –representando mais de 60 operadoras, fornecedores e institutos de pesquisa – estão participando no esforçoconjunto de padronização do LTE. Além do LTE, o 3GPP está também definindo arquitetura de rede baseada em IP. Esta arquitetura é definidacomo parte do esforço da SAE – Evolução da Arquitetura de Sistema. A arquitetura e os conceitosLTE-SAE foram planejados para um suporte eficiente ao mercado de massa de qualquer serviço baseado emIP. A arquitetura baseia-se numa evolução do núcleo de rede GSM/WCDMA, com operações eimplementação simples e econômica. Além disso, iniciou-se recentemente um trabalho entre o 3GPP e o 3GPP2 (a entidade de padronizaçãoCDMA) para otimizar a cooperação entre CDMA e LTE-SAE. Isso significa que as operadoras de CDMApoderão evoluir suas redes para LTE-SAE, desfrutando das economias de escala e dos volumes globais dechipsets GSM e WCDMA. O ponto de partida para a padronização do LTE foi o 3GPP RAN Evolution Workshop, conduzido emnovembro de 2004 em Toronto, no Canadá. Iniciou-se um estudo em dezembro de 2004 com o objetivo dedesenvolver uma estrutura para a evolução da tecnologia de acesso a rádio 3GPP em direção a:

Redução no custo por bit.Melhor provisionamento de serviço – mais serviços a baixo custo com melhor experiência do usuário.Uso flexível das bandas existentes e novas freqüências.Arquitetura simplificada e interfaces abertas.Baixo consumo de potência do terminal.

O desempenho do LTE foi avaliado nos assim chamados pontos de checagem e os resultados foramacordados em seções plenárias do 3GPP, em maio e junho de 2007, na Coréia do Sul. Os resultados mostramque o LTE atende, e em alguns casos excede, as metas para os picos das taxas de dados, throughput deusuário na borda da célula e eficiência espectral, bem como VoIP e desempenho de MBMS – MultimediaBroadcast Multicast Service.

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LTE: Características Técnicas

Arquitetura Em paralelo com o acesso rádio LTE, os núcleos de rede em pacotes estão também evoluindo para aarquitetura SAE – System Architecture Evolution básica. Essa nova arquitetura é projetada para otimizar odesempenho de rede, reduzir os custos e facilitar a captura de serviços baseados em IP. Existem somente dois nós no plano do usuário na arquitetura SAE: a estação rádio-base LTE (eNodeB) e ogateway SAE (SAE GW) (figura 3). As estações rádio-base LTE são conectadas ao núcleo da rede usando ainterface RAN-núcleo da Rede (S1). Essa arquitetura plana reduz o número de nós envolvidos nas conexões.

Figura 3: Arquitetura do LTE-SAE.

Os sistemas 3GPP (GSM e WCDMA/HSPA) e 3GPP2 (CDMA2000 1xRTT, EV-DO) existentes sãointegrados ao sistema evoluído através de interfaces padronizadas fornecendo mobilidade otimizada com oLTE. Para os sistemas 3GPP, isso significa uma interface de sinalização entre o SGSN e o núcleo da redeevoluído e para 3GPP2, uma interface de sinalização entre CDMA RAN e o núcleo da rede evoluído. Talintegração suportará o handover dual e único, permitindo uma migração flexível para o LTE. A sinalização de controle – por exemplo, para mobilidade – é feita pelo nó da MME – Mobility ManagementEntity, separada do gateway. Isso facilita a implantação otimizada da rede e permite a escalabilidade total dacapacidade flexível. O HSS – Home Subscriber Server conecta-se ao núcleo da rede de pacote por meio de uma interfacebaseada no protocolo Diameter, e não na sinalização SS7, conforme usada nas redes GSM e WCDMAanteriores. A sinalização de rede para controle de política e cobrança já está baseada no Diameter. Assim,todas as interfaces na arquitetura são interfaces IP. Sistemas GSM e WCDMA/HSPA existentes são integrados ao sistema evoluído através de interfaces

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padronizadas entre o SGSN e o núcleo da rede evoluída. Espera-se que o esforço para integrar o acessoCDMA também leve à mobilidade transparente entre o CDMA e LTE. Tal integração suportará o handoverde rádio dual e único, permitindo a migração flexível do CDMA para LTE. O LTE-SAE adotou um conceito de QoS baseado em classe de serviços. Isso fornece uma solução simples,ainda que eficaz, para que as operadoras ofereçam diferenciação entre os serviços.

Tecnologia de rádio OFDM O LTE usa OFDM para o downlink – que é, da estação rádio-base para o terminal. O OFDM atende aorequisito do LTE quanto à flexibilidade de espectro e possibilita soluções eficientes e econômicas paraportadoras banda larga com taxas de pico elevadas. É uma tecnologia bem estabelecida, por exemplo, empadrões como IEEE 802.11a/b/g, 802.16, Hiperlan-2, DVB e DAB. O OFDM usa várias subportadoras estreitas para transmissão multiportadoras. O recurso físico para odownlink LTE básico pode ser verificado com uma grade de tempo-freqüência (figura 4). No domínio defreqüência, o espaçamento entre as subportadoras ( f) é de 15kHz. Além disso, o tempo de duração dosímbolo OFDM é 1/ f + prefixo cíclico. O prefixo cíclico é usado para manter a ortogonalidade entre assubportadoras, mesmo para um canal de rádio dispersivo no tempo. Um elemento de recurso transporta QPSK, 16QAM ou 64QAM. Com 64QAM, cada elemento de recursotransporta seis bits. Os símbolos OFDM são agrupados em blocos de recursos, que têm um tamanho total de 180kHz no domínioda freqüência e 0,5ms no domínio do tempo. Cada TTI – intervalo de tempo de transmissão de 1ms consistede dois slots (Tslot). A cada usuário é alocado um número dos assim chamados blocos de recurso, na grade tempo-freqüência.Quanto mais blocos de recurso um usuário recebe, e quanto mais alta a modulação usada nos elementos derecurso, mais elevada será a taxa de bit. Quais blocos de recurso e quantos deles o usuário recebe em um dado momento no tempo dependerá demecanismos de sincronização avançada nas dimensões de freqüência e tempo. Os mecanismos desincronização em LTE são similares àqueles utilizados no HSPA e permitem um desempenho ótimo paradiferentes serviços, em diferentes ambientes de rádio.

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Figura 4: O recurso físico downlink LTE baseado em OFDM.

No uplink, o LTE usa uma versão pré-codificada de OFDM chamada SC-FDMA – Single Carrier FrequencyDivision Multiple Access. Isso é para compensar uma redução com OFDM normal, que tem uma PAPR(Peak to Average Power Ratio) muito elevada. A PAPR elevada requer amplificadores de potência caros eineficientes, com elevadas exigências na linearidade, o que aumenta o custo do terminal e acaba com abateria rapidamente. O SC-FDMA resolve esse problema pelo agrupamento conjunto dos blocos de recurso, de tal maneira quereduz a necessidade de linearidade, e dessa maneira o consumo de potência, no amplificador de potência.Uma baixa PAPR também melhora a cobertura e o desempenho na borda da célula.

Antenas avançadas Soluções avançadas de antena que são introduzidas no eHSPA – HSPA evoluído – são também usadas peloLTE. Soluções incorporando múltiplas antenas atendem às demandas da rede de banda larga móvel depróxima geração por taxas de dados elevadas, cobertura estendida e alta capacidade. Soluções avançadas multiantena são os principais componentes para atingir essas metas. Não existe umasolução de antena que aborde cada cenário. Conseqüentemente, uma família de soluções de antena estádisponível para cenários específicos. Por exemplo, taxas de dados elevadas podem ser atingidas comsoluções de antenas multicamadas, como o MIMO – Multiple Input Multiple Output 2x2 ou 4x4, enquanto acobertura estendida pode ser atingida com formador de feixe (beam-forming).

Faixas de freqüência para FDD e TDD O LTE pode ser usado nos modos FDD – Frequency Division Duplex e TDD – Time Division Duplex. Osprimeiros lançamentos de produto suportarão ambos os esquemas duplex. Em geral, o FDD é mais eficientee representa volumes mais elevados do dispositivo e infra-estrutura, enquanto o TDD é um bomcomplemento, por exemplo, nos gaps centrais do espectro. Como o hardware para LTE é o mesmo para FDD e TDD (exceto pelos filtros), os operadores TDD serão,

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pela primeira vez, capazes de desfrutar das economias de escala que vêm com os produtos FDD amplamentesuportados. Até o momento, dez diferentes faixas de freqüência FDD e quatro diferentes faixas de freqüência TDDforam definidas no 3GPP, que podem ser usadas para LTE (tabela 1). É provável que mais bandas sejamacrescentadas a essa lista, como a de 700 MHz nos EUA.

Tabela 1: Bandas FDD (esquerda) e TDD (direita) definidas pelo 3GPP (Junho de 2007).

Bandas FDD

Banda Freqüências UL/DL (MHz)

I 1920 – 1980 / 2110 – 2170

II 1850 – 1910 / 1930 – 1990

III 1710 – 1785 /1805 – 1880

IV 1710 – 1755 / 2110 – 2155

V 824 – 849 / 869 – 894

VI 830 – 840 /875 – 885

VII 2500 – 2570 / 2620 – 2690

VIII 880 – 915 / 925 – 960

IX 1749.9 – 1784.9 / 1844.9 – 1879.9

X 1710 – 1770 / 2110 – 2170

Bandas TDD

Banda Freqüências UL/DL (MHz)

a1900 – 19202010 – 2025

b1850 – 19101930 – 1990

c 1910 – 1930

d 2570 – 2620

A primeira infra-estrutura de rede e terminais LTE suportarão faixas de freqüência múltiplas desde o início.O LTE será, portanto, capaz de atingir rapidamente elevadas economias de escala e cobertura global. O LTE é definido para suportar portadoras com largura de banda flexíveis, de abaixo de 5MHz até 20MHz,em várias faixas do espectro e para os modos FDD e TDD. Isso significa que um operador pode introduzirLTE em faixas novas e existentes. As primeiras poderão ser faixas nas quais, em geral, é mais fácil implantar portadoras de 10MHz ou 20MHz[por exemplo, banda de 2,6GHz (Banda VII), AWS (Banda IV) ou 700 MHz], mas no final o LTE seráimplementado em todas as faixas celulares. Em contraste a sistemas celulares mais antigos, o LTE serárapidamente implementado em múltiplas bandas.

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LTE: Terminais e Economia

Terminais, módulos e terminais sem fio fixos Os dispositivos de banda larga móvel LTE serão produtos para o mercado de massa. A empresa de estudosde mercado Strategy Analytics prevê que em 2010 existirão cerca de 1 bilhão usuários 3G no mundo, sendomais de dois terços baseados na tecnologia HSPA (outubro de 2006). Hoje, a maioria das pessoas pensa em telefones móveis quando falamos sobre conexões móveis. Entretanto,no futuro, dispositivos como notebooks e câmeras de vídeo operarão sobre as tecnologias existentes debanda larga móvel, como HSPA e CMDA2000, bem como LTE por meio de módulos padronizadosembarcados nos dispositivos/equipamentos. Terminais sem fio fixos são outra oportunidade para usar a banda larga móvel de forma eficaz. Os terminaispodem ser comparados aos modems DSL fixos com conexões Ethernet, WLAN ou POTS para dispositivosem casa ou no escritório. A principal diferença é que o serviço de banda larga não é transportado sobre cabos de cobre, mas por meiode rede de rádio. Eles permitem às operadoras oferecer serviço de banda larga de forma econômica a todosos usuários que já têm computadores com conexões Ethernet ou notebooks com conectividade WLAN.

Figura 5: Exemplos de dispositivos que poderão usar LTE.

Economia Existe um forte e difundido apoio da indústria para o LTE, e muitos fabricantes, operadoras e institutos depesquisa estão participando de sua padronização. Esta é uma boa base para criação de um ecossistemasaudável, inspirado no sucesso do HSPA. Um dos principais fatores de sucesso para qualquer tecnologia é a economia de escala. A vantagem dovolume é fundamental no que se refere a terminais/dispositivos e equipamentos de infra-estrutura. Reduz oscustos de fabricação e permite às operadoras fornecer serviços de custo reduzido a seus clientes. A implementação do LTE irá variar de país para país, segundo os aspectos regulatórios. Os primeirosdispositivos serão baseados em multimodo, significando que uma ampla área de cobertura, mobilidade econtinuidade do serviço poderão ser fornecidos a partir do primeiro dia. O legado de redes móveis existentes

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pode ser usado como último recurso em áreas onde o LTE ainda não estiver disponível. É importante que a implementação da infra-estrutura LTE seja a mais simples e econômica possível. Porexemplo, deve ser possível atualizar as estações rádio-base existentes para LTE usando-se unidades plug-in,de forma que se tornem dual mode e dual band. Estações rádio-base LTE autônomas também serão mais simples de implementar do que os produtos atuais.A implementação e a operação e gerenciamento da rede podem ser simplificados com as vantagens doplug-and-play e auto-otimização, reduzindo os investimentos para a operadora.

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LTE: Considerações Finais

O LTE está bem posicionado para atender aos requisitos das redes móveis de próxima geração – tanto paraas operadoras existentes que seguem 3GPP/3GPP2, como para as novas. Com ela, poderão ser oferecidos serviços de banda larga móvel de elevado desempenho para o mercado demassa, por meio de uma combinação de elevadas taxas de bit e throughput – tanto no uplink como nodownlink – com baixa latência. A infra-estrutura LTE é projetada para ser a mais simples possível de implementar e operar, por meio detecnologia flexível que pode utilizar várias faixas de freqüência. O LTE oferece larguras de bandaescalonáveis, de menos de 5MHz a 20MHz, com suporte a espectros de FDD e TDD. A arquitetura LTE-SAE reduz o número de nós, suporta configurações flexíveis de rede e fornece um altonível de disponibilidade de serviço. Além disso, terá interoperabilidade com GSM, WCDMA/HSPA,TD-SCDMA e CDMA. O LTE estará disponível não apenas nos telefones móveis de próxima geração, mas também nos notebooks,câmeras fotográficas, câmeras de vídeo, terminais sem fio fixos e outros dispositivos que se beneficiam dabanda larga móvel.

Referências

3GPP TR 25.913 “Feasibility Study of Evolved UTRA and UTRAN”.1.Dahlman, Parkvall, Skold and Beming, 3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband,Academic Press, Oxford, UK, 2007.

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3GPP TS 25.104 “Base Station (BS) radio transmission and reception (FDD)”.3.3GPP TS 25.105 “Base Station (BS) radio transmission and reception (TDD)”.4.

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LTE: Teste seu Entendimento

1. Qual das alternativas abaixo representa um dos benefícios do LTE?

Desempenho e capacidade.

Simplicidade.

Ampla variedade de terminais.

Todas as alternativas anteriores. 2. Que tecnologias o LTE usa nos acessos rádio?

OFDM – Multiplexação por Divisão de Freqüência Ortogonal no acesso rádio, junto com tecnologiasavançadas de antena.

FDM – Multiplexação por Divisão de Freqüência no acesso rádio, junto com tecnologias avançadas deantena.

OFDM – Multiplexação por Divisão de Freqüência Ortogonal no acesso rádio, junto com tecnologiasavançadas de fibra óptica.

TDM – Multiplexação por Divisão Tempo no acesso rádio, junto com tecnologias avançadas deantena.

3. Qual das alternativas abaixo não representa uma tecnologia que terá interoperabilidade com oLTE?

GSM

WCDMA/HSPA

CSMA-CD

TD-SCDMA

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