LTE: Solução OFDMA Otimizada para Espectro com Maior Largura de Banda Os serviços móveis de banda larga baseados em EV-DO (Evolution Data Only ou Evolution Data Optimized)e HSPA (High Speed Packet Access) têm sido um tremendo sucesso para as Operadoras 3G ao redor domundo. Enquanto se preparam para sustentar o crescimento, muitas operadoras, além de evoluírem suasredes 3G (3rd Generation), têm adotado o LTE (Long Term Evolution) para alavancar o novo espectro commaior largura de banda. O LTE é uma solução OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) móvel, padronizada pelo3GPP (3rd Generation Partnership Project). O LTE alavanca o grande ecossistema 3G e se beneficia de suavasta experiência em planejar, implementar e operar sistemas móveis de sucesso. Muitas das principaisoperadoras já anunciaram seus planos para testar e implantar comercialmente o LTE, para aumentar ovolume de dados das duas redes 3G atuais. Os testes iniciais do LTE já foram realizados em 2009 e inclusive,recentemente, já foi anunciado o lançamento do primeiro sistema comercial na Europa. Este tutorial apresenta o LTE, suas características e aplicações, assim como as vantagens de seu uso nasredes de telefonia celular como complemento e evolução das tecnologias 3G. Este tutorial foi produzido a partir do White Paper “LTE – Uma Solução OFDMA Otimizada paraEspectro com Maior Largura de Banda”, elaborado e traduzido pela Qualcomm.

Categoria: Telefonia Celular

Nível: Introdutório Enfoque: Técnico

Duração: 15 minutos Publicado em: 21/12/2009

1

LTE: Introdução Os serviços móveis de banda larga baseados em EV-DO (Evolution Data Only ou Evolution DataOptimized) e HSPA (High Speed Packet Access) têm sido um tremendo sucesso. Operadoras 3G ao redor domundo estão testemunhando um aumento substancial nas assinaturas de banda larga de dados e nas receitas.Esse aumento, impulsionado pela proliferação da conectividade por banda larga nos muitos segmentos demercado e de dispositivos, deve continuar a crescer. Enquanto se preparam para sustentar o crescimento,muitas operadoras, além de evoluírem suas redes 3G (3rd Generation), têm adotado o LTE (Long TermEvolution) para alavancar o novo espectro com maior largura de banda. O LTE é uma solução OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) móvel, padronizada pelo3GPP (3rd Generation Partnership Project). Ele alavanca bandas mais largas para fornecer altas taxas dedados e para aprimorar a experiência do usuário. O LTE é uma evolução paralela que dá continuidade aohistórico 3G de mobilidade e alta eficiência espectral. Implantado como outra camada sobre as redes 3Gexistentes, o LTE aumentará efetivamente a capacidade de dados nas densas áreas urbanas com altademanda. A tecnologia 3G e suas evoluções fornecerão serviços de banda larga e de voz fora das áreas foco dacobertura LTE. As evoluções 3G oferecem taxas e capacidade de dados similares ao do LTE, quando usam amesma largura de banda e mesma configuração de antena. O LTE é concebido para operar em perfeitaharmonia com a tecnologia 3G através de dispositivos multimodo, que desempenhará um papel fundamentalnas primeiras implantações do LTE. A Qualcomm, com as suas primeiras soluções de chipsets multimodoLTE/HSPA+/EV-DO para a indústria, ocupa uma posição única para apoiar adequadamente as implantaçõesdo LTE. O LTE alavanca o grande ecossistema 3G e se beneficia de sua vasta experiência em planejar, implementar eoperar sistemas móveis de sucesso. Muitas das principais operadoras já anunciaram seus planos para testar eimplantar comercialmente o LTE, para aumentar o volume de dados das duas redes 3G atuais. Os testesiniciais do LTE já foram realizados em 2009 e inclusive, recentemente, já foi anunciado o lançamento doprimeiro sistema comercial na Europa.

2

LTE: Solução OFDMA para Aplicação Móvel

O LTE é uma Solução OFDMA Otimizada para Aplicação Móvel O LTE foi concebido desde o início para prover mobilidade e alta capacidade, seguindo os passos do bemsucedido desenvolvimento da tecnologia 3G. O esquema de modulação OFDMA adotado pelo LTE sedestaca por alavancar uma maior largura de banda para oferecer altas taxas de dados. O eficientegerenciamento de overhead do LTE otimiza o uso do OFDMA para gerar alta eficiência espectral(capacidade de dados). As características robustas de mobilidade e de handoffs do LTE também demonstrama sua superioridade sobre outras soluções OFDMA. O LTE incorpora técnicas avançadas de antena como MIMO (Multiple Input Multiple Output), SDMA(Spatial Diversity Multiple Access) e beamforming para oferecer melhor desempenho. O LTE tambémadota uma nova rede, chamada EPC (Evolved Packet Core), para prover aplicações e serviços baseados emIP. As primeiras redes comerciais LTE deverão oferecer taxas de pico de até 73 Mbit/s para downlink e de até36 Mbit/s para uplink, usando 10 MHz de espectro com MIMO downlink 2x2. Em fases futuras, o LTE serácapaz de fornecer taxas de dados ainda maiores, usando larguras de banda mais amplas (até 20 MHz) eMIMO de ordem superior. O LTE se beneficia do grande ecossistema 3G e da sua larga experiência em projetar e gerenciar sistemasmóveis de sucesso. Muitas das principais operadoras já anunciaram os testes com o LTE e planos deimplantação, apoiados pela maioria dos fornecedores de dispositivos e provedores de rede. Num momentomuito propício, o LTE se mostrou claramente como a tecnologia OFDMA preferida de muitas operadoras. O 3GPP congelou o ASN.1 para o Rel.8 em março de 2009 – um marco importante para a comercializaçãodo LTE que abre caminho para o desenvolvimento de plataformas interoperáveis. Inicialmente, as redes LTEoferecerão serviços de dados por meio de dispositivos como modems USB, cartões de dados e módulosembarcados para laptops/netbooks. Enquanto a comercialização do LTE Rel.8 está prestes a ocorrer, o 3GPP já está trabalhando na evoluçãoem direção à tecnologia LTE Advanced. Técnicas multicarrier (multiportadoras), que permitem utilizarlarguras de banda ainda maiores (mais de 20 MHz), e topologia de redes avançadas, que otimizam emelhoram o desempenho de pico, micro e femtocells, estão entre as várias melhorias sendo consideradaspelo LTE Advanced. O LTE Advanced será um forte candidato para o IMT Advanced (4G), a ser definidopela ITU (União Internacional de Telecomunicações, em português).

3

LTE: Características e Vantagens

O LTE Amplia Novo Espectro com Maior Largura de Banda A tecnologia OFDMA do LTE se destaca por alavancar maiores larguras de banda para oferecer altas taxasde dados e, dessa forma, uma excelente experiência para o usuário, tornando-se mais adequada para umnovo espectro com larguras de banda de 10 MHz ou mais. Para os espectros, já existentes, “refarmed” e novos não contíguos, as tecnologias HSPA+ e EV-DO Rev. Bsão as evoluções mais econômicas. Ao mesmo tempo em que elas oferecem capacidade semelhante as doLTE, com a mesma largura de banda e o mesmo número de antenas, as tecnologias HSPA+ e a EV-DO Rev.B também aproveitam os investimentos já realizados pelas operadoras. Conforme representado na figura 1, o LTE suporta larguras de banda de até 20 MHz, bem como os modosFrequency Division Duplex (FDD) e Time Division Duplex (TDD), que permitem que as operadorasutilizem todos os recursos disponíveis do espectro.

Figura 1: O LTE alavanca novo espectro com maiores larguras de banda

O LTE Aumenta a Capacidade de Dados em Densas Áreas Urbanas Evidenciado pelo recente crescimento de assinantes e de receita registrados por muitas das principaisoperadoras, os serviços móveis de banda larga baseados em HSPA+ e EV-DO têm sido um grande sucesso. Os usuários estão exigindo acesso a serviços multimídia de banda larga em qualquer lugar e a qualquer hora.A demanda por serviços de dados será relativamente alta em densos centros urbanos. Nessas áreas, o LTE,com a sua capacidade de alavancar novas bandas e com larguras maiores, pode ser empregado para elevarsignificativamente a capacidade de dados, como ilustrado na figura 2. A tecnologia 3G e suas evoluções continuarão fornecendo banda larga e experiência de usuário similar aoLTE fora das áreas de cobertura desta tecnologia. O 3G continuará provendo também o serviço de voz emtoda a rede. O LTE, com a sua baixa latência, baixo overhead, suporte a QoS (Quality of Service) e uma nova rede plana(Evolved Packet Core – EPC), é concebido para prover toda a gama de aplicações e serviços baseados emIP. O primeiro foco comercial da indústria tem sido oferecer o LTE como uma solução de dados robusta

4

através de dispositivos como modems USB, cartões de dados e módulos embarcados para laptops/netbooks.O suporte total para voz sobre IP é previsto para o futuro.

Figura 2: Sobreposição do LTE em uma rede 3G

5

LTE: Compatibilidade e Evolução

O LTE Evolui Paralelamente à Evolução 3G A tecnologia 3G já oferece excelente banda larga móvel através do HSPA e do EV-DO. A sua baixa latênciae as características eficientes do seu QoS permitem prover toda a gama de serviços baseados em IP comoVoIP, telefonia por vídeo, push-to-media, jogos interativos com baixa latência dentre outros. Na busca por novos níveis de experiência para o usuário, ambos LTE e 3G estão evoluindo paralelamente,como ilustrado na figura 3. HSPA+ e EV-DO Rev. B/DO Advanced são a evolução natural para as redesHSPA e EV-DO. Eles melhoram o desempenho da rede através de simples atualizações incrementais eeconômicas que alavancam os ativos existentes. O HSPA+ Rel. 7, que já é comercial, dobra as taxas de pico e a capacidade de dados em comparação com oHSPA, e mais que duplica a capacidade de voz em comparação com o WCDMA. O HSPA+ Rel. 8 expandeo HSPA+ para 10 MHz de espectro através de multiportadoras, aprimorando a experiência de banda larga.Multiportadora dobra a taxa de dados para todos os usuários na célula e dobra a capacidade para aplicaçõesbursty como navegação na web. Da mesma forma, o upgrade do software para o EV-DO Rev. B Phase I, prevista para ser comercializado nosegundo semestre de 2009, triplica as taxas de dados para todos os usuários e mais que duplica a capacidadepara aplicações bursty através de multiportadora. O upgrade com a utilização do cartão de canal CSM6850, Rev. B Phase II, oferece taxas e capacidade dedados ainda maiores. Além disso, a tecnologia DO Advanced melhora a capacidade da rede e a experiênciado usuário ao explorar a carga irregular inerente às redes. O LTE, por outro lado, será primariamente impulsionado pela disponibilidade de um novo espectro e maislargo ou um espectro TDD. Ele será implantado como uma sobreposição para aumentar a capacidade dedados das redes 3G e suas evoluções.

Figura 3: LTE e 3G são caminhos paralelos de evolução. Ambas as evoluções LTE e 3G alavancam as mesmas melhorias para aprimorar o desempenho – canal dedados compartilhado com modulação e codificação adaptáveis, técnicas avançadas de antena, maior largura

6

de banda, modulação de ordem superior, receptores avançados, etc. Assim, elas podem oferecerdesempenhos muito parecidos. Conforme mostrado na figura 4, o LTE e o HSPA+ oferecem capacidade(eficiência espectral) e taxas de pico semelhantes utilizando a mesma quantidade de espectro e configuraçãoda antena.

Figura 4: Desempenho Similar entre LTE e HSPA+ Notas:

Fonte: Simulação Qualcomm, detalhes em 3GPP R1-070674. 500m ISD, HSPA+ R7, resultadosampliados a partir de 10 MHz, HSPA+. HSPA+: 16QAM não considerado para o UL e o UE.Cancelamento de Interferência não considerado para o DL. HSPA+ multicarrier e o DL. Ocancelamento de interferência diminuiria a diferença com o LTE.

1.

Versão futura do HSPA+ poderá suportar até 20 MHz.2.

A Qualcomm Fornece os Primeiros Chipsets Multimodo LTE/3G A Qualcomm é pioneira na comercialização do LTE com os seus primeiros chipsets multimodo LTE/HSPA+/EV-DO. A Qualcomm é uma das principais colaboradoras da tecnologia LTE e no desenvolvimento de padrões. Aempresa tem mais de oito anos de valiosa experiência em OFDM/A, obtida através da comercialização doMediaFLO™ (tecnologia de transmissão baseada em OFDM), o Flash-OFDM e o Platinum Multicasting(padronizado em EV-DO). A Qualcomm também é uma parceira ativa nas iniciativas da indústria como noLSTI (LTE/SAE Trial Initiative), que tem ajudado a acelerar a comercialização e a interoperabilidade doLTE. Os chipsets multimodo LTE/3G da Qualcomm suportam as duas principais tecnologias 3G – HSPA+ eEV-DO Rev. B – bem como as suas antecessoras. Amostras de chipsets da família MDM™, que são utilizados em cartões de dados e modems USB, foramapresentadas no 4º trimestre de 2009. Há uma expectativa de disponibilidade de amostras dos chipsetsMSM™ para smartphones e handsets para meados de 2010. Os chipsets LTE da Qualcomm suportam ambosos modos FDD e TDD, proporcionando flexibilidade para fornecedores de dispositivos e operadoras.

7

LTE: Topologias e Ganhos Com as melhorias do LTE e a evolução 3G, a interface aérea está se aproximando do seu limite teórico decapacidade. O próximo passo na melhoria do desempenho será provavelmente através das melhorias natopologia – tais como a introdução de femtocells – e não de tecnologia. Os tradicionais pontos deconvergência como femto, micro e picocells trazem o transmissor próximo do usuário, para aumentarsignificativamente as taxas e a capacidade de dados. Redes de topologia avançadas otimizam as implantações de pico, micro e femtocell para melhorar odesempenho. Por exemplo, redes de topologia avançadas fazem uma alocação mais otimizada dos usuários –direcionando os usuários para as melhores células e não necessariamente para as células com o melhor nívelde sinal – que podem dobrar as taxas de dados e melhorar a capacidade geral da rede, conforme a figura 5.Tais melhorias são uma das áreas que tecnologias como o LTE Advanced, DO Advanced e futuras versões doHSPA+ têm focado. A figura 5 apresenta um exemplo de redes com topologia avançada melhorando o desempenho da rede aodirecionar os usuários para melhores células, não necessariamente para a célula com o melhor sinal(gerenciamento avançado de interferência).

Figura 5: Exemplo de redes com topologia avançada Nota: Supondo 10 picos por macro aleatoriamente colocados dentro da cobertura macro. Resultadospreliminares com base no conjunto simplificado de simulações e algumas técnicas avançadas degerenciamento de interferência. Baseado na proposta LTE-A de metodologia de avaliação em R1-08402610MHz FDD, 2x2 MIMO.

8

LTE: Considerações finais O LTE é uma solução móvel OFDMA otimizada que dá continuidade à trajetória de mobilidade e altaeficiência espectral da tecnologia 3G. Ela alavanca um novo espectro com maior largura de banda paraaumentar a capacidade de dado em densos centros urbanos. A tecnologia 3G e suas evoluções continuarão a prover cobertura de banda larga ubíqua fora das áreas decobertura do LTE, bem como serviços de voz por toda a rede. As evoluções LTE e 3G proporcionam umdesempenho semelhante já que alavancam as mesmas melhorias. Concebido para uma perfeita interoperabilidade com as redes 3G e suas evoluções, o LTE permite que asoperadoras capitalizem sobre a tecnologia HSPA/EV-DO existente e os futuros investimentos noHSPA+/EV-DO Rev. B. Os dispositivos multimodo LTE/3G desempenham um papel crucial nas implantações do LTE. A Qualcommcom seu pioneirismo em soluções de chipset multimodo ocupa uma posição única para apoiar o mercado nasimplantações do LTE. Os primeiros testes para o LTE foram iniciados este ano e inclusive, recentemente, já foi anunciado olançamento do primeiro sistema comercial na Europa. As primeiras redes LTE oferecerão serviços de dadosatravés de dispositivos como modem USB, cartões de dados e módulos embarcados em laptops/netbooks. O próximo salto na melhoria do desempenho se dará provavelmente através das topologias avançadas aoinvés da tecnologia. Topologias avançadas que aprimoram ainda mais o desempenho das redes móveis é otema que muitas empresas do mercado têm se dedicado.

9

Tx Digital em Banda Base: Teste seu Entendimento 1. Qual das alternativas abaixo representa uma das técnicas avançadas de antenas incorporadas noLTE?

MIMO (Multiple Input Multiple Output).

SDMA (Spatial Diversity Multiple Access).

Beamforming.

Todas as anteriores.

2. Qual das alternativas abaixo não representa uma das características de concepção do LTE paraprover aplicações e serviços baseados em IP?

Baixa latência.

Uso preferencial de banda estreita.

Baixo overhead.

Suporte a QoS.

Rede plana EPC.

3. Qual será o próximo passo na melhoria do desempenho das redes LTE e 3G?

A introdução de melhorias de topologia, como por exemplo o uso de femtocell.

A introdução de novas tecnologias, evitando o uso de femtocells.

O uso de novos roteadores da rede IP.

A introdução de outras tecnologias wireless, tais como o Wimax.

10