Planeamento LTE em Ambientes Indoor e Outdoor

UNIVERSIDADE CATÓLICA DE ANGOLAFACULDADE DE ENGENHARIA

LICENCIATURA EM ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES

SISTEMA MOVEL 4G (LTE)

Relatório do Projecto Final do Curso

Planeamento de Sistema Movel Lte em Ambientes Outdoor e Indoor

Estevão José Zinga – Nº 5081

Orientador: Msc. Eng. Campos Calenga PatacaOrientador: Msc. Eng. Lundoloca Garcia

Luanda

Planeamento de Sistemas Móveis LTE Num Ambiente Outdoor e Indoor

2012

UNIVERSIDADE CATÓLICA DE ANGOLAFACULDADE DE ENGENHARIA

LICENCIATURA EM ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES

SISTEMA MOVEL 4G (LTE)

Relatório do Projecto Final do Curso

Planeamento Em Sistema Movel Lte

Ambiente Outdoor e Indoor

Estevão José Zinga – Nº 5081

Orientador: Msc. Eng. Campos Calenga PatacaOrientador: Msc. Eng. Lundoloca Garcia

Tese de Licenciatura Página 2


Luanda2012

DEDICATÓRIA

Dedico esta Tese de Licenciatura á minha família, pais, irmãos e a minha Namorada.

Dedico também a todos os professores que ao longo da minha caminhada estiveram

presente.



AGRADECIMENTO

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer o enorme apoio de Jeová Deus por tudo que

ele tem feito em minha vida, a minha Mãe Marta José Pedro pelo carinho apoio, paciência,

incentivo e motivação, porque sem a sua força eu nunca conseguiria chegar ao fim do curso,

aos meus irmãos e colegas.

Os professores orientadores Eng. Campos Pataca e Eng. Lundoloca Garcia, pelo

grande suporte que foi fundamental para a conclusão deste trabalho.



ÍNDICEÍndice Das Figuras...................................................................................................................................7

Índice Das Tabelas................................................................................................................................11

Listas de Abreviaturas .........................................................................................................................13

Resumo................................................................................................................................................18

Introdução............................................................................................................................................20

Capítulo I-Requisitos do LTE.................................................................................................................23

1 Motivações e Metas para o LTE....................................................................................................23

1.1 LTE............................................................................................................................................24

1.1.1 Arquitectura da Rede...............................................................................................................25

1.1.2. Interface Rádio.......................................................................................................................29

1.1.3. Capacidade e Cobertura..........................................................................................................35

1.2 IMT-Advanced e LTE-Advanced...............................................................................................38

Capítulo II-Planeamento Do Sistema Móvel LTE...................................................................................45

2. Planeamento de Sistemas LTE.....................................................................................................45

2.1 Links Budget..............................................................................................................................46

2.1.1 Links Budget de Downlink......................................................................................................47

2.2.2 Link Budget de Uplink............................................................................................................49

Cálculos do Raio Teórico.................................................................................................................49

2.4 Cálculos do Máximo Throughput Teórico..................................................................................53

2.5 Cálculos da Máxima Eficiência Espectral..................................................................................56

2.6 Cálculos da Capacidade do Canal e da Relação Sinal Ruído (SNR)...........................................57

2.7 Cálculos da Interferência Co-Canal............................................................................................61

2.8 Cálculos da Interferência Co-Canal com Setorização Tripla......................................................66

Cálculo da Interferência Co-Canal com Setorização Sêxtupla..........................................................67

Cálculo do Raio em Função da Modulação e SNR...........................................................................69

Cálculos do Débito Médio por Célula..............................................................................................74

2.5 Parametrização...........................................................................................................................74

Capítulo III-Dimensionamento Do Sistema Móvel LTE.........................................................................76

3. Dimensionamentos da Rede de Acesso........................................................................................76

3.0.1 Dimensionamento para Qualidade...........................................................................................76

3.0.2 Dimensionamento para Cobertura...........................................................................................76

3.0.3 Dimensionamento para Capacidade.........................................................................................78

3.1 Processos de Dimensionamento da Rede LTE............................................................................78



3.1.1 Estudo do Link Budget em UL para Planeamento Outdoor Macro-Celular.............................79

3.3.1.1. Características do Terminal.................................................................................................82

3.3.1.2. Sensibilidade de Recepção no eNode-B..............................................................................82

3.3.1.3. Definição de HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request)...................................................83

3.3.1.4. Canal Multipercurso............................................................................................................83

3.3.1.5. Exemplo de Link Budget UL................................................................................................83

3.3.2. Estudo do Link Budget em DL para Planeamento Outdoor Macro Celular.............................85

3.3.3. Geometria...............................................................................................................................85

3.3.4. Modelos de Propagação..........................................................................................................86

3.3.5. Área da Estação......................................................................................................................88

3.3.6. Capacidade da Interface Ar....................................................................................................88

3.3.6.1. Capacidade da Interface Ar no Uplink.................................................................................89

3.3.6.2. Capacidade da Interface Ar no Downlink............................................................................89

3.3.7. Modelos de Agregação de Tráfego.........................................................................................91

3.3.7.1. Método Médio do Rácio dos Picos de Tráfego....................................................................91

3.3.7.2. Aproximação Guassiana Assimétrica Para Agregação do Tráfego......................................92

3.3.7.3. Extensão da Lei Erlang B de Mono-Serviços para Multi-Serviços.........................................93

3.3.7.4. Algoritmo Knapsack............................................................................................................93

3.3.7.4.1. Algoritmo Kaufman-Roberts............................................................................................94

3.4. Planeamento Rádio Frequência (RF) INDOOR.........................................................................94

3.4.1. Desenho da Rede....................................................................................................................95

3.4.1.1. Objectivo de Cobertura........................................................................................................95

3.4.1.2. Equipamentos......................................................................................................................96

Capítulo IV-Estudo de Caso..................................................................................................................98

4. Estudo de Caso.............................................................................................................................98

4.1 Planeamento Outdoor.................................................................................................................99

4.2 Cálculo da Quantidade de Estações Necessárias para Cobertura..............................................101

4.3 Cálculo da Quantidade de Estações Necessárias para Capacidade............................................102

4.4 Projeto de Rede........................................................................................................................103

4.5 PLANEAMENTO INDOOR....................................................................................................112

4.6 Calibração do Modelo Propagação...........................................................................................113

4.7 Link Budget Indoor..................................................................................................................113

4.8 Planeamento de Cobertura........................................................................................................117



4.9 Medidas Colectadas..................................................................................................................119

Conclusão.......................................................................................................................................122

Recomendações..............................................................................................................................125

Anexos................................................................................................................................................126

Biografia.............................................................................................................................................159



Índice Das Figuras Figura 1 – Evolução das redes móveis e perspectivas futuras. [5]........................................................21

Figura 1.1 – Principais factores para a implementação do LTE. [1].....................................................20

Figura 1.2 – Arquitectura do sistema para uma rede LTE. [1]..............................................................21

Figura 1.3 – Arquitectura E-UTRAN [16]............................................................................................22

Figura 1.4 – Funcionalidades do E-UTRAN e do EPC. [18].....................................................................23

Figura 1.5 – Arquitectura do sistema para redes móveis 3GPP e não 3GPP. [1]..................................24

Figura 1.6 – Arquitectura do sistema para redes móveis 3GPP. [1]......................................................26

Figura 1.7 – Tipo de Estrutura de Trama 1 para o DL. [23]...................................................................27

Figura 1.8 – Eficiência espectral do LTE em função do tamanho do canal rádio. [5]............................29

Figura 1.9 – Grelhas de recursos para DL. [23]....................................................................................31

Figura 1.10 – Evolução do débito binário e da mobilidade até ao IMT-Advanced. [1].........................35

Figura 1.12 – Calendário do LTE-Advanced do 3GPP e do IMT-Advanced da ITU-R. [1].......................36

Figura 1.13 – Exemplo de CoMP numa arquitectura de rede distribuída. [35].....................................37

Figura 1.14 – Operação H eNodeB / Closed Subscriber Group (CSG). [36]...........................................38

Figura 2.1 - Throughput na camada física do LTE[63]...........................................................................51

Figura 2.2 – Eficiência Espectral do LTE[63]..........................................................................................53

Figura 2.3 – Cluster[66]........................................................................................................................58

Figura 2.4 Celula de interferencia[66]..................................................................................................60

Figura 2.5 – Interferência com setorização tripla[66]...........................................................................62

Figura 2.6 – Interferência com setorização sêxtupla[66]......................................................................64

Figura 2.7 – Variação do Throughput (Mbps) conforme a distância (m) para largura de banda de 5 MHz.[64]...............................................................................................................................................68

Figura 2.8 – Variação do Throughput (Mbps) conforme a distância (m) para largura de banda de 10 MHz[64]................................................................................................................................................68



Figura 3.1-Processo de Dimensionamento ALU[58].............................................................................75

Figura 3.2-conceito do link Budget no Uplink[63]................................................................................76

Figura 3.4-Elementos do Link Budget[63].............................................................................................78

Figura 3.5 – Valores de Thoughput em DL[63].....................................................................................81

Figura 3.6 – Exemplo de Sinais de Transmissão que Contribuem para a Geometria em DL (Estação base Servidora a Verde e a Vermelho as Estações Adjacentes)[63].....................................................82



Figura 3.7 – Distância inter-estação e área da estação (Fonte: [7])......................................................84

Figura 3.8 – Exemplo de Capacidade LTE (Fonte: [17]).........................................................................87

Figura 3.9 – Inputs e Outputs do Modelo de Agregação de Tráfego (Fonte: [19])...............................87

Figura 3.9 – Esquema de Fluxo de Tráfego (Fonte: [19])......................................................................88

Figura 3.10 – Algoritmo Knapsack Inputs e Outputs (Fonte: [19])........................................................89

Figura 3.11 – Exemplo do Comportamento Knapsack (Fonte: [19]).....................................................90

Figura 4.1 - Fases de Processamento no Planeamento de uma Rede Móvel........................................96

Figura 4.2 – Esquema da rede..............................................................................................................97

Figura 4.3 – Relevo da região a ser atendida pelo serviço de banda larga móvel[67]........................101

Figura 4.4 – Área ser atendida pelo serviço de banda larga móvel....................................................102

Figura 4.5 – Intensidade do Sinal na área de cobertura (RSCP)[67]....................................................105

Figura 4.6 – Ilustração da distribuição das eNodeBs na área a ser atendida[67]...............................106

Figura 4.7 – Área de atuação das modulações 64 QAM, 16 QAM e QPSK[67]....................................107

Figura 4.8 – Relação Ec/Io..................................................................................................................108

Figura 4.9 - Localização do Edifício da ETELECOM S.A........................................................................110

Figura 4.10 - Localização das antenas[67]..........................................................................................115

Figura 4.11 - Solução Técnica[68].......................................................................................................116

Figura 4.12 – Diagrama de Blocos[68]................................................................................................116

Figura 4.14 – Mapa de Cobertura SINR[67]........................................................................................117

Figura A.1 – Princípio MIMO para uma configuração de duas antenas de emissão e de recepção. [1]...........................................................................................................................................................125

Figura A.2 – Símbolos de Referência OFDMA para suportar duas antenas de transmissão do eNodeB. [1].......................................................................................................................................................126

Figura A.3 – Princípio MIMO para múltiplos utilizadores, com UE's de apenas uma antena de transmissão. [1]..................................................................................................................................126

Figura A.4 – Sistemas de Acesso de Múltiplas Antenas. [45]..............................................................127

Figura B.1 – BLER em função do SNR para diferentes esquemas de modulações e codificação. Da esquerda para a direita, as curvar de exemplo corresponde a modulações QPSK, 16QAM e 64QAM, e rácios de código de 1/3, 1/2, 2/3 e 4/5. [18]......................................................................................133

Figura C.1 – Transmissor de Single Carrier. [1]...................................................................................138

Figura C.2 – Princípio FDMA. [1].........................................................................................................139

Figura C.3 – Princípio de Multi-portadora. [1]....................................................................................139

Figura C.4 – Princípio OFDMA. [1]......................................................................................................140

Figura C.5 – Sinal OFDM representado no tempo e na frequência. [51.............................................142

Figura C.6 – Transmissão e recepção de um sinal OFDMA. [1]...........................................................144



Figura C.7 – Criação do intervalo de guarda para um símbolo OFDM. [1]..........................................144

Figura C.8 – Exemplo do planeamento de frequências de forma a evitar a interferência inter-simbólica no limite da célula. [50]......................................................................................................145

Figura C.9 – Atribuição de sub-portadoras em OFDM e OFDMA. [50]...............................................146

Figura C.10 – Transmissor e receptor de SC-FDMA com geração do sinal no domínio da frequência. [1]...........................................................................................................................................................148

Figura C.11 – Ajustamento do débito binário num sistema SC-FDMA. [1].........................................149

Figura C.12 – Comparação entre as tecnologias OFDMA e SC-FDMA quando transmitem uma série de símbolos com modulação QPSK. [50].................................................................................................149

Figura D.1 – Agregação de Portadoras Contíguas. [32]......................................................................151

Figura D.2 – Agregação de Portadoras Não-Contíguas. [32]...............................................................152

Índice Das Tabela



sTabela 1.1 – Parâmetros chave para cada Largura de Banda. [25]……………………………………………… .31

Tabela 1.2 – Parâmetros físicos dos Blocos de Recursos. [24]..............................................................33

Tabela 1.3-Numero de RB’s por Largura de Banda...............................................................................35

Tabela 1.4 – Débito binário de pico para DL e número de sub-portadoras por largura de banda - [Mbps] [1].............................................................................................................................................35

Tabela 1.5 – Débito binário de pico para UL e número de sub-portadoras por largura de banda - [Mbps] [1].............................................................................................................................................36

Tabela 1.6 – Categorias de UE's no LTE. [1], [18]..................................................................................37

Tabela 1.7 – Metas de desempenho do LTE, IMT-Advanced e LTE-Advanced. [32]..............................44

Tabela 2.1 – Valores dos Parâmetros para o Link Budget de Downlink................................................50

Tabela 2.2 – Sensibilidade Requerida na Recepção para a modulação QPSK [13]................................50

Tabela 2.3 – Valores dos Parâmetros para o Link Budget de Uplink.....................................................51

Tabela 2.4 – Valores dos Parâmetros do Modelo SUI...........................................................................54

Tabela 2.5 – Valores calculados no Link Budget...................................................................................56

Tabela 2.6 – Largura de Banda e Subportadoras LTE............................................................................57

Tabela 2.7 – Capacidade de bits por símbolo das modulações utilizadas no downlink........................57

Tabela 2.8 – Throughput para largura de banda de 5 MHz..................................................................59

Tabela 2.9 – Throughput para largura de banda de 10 MHz................................................................59

Tabela 2.10 – Throughput para largura de banda de 15 MHz..............................................................59

Tabela 2.11 – Throughput para largura de banda de 20 MHz..............................................................59

Tabela 2.12 – Taxa de Código de Modulação.......................................................................................63

Tabela 2.13 – Throughput para largura de banda de 5 MHz, adotando taxa de código.......................64

Tabela 2.14 – Throughput para largura de banda de 10 MHz, adotando taxa de código.....................65



Tabela 2.17 – SNR requerido para respectivas modulações e taxas de códigos...................................67

Tabela 2.18 – Fator de Reuso e Razão de Reuso Celular......................................................................69

Tabela 2.19 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente.................................................72

Tabela 2.20 – Relação SIR considerando o primeiro e o segundo anel interferente............................73

Tabela 2.21 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente com setorização tripla............75

Tabela 2.22 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente com setorização sêxtupla.......77



Tabela 2.23 – SNR requerido para respectivas modulações e taxas de códigos...................................78

Tabela 2.25 – Raio de atuação das Modulações e respectivas taxas de códigos (MCS).......................80

Tabela 3.0 – Exemplo de Cálculos para Múltiplos Serviços (Fonte: [7])................................................95

Tabela 3.1– Inputs e Outputs para o Dimensionamento da Capacidade do Interface Ar...................101

Tabela 3.2-Capacidade do Interface Air.............................................................................................102

Tabela 3.3 - Tabela do Interface Ar em LTE no Downlink...................................................................102

Tabela 3.4- Distância mínima para a posição da Antena....................................................................111

Tabela 4.1 – Caracteristica da rede....................................................................................................116

Tabela 4.2 – Throughput dimensionado para o limite celular com SNR de 1,45 dB...........................120

Tabela 4.3 – Alturas adotadas para as eNodeBs utilizadas no estudo de caso...................................122

Tabela 4.4 – Configurações dos equipamentos utilizados..................................................................123

Tabela 4.5 – Sensibilidade Requerida na Recepção pela estação móvel............................................125

Tabela 4.6 – Raio de atuação das Modulações e respectivas taxas de códigos e throughput celular para largura de banda de 20 MHz......................................................................................................127

Tabela 4.7 – Equipamento, materiais, ganhos e perdas.....................................................................133

Tabela 4.8 –Resumo de Parametros DAS...........................................................................................134

Tabela 4.9 – Banda de frequências e parâmetros..............................................................................134

Tabela 4.10 - Caracteristicas chave do LTE.........................................................................................135

Tabela 4.11 - Sumário do link budget.................................................................................................135

Tabela 4.12 - Valores de UL Cell Range, UL MAPL, DL Throughput e DL SINR no Indoor....................136

Tabela 4.13 – Sumária dos Parâmetros de DL e UL............................................................................137

Tabela A.1 – Matriz de Decisão para os Principais Modos MIMO no LTE. [45]...................................154

Tabela B.1 – Tabela de CQI's. [18]......................................................................................................157

Tabela B.2 – Tipos de envio aperiódico de informação do valor do CQI no PUSCH para cada modo de transmissão PDSCH. [18]....................................................................................................................160

Tabela B.3 – Tamanho da Sub-banda (k) vs. Largura de banda do sistema eNodeB-configured sub-band feedback. [18]............................................................................................................................161

Tabela B.4 – Tamanho da Sub-banda (k) e número de Sub-bandas preferenciais (M) vs. Largura de Banda do Sistema para o DL para UE-selected sub-band feddback. [18]............................................162

Tabela B.5 – Envio Periódico de Informação do Valor do CQI com UE-selected sub-bands: tamanho da sub-banda (k) e partes da largura de banda (J) vs. Largura de Banda do Sistema na Ligação Descendente. [18]..............................................................................................................................163

Tabela C.1 – Comparação entre CDMA e OFDM. [50]........................................................................172

Tabela D.1 – Cenário de Agregação de Portadoras de acordo com o 3GPP. [35]...............................180



Tabela E.1 – Bandas de Frequência do LTE e Larguras de Banda suportadas por cada Banda (TDD). [20].....................................................................................................................................................182

Listas de Abreviaturas 2G – 2nd Generation of Mobile Network

3G – 3rd Generation of Mobile Network

3GPP – 3rd Generation Partnership Project

4G – 4th Generation of Mobile Network

ACK – ACKnowledgement

ADSL – Asymmetric Digital Subscriber Line

AMC – Adaptive Modulation and Coding

AWGN – Additive White Gaussian Noise

AWS – Advanced Wireless Services

BLER – Block Error Rate

BTS- Base Transceiver Station

BS – Base Station

CA – Carrier Aggregation

CAPEX- Capiital Expenditure

CAZAC-Constant Amplitude Zero Auto-Correlation

CDMA – Code Division Multiple Access

CL-SM – Closed Loop Spatial Multiplexing

CP – Cyclic Prefix

CPE – Customer Premises Equipment

CQI – Channel Quality Indicator

CSQ – Closed Subscriber Group

DCS – Digital Cellular System

DFT – Discrete Fast Fourier

DL – Downlink

DVB – Digital Video Broadcasting

DVB-T – Digital Video Broadcasting - Terrestrial

DVB-H – Digital Video Broadcasting - Handheld

E-UTRAN – Evolved Terrestrial Radio Access Network

EDGE – Enhanced Data rates for Global Evolution



eNodeB – Evolved Node B

EPC – Evolved Packet Core

ETSI – European Telecommunications Standarts Institute

EUA – Estados Unidos da América

FDD – Frequency Division Duplex

FDMA – Frequency Division Multiple Access

FFT – Fast Fourier Transform

FST – Frame Structure Type

GPON – Gigabit Passive Optical Network

GPRS – General Packet Radio Service

GSM – Global System for Mobile Communications

HARQ – Hybrid automatic repeat request

HeNodeB – Home Evolved Node B

HLR – Home Location Register

HNodeB – Home Node B

HSDPA – High-Speed Downlink Packet Access

HSPA – High-Speed Packet Access

HSS – Home Subscriber Server

HT – Hilly Terrain

ICI – Inter-Chips Interference

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFFT – Inverse Fast Fourier Transform

IMS – Internet Protocol Multimedia Subsystem



IMT – International Mobile Telecommunications

ISI – Inter-Symbol Interference

PRB – Physical Resource Blocks

PSK – Phase Shift Keying

PUCCH – Physical Uplink Control CHannel

PUSCH – Physical Uplink Shared CHannel

QAM – Quadrature Amplitude Modulation

QoS – Quality of Service

RA – Rural Area

RAN – Radio Access Network

RAT – Radio Access Technology

RB – Resource Block

RF – Rádio Frequência

RI – Rank Indications

RLC – Radio Link Control

RNC – Radio Network Controller

RRC – Radio Resource Control

RRM – Radio Resource Managment

RS – Reference Signal

Rx – Antenas de Recepção

S-GW – Serving Gateway

S-SCH – Secondary-Synchronisation CHannel



SAE-GW – System Architecture Evolution Gateway

SC – Single Carrier

SC-FDMA – Single Carrier - Frequency Division Multiple Access

SFBC – Spatial-Frequency Block Codes

SGSN – Serving GPRS Support Node

SIMO – Single Input Multiple Output

SINR – Signal to Interference and Noise Ratio

SIP – Session Initiation Protocol

SISO – Single Input Single Output

SNR – Signal to Noise Ratio

SON – Self-Organizing Networks

SP – Service Pack

SU – Single User

TD-SCDMA – Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access

TDD – Time Division Duplex

TDMA – Time Division Multiple Access

TRI – Transmit Rank Indication

TTI – Time Transmission Interval

TU – Typical Urban

Tx – Antenas de Transmissão

UE – User Equipment

UL – Uplink



UMTS – Universal Mobile Telecommunication System

VDSL – Very High Data Rate Subscriber Line

VDSL2 – Very High Data Rate Digital Subscriber Line

VLR – Visitor Location Register

WCDMA – Wide-Band Code-Division Multiple Access

Wimax – Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN – Wireless Local Area Network



Resumo

Actualmente, as redes celulares estão sendo utilizadas como uma saída para prover

serviços de banda larga em locais que ainda não são atendidos pelas redes fixas,

principalmente em países sub-desenvolvidos como Angola. As tecnologias empregadas

actualmente em Angola, o GSM (Global System for Mobile) e o UMTS (Universal Mobile

Telecommunications System), não são tecnologias desenvolvidas para absorver a grande

demanda que vem sendo observada no mercado de banda larga móvel. Devido a essa

demanda inesperada, acredita-se que o LTE (Long Term Evolution), a primeira tecnologia

desenvolvida com o objetivo de atender não somente as chamadas de voz, mas principalmente

as conexões banda larga, apresente condições de suportar com maior eficiência esta crescente

necessidade. Para que todas as expectativas relacionadas à capacidade das redes LTE sejam

atendidas, é extremamente necessário que um correto dimensionamento, tanto em ambiente

outdoor como em ambiente indoor dessas redes seja realizado, pois somente desta forma será

possível estabelecer o compromisso de se atender os usuários com maior qualidade.

O objetivo desta Tese é efectuar um planeamento, dimensionamento de cobertura e

capacidade de uma rede de acesso sem fio para prover serviços de banda larga móvel de um

sistema movel LTE em ambientes outdoor e indoor.

No capítulo I – Estado da Arte começa-se por apresentar as motivações e as metas

para o LTE.

No capítulo II – Neste capítulo analisam-se cálculos do link budget, raio teórico de cobertura

do serviço, throughput máximo teórico, máxima eficiência espectral, capacidade do canal,

relação sinal ruído e interferência co-canal.

No capítulo III é dedicado ao processo de dimensionamento da rede Lte que é

realizado com o objetivo de se obter a maior cobertura de atuação com a menor quantidade de

equipamento possível, e ao mesmo tempo prover a capacidade de rede necessária para se

atender a demanda de tráfego dos usuários atendidos.



O capítulo IV apresenta o estudo de caso realizado, abordando o projeto que consiste

no dimensionamento de cobertura e capacidade de uma rede de acesso sem fio para prover

serviços de banda larga móvel em uma região da cidade de Luanda Outdoor e Indoor.

Palavras-chave: Sistemas LTE; Planeamento, outdoor e Indoor.

INTRODUÇÃO



Introdução

As tecnologias das redes móveis, por outro lado, têm o enorme benefício de

permitirem acesso pessoal de banda larga independentemente da localização do utilizador –

por outras palavras, oferecem mobilidade. As soluções móveis também podem oferecer

cobertura de banda larga de baixo custo, em relação às soluções de redes fixa, caso não exista

nenhuma infra-estrutura de cabo no local. Portanto, o acesso à banda larga móvel é uma opção

atractiva, especialmente no crescimento de novos mercados nas áreas urbanas, bem como nas

áreas rurais.

Torna-se, portanto necessário estudar os benefícios das novas redes móveis, em

especial das redes desenvolvidas pelo 3GPP (LTE e LTE-Advanced) uma vez que se julga

que serão estas que irão ser utilizadas em maior parte do globo. Nestas novas redes móveis,

irão ser utilizadas em conjunto diversas tecnologias de forma a aumentar o Throughput

gerado.

Justificativa

Um dos factores que motivou este projecto são os desafios do Executivo do nosso país

em oferecer melhores condições e qualidade no ambito das telecocomunições no nosso país

rapida e com custos baixos.

Objetivo

O objetivo desta Tese é efectuar um planeamento, dimensionamento de cobertura e

capacidade de uma rede de acesso sem fio para prover serviços de banda larga móvel de um

sistema movel LTE em ambientes outdoor e indoor.

Estudo de cobertura Outdoor LTE: será constituído pelo planeamento teórico da

cobertura e análise dos resultados obtidos na prática;

Planeamento de um projecto puramente Indoor E2E para um edificio: o projecto

contemplará o planeamento da rede, a recolha de dados no campo, o estudo dos

equipamentos a instalar, os aspectos práticos de implementação, a integração e testes

da validação da solução;



Análise do sistema LTE: terá em conta a tendência e necessidade crescente de

utilização de células de dimensão reduzida (pico e femto-células), assim como de

técnicas de continuidade para a cobertura macro celular.

As redes móveis devem oferecer débitos binários superiores de forma a

corresponderem às expectativas de desempenho que o utilizador tem nas redes fixas. Quando

os utilizadores estão habituados ao desempenho das redes fixas, esperam que a rede móvel

lhes ofereça um desempenho semelhante. As aplicações projectadas para as redes fixas

antecipam a evolução das redes móveis. Na Figura 1 é também possível ver a evolução das

redes móveis ao longo dos últimos anos e perspectivas futuras.

Figura 1 – Evolução das redes móveis e perspectivas futuras. [5]



Capítulo I

Requisitos do LTE



Capítulo I-Requisitos do LTE

1 Motivações e Metas para o LTEO LTE é a evolução correcta para as redes dos operadores móveis, quer sejam redes

2G, 3G, 3.5G (HSPA - High Speed Packet Access). A instalação de uma rede LTE permitirá

fornecer uma maior largura de banda e menor latência aos utilizadores, e com isso abrir a

possibilidade para oferecer novos e avançados serviços móveis de banda larga, para além da

capacidade de tratar e solucionar questões levantadas pelo elevado volume de tráfego de

dados nas redes móveis existentes. Assim, o principal objectivo é prestar serviços de banda

larga com uma qualidade de utilização pelo menos equivalente à experiência de utilização de

um acesso de banda larga fixa ADSL (Asymmetric Digital Subscriber line) ou GPON

(Gigabit-Capable Passive Optical Network) em casa. Em termos financeiros, pretende-se

reduzir despesas operacionais com uma arquitectura plana IP. O LTE tem potencial para

oferecer uma maior largura de banda e menor latência a uma ampla gama de utilizadores,

mesmo àqueles que estão localizados nos limites de cobertura. As tecnologias 3G, e 3.5G

(HSPA - High Speed Packet Access) e o EV-DO (Evolution-Data Optimized) oferecem um

débito muito superior às tecnologias 2G, no entanto, as mesmas não satisfazem

completamente o que se pretende da banda larga sem fios, que é responder aos requisitos de

always on ou instant-on, ou seja, a capacidade de arranque de um sistema instantaneamente

com um processamento de dados de alto débito. A verdade é que, quer hoje, quer no futuro, os

consumidores, tanto residenciais como empresariais, o que pretendem é usufruir de uma

qualidade de experiência (QoE – Quality of Experience) de serviços diversificados de

excelência. O LTE irá potenciar toda esta qualidade de experiência devido ao seu débito

elevado e à sua latência muito baixa. Em consequência, os operadores móveis, seja qual for a

tecnologia que possuam, têm aqui uma oportunidade única para desenvolver a sua infra-

estrutura para os estilos de vida das próximas gerações, conforme pode ser verificado, na

Figura 1.1. Agora, o importante, neste momento, é gerir bem as expectativas do consumidor

no que respeita aos serviços disponibilizados em tempo real, salientando os seguintes: VOIP,

Multi-User Gaming Over IP, High Definition Video On Demand e Live TV, assim como, um



maior débito e menor latência para efectuar vídeo-conferência, transferência de dados e outras

necessidades do consumidor.

Figura 1.1 – Principais factores para a implementação do LTE. [1]

A tecnologia LTE deve ser capaz de proporcionar um desempenho superior em

comparação com as redes 3GPP existentes baseadas na tecnologia HSPA. As metas de

desempenho do LTE foram definidas pelo 3GPP em relação à tecnologia HSPA (Release 6

[14]). O débito binário de pico do utilizador deve ser no mínimo 100 Mbps na ligação

descendente (DL) e 50 Mbps na ligação ascendente (UL), o que representa 10 vezes mais do

que o HSPA Release 6. A latência também deve ser reduzida de forma a melhorar o

desempenho do utilizador. O consumo de energia do terminal também deve ser minimizado

de forma a permitir maior utilização das aplicações multimédia sem a necessidade de

recarregar a bateria. As principais metas de desempenho são listadas de seguida, [1]:

Eficiência espectral 2 ou 4 vezes superior à do HSPA Release 6;

Débito binário de pico superior a 100 Mbps no DL e 50 Mbps no UL;

Permite tempo de resposta inferior a 10 ms;

Comutação de pacotes optimizada;

Alto nível de mobilidade e segurança;

Optimização da eficiência energética do terminal;

Flexibilidade de larguras de banda desde os 1,4 MHz até aos 20 MHz

1.1 LTE

O LTE foi proposto pelo 3GPP e apresentado nas Releases 8 [14] e 9 [15], tratando-se

de um sistema totalmente novo de comunicações móveis. Neste subcapítulo começa-se por

apresentar a arquitectura da rede, falando sucintamente de alguns dos principais componentes



e fazendo algumas comparações com a rede UMTS. De seguida fala-se da interface rádio do

LTE e, por fim, da capacidade e da cobertura da rede, referindo alguns valores teóricos de

débitos binários de pico atingidos nesta rede.

1.1.1 Arquitectura da Rede

A nova arquitectura reflecte a implementação de serviços baseados em IP nas

comunicações móveis, tal como a completa optimização do desempenho da rede e a melhoria

da relação custo-eficiência. A arquitectura da rede LTE tem várias diferenças face à

arquitectura da rede UMTS, pois se trata de uma arquitectura plana que reduz os nós

envolvidos nas ligações e também apresenta uma nova hierarquia. Através da Figura 1.2 é

possível ver a arquitectura de uma rede LTE.

Figura 1.2 – Arquitectura do sistema para uma rede LTE. [1]

Uma das características mais importantes que foi alterada foi a “inteligência” que

passou a ser dada à BS, tendo agora a denominação de evolved Node B (eNodeB). Todas as

tarefas e funcionalidades de rádio são agora feitas no eNodeB, tais como: Gestão de Recursos

de Rádio (RRM), Controlo da Ligação de Rádio (RLC), Controlo de Recursos de Rádio

(RRC) e Protocolo de Convergência de Pacotes de Dados (PDCP). O controlo de portadora de



rádio, o controlo de admissão de rádio, o controlo de mobilidade da ligação, a atribuição

dinâmica de recursos e as configurações de medição/relatórios também são realizados ao nível

do eNodeB, [16].

Figura 1.3 – Arquitectura E-UTRAN [16]

O Evolved-UTRAN (E-UTRAN – Evolved-Terrestrial Radio Access Network)

consiste em apenas um elemento, o eNodeB. Os eNodeBs são interligados entre si através da

interface X2, Figura 1.3. Assume-se que existe sempre uma interface X2 entre os eNodeBs de

forma a estes poderem comunicar entre si (p.e. para fins de rádio ou handover), eliminando

desta forma uma grande quantidade de fluxo de dados nos RNC’s (mais à frente neste

subcapítulo serão apresentadas as novas interfaces no LTE). Interligado aos eNodeBs, através

de uma interface S1 ou de uma Rede de Acesso Rádio (RAN), está o Evolved Packet Core

(EPC). O EPC é composto pela Entidade de Gestão da Mobilidade (MME), o Serving

Gateway (S-GW) e o Packet Data Network Gateway (P-GW), sendo que estes dois últimos

compõem o System Architecture Evolution Gateway (SAE-GW). As funcionalidades

atribuídas ao E-UTRAN e ao EPC estão resumidas na Figura 1.4 e são apresentadas mais

pormenorizadamente de seguida, [17]. As funcionalidades do RNC na rede UMTS estão

agora divididas entre o eNodeB e o S-GW, que também tem as funcionalidades do SGSN

(Serving GPRS Support Node) da rede GSM.



Figura 1.4 – Funcionalidades do E-UTRAN e do EPC. [18]

Mobility Management Entity (MME): É equivalente ao Home Location Register

(HLR) e ao Visitor Location Register (VLR) na rede UMTS. O MME lida com a sinalização e

controlo, a gestão da mobilidade e o modo inactivo manipulando a distribuição da paginação

das mensagens para o eNodeB. Isto facilita a optimização das redes implementadas e permite

flexibilidade total na ampliação da capacidade. Ainda faz a gestão do acesso do UE à rede

através da interacção com o Home Subscriber Server (HSS) de forma a autenticar os

utilizadores. Fornece a função do plano de controlo para permitir a mobilidade contínua entre

o LTE e redes móveis 2G/3G e também suporta as intercepções legais de sinalização.

Home Subscriber Server (HSS): Abrange funcionalidades semelhantes às do HLR,

i.e., informação específica do utilizador.

Serving-Gateway (S-GW): Actua como o ponto de terminação entre a rede de acesso rádio

(E-UTRAN) e a rede Core. Encaminha os pacotes de dados de e para o eNodeB e o P-GW e

realiza a contabilização e o controlo dos dados do utilizador. Também serve de âncora de

mobilidade local para os handovers entre eNodeBs ou para a passagem entre redes 3GPP

(Figura 2.6) e informa o tráfego do utilizador no caso de intercepção legal.

Packet Data Network Gateway (P-GW): Serve como ponto de entrada e de saída do

tráfego de dados do UE e de interface entre as redes LTE e as redes de pacotes de dados tais

como a Internet ou redes fixas e móveis baseadas em protocolo de iniciação da sessão (SIP)



ou protocolo internet de subsistemas de multimédia (IMS). Realiza a execução de políticas

através da aplicação das regras definidas pelo operador para a atribuição e utilização de

recursos. Também faz a gestão da atribuição de endereços IP e suporta a filtragem de pacotes

para cada utilizador. Ainda oferece suporte à tarifação e serve de âncora para a mobilidade

entre redes 3GPP e redes não 3GPP (Figura 1.5).

Policy and Charging Rules Function (PCRF): Dá permissão ou rejeita pedidos de

multimédia. Cria e faz a actualização do contexto do protocolo de pacotes de dados (PDP) e

controla a atribuição de recursos. Também fornece as regras de tarifação com base no fluxo

de serviços de dados para o P-GW.

Figura 1.5 – Arquitectura do sistema para redes móveis 3GPP e não 3GPP. [1]

Em termos de novas interfaces, é possível separá-las em dois grupos, [17].

Plano de Controlo:

S1-MME – Ponto de referência para o protocolo do plano de controlo entre o E-

UTRAN e o MME;



S6a – Interface entre o MME e o HSS que permite a transferência de dados de

subscrição e de autenticação;

Gx – Interface entre o PCFR e o P-GW que permite a transferência das políticas de

Qualidade de Serviço (QoS) e das regras de tarifação;

Rx – Interface entre o PCFR e o IMS P-CSCF.

Plano de Utilizador/Dados:

X2 – Interligação entre eNodeBs (tal como referido anteriormente);

S1-U – Interface entre o eNodeB (E-UTRAN) e o S-GW;

S5 – Faz a ligação em termos do Plano de Utilizador e a gestão dessa ligação entre o

S-GW e o P-GW;

S11 – Interface entre o S-GW e o MME;

SGi – Interface entre o P-GW e as redes externas.

Na Figura 1.2 é possível ver todas estas interfaces bem como a localização de cada um dos

componentes referidos anteriormente.

1.1.2. Interface Rádio O 3GPP está a desenvolver a interface de rádio do LTE através da interoperabilidade

com as tecnologias dos sistemas de comunicações móveis anteriores. As produções de rádios

remotos multimodo tornam possível a interoperabilidade entre GSM, WCDMA [19] e LTE,

especialmente para fins de handover e ainda considera uma maior capacidade de mobilidade

(na Figura 1.6 é possível ver a arquitectura do sistema para redes móveis 3GPP).



Figura 1.6 – Arquitectura do sistema para redes móveis 3GPP. [1]

Portanto, considerando as especificações do 3GPP, o LTE pode ser implementado em

diferentes bandas de frequência em todo o mundo, altamente dependentes de variáveis locais.

De acordo com as especificações, [20], existem cerca de duas dezenas de bandas de

frequência para Frequency Division Duplex (FDD) e cerca de uma dezena de bandas para

Time Division Duplex (TDD) no espectro atribuído ao LTE (ver Anexo E para mais

informação acerca das bandas de frequência). Por exemplo, nos Estados Unidos da América,

os primeiros testes estão a apontar para a banda dos 700 MHz, em substituição do sinal

analógico de televisão; no entanto, na Europa, os operadores e os vendedores acordaram

utilizar a banda de frequências 2,5-2,6 GHz, devido ao problema de escassez do espectro, tal

como, também acordaram fazer uma política de reorganização do LTE nas bandas do GSM

900 (900 MHz) e 1800 (1800 MHz) [21], seguindo uma norma recentemente aprovada pela

Comissão Europeia com vista à utilização das bandas do GSM para outras tecnologias de

comunicações móveis. Recorde-se que a maior eficiência das bandas de frequência do GSM é

aprazível para todas as tecnologias de rádio móvel, [1]. A utilização de frequências mais altas

está a ser estudada, devido à disponibilidade de maiores bandas no espectro, mas os

problemas de propagação para as comunicações móveis são uma forte barreira para esses

avanços.



A interface aérea do LTE é semelhante à interface do WCDMA. É composta por

canais e protocolos distribuídos ao longo do modelo de referência de Interligações de

Sistemas Abertos (OSI). Os canais de transporte e os canais lógicos mantêm os fluxos de

dados entre as camadas e foram redefinidos a partir do HSPA+ [evolução do HSPA,

apresentado na Release 7 [22] do 3GPP] para a interface rádio do LTE. Note-se que não

existem canais dedicados no LTE, sendo essa uma das características de se utilizar apenas

sistemas de pacotes (packet switch).

Figura 1.7 – Tipo de Estrutura de Trama 1 para o DL. [23]

Existem dois tipos de estruturas de tramas de rádio em cada ligação (UL/DL) os quais

diferem no modo duplex. O Tipo de Estrutura de Trama 1 (FST1) utiliza FDD/TDD e o Tipo

de Estrutura de Trama 2 (FST2) utiliza apenas TDD; no entanto, o FST1 apresentado na

Figura 1.7 está optimizado para coexistir com os 3,84 Mcps dos sistemas WCDMA, [24].

Uma vez que a maioria das redes europeias são feitas segundo as especificações de FDD,

nesta Dissertação falar-se-á principalmente dessa especificação, mas o LTE também está

preparado para ter interoperabilidade com sistemas TDD de Time Division-Synchronous Code

Division Multiple Access (TD-SCDMA) [16].

O mapeamento do FST1 consiste em:

O sinal de referência (RS) é utilizado para a estimação do canal, estando presente em

toda a largura de banda no DL, mas no UL não excede a atribuição do UE;



O Canal de Sincronização Primário (P-SCH) e o Canal de Sincronização Secundário

(S-SCH) são utilizados pela célula para procura e sincronização do UE na rede;

O Canal Físico de Controlo da Ligação Descendente (PDCCH) com funções de

escalonamento, Acknowledgement/Negative Acknowledgement (ACK/NACK);

O Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) define o número de

símbolos OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) por sub-trama;

O Canal Físico de Transmissão (PBCH) e o Canal Físico Partilhado da Ligação

Descendente (PDSCH) têm funções semelhantes aos respectivos canais nos sistemas

WCDMA.

O FST1 para UL tem o mesmo tamanho de trama, sub-trama e slots que o FST1 para DL,

no entanto, a atribuição dos canais é bastante diferente. No UL, um novo Canal Físico de

Acesso Aleatório (PRACH) tem a função de configurar as chamadas em espera, enquanto o

Canal Físico de Controlo da Ligação Ascendente (PUCCH) e o Canal Físico Partilhado da

Ligação Ascendente (PUSCH) têm funções análogas às do DL, [16].

Os métodos de acesso múltiplo diferem do DL para o UL. Para o DL é utilizado o

OFDMA enquanto para o UL é utilizado o Single Carrier - Frequency Division Multiple

Access (SC-FDMA) com Prefixo Cíclico (CP) (ver Anexo C).

O CP cancela a interferência inter-simbólica (ISI) de uma forma bastante eficaz o que é

bom para receptores com igualadores de baixa complexidade. Do lado do receptor existe uma

necessidade de combater a interferência do multi-percurso por causa da curta duração do

símbolo com igualador. Ainda assim, as principais diferenças entre as duas técnicas de acesso

são: a melhor eficiência de potência da tecnologia de Single-Carrier (SC), um menor rácio

médio de pico (PAR) e a menor complexidade que a SC-FDMA dá ao UE. A transmissão SC

também é sólida para offsets de portadoras de frequências altamente afectadas pelo multi-

percurso do canal, causando ISI e não tem a mesma robustez que a sinalização de multi-

portadoras com a utilização da Fast Fourier Transform (FFT). Para informação detalhada

relativa às tecnologias de acesso múltiplo no LTE ver o Anexo C.

O LTE utiliza uma largura de banda variável desde 1,4 MHz até 20 MHz, definida de

acordo com o comprimento da FFT, taxas de amostragem e múltiplos de 180 MHz. Desta

forma, a largura de banda do sistema é escalável e pode ser seleccionada de acordo com o

volume da transmissão ou com um nível de QoS a cumprir. Na Tabela 1.1 apresentam-se as

larguras de banda atribuídas ao LTE e vários parâmetros associados. Note-se que o LTE foi



projectado para ter a eficiência de transmissão máxima para pacotes de dados. Através da

Figura 1.8 também é possível verificar que a eficiência espectral é máxima para um canal

rádio com 20 MHz de LB, sendo ligeiramente mais baixa para as restantes LB’s, [5]. Isto

deve-se ao facto de quanto maior for a LB, mais fácil se torna gerir e responder aos pedidos

dos UE’s.

Tabela 1.1 – Parâmetros chave para cada Largura de Banda. [25]

BandWindth FFT Size Sampling Frequency

Usable Subcarries OccupiedBW

1.4MHz 128 1.92MHz 72 1.08MHz3MHz 256 3.84MHz 180 2.MHz5MHz 512 7.68MHz 300 4.5MHz10MHz 1024 15.36MHz 600 9MHz15MHz 1536 23.04MHz 900 13.5MHz20MHz 2048 30.72MHz 1200 18MHz

Sabe-se que a trama de rádio do DL tem uma duração de 10 ms. Cada uma dessas

tramas é composta por 20 slots de 0,5 ms cada uma e, a um grupo de 2 slots chama-se sub-

trama ou TTI e tem a duração de 1 ms. O tamanho da sub-trama é reduzido em 1 ms face à

trama nos sistemas HSPA permitindo tempos de acesso inferiores, [16].

Figura 1.8 – Eficiência espectral do LTE em função do tamanho do canal rádio. [5]



O DL ainda contém informação dos recursos do UL a serem utilizados, de forma a

optimizar o escalonamento, [24]. A unidade de frequência mais pequena no UL é chamada de

elemento de recurso, definido por um símbolo numa sub-portadora. Um grupo contíguo na

frequência de 12 sub-portadoras e uma slot no tempo formam um bloco de recurso (RB), onde

os dados são atribuídos em unidades de RB em cada UE. Esta atribuição de recursos discreta,

de certa forma, limita a sobrecarga de sinalização. A variação no número de símbolos, Ns, em

função das configurações do CP estão resumidas na Tabela 1.2. O CP, curto ou longo, é

escolhido de forma a ser ligeiramente maior que o maior atraso de propagação no canal rádio,

de forma a mitigar a ISI e a Interferência Inter-Chips (ICI).

Tabela 1.2 – Parâmetros físicos dos Blocos de Recursos. [24]

Configuração NscRB NsDL/UL

CP Curto – Δf = 15 kHz 12 7CP Longo – Δf = 15 kHz 12 6

Para a FST1, utilizando o CP curto, um RB concentra numa slot 12 sub-portadoras

consecutivas e 7 símbolos OFDMA consecutivos. Para o CP longo, um RB tem o mesmo

número de sub-portadoras que a situação anterior mas apenas 6 símbolos OFDMA por slot. O

CP é anexado a cada símbolo como intervalo de guarda. Consequentemente, um RB tem (12

sub-portadoras x 7 símbolos = 84 elementos de recursos) 84 elementos de recursos,

correspondendo a 1 slot (0,5 ms) no domínio do tempo, e 180 kHz (12 sub-portadoras x 15 Hz

de espaçamento) no domínio da frequência [16].

O tamanho de um RB é independente da LB, mas o número de RB’s físicos

disponíveis depende da mesma. No domínio da frequência, o número de RB’s disponíveis

pode variar entre 6, quando a LB da transmissão é 1,4 MHz, e 100, quando a LB da

transmissão é 20 MHz (ver Tabela 1.3). Por outro lado, no UL o número de símbolos numa

slot depende do tipo de CP. No caso de ser um CP curto, são utilizados 7 símbolos SC-FDMA

numa slot; no caso do CP longo, apenas são utilizados 6 símbolos SC-FDMA por slot.

Estão especificadas 3 sub-portadoras OFDMA (data, pilot e null) para transmissão de dados,

estimação do canal e da sincronização e banda de guarda, sendo os primeiros dois tipos

agrupados em sub-canais. Os sub-canais formados pelas sub-portadoras podem ser

distribuídos ou adjacentes no domínio da frequência.

A Figura 1.9 representam as grelhas detalhadas de recursos com as componentes

fundamentais, para UL e DL, respectivamente, construídas sobre as diferentes técnicas de

acesso de rádio.



Figura 1.9 – Grelhas de recursos para DL. [23]

1.1.3. Capacidade e Cobertura

O pico do débito binário no DL pode ser obtido através da seguinte equação:

Rb[Mbps] =Nbs

HZ × NS ×

NSFTSF (1.1)

Onde:

Nbs é o número de bits por símbolo transportados dentro de um esquema de modul

ção;

N s é o número de sub-portadoras;

NSF é o número de símbolos por sub-trama (assumindo 13 símbolos);

TSF é o período da sub-trama, 1 ms.

O throughput do utilizador final depende de vários parâmetros, tais como, modulação,

rácio de código do canal, configuração das antenas, quantidade de sobrecarga, incluindo se é

utilizado CP curto ou longo e o número de RB’s atribuídos por LB. Sabendo que o tamanho



de um RB é igual para todas as LB’s, o número de RB’s por cada LB é apresentado na Tabela

1.3 e os débitos binário de pico atingidos para o DL são apresentados na Tabela 1.4. Note-se

que estes valores são apenas atingidos em condições ideais de rádio, [16].

Tabela 1.3-Numero de RB’s por Largura de Banda

Largura De Banda [MHZ] 1,4 3 5 10 15 20

Numero de RB’s 6 15 25 50 75 100

A modulação QPSK transporta 2 bits por símbolo, 16QAM transporta 4 bits por

símbolo e 64QAM 6 bits por símbolo. Ainda assim, uma configuração MIMO 2x2 (2 antenas

de transmissão e 2 antenas de recepção) duplica o débito binário de pico. Portanto, QPSK com

um rácio de código de ½ transporta 1 bps/Hz e 64QAM com rácio de código de 1 e

configuração MIMO 2x2 transporta 12 bps/Hz, enquanto cada largura de banda disponível

corresponde a um certo número de sub-portadoras. Na Tabela 1.5 é apresentado o débito

binário de pico atingível para o UL. O débito binário de pico é inferior no UL face ao DL

devido às limitações do UE. Na Release 8 do LTE o MIMO no DL pode chegar até 4x4 e no

UL o SIMO até 1x4. Note-se que o MIMO UL ainda não está especificado pelo 3GPP para o

LTE (Release 8), no entanto, alguma bibliografia já considera estas configurações de antenas.

As especificações ainda são cautelosas acerca do MIMO num UE ou em múltiplos

utilizadores, aproveitando a vantagem das diferentes antenas dos vários UE's. Para ler mais

detalhes sobre o MIMO, ver o Anexo A desta Tese.

Tabela 1.4 – Débito binário de pico para DL e número de sub-portadoras por largura de banda - [Mbps] [1]

Modulação/Racio de Codigo

Bits/Simbolo

ConfiguraçãoDas Antenas

Largura de Banda[MHz]/RB’s

1,4/6 3/15 5/25 10/50 15/75 20/100QPSK ½ 1,0 SISO 0,8 2,2 3,7 7,4 11,2 14,916QAM ½ 2,0 SISO 1,5 4,4 7,4 14,9 22,4 29,916QAM ¾ 3,0 SISO 2,3 6,6 11,1 22,3 33,6 44,864QAM ¾ 4,5 SISO 3,5 9,9 16,6 33,5 50,4 67,264QAM 1 6,0 SISO 4,6 13,2 22,2 44,7 67,2 89,764QAM ¾ 9,0 2x2 MIMO 6,6 18,9 31,9 64,3 96,7 129,164QAM 1 12,0 2x2 MIMO 8,8 25,3 42,5 85,7 128,9 172,164QAM 1 24,0 2x4 MIMO 16,6 47,7 80,3 161,9 243,5 325,1

Tabela 1.5 – Débito binário de pico para UL e número de sub-portadoras por largura de banda - [Mbps] [1]



Modulação/Racio de Codigo

Bits/Simbolo

ConfiguraçãoDas Antenas

Largura de Banda[MHz]/RB’s

1,4/6 3/15 5/25 10/50 15/75 20/100QPSK ½ 1,0 SISO 0,9 2,2 3,6 7,2 10,8 14,416QAM ½ 2,0 SISO 1,7 4,3 7,2 14,4 21,6 28,816QAM ¾ 3,0 SISO 2,6 6,5 10,8 21,6 32,4 43,216QAM 1 4,5 SISO 3,5 8,6 14,4 28,8 43,2 57,664QAM ¾ 4,5 SISO 3,9 9,0 16,2 32,4 48,6 64,864QAM 1 6,0 SISO 5,2 13,0 21,6 43,2 64,8 86,4

Analisando a Tabela 1.4 e a Tabela 1.5 é possível verificar que, com o aumento da LB

do canal, o desempenho do sistema também aumenta, principalmente por causa do aumento

do espectro e da eficiência de sobrecarga sempre que uma LB mais larga é utilizada.

No LTE também estão definidas 5 classes de UE’s com diferentes capacidades. Os

débitos binários suportados variam entre 5 e 75 Mbps no UL e entre 10 e 300 Mbps no DL.

Todos os UE’s suportam LB’s de 20 MHz tanto na transmissão como na recepção, assumindo

que para as bandas de frequência dadas esta LB foi especificada. Prevê-se que, para a maioria

dos casos com bandas de frequência abaixo dos 1 GHz, o interesse seja maior para LB’s mais

pequenas e, por essa razão, o suporte para LB’s até aos 20 MHz não será especificado. Para

bandas de frequência acima dos 1 GHz, as LB’s inferiores a 5 MHz normalmente não serão

necessárias. Apenas o UE de categoria 5 irá utilizar a modulação 64QAM no UL, os restantes

utilizarão apenas QPSK e 16QAM. A diversidade e a utilização de MIMO no receptor são

especificadas para todas as categorias, excepto para a categoria 1 que não suporta MIMO. Na

Tabela 1.6 são apresentadas as categorias de UE’s e as respectivas especificações. Os débitos

binários até 300 Mbps apenas são atingidos na categoria 5, recorrendo à utilização de 4

antenas de transmissão e 4 antenas de recepção (MIMO 4x4), o que não é suportado pelas

restantes categorias, [1].

Tabela 1.6 – Categorias de UE's no LTE. [1], [18]

Categoria do EU1 2 3 4 5

Débito Binário Máximo no DL [Mbps] 10 50 100 150 300

Débito Binário Máximo no UL [Mbps] 5 25 50 50 75

Número mínimo de antenas de recepção 2 2 2 2 4

Número de fluxos MIMO suportados no DL 1 2 2 2 4

QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK



Modulação no DL16QAM64QAM

16QAM64QAM

16QAM64QAM

16QAM64QAM

16QAM64QAM

Modulação no ULQPSK

64QAMQPSK

16QAMQPSK

16QAMQPSK

16QAM

QPSK16QAM64QAM

1.2 IMT-Advanced e LTE-Advanced

O International Mobile Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced) é um

conceito para os sistemas móveis com capacidades para além do IMT-2000 [26] e, por essa

razão, era anteriormente conhecido como Systems beyond IMT-2000. Ao longo do ano de

2009 houve um período para a apresentação de candidaturas ao IMT-Advanced, para serem

submetidas à ITU-R, bem como o início das actividades de avaliação dessas tecnologias e

desses sistemas. O prazo estipulado para o envio das submissões da interface rádio foi

Outubro de 2009 e o das especificações finais foi 2011, [1].

As novas capacidades destes sistemas do IMT-Advanced estão previstas lidarem com

uma vasta gama de débitos binários suportados de acordo com a procura de serviços e da

economia, em ambientes multi-utilizador, com metas de débitos binários de pico desde

aproximadamente 100 Mbps (elevada mobilidade) até 1 Gbps (mobilidade reduzida ou

estática).

O 3GPP também começou a trabalhar para as metas do IMT-Advanced para o rádio local sob

o nome de LTE-Advanced. O LTE-Advanced faz parte da Release 10 [27] do 3GPP e o

lançamento comercial do IMT-Advanced deverá ser em 2013 ou mais tarde. A grande

evolução das tecnologias do 3GPP de forma a cumprir as exigências do IMT é apresentada na

Figura 1.10



Figura 1.10 – Evolução do débito binário e da mobilidade até ao IMT-Advanced. [1]

Em paralelo com os trabalhos de correcção do LTE e uma maior optimização na Release

9, o 3GPP também se empenhou na criação de uma candidatura ao processo IMT-Advanced,

tal como indicado anteriormente. De seguida são apresentados os requisitos do lado da ITU-R

para as tecnologias candidatas ao IMT-Advanced, tal como é apresentado mais

detalhadamente pela ITU-R, acessível em [28]:

Suporte para débitos binários máximos de até 1 Gbps (mobilidade reduzida) e 100

Mbps (mobilidade elevada);

Suporte para maiores larguras de banda, sendo que o 3GPP está a considerar

especificar até 100 MHz de largura de banda para suportar o LTE-Advanced;

Requisitos para a eficiência espectral esperada para diferentes ambientes. Nos requitos

da ITU-R estes são definidos como requisitos mínimos, e por essa razão são diferentes

do tipo de meta dos valores de configuração do 3GPP.

Portanto, o 3GPP tem os seus próprios requisitos, com a primeira versão dos mesmos a ser

aprovada em Maio de 2008, [29]. Um dos requisitos específicos do 3GPP é a compatibilidade

com as versões anteriores do LTE Release 8 do 3GPP, [30]. Este requisito é definido para que

um equipamento de LTE Release 8 possa operar no sistema LTE-Advanced e,

respectivamente, um equipamento de LTE-Advanced possa aceder a redes de LTE Release 8.

É claro que os equipamentos da Release 9 também poderão acomodar-se da mesma forma.

Isto pode ser conseguido, por exemplo, com as alternativas de tipos multi-portadora, tal como

apresentado na Figura 1.12. É preciso que haja mobilidade entre o LTE-Advanced e o LTE,

mas também tem de haver para redes anteriores como GSM/EDGE, CDMA2000® [31] e

HSPA, [1].



Figura 1.11 - Partilha de recursos entre LTE e LTE-Advanced. [1]

O processo da ITU-R, tal como apresentado na Figura 1.12, tinha como objectivo para

o início de 2011 completar as especificações da ITU-R, o que exigiu que o 3GPP submetesse

o primeiro conjunto completo de especificações por volta do final de 2010. Este foi um dos factores

que determinou o calendário de conclusão da Release 10

Figura 1.12 – Calendário do LTE-Advanced do 3GPP e do IMT-Advanced da ITU-R. [1]

O 3GPP manteve uma série de discussões acerca do LTE-Advanced em 2008, e as tecnologias

que seriam investigadas incluíam, [1], [32], [33], [34]:

Nós repetidores. Estes são utilizados para aumentar a cobertura, permitindo ao UE

mais distante do eNodeB enviar os seus dados através de nós repetidores, que podem

ter mais cobertura do eNodeB. Por exemplo, um UE que se encontre no interior de um

edifício;

Soluções de duas antenas de transmissão no UE para UL Single User MIMO (SU-

MIMO) e diversidade de MIMO;

Escalabilidade de largura de banda superior a 20 MHz, potencialmente até 100 MHz

[também conhecida por Agregação de Portadoras (CA) – ver Anexo D]. Em relação a



este ponto investigaram-se aspectos relacionados com tecnologias de acesso múltiplo

em sistemas com LB até 100 MHz e, inicialmente, previu-se que se iria basear

fortemente sobre as soluções existentes no LTE, com extensões maiores de LB. A

forma de aumentar a LB (e como isso se iria reflectir no acesso múltiplo) foi o

primeiro tema onde se esperavam conclusões dos estudos do LTE-Advanced;

Rede de área local e nómada e soluções de mobilidade;

Utilização flexível do espectro;

Configuração e operação autónoma e automática da rede;

Organização Autónoma da Rede (SON);

Transmissão e recepção Coordinated Multiple Point (CoMP), que se refere à

transmissão MIMO coordenada entre diferentes transmissores (em sectores diferentes

ou até mesmo em eNodeBs diferentes, em casos extremos) (Figura 1.13);

Melhoramentos na mobilidade dos HNodeB e dos HeNodeB (Figura 1.14);

Requisitos de CPE em RF.

Figura 1.13 – Exemplo de CoMP numa arquitectura de rede distribuída. [35]

É interessante notar que, apesar de alguma tecnologia ter sido estudada, não significava

necessariamente que fosse incluída nas especificações da Release 10. Até era possível que

algumas das tecnologias fossem logo incluídas nas especificações da Release 9 (agendada

para o final do ano de 2009), enquanto outras poderiam nem vir a ser utilizadas por causa do

seu baixo ganho e/ou alta complexidade. Foi planeado que os estudos do 3GPP terminassem

no segundo semestre de 2009 e, em seguida, iriam começar a trabalhar nas especificações



reais da Release 10. Também era esperado que algumas das tecnologias em estudo fossem

adiadas para depois da Release 10, [1].

Em termos de melhoramentos face ao LTE Releases 8 e 9 destacam-se, [32], [33], [34]:

Agregação de portadoras (CA) (ver Anexo D):

Contígua e não-contígua;

Projecto do controlo de canal para DL e UL.

Melhoramento dos esquemas de acesso múltiplo no DL;

Melhoramento dos esquemas de acesso múltiplo no UL (Clustered SC-FDMA);

Melhoramentos na transmissão MIMO no DL (até 8x8);

Melhoramentos na transmissão MIMO no UL (até 4x4).

Figura 1.14 – Operação H eNodeB / Closed Subscriber Group (CSG). [36]

O processo da ITU-R também esteve aberto para outras Tecnologias de Acesso Rádio (RAT).

Da mesma forma, como foi o caso do processo original do IMT-2000, eram esperadas para

avaliação várias candidaturas de diferentes RAT. Supondo que essas candidaturas cumprem



os requisitos mínimos do IMT-Advanced, espera-se que as RAT submetidas façam parte da

família IMT-Advanced.

Para além da candidatura do 3GPP com o LTE-Advanced ao IMT-Advanced, também

houve, entre outras, a candidatura do IEEE [37] através da especificação IEEE 802.16m [38],

também conhecida como Wimax2 ou WirelessMAN-Advanced (evolução do IEEE 802.16e

[39] ou Wimax que, tal como o LTE do 3GPP, não cumpria alguns dos requisitos do IMT-

Advanced), no entanto, as especificações do 3GPP serão as principais especificações

implementadas no globo para as redes de comunicações móveis, razão pela qual esta

Dissertação de Mestrado se foca apenas nas tecnologias do 3GPP (LTE e LTE-Advanced).

Na Tabela 1.7 são apresentadas as metas de desempenho tanto do LTE, como também do

IMT-Advanced e do LTE-Advanced.

Tabela 1.7 – Metas de desempenho do LTE, IMT-Advanced e LTE-Advanced. [32]

Indicadores de Desenpenho LTE Release 8 IMT-Advanced LTE-AdvancedRelease 10

Debito Binario de Pico [Mbps]

DL 300 1024UL 73 500

Eficiência Espetral de Pico[bps/Hz]

DL 15 15 30UL 3,75 6,75 15

Latência do Plano de Controlo [ms] <100 100 <50Latência do Plano do Utilizador [ms] <5 10 <LTE Release 8Escalabilidade da largura de banda Ate 20MHZ Até 40MHZ Até 100MHZ

Capacidadeb de VOIP200 Utilizadores

Activos por Celulas en 5MHZ

Até 200UE por Celulas em 5MHZ

3vezes mais do LTE que no LTE Realese 9

Eficiência Espectral da Célula [bps/Hz]

DL 2×21,690 2,400

4×2 1,870 2,600 2,6004×4 2,670 3,700

UL 1×20,735 1,200

2×4 - 2,000

Eficiência Espectral do Limite da Célula

[bps/Hz]

DL2×2 0,050 0,070

4×2 0,060 0,075 0,090

UL4×4 0,080 0,1201×2 0,024 0,0402×4 - 0,70



Capítulo II

Planeamento

Do

Sistema Móvel LTE



Capítulo II-Planeamento Do Sistema Móvel LTE

2. Planeamento de Sistemas LTE

O processo de planeamento de rede é realizado com o objetivo de se obter a maior cobertura

de atuação com a menor quantidade de equipamento possível, e ao mesmo tempo prover a

capacidade de rede necessária para se atender a demanda de tráfego dos usuários atendidos.

Para que estes objetivos sejam alcançados, existem estágios típicos a serem realizados, que

incluem a definição dos parâmetros de projeto (plano inicial e detalhado) e optimização.

O primeiro estágio do Planeamento consiste em se obter informações tais como a cobertura

desejada, a quantidade de usuários e sua respectiva distribuição na região de cobertura,

estimativas de tráfego por usuário, serviços a serem oferecidos, a qualidade de serviço

requerida (QoS - Quality of Service), a capacidade necessária, características de possíveis

equipamentos e funcionalidades que podem ser utilizadas.

O resultado final deve ser a mínima densidade de estações rádio base a ser instalada, para

atender aos objetivos do projeto. Esse estágio usualmente envolve uma simulação para

estimar a cobertura e capacidade requerida para os usuários do sistema.

O Planeamento detalhado pode ser divido em processos que incluem [66]:

Ajuste do Modelo de Propagação (Model Tuning) - Processo para calibração do

modelo de propagação teórico utilizado. Essa calibração geralmente é realizada

através da importação nas ferramentas de predições de arquivos obtidos em medições

de campo específicas;

Definição dos Locais de Instalação (Site Selection) - Nos sistemas celulares, a seleção

de locais para instalação dos equipamentos é um grande desafio. Esse processo

envolve a identificação dos candidatos que podem atender às necessidades de projeto,

tais como: KPIs (Key Performance Indicator), Cobertura e Capacidade;



Dimensionamento - O objetivo final desta etapa é o dimensionamento do equipamento

(células e eNodeBs) para atender a demanda de cobertura e capacidade da região a ser

atendida;

Parametrização - Os parâmetros do sistema precisam seridentificados e configurados

para o melhor desempenho da rede;

O processo de optimização pode ser dividido em pré-lançamento e pós-lançamento.

Devido à carga que o sistema passará a receber após o lançamento comercial da rede, é

necessário o acompanhamento dos indicadores de capacidade, cobertura, interferência, entre

outros, alterando-se os parâmetros associados para que o sistema fique adequado às

necessidades do momento.

2.1 Links Budget

O Link Budget é uma das etapas realizadas no Planeamento Celular. Com o Link Budget é

calculada a máxima perda de propagação permitida para que os usuários alocados nas bordas

das células tenham condições de utilizar o sistema.

Através do Link Budget podem-se determinar a área de cobertura e raio da célula, permitindo

estimar a quantidade de estações rádio base necessárias para cobrir a região onde se pretende

oferecer o serviço.

Vale ressaltar que as características do ambiente (urbano denso, urbano, suburbano, etc.) no

qual a rede será instalada, influenciam o resultado do Link Budget, devido às múltiplas

reflexões que o sinal propagado irá sofrer.

O Link Budget também varia de acordo com o objetivo de cobertura desejado, seja ela indoor,

incar ou outdoor, pois para cada uma destas, as perdas de propagação do sinal são diferentes.

A potência de transmissão, o ganho das antenas e as perdas do sistema são alguns dos

parâmetros que devem ser levados em consideração no cálculo do Link Budget.

Cálculos independentes para o uplink e para o downlink são realizados, dada a distinção dos

parâmetros em cada sentido de transmissão.

O sistema celular é raramente limitado pelo downlink, pois, a potência transmitida pela

estação rádio base é maior que a potência que o móvel é capaz de transmitir.

A equação básica para o cálculo do Link Budget em dB é:

L= PTX + GTX - LTX-SNRRequerida- SRX - GRX- LRX + Gdv – M (2.1)



Onde:

L - Máxima Perda de Downlink / Uplink;

Ptx - Potência de Transmissão [dBm];

Gtx - Ganho da Antena Transmissora [dBi];

Ltx - Perdas na Transmissão [dB]

SNRRequerida- Relação Sinal Ruído Requerida [dB];

Srx - Sensibilidade Requerida na Recepção [dB]

Grx - Ganho da Antena Receptora [dBi];

Lrx - Perdas na Recepção [dB];

Gdv - Ganho de Diversidade [dBi];

M - Margem de Desvanecimento [dB].

A Margem de Desvanecimento ou Fade Margin é a margem a ser considerada no Link Budget

a fim de garantir que o terminal móvel consiga operar na borda das células, onde a relação

SINR (Sinal Ruído + Interferência) é baixa. Devido aos efeitos do multipercurso presentes

nos sistemas celulares esta garantia, ou Margem de Desvanecimento deve ser considerada.

Uma boa referência para ser adotada como margem de desvanecimento, é o desvanecimento

cujo canal de rádio segue a distribuição de Rayleigh, onde para áreas urbanas o valor adotado

deve ser entre 4 dB e 6 dB [10].

Uma das formas adotadas para minimizar os efeitos de Fading é a técnica da diversidade, que

atua fornecendo ao receptor réplicas do mesmo sinal transmitido, que chegam através de

caminhos de propagação independentes.

Neste trabalho assumimos como sendo de 3 dB o Ganho de Diversidade no Link Budget de

Uplink [11].

O SNR vai depender da modulação e da taxa de código adotada, ou seja, está diretamente

relacionado à taxa de transferência de dados e ao número de Resource Blocks alocados [12].

Conforme mencionado anteriormente, faz-se necessário calcular o Link Budget para o

downlink e para o uplink, e a máxima perda encontrada (menor valor de L na comparação

entre downlink e uplink) será adotada na determinação do raio da célula.

2.1.1 Links Budget de Downlink

Na tabela 2.1 encontramos os parâmetros necessários e os valores adotados para o cálculo do

Link Budget de Downlink, com exceção da sensibilidade requerida na recepção.



A sensibilidade requerida na recepção segundo a Série 36101 da 3GPP [13] está apresentada

na tabela 2.2 e se referem apenas para a modulação QPSK, sendo que os valores variam de

acordo com a largura de banda adotada e também com a faixa de freqüência de operação do

sistema.

Link Budget de Downlink

Tabela 2.1 – Valores dos Parâmetros para o Link Budget de Downlink.

Potência de Transmissão 60W; 48 dBm

Ganho da Antena Transmissora 18 dBi

Perdas na Transmissão 3 dB

SNR 0 dB

Ganho da Antena Receptora 0 dB

Perdas na Recepção 0 dB

Ganho de Diversidade 0 dB

Margem de Desvanecimento 4 dB

O valor da Sensibilidade Requerida na Recepção adotado no cálculo do Link Budget de

Downlink foi de -92 dBm (a maior sensibilidade requerida, para 20 MHz de largura de banda).

Este cálculo deve ser realizado para o pior caso, pois se operarmos com larguras de bandas

diferentes, perde-se cobertura, impactando diretamente na configuração espacial das eNodeBs

planejadas para cobrir a área original, podendo até mesmo faltarem eNodeBs para atender os

objetivos de cobertura e capacidade.

Tabela 2.2 – Sensibilidade Requerida na Recepção para a modulação QPSK [13].

Sensibilidade Requerida Recepção - 5 MHz -98 dBm


Sensibilidade Requerida Recepção - 15 MHz -93,2 dBm




Utilizando a equação 2.1 e a tabela 2.1, que apresenta os valores adotados no Link Budget de

Downlink, podemos determinar o valor de L em dB:

LDL = 48dBm + 18dBi + 3dB - 0 - (- 92dBm) + 0 - 0 + 0 – 4 (2.2)

LDL=151dB (2.2-A)

2.2.2 Link Budget de Uplink

Na tabela 2.3 encontramos os parâmetros necessários e os valores adoptados para o cálculo do

Link Budget de Uplink.

Tabela 2.3 – Valores dos Parâmetros para o Link Budget de Uplink.

Potência de Transmissão 23 dBm



SNR 0 dB

Sensibilidade Requerida Recepção -101,5 dBm

Ganho da Antena Receptora 18 dBi




A potência de transmissão adoptada para o móvel se refere à máxima potência permitida

segundo a Série 36101 da 3GPP [13], com tolerância de 2 dB para mais ou para menos.

O valor adoptado para a Sensibilidade Requerida na Recepção está de acordo com a Série

36104 da 3GPP [14], sendo que os valores para as faixas de frequência de 5 MHz, 10 MHz,

15 MHz e 20 MHz são de -101,5 dBm para as modulações QPSK, 16 QAM e 64 QAM.

Utilizando a equação 2.1 e a tabela 2.3, que apresenta os valores adoptados no Link Budget de

Uplink, determinamos o valor de L em dB.

LUL = 23 dBm + 0 – 0 – 0 – (- 101,5dBm) + 18dBi – 3dB + 3dB – 4dB (2.3)

LUL = 138,5 dB (2.3-A)



Comparando os resultados das equações 2.2-A e 2.3-A, concluímos que a máxima

perda de propagação permitida ocorre no Link Budget de Uplink, conforme esperado, sendo

este o valor que deverá ser adoptado no cálculo do raio teórico da célula.

Cálculos do Raio Teórico

No dimensionamento de sistemas de comunicações sem fio, necessitamos uma adequada

escolha de modelos de propagação. De modo geral, os modelos de propagação provêem

estimativas das perdas de propagação considerando, distância entre transmissor e receptor,

fatores de terreno, altura das antenas transmissoras e receptoras e as freqüências utilizadas.

O modelo de propagação escolhido para ser utilizado neste trabalho é o modelo SUI (Stanford

University Interin), que é uma extensão do trabalho realizado anteriormente por Erceg et al,

para determinar a cobertura da rede [15].

Este modelo foi escolhido, pois é indicado pelo 3GPP para o Planeamento de redes WiMAX

(Worldwide Interoperability for Microwave Access), padrão IEEE 802.16, que utilizam as

faixas de freqüência de 2.5 GHz e 3.5 GHz, cobrindo a necessidade que teremos em nosso

dimensionamento LTE.

O modelo SUI distingue diferentes categorias para diferentes terrenos, que podem ser

classificados como sendo do tipo:

Terreno Tipo A – Terreno Montanhoso com Alta ou Moderada Densidade de Árvores;

Terreno Tipo B – Terreno Montanhoso com Baixa Densidade de Árvores ou Planície

com Alta ou Moderada Densidade de Arvores;

Terreno Tipo C – Planície de Baixa Densidade de Árvores.

Para nossa análise, escolhemos a categoria A, pois com esta categoria estaremos realizando o

dimensionamento para o prior caso, resultando em uma quantidade maior de estações rádio

base.

As perdas de propagação (Path Loss, Path Attenuation) pelo modelo (em dB) são descritas da

seguinte forma:

L= A + 10 γ log10dd0

+ X f +X h+s (2.4)

Que é valida para d0 > d, visto que d0=100 mrepresenta a distância de referência e A é

a perda no espaço livre na distância d0. O termo X1 é a correção da freqüência, X né a correção

da altura da antena receptora, s corresponde ao desvanecimento dado pelo tipo de terreno e g é



o expoente de perda do caminho em função da altura da estação rádio base. O termo λ na

equação 2.4-A representa o comprimento de onda associado à freqüência de operação do

sistema.

A = 20 log( 4 π d0

2 ) (2.5)

X f = 6log( f2000 ) (2.6)

Onde f é a frequecia em MHz

X h = -10.8 log( h2 ) (2.7)

Para terrenos do Tipo A e Tipo B e,

X h = -10.8 log( h2 ) (2.8)

Para terrenos do Tipo C, onde h é a altura da antena receptora, onde 2 m ≤ h ≤ 10 m.

ɣ = a – b.hb + Chb

(2.9)

Onde as constantes a, b e c foram determinadas empiricamente, e podem ser obtidas na tabela

2.4. A altura da antena da estação rádio base deve ter valores entre 10 e 80 metros.

Tabela 2.4 – Valores dos Parâmetros do Modelo SUI

Parâmetro Terreno Tipo A Terreno Tipo B Terreno Tipo C

A 5,15 4,0 3,6

B(1/m) 0,0075 0,0065 0,0050

C(m) 14,6 17,1 20,0

Neste trabalho adotamos a seguinte configuração:

f =2.6GHz

h = 2m



hb= 30m

S= 4dB

Obtendo os seguintes resultados para cada parâmetro:

Perda no Espaço Livre;

A = 20. log(4. π .100)

(3.108|2600.106 ) (2.5-

A)

A = 80,74dB (2.5-A)

Correção da Frequência;

X f = 6.log10( 2600.106

2000 ) (2.6-A)

X f=0,6836 dB (2.6-A)

Correção da Altura da Antena Receptora;

X h = -10,8.log10( 22 ) (2.7-A)

X h = 0 dB (2.7-A)

Perda do Caminho em Função da Altura da Antena Transmissora.

ɣ = 5,15 – 0,0075.30 + 14,630

(2.8-

A)

ɣ = 5,405 dB (2.8-A)

Substituindo valores na equação 2.4, temos:

L= 80,74dB + 10 5,405. log10( d100 ) + 0,6836 dB+0+4 dB (2.4)

Com os valores de L calculados nas seções 2.1 (Link Budget de Downlink) e 2.2 e 2.3 (Link

Budget de Uplink), conforme os resultados demonstrados na tabela 2.5, realizamos o



balanceamento do canal utilizando a equação 2.4 e a maior perda de percurso (L) permitida,

138,5 dB, para a determinação do raio máximo das células.

Tabela 2.5 – Valores calculados no Link Budget

Link Budget Perda de Percurso (L)

Downlink 151dB

Uplink 138,5 dB

Substituindo o resultado da máxima perda de percurso permitida na equação 2.4, obtemos a

máxima distância de atuação de uma célula (d):

138,5dB= 80,74dB + 10 5,405. ( d100 )+0,6836 dB+0+4 dB (2.4-A)

R= d≅ 1,3Km (2.4-A)

Existem ferramentas de predição que permitem obter com maior precisão o resultado do

cálculo realizado, tornando possível a análise visual e um dimensionamento mais preciso.

Tais ferramentas de predição consideram outros fatores, como edificação e relevo no cálculo

de cobertura da estação rádio base do sistema.

2.4 Cálculos do Máximo Throughput Teórico

O throughput oferecido na camada física de uma estação rádio base LTE, pode ser calculado

levando-se em consideração o tempo do símbolo, a modulação a ser utilizada na interface

aérea (QPSK, 16 QAM, 64 QAM) e o número de subportadoras disponíveis, que está

diretamente relacionada à banda adotada no sistema (como visto, a banda varia de 1.4 até 20

MHz), conforme equação 2.11 [3].

Throughput = TempodeSímbolo × Bits × Subportadoras (2.10)

Conforme mencionado na seção 2.5.2, o tempo de transmissão de um símbolo é de 71,367 μs.

Vamos calcular o throughput na camada física para as bandas de 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz e

20 MHz. Desta forma, a quantidade de subportadoras capazes de transportar dados é

apresentado na tabela 2.12 [3]:

Tabela 2.6 – Largura de Banda e Subportadoras LTE



Largura de Banda Subportadoras

5 MHz 300

10MHz 600

15 MHz 900

20MHz 1200

Cada modulação adotada no sistema é capaz de transportar uma quantidade de bits por

símbolo, sendo que a tabela 2.7 traz a capacidade de cada uma.

Tabela 2.7 – Capacidade de bits por símbolo das modulações utilizadas no downlink

Modulação Bits por Símbolo

QPSK 2

16 QAM 4

64 QAM 6

Utilizando as informações ilustradas nas tabelas 2.12 e 2.13, e fazendo-se uso da equação

2.11-A, somos capazes de determinar o throughput para cada modulação e largura de banda

disponível. Como exemplo, vamos calcular o throughput para a modulação 64 QAM.

5 MHz e 64 QAM

o Throughput=1/0.000071367×6×300 (2.11-A)

o Throughput=25,2Mbps (2.11-A)

10 MHz e 64 QAM

o Throughput=1/0.000071367×6×600 (2.11-B)

o Throughput=50,4Mbps (2.11-B)

15 MHz e 64 QAM

o Throughput=1/0.000071367×6×900 (2.11-C)

o Throughput=75,7Mbps (2.11-C)

20 MHz e 64 QAM

o Throughput = 1/0.000071367×6×1200 (2.11-D)



o Throughput = 100,9Mbps (2.11-D)

Nas tabelas 2.8, 2.9, 2.10 e 2.11, constam os valores do throughput calculados, fazendo-se uso

da equação 2.5-1 para as bandas de 5 MHz até 20 MHz com as modulações QPSK, 16 QAM e

64 QAM. A figura 2.1 ilustra estes resultados.

Tabela 2.8 – Throughput para largura de banda de 5 MHz.

Largura de Banda e Modulação Throughput (Mbps)

5MHz-QPSK 8,4

5MHz-16 QAM 16,8

5MHz-64 QAM 25,2

Tabela 2.9 – Throughput para largura de banda de 10 MHz


10MHz-QPSK 16,8

10MHz-16 QAM 33,6

10MHz-64 QAM 50,4



15MHz-QPSK 25,2

15MHz-16 QAM 50,4

15MHz-64 QAM 75,7



20MHz-QPSK 33,6

20MHz-16 QAM 67,3

20MHz-64 QAM 100,9

Quando uma configuração MIMO 2x2 é utilizada, o throughput pode atingir valores de até

173 Mbps, e quando for utilizada a configuração MIMO 4x4, podemos chegar a taxas de

transferência de até 326 Mbps [3].



5MHz 10MHz 15MHz 20MHz

QPSK 4.3 16.8 25.2 33.6

16 QAM 16.8 33.6 50.4 67.3

64QAM 25.2 50.4 75.7 100.9

6600tan9a5660

6600tan29a5660

6600tan19a5660

6600tan9a5660

6600tan29a5660

6600tan20a5660

Máximo Throughput Teórico

Axis Title

Figura 2.1 - Throughput na camada física do LTE.

2.5 Cálculos da Máxima Eficiência EspectralA eficiência espectral para cada modulação pode ser calculada através da equação 2.12, e os

resultados são apresentados na figura 2.2.

Ef.Espectral = Throughput / LarguraBanda (2.12)

Onde:

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

• Throughput [Mbps];

• Largura de Banda [MHz]



Máxima Eficiência Espectral

QSPK 16 QAM 64 QAM

QSPK 1.68 3.37 5.05

16 QAM 0 0 0

64 QAM 0 0 0

6600tan28a5660

6600tan29a5660

6600tan1a5660

6600tan2a5660

6600tan3a5660

6600tan4a5660

QSPK

16 QAM

64 QAM

Máxima Eficiência Espectral

Axis Title

Figura 2.2 – Eficiência Espectral do LTE.

2.6 Cálculos da Capacidade do Canal e da Relação Sinal Ruído (SNR)

O tipo de modulação utilizado em sistemas de comunicações móveis tem influência na área de

serviço de um sistema. Cada tipo de modulação tem um requisito mínimo de relação entre os

níveis de sinal, ruído e interferência (SINR).

Em uma célula, esta relação varia de um ponto para o outro, podendo fazer com que em

algumas áreas o requisito mínimo não seja atendido para os tipos de modulação disponíveis.

Se isto ocorrer, a qualidade oferecida não será suficiente para que os serviços requisitados

sejam atendidos.



Um importante ponto a ser destacado é que o ruído tratado é o AWGN (Additive White

Gaussian Noise), um ruído branco adicionado ao sinal, assim utilizaremos o termo SNR

(Sinal Ruído) em vez de SINR.

As larguras dos canais utilizados influem diretamente na capacidade de um sistema, conforme

o teorema de Shannon-Hartley, que afirma que a capacidade máxima, em bits por segundo, de

um canal sujeito ao ruído pode ser calculada por:

C = BW × log 2 (1+SNR ) (2.13)

Onde:

• C - Capacidade do Canal [bps];

• BW - É a largura de faixa do canal utilizado [Hz];

• SNR - É a relação Sinal/Ruído [dB].

Teoricamente a taxa máxima de comunicação R que pode ser usada neste tipo de canal é

menor ou igual à capacidade C do canal dependendo do esquema de modulação/codificação

utilizado.

A taxa máxima de comunicação dependerá, portanto, da largura de faixa do canal alocado e

das condições de propagação do canal de RF (da relação Sinal/Ruído). A interferência sentida

irá influenciar no tipo de modulação que pode ser utilizada, causando efeito diretamente na

capacidade do canal.

Na seção 2.5, calculamos as capacidades dos canais na camada física para larguras de faixa

que variaram de 5 MHz até 20 MHz, para as modulações QPSK, 16 QAM e 64 QAM, no

entanto, não levamos em consideração as taxas de códigos. Nesta seção iremos determinar a

capacidade dos canais e também o SNR requerido para que cada modulação seja utilizada.

A tabela 2.12 mostra as taxas de códigos que serão consideradas para o cálculo da capacidade

do canal desta seção.

Tabela 2.12 – Taxa de Código de Modulação

Modulação Taxa de Códigos

QPSK 1/2

QPSK 3/4

16QAM 1/2

16QAM 3/4

64QAM 1/2

64QAM 2/3



64QAM 3/4

64QAM 5/6

Tabela 2.12 – Taxa de Código de Modulação.

A taxa de código indica a proporção dos bits de cada modulação que é transmitida como

informação em cada símbolo. Como exemplo, para a modulação 64 QAM, que é capaz de

transmitir 6 bits por símbolo, quando uma taxa de modulação de 5/6 é utilizada, apenas 5 bits

serão transmitidos como informação.

Levando em consideração os valores das taxas de códigos de cada modulação que compõem a

tabela 2.12, e fazendo uso da equação 2.11-A (adaptação da equação 2.11, com inclusão da

taxa de códigos), os valores de throughput calculados na seção 2.5 podem ser determinados

novamente.

Throughput = Tempo de Símbolo × Bits × Taxa × Subportadoras (2.14)

Nas tabelas 2.13, 2.14, 2.15 e 2.16, constam os valores do throughput calculados, fazendo-se

uso da equação 2.8-1 para as bandas de 5 MHz até 20 MHz com as modulações QPSK, 16

QAM e 64 QAM e respectivas taxas de códigos.

Tabela 2.13 – Throughput para largura de banda de 5 MHz, adotando taxa de código

Modulação Taxa de Códigos Throughput (Mbps)

QPSK 1/2 4,20

QPSK 3/4 6,31

16 QAM 1/2 8,41

16 QAM 3/4 12,61

64 QAM 1/2 12,61

64 QAM 2/3 16,81

64 QAM 3/4 18,92

64 QAM 5/6 21,02



Tabela 2.14 – Throughput para largura de banda de 10 MHz, adotando taxa de código.


QPSK 1/2 8,41

QPSK 3/4 12,61

16 QAM 1/2 16,81

16 QAM 3/4 25,22

64 QAM 1/2 25,22

64 QAM 2/3 33,63

64 QAM 3/4 37,83

64 QAM 5/6 42,04



QPSK 1/2 12,61

QPSK 3/4 18,92

16 QAM 1/2 25,22

16 QAM 3/4 37,83

64 QAM 1/2 37,83

64 QAM 2/3 50,44

64 QAM 3/4 56,75

64 QAM 5/6 63,05



QPSK 1/2 16,81

QPSK 3/4 25,22

16 QAM 1/2 33,63

16 QAM 3/4 50,44

64 QAM 1/2 50,44

64 QAM 2/3 67,26

64 QAM 3/4 75,67



64 QAM 5/6 84,07

Através da equação 2.8-3, e assumindo que o throughput calculado nas tabelas 2.13, 2.14,

2.15 e 2.16 representam a capacidade máxima do canal para cada largura de faixa do canal,

podemos encontrar o SNR requerido para cada modulação e taxa de código.

A equação 2.14-A traz o resultado de um exemplo do cálculo do SNR, onde foi considerada a

largura de banda de 20 MHz e o throughput de 84,07 Mbps.

C = BW× log 2 (1+SNR ) (2.15)

84,07 Mbps = 20 MHz × log 2 (1+SNR ) (2.15-A)

SNR = 12,41dB (2.15-B)

A tabela 2.17 traz a informação do SNR requerido para cada modulação e taxa de código.

Tabela 2.17 – SNR requerido para respectivas modulações e taxas de códigos

Modulação Taxa de Códigos SNR (dB)

QPSK 1/2 -1,02

QPSK 3/4 1,45

16 QAM 1/2 3,44

16 QAM 3/4 6,76

64 QAM 1/2 6,76

64 QAM 2/3 9,68

64 QAM 3/4 11,06

64 QAM 5/6 12,41

Optou-se pela determinação do SNR requerido para cada modulação e respectiva taxa de

código através de cálculos considerando a equação de Shannon-Hartley, pois não foi

encontrado na literatura e nas especificações da 3GPP, referências para cálculos dos níveis de

projeto.

2.7 Cálculos da Interferência Co-Canal

Sistemas celulares se baseiam no reuso de freqüências para obter da rede uma maior

capacidade e qualidade na cobertura.

Um conjunto de estações rádio base vizinhos que utilizem todo espectro disponível formam

um cluster.



Na figura 2.3 podemos observar dois clusters formados por um conjunto de 7 estações rádio

base cada, onde D representa a distância de reuso e R o raio de cada célula.

Figura 2.3 – Cluster.

Através dos valores de D e R, pode-se definir a razão de reuso q , como pode ser observado na

equação 2.12-A.

q = DR

(2.12-

A)

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

temos:

a = 3√3 R2

2 (2.13-

A)

A = 3√3 D2

2 (2.13-

B)

Assumindo que N seja o número de estações rádio base (células hexagonais) que formam um

cluster, podemos definir que:

N = Aa

= D 2

3 R2=13 (D

R )2

(2.16)

(3 N )2 = DR

Substituindo 2.12 em 2.12-A:

q2 = ( DR )

2



Fazendo uso da equação 2.12-B, pode-se calcular a razão de reuso q para diferentes

formações de clusters, variando-se o reuso celular N . Na tabela 2.18 temos alguns exemplos.

Tabela 2.18 – Fator de Reuso e Razão de Reuso Celular

Factor De Reuso(N) Razão de Reuso (q)

1 1,73205

3 3

4 3,4641

7 4,58258

9 5,19615

A configuração celular, com reuso de freqüências para grupos de células adjacentes, gera uma

interferência dentro do sistema denominada de interferência co-canal.

Esta interferência co-canal pode ser determinada levando-se em consideração 6 células

adjacentes (1º anel) a uma distância D, 12 células adjacentes (2º anel) a uma distância 2D, ou

ainda, 18 células adjacentes (3º anel) a uma distância 3D e assim sucessivamente, conforme

ilustrado na figura 2.4.

A relação entre o sinal desejado e a interferência co-canal é dada por:

Onde:

S= C×dγ - Intensidade do sinal desejado transmitido a uma distância d do transmissor;

I Km=C . DKm− γ - Intensidade do sinal interferente devido a células no n-ésimo anel, a uma

distância kn D do transmissor;

γ - Fator de variação da perda de propagação com a distância;

C - Constante que depende das características do transmissor e de parâmetros que influenciam

a propagação tais como altura das antenas, freqüência entre outros.



Figura 2.4

Se pudéssemos considerar um móvel na borda da célula, assumimos assim que a distância d

do transmissor seja aproximadamente igual ao raio celular, d

≅ R e para D ≫ R temosque D km≅ nD.

SI

= Cd−γ

6 CD−γ+12 C (2 D )− γ+18 C (3 D )− γ+…

SI≅ 1

6( DRC )

−γ

. (1+2−γ .2+3− γ .3+…)

(2.17)

SI≅ 1

6( DRC

)−γ

.∑K =1

∞

K1−γ

Através de uma aproximação que leva em consideração somente o primeiro anel interferente

tem-se:

SI≅ 1

6( DRC )

−γ



SI=qγ

6

Através da equação 2.12-A, observamos que a relação S I (SIR) é maior quando adotamos um

maior fator de reuso co-canal, maior valor para N.

Tabela 2.19 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente

SIR (dB) N=1 N=3 N=4 N=7 N= 9

Terreno A 3,65746 15,09645 18,09185 23,91871 26,53542

Terreno B 2,655506 13,09254 15,82557 21,14205 23,52956

Terreno C 2,039225 11,85998 14,43163 19,43418 21,68072

A tabela 2.19 traz a relação SIR calculada através da equação 2.12-A para os casos onde o

reuso N adotado varia de 1 a 9 para as três categorias de terreno observado no modelo de

propagação de Erceg et al, lembrando que o fator de variação da perda de propagação com a

distância, g , pode ser calculado através da equação 2.4-A, onde a altura da antena

transmissora seja hb= 3m.

Considerando também os efeitos do segundo anel interferente temos:

SI= 1

6 ( DRC )

− γ

1

(1+21−γ )

(2.18)

SI=qγ

61

(1+21−γ )

Tabela 2.20 – Relação SIR considerando o primeiro e o segundo anel interferente

SIR (dB) N=1 N=3 N=4 N=7 N= 9

Terreno A 3,355338 14,79433 17,78973 23,61659 26,2333

Terreno B 2,255863 12,6929 15,42592 20,74241 23,12992

Terreno C 1,565349 11,3861 13,95775 18,96031 21,20684

Observando os valores de SIR para os cenários onde levamos em consideração o primeiro

anel interferente, tabela 2.19 e também o segundo anel interferente, tabela 2.20, concluímos

que para o terreno do tipo A, que adotamos para a realização do dimensionamento de



capacidade e cobertura, e com o fator de reuso N =1, os usuários da borda estariam atendidos

com as modulações QPSK ½ e QPSK ¾, que segundo a tabela 2.17 requerem uma SNR

mínima de -1,02 dB e 1,45 dB respectivamente para operar.

Se adotássemos no sistema um fator de reuso N = 3, com o auxilio das tabelas 2.17 e 2.20,

podemos concluir que os usuários de borda estariam atendidos com todas as possibilidades de

modulação do sistema, QPSK, 16 QAM e 64 QAM.

De acordo com a literatura e com o 3GPP, o sistema LTE poderá adotar um fator de reuso de

freqüências unitário, N =1, desta forma, outras possibilidades podem ser levadas em

consideração para que a relação SIR seja melhorada, tais como a redução da altura da antena

transmissora ou ainda a setorização, que consiste na divisão das células em setores, sendo

cada um destes setores iluminados por uma antena direcional independente que recebe um

subconjunto de freqüências. Na prática a setorização tripla e sêxtupla são adotadas em

sistemas celulares, sendo a setorização tripa a mais usual.

2.8 Cálculos da Interferência Co-Canal com Setorização TriplaA setorização tripla consiste na divisão celular em setores de 120º. Para facilitar a

compreensão dos benefícios que a setorização pode trazer quanto à diminuição da

interferência co-canal, analisando a figura 2.5 podemos observar que apenas as células 4 e 5

possuem setores voltados para a célula interferida que possuem o mesmo subconjunto de

freqüências.

Figura 2.5

Figura 2.5 – Interferência com setorização tripla.

Se considerarmos somente o primeiro anel interferente, a relação SIR será dada por:



SI≅ 1

∑K =1

2

( DRC

)−γ

SI=qγ

2

Para definirmos o ganho que a setorização tripla tem em relação a sistemas que não utilizam a

setorização, podemos definir que:

G = SIRCelulaSe torizada

SIRCelulaSetorizada (2.19)

Substituindo as equações 2.12-A e 2.12-B em 2.12-C, temos:

G = ( qγ

2 )( qγ

6 ) (2.20)

G= 3

Aplicando o logaritmo na equação 2.6-19, temos que o ganho da setorização tripla em relação

a sistemas sem setorização é:

GdB= 10log10 (3 )

GdB=4,77 dB

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

hb= 30 chegamos aos valores da tabela 2.21.

Tabela 2.21 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente com setorização tripla

SIR (dB) N=1 N=3 N=4 N=7 N= 9

Terreno A 8,428672 19,86766 22,86306 28,68993 31,30664

Terreno B 7,426719 17,86375 20,59678 25,91326 28,30077

Terreno C 6,810438 16,63119 19,20284 24,2054 26,45193

Considerando o fator de reuso N =1 e o terreno do tipo A, temos uma SIR de

aproximadamente 8,43 dB o que seria suficiente para que os usuários na borda das células

estivessem atendidos pelas modulações QPSK ½, ¾, 16 QAM,½, ¾ e pela modulação 64

QAM ½, que segundo a tabela 2.17 requerem uma SNR mínima de -1,02 dB, 1,45 dB, 3,44

dB, 6,76 dB e 6,76 dB respectivamente para operar.



Cálculo da Interferência Co-Canal com Setorização Sêxtupla

A setorização sêxtupla consiste na divisão celular em setores de 60º.

Analisando a figura 2.6 podemos observar que apenas a célula 4 possui um setor voltado para

a célula interferida que possui o mesmo subconjunto de freqüências.

Figura 2.6 – Interferência com setorização sêxtupla.

Se considerarmos somente o primeiro anel interferente, a relação SIR será dada por:

SI≅ 1

∑k=1

1

( DRc

)−γ

SI=qγ

Para definirmos o ganho que a setorização sêxtupla apresenta em relação a sistemas que não

utilizam a setorização, podemos definir que:

G = SIRceleula se torizada

SIRcelula semsetoriza ção (2.21)

Substituindo as equações 2.12-A e 2.6-B em 2.12-C, temos:

G= qγ

qγ/6

G= 6

Aplicando o logaritmo na equação 2.6-26, temos que o ganho da setorização tripla em relação

a sistemas sem setorização é:

GdB= 10log10 (6 )

GdB = 7,78 dB



Recalculando a relação SIR considerando a setorização sêxtupla, e altura da antena

transmissora h m b = 30 , chegamos aos valores da tabela 2.22.

Tabela 2.22 – Relação SIR considerando o primeiro anel interferente com setorização sêxtupla

SIR (dB) N=1 N=3 N=4 N=7 N= 9

Terreno A 11,43897 22,87796 25,87336 31,70023 34,31694

Terreno B 10,43702 20,87405 23,60708 28,92356 31,31107

Terreno C 9,820737 19,64149 22,21314 27,2157 29,46223

Considerando o fator de reuso N =1 e o terreno do tipo A, temos uma SIR de

aproximadamente 11,43 dB o que seria suficiente para que os usuários na borda das células

estivessem atendidos por todas as modulações do sistema, QPSK, 16 QAM e 64 QAM, com

exceção da modulação 64 QAM com taxa de códigos 5/6, que segundo a tabela 2.17 requerem

uma SNR mínima de 12,41 dB para operar.

Analisando os resultados das seções 2.6.1 e 2.6.2, percebemos que se pode utilizar o reuso

unitário (N =1) em sistemas LTE sem que os usuários da borda estejam desprovidos de

cobertura e serviço.

Cálculo do Raio em Função da Modulação e SNR

Na seção 2.2 calculamos o raio máximo teórico da célula adotando valores nulos para a SNR

requerida no sistema. O valor encontrado naquela seção é importante quando desejamos

determinar a quantidade de estações rádio base necessárias para cobrir a área na qual se

pretende oferecer o serviço celular, mas não deve ser levada em consideração na

determinação do número de estações necessárias para um determinado tipo de serviço, como

por exemplo a taxa de transferência (bps).

Nesta seção iremos repetir o que foi realizado na seção 2.2 levando-se em consideração os

valores de SNR Requeridos para cada taxa de modulação, ou ainda, para cada MCS

(Modulation and Coding Schemes) a fim de determinar os raios máximos de modulação e

respectivo throughput.



Fazendo uso de ferramentas de predição também conseguimos determinar a área de atuação

de cada modulação, levando-se em consideração outros fatores não considerados nos cálculos,

tais como o relevo.

No LTE, o principal indicador relacionado à capacidade de transferência de dados é a

distribuição do SNR ao longo da célula.

Conforme verificado anteriormente, a máxima perda permitida no sistema (L) ocorre no

uplink, sendo assim, nesta seção realizaremos os cálculos somente para o Link Budget de

Uplink, substituindo os valores de SNR requeridos para cada MCS.

A tabela 2.23 abaixo repete o que está ilustrado na tabela 2.17.

Tabela 2.23 – SNR requerido para respectivas modulações e taxas de códigos

Modulação Taxa de Codigos SNR (db)

QPSK 1/2 -1,02

QPSK 3/4 1,45

16 QAM 1/2 3,44

16 QAM 3/4 6,76

64 QAM 1/2 6,76

64 QAM 2/3 9,68

64 QAM 3/4 11,06

64 QAM 5/6 12,41

A tabela 2.24 traz as mesmas informações da tabela 2.3, com a diferença que o SNR adotado

não será nulo e receberá valores variáveis de acordo com cada MCS representado na tabela Tabela 2.24 – Valores dos Parâmetros para o Link Budget de Uplink

Potência de Transmissão 23 dBm



SNR 0 dB

Sensibilidade Requerida Recepção -101,5 dBm

Ganho da Antena Receptora 18 dBi






Com auxílio das tabelas 2.23, 2.24 e a equação 2.14-A, somos capazes de determinar os

valores de L para cada MCS.Como exemplo, calculamos para a modulação 64 QAM e taxa de

código 5/6, a qual requer uma SNR de 12,08 dB.

L= PTX + GTX - LTX-SNRRequerida- SRX - GRX- LRX + Gdv – M

LUL = 23 dBm + 0 – 0 – 12,41dB – (- 101,5dBm) + 18dBi – 3dB + 3dB – 4dB

LUL = 126,09 dB

Substituindo o resultado da equação 2.14-A em 2.14-B, chegamos ao máximo raio de atuação

da modulação 64 QAM - 5/6 (equação 2.14-C).

L= 80,74 + 10.4,79.log10( d100 )+0,6836 dB+0+4 dB

126,09dB = 80,74 + 10.4,79.log10( d100 )+0,6836 dB+0+4dB

R= d≅ 705 m

Na tabela 2.25 constam os valores dos raios calculados para as demais modulações e

respectivas taxas de códigos, da mesma forma como foi demonstrado no exemplo acima.

Tabela 2.25 – Raio de atuação das Modulações e respectivas taxas de códigos (MCS)

Modulação Taxa de Codigos SNR(db) Raio(m)

QPSK 1/2 -1,02 1343

QPSK 3/4 1,45 1193

16 QAM 1/2 3,44 1084

16 QAM 3/4 6,76 924

64 QAM 1/2 6,76 924

64 QAM 2/3 9,68 804

64 QAM 3/4 11,06 752

64 QAM 5/6 12,41 705

As figuras 2.7, 2.8, 2.9 e 2.10 ilustram a variação do throughput conforme a distância para as

larguras de banda de 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz e 20 MHz respectivamente.

Conforme a distância entre a transmissão e a recepção se torna maior, os níveis de Sinal

Ruído (SNR) se tornam menores devido ao acréscimo das perdas de propagação, logo, níveis

de modulação que requerem valores de SNR maiores não poderão ser empregados, fazendo

com que modulações robustas sejam adotadas.



Figura 2.7 – Variação do Throughput (Mbps) conforme a distância (m) para largura de banda de 5 MHz.

Observando os gráficos, pode-se notar que a máxima distância de atuação das modulações

não se altera mesmo variando-se a largura de banda, devido ao fato que a sensibilidade

requerida na recepção da estação rádio base ser a mesma para as quatro larguras de banda

utilizadas no cálculo, -101,5 dBm [14], lembrando que o Link Budget está limitado no uplink.


Outro ponto importante, que pode ser observado nos gráficos, destaca para distâncias menores

do que 620 metros o throughput não sofre variações, embora as condições rádio possam ser



ainda melhores (SNR), pois a capacidade máxima de transporte de dados do canal já foi

alcançada, conforme vimos na seção 2.5.



O máximo throughput atingido com 20 MHz de banda é de 100,9 Mbps, logo taxas de dados

maiores não serão atingidas devido ao limite que existe no canal de transmissão, com a

máxima taxa de dados sendo atingida com 6 bits (64 QAM) por símbolo.



Cálculos do Débito Médio por Célula

À semelhança do UMTS, no LTE o aumento do número de utilizadores numa célula

aumenta a interferência e ruído, diminuindo o raio de célula. Através da distribuição e

geometria dos utilizadores, é possível estimar o débito possível de alcançar para diferentes

raios de célula. Aqui o objectivo é determinar uma estimativa do número de BTSs necessárias

com base nos requisitos de tráfego.

Em LTE, o principal indicador de qualidade é a distribuição do SINR numa célula.

Esta distribuição é obtida através de simulações do tipo System-Level e Link-Level, e pode ser

directamente mapeada em débito de dados. O SINR depende dos seguintes factores:

Esquemas de modulação e codificação (MCS);

Modelo de propagação do canal.

Quanto maior for o MCS maior deverá ser o SINR e vice-versa, o que significa que esquemas

de modulação com menor eficiência espectral (e.g. QPSK) requerem valores de SINR baixos,

ao passo que esquemas de modulação com maior eficiência espectral (e.g. 64QAM) requerem

valores de SINR elevados. O SINR poderá ser estimado de duas formas:

Utilizando tabelas que relacionam o débito máximo com SINR médio, obtidasatravés

de simuladores do tipo Link-Level;

Utilizando a formula Shannon-Alpha que constitui uma aproximação numérica às

simulações do tipo Link-Level.

Uma vez concluída a análise de capacidade, a contagem de BTSs obtida por capacidade é

comparada com a contagem obtida por cobertura, sendo que o maior das duas definirá o

número final de estações necessárias.

2.5 Parametrização

A chegada do LTE vem introduzir novos conceitos no planeamento e optimização de

redes celulares, com a introdução de novos parâmetros e eliminação de outros. As subsecções

que se seguem descrevem as principais alterações que são introduzidas ao nível da

parametrização no planeamento de redes LTE.



Capítulo III

Dimensionamento

Do

Sistema Móvel LTE



Capítulo III-Dimensionamento Do Sistema Móvel LTE

3. Dimensionamentos da Rede de Acesso

O objectivo do dimensionamento da rede de acesso é estimar a densidade de estações e

configuração necessárias para a área de interesse, tipicamente designada de ROI (Region Of

Interest). Este processo requer, como vimos anteriormente, um conjunto de indicadores, os

quais podem ser divididos nos seguintes tipos: qualidade, cobertura e capacidade.

3.0.1 Dimensionamento para Qualidade

Os indicadores de qualidade incluem débito médio e probabilidade de bloqueio de

célula.É com base nestes indicadores que é determinada a qualidade de serviço (Quality

ofService (QoS)) que é oferecida aos utilizadores. É também com base na performance

alcançada na periferia da célula que é determinado o raio de célula máximo alcançável. O

desempenho alcançado na periferia da célula é quantificado com base no débito máximo na

periferia cobertura máxima usando o MCS (Modulation and Coding Scheme) mais baixo e um

raio de célula pré-definido.

3.0.2 Dimensionamento para Cobertura

Quanto aos indicadores de cobertura, estes assemelham-se em grande parte aos já

usados no dimensionamento das redes de terceira geração UMTS. O dimensionamento de

cobertura centra-se essencialmente no cálculo do Link-Budget. É através do Link-Budget que é

calculado o Maximum Allowable Path Loss (MAPL), ou seja, as perdas máximas de potência

que podem existir entre as antenas emissoras e as receptoras. Como parâmetros de entrada, o

Link-Budget baseia-se na: potência de transmissão, ganho no emissor e receptor, margens de

perdas, número de antenas, requisitos de SNR e Eb/ N t e modelos de propagação; É com base

no MAPL, que é estimado o raio de cada célula e determinado o número de células

necessárias para servir uma determinada área. À semelhança do UMTS, em LTE, a máxima

perda de potência é determinada por serviço e o raio de célula é definido pelo serviço mais

exigente. A equação 3.0.2.1 permite calcular o Link-Budget para o canal de uplink,

LUL, PMAX= PTX , ref - SeNodeB - BIUL- BLNF - LBL - LCPL - LBPL + Ga - L j (3.1)

Onde PTX , refé a potência de transmissão do UE por Resource Block (RB), - SeNodeB a

sensibilidade do eNodeB, BIULa margem de interferência no uplink,BLNF a margem de



desvanecimento log-normal, LBL as perdas corporais (body loss), LCPLmargem de penetração

em carros, LBPL a margem de penetração em edifícios, Ga o somatório dos ganhos da BTS e

UE e finalmente L j o total de perdas provenientes das infra-estruturas da estação (e.g. cabos).

Tipicamente, para o cálculo do PTX , ref no uplink é considerada a potência máxima do UE.

Contudo, em alguma bibliografia, poderá ser considerada a potência por RB. Nesse caso,

PTX , refé dado pela equação 3.2,

PTX , ref=¿ PTX ,UE - 10log10(N RB) (3.2)

onde PTX ,UE é a potência total do UE e N RBo número de RBs existentes em cada símbolo.

O SeNodeB, por seu lado, é dado pela equação 3.0.2.3,

SeNodeB=NF eNode + TN + 10log10(∆ f ) + SINRREQ (3.3)

onde PTX , Bts é a potência total do PA (Power Amplifier) e N RB o número de RBs existentes em

cada símbolo e que depende da largura de banda do canal. Em alguma bibliografia é possível

encontrar situações onde o PTX , ref é considerado como sendo a potência máxima por sub-

portadora. Nesse caso, PTX , ref é dado pela equação 3.0.2.4,

PTX , ref = PTX , Bts- 10 log10(Bw∆ f

) (3.4)

onde PTX , Btsé a potência total do PA, BW é a largura de banda do canal e Δf é o espaçamento

entre sub-portadoras. Quanto ao SUE, este poderá ser dado pela seguinte equação 3.0.2.5,

SUE=NFUE + TN + 10log10(∆ f ) + SINRREQ (3.5)

onde NFUEcorresponde ao noise figure do UE, TN o ruído térmico, Δf o espaçamento entre

sub-portadoras e SINRREQ o SINR mínimo requerido, tipicamente obtido através de

simulações e que poderá ser de -10 dB para um débito mínimo de 1 Mbps e para um receptor

(UE) com duas antenas.



Finalmente, para calcular o raio de célula de um eNodeB recorre-se a modelos de

propagação que permitem estimar o desvanecimento que o sinal irá sofrer para determinados

ambientes de propagação e para determinadas frequências. Modelo espaço livre, Walfish-

Ikegami, Okumura-Hata ou Longley-Rice são apenas alguns dos modelos de propagação

existentes.

3.0.3 Dimensionamento para Capacidade

O dimensionamento de capacidade dá uma estimativa dos recursos necessários para

disponibilizar tráfego numa célula, com um determinado nível de QoS e débito médio. A

capacidade de uma célula está limitada por inúmeros factores que incluem nível de

interferência, algoritmos de escalonamento de tráfego e esquemas de modulação e codificação

usados. Segundo [62], a avaliação da capacidade necessária no processo de planeamento

deverá compreender as seguintes tarefas:

Estimar o débito de célula correspondente com o raio de célula calculado no

planeamento de cobertura;

Analisar estatísticas de tráfego previsto incluindo número de assinantes, tipo de

tráfego, densidade de tráfego etc.

3.1 Processos de Dimensionamento da Rede LTE

Neste ponto, pretende-se explicar o processo a aplicar no dimensionamento de uma rede

de acesso LTE, para um operador que já possua uma rede móvel. O primeiro passo que se

deve ter em consideração quando se pretende efectuar o desenho de uma rede, consiste em

determinar o número de estações necessários e a implementação dos mesmos de acordo com

os seguintes pontos [58]:

A banda de frequência utilizada pela base instalada, caso seja aplicável;

As bandas de frequência a serem utilizadas pelo LTE;

A largura de banda disponível para o LTE (1.4, 3, 5, 10, 15 ou 20 MHz);

Pressupostos de número de assinantes e perfil de tráfego;

Os requisitos em LTE em termos de débito binário nos limites da célula, por exemplo,

débito do UL no limite da célula, dados em best effort, requisitos de cobertura em

VoIP.



O número inicial de estações é sempre optimizado pelo estudo detalhado a ser efectuado

pela engenharia de planeamento de rádio, tendo em atenção a localização dos estações, as

bases de dados morfológicas e topográficas, a sua fiabilidade e a calibração dos modelos de

propagação. Na Figura 3.1, encontra-se representado o processo de dimensionamento com os

seus principais inputs e outputs.

Figura 3.1-Processo de Dimensionamento ALU[58]

O processo baseia-se em regras avançadas de dimensionamento para análise do link

budget, na capacidade da Interface Ar, dimensionamento do Modem do eNB e no modelo de

tráfego multi-serviço.

A seguir são descritos sucintamente os processos necessários para efectuar o

dimensionamento de uma rede, sem ainda nos focarmos no planeamento indoor que será

estudado em 3.1.



3.1.1 Estudo do Link Budget em UL para Planeamento Outdoor Macro-

Celular

O alcance máximo de cobertura de uma célula em UL é determinado pela capacidade

do eNodeB de receber o sinal proveniente do utilizador com qualidade suficiente (limiar da

sensibilidade) quando este está a transmitir na potência máxima, ver Figura 3.2.

Figura 3.2-conceito do link Budget no Uplink

Define-se como sensibilidade de recepção do eNodeB o limiar com que o sinal é recebido

com uma qualidade que seja aceitável, sendo que esta sensibilidade vai depender dos

seguintes factores [58]:

Necessidade de débito binário no limite de cobertura da célula (data rate targeted at

cell edge);

Qualidade pretendida – (Hybrid Automatic Retransmission Request) ponto de

operação (BLER - Block Error Rate , máximo número de retransmissões);

As condições do ambiente de rádio (multi-canal, velocidade do terminal);

As características de recepção do eNodeB (ruído/ interferência).

O cálculo do link budget de UL dos sistemas 2G e 3G incluem também o cálculo do

MAPL (Maximum Allowable Propagation Loss ou Pathloss), o qual, pode ser transportado

entre o eNobeB e o terminal que está no limite de cobertura da célula, mantendo a

sensibilidade de recepção requerida pelo eNodeB.

Em LTE, o link budget de UL é calculado como sendo um serviço

(RangeUL_Guar_Serv) que tem que ser garantido no limite de cobertura da célula. No caso de

serviços que exijam maiores débitos binários, os links budgets são calculados tendo em conta

uma área de cobertura mais reduzida. (ver Figura 3.3).



Figura 3.3 – Valores de Throughput em UL

O cálculo do MAPL para um determinado serviço deve ser de acordo com a seguinte Equação

1:

MAPL jdB = PMaxTX dBm+ TxgaindB - TxlossdB + RxgaindB - RxlossdB - BodylossdB (3.6)

- PenetrationdB- SensitivitydBm – InterferenceMargindB

- ShadowingMargindB+ HOGaindB – FSSGaindB

Em que a definição dos parâmetros a utilizar são os seguintes:

PMAXTx - potência máxima de transmissão do utilizador (UE);

TxGain e TxLoss - os ganhos e perdas de transmissão;

RxGain e RxLoss - os ganhos e perdas na recepção;

BodyLoss - são as perdas induzidas pelo utilizador que em serviços de voz

representam cerca de 3 dB e em serviços de dados 0 dB. Esta diferença deve-se ao

facto de que em dados, normalmente a posição do equipamento móvel estar afastado

da cabeça do utilizador;

Penetration Margin – Corresponde às perdas em dB, induzidas pelos edificios,

janelas, automóveis, de acordo com o objectivo pretendido de penetração;

Shadowing Margin – Corresponde à margem do modelo de propagação que permite

fazer a compensação da variação larga escala das perdas num percurso médio previsto;

HO Gain – Corresponde ao ganho da melhor selecção da estação servidora disponivel

para se processar o handover;

FSS Gain - Corresponde ao ganho, dependendo das condições do canal, do

planeamento da frequência selectiva de seleccionar os melhores blocos de frequência

por utilizador (UE).



Na Figura 3.4 é exemplificado o cálculo do MAPL.

Figura 3.4-Elementos do Link Budget

3.3.1.1. Características do Terminal

A potência máxima de transmissão de um terminal em LTE, PMaxTX_PUSCH, depende

da classe de potência do terminal. Actualmente, apenas existe uma classe de potência definida

no 3GPP TS 36.101 [58]:

23 dBm de potência de output com um ganho na antena de 0 dBi.

3.3.1.2. Sensibilidade de Recepção no eNode-B

O nível de sensibilidade pode ser derivado do SINR (Signal-to-noise interference),

podendo ser calculado ou medido em determinadas condições de rádio (ex: Canais Multi-path

ou velocidade do terminal) consoante o objectivo de qualidade pretendido (ex: 10^-2 BLER):

A Equação 2 representa o cálculo da sensibilidade de recepção do eNode-B [58]:

SensitivitydB=SNIRPUSCH dB+10log10 ¿*W RB) (3.7)

Em que:

SINRPUSCH dB – Corresponde à relação entre o sinal e a interferência por bloco de recursos que é

necessário para alcançar um determinado PUSCH;



F eNode−B *N th * N R B (UL) * W RB - Corresponde ao nível de ruído térmico total do lado do

receptor eNode-B, que tenha a largura de banda necessária para alcançar a taxa de dados

esperada, sendo que:

FeNode-B – factor de ruído no lado do receptor eNodeB;

Nth – densidade do ruído térmico (-174 dBm / Hz);

NRB (UL) - é o número de blocos de recursos (RB) necessários para atingir uma

determinada taxa de dados, podendo ser deduzido a partir de simulações de selecção

da melhor combinação entre SNR ou RB;

WRB - é a largura de banda utilizada por um Resource Block LTE. Um bloco de

recursos é composto por 12 subportadoras, em que cada uma tem uma largura de

banda de 15 kHz correspondendo a um WRB de 180 kHz.

3.3.1.3. Definição de HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) A principal característica da interface Ar em LTE deve-se à utilização de HARQ que

corresponde à combinação do ARQ com um código que permite fazer com que o sistema

tenha uma maior robustez contra o fenómenos como o fast fading (desvanescimento rápido)

através da retransmissão, sendo um fenómeno que resulta da combinação de múltiplos sinais

que chegam ao receptor resultantes de reflexões ou difrações do sinal causado por obstáculos .

3.3.1.4. Canal Multipercurso

Para análise do link budget é necessário ter em conta a velocidade padrão de

deslocação dos terminais e também os perfis de multi-percurso resultantes das reflexões que o

sinal sofre ao longo do trajecto, variações estas que dependem da tipologia do ambiente:

urbano, suburbano ou rural.

3.3.1.5. Exemplo de Link Budget UL

De forma a, garantir os diferentes serviços necessários no limite de cobertura da

célula, o cálculo do MAPL recorre a um modelo de propagação caracterizado pelos

parâmetros correctivos K1 e K2, sendo definido pela Equação 3:

MAPLdB= Min (MAPL jdB = K1 + K2 log Rcell ¿¿ (3.8)



Tabela 3.0 – Exemplo de Cálculos para Múltiplos Serviços (Fonte: [7]).

Na Tabela 3.0 encontram-se alguns exemplos de cálculos para múltiplos serviços.

3.3.2. Estudo do Link Budget em DL para Planeamento Outdoor Macro Celular

O estudo do link budget em DL baseia-se nos seguintes factores (ver Figura 3.5) [58]:



Para potências de transmissão de um NodeB e cenários de deployment mais comuns,

normalmente utiliza-se uma potência de 23 dBm. Para verificar o desempenho do

sistema em DL é recomendado efectuarem-se simulações ao nível do sinal do sistema

com e sem MIMO;

Scheduler parameters – (Ex: tuning of the fairness of the proportional fair scheduler

algorithm) a disponibilidade de largura de banda (Ex: 10MHz vs 5MHz) são os

factores principais a ter em conta para se determinar o desempenho do sistema nos

limites de cobertura da célula em DL;

Os débitos de transmissão em DL são calculados para um nível de cobertura e também

terão que estar associados a serviços em UL;

São utilizadas técnicas geométricas para se efectuarem distribuições de sinal que

permitem determinar o SINR nos limites de cobertura da célula em PDSCH. Após

essa determinação é possível efectuar uma estimativa do throughput no mesmo ponto.

Figura 3.5 – Valores de Thoughput em DL

3.3.3. Geometria Se tivermos como pressuposto que todos os eNodeB transmitem com a mesma

potência, a geometria num determinado ponto específico onde se encontra o terminal, é

definida pela relação entre a potência total recebida nesse ponto, transmitida pelo eNodeB,

onde se encontra ligado e a potência recebida de todos os eNodeB adjacentes (ver Figura 3.6).



Figura 3.6 – Exemplo de Sinais de Transmissão que Contribuem para a Geometria em DL (Estação base Servidora a

Verde e a Vermelho as Estações Adjacentes)

A Equação 3.4 representa o cálculo da geometria num determinado ponto:

Geometria = Rx PowerSite Servidor/∑All

RxPower SiteAdjacente (3.9)

Por conseguinte, a geometria é influenciada pelo posicionamento relativo ás estações

adjacentes, grau de cobertura sobreposto, tipo de ambiente de propagação rádio, e ainda a

directividade das antenas do terminal e do eNB [58].

3.3.4. Modelos de Propagação

Consoante as bandas de frequências disponibilizadas pelo regulador, deverão ser

utilizados os modelos de propagação de Okumura-Hata [58], COST-231 Hata [58] e Modified

COST-231 Hata [58], consoante os seguintes critérios:

Para 700, 850 or 900 MHz - Okumura-Hata:

K1 = 69.55 + 26.16 x log10 (FMHz) - 13.82 x log10(Hb) - a(Hm) + Kc (3.10)



Cálculo de K1 (Okumura-Hata)

a(Hm) = (1.1 x log10(FMHz) - 0.7) x Hm - (1.56 x log10(FMHz) - 0.8) medium-sized

city

Cálculo de a (Hm) (Okumura-Hata)

K2 = 44.9 - 6.55*log10(Hb) (3.11)

Cálculo de K2 (Okumura-Hata)

Para AWS, 1.9GHz or 2.1GHz - COST-231 Hata:

K1 = 46.3 + 33.9 x log10 (FMHz) - 13.82 x log10 (Hb) - a (Hm) + Kc (3.12)

Cálculo de K1 (COST-231 Hata)

K2 = 44.9 - 6.55 x log10 (Hb) (3.13)

Cálculo de K2 (COST-231 Hata)

Para 2.6GHz - modified COST-231 Hata: (COST-231 Hata is limited to 1.5GHz to 2GHz)

Baseado em medida para frequências entre 2.5GHz a 3.5GHz:

K1 = 46.3 + 33.9 x log102000) + 20 x log10 (FMHz/2000) - 13.82 x log10 (Hb) - a

(Hm) + Kc

Cálculo de K1 (modified COST-231 Hata)

K2 = 44.9 - 6.55 x log10 (Hb) (3.14)

Cálculo de K2 (modified COST-231 Hata)

Em que:

O FMHz representa a frequência de operação em MHz;

Hb é a altura da antena do eNodeB em metros;

Hm é a altura da antena do terminal em metros (tipicamente é assumido 1.5m);



O factor de correcção Kc, é utilizado dependendo do tipo de ambiente (tipicamente

são utilizados valores calibrados de campanhas de testes já efectuados).

3.3.5. Área da Estação Com o recurso à ferramenta de planeamento, a qual já tem embebido, os modelos de

propagação, mapas morfológicos e topográficos, as características de cada estação base

(localização, altura e modelo das antenas), efectua-se o cálculo individual por estação (ver

Figura 3.7) e depois de toda a rede.

Figura 3.7 – Distância inter-estação e área da estação (Fonte: [7]).

A relação entre o alcance da célula e a área da estação para 3 sectores é definida pela Equação

12 – Cálculo área da:

Area do Site = 9√3/8 RservicosUL^2=1.95 R servicosUL^2 (3.15)

Equação 12 – Cálculo área da estação

Com base nestes cálculos, pode-se alterar o número de eNB necessários para cobrir uma

determinada área.

3.3.6. Capacidade da Interface Ar

A capacidade da rede LTE na interface ar deve ser quantificada segundo as seguintes métricas:

Capacidade VoIP > CVoIP (tipicamente definida em Erlangs);

Capacidade de Dados, CData (tipicamente definida em bps/Hz ou Mbps para uma

determinada largura de banda).

Tabela 3.1– Inputs e Outputs para o Dimensionamento da Capacidade do Interface Ar



Cobertura de saida Faixa da Celula Reutilização do site

Análise da Capacidade Configuração do eNobeB

LTE Bandwidth MIMO SCHEME Output Power

Transmissão Numero de Sites Informação da Rede

Informação do historico da Rede Frequência do LTE Largura de Banda maxima

do Lte Entradas de Trafego Numero de Subscrição Perfil do trafego da sub

3.3.6.1. Capacidade da Interface Ar no Uplink

Na Tabela 5 encontram-se os resultados do estudo efectuado à capacidade da Interface Ar

em UL para uma portadora LTE por sector, para larguras de banda de 5, 10 e 20 MHz para o

NGMN (Next Generation Mobile Networks), com mobilidade do terminal reduzida, ISD

(Inter-Site Distance) =1732 m e um cenário de cobertura limitado.

Os valores de capacidade são para cenários de tráfego apenas com um serviço. Neste

caso, assume-se que as capacidades apenas se aplicam à portadora que apenas suporta

tráfego de voz;

A capacidade de dados é uma média agregada dos débitos da interface Ar;

As capacidades apresentadas são para a implementação de estações com três sectores.

Tabela 3.2-Capacidade do Interface Air

Bandwith UL Config:Nom Voip AMR12.2Cvoip_UL

Spectral Efficienty Data,Cdata_UL

5 MHZ 2RxDiv 162Erl 0,61 bps/Hz 3.1Mbps10 MHZ 2RxDiv 324Erl 0,62 bps/Hz 6.2 Mbps20 MHZ 2RxDiv 648Erl 0,64 bps/Hz 12,7 Mbps5 MHZ 4RxDiv 208Erl 0,79 bps/Hz 3,9Mbps10 MHZ 4RxDiv 416Erl O,80 bps/Hz 8,0Mbps20 MHZ 4RxDiv 831Erl 0,82 bps/Hz 16,3 Mbps

3.3.6.2. Capacidade da Interface Ar no Downlink

Na Tabela 6 encontram-se os resultados do estudo da capacidade efectuado à interface

ar em DL para uma portadora LTE por sector, para larguras de banda de 5, 10 e 20 MHz para

o NGMN com mobilidade da terminal reduzida, ISD =1732 m e um cenário de cobertura

limitado. O estudo foi efectuado com as configurações SIMO 1x2 e MIMO 2x2.

Tabela 3.3 - Tabela do Interface Ar em LTE no Downlink



Bandwith UL Config:Nom Voip AMR12.2Cvoip_UL

Spectral Efficienty Data,Cdata_UL

5 MHZ SIMO 1×2 263Erl 1,33 bps/Hz 6,7Mbps10 MHZ SIMO 1×2 529Erl 1,36 bps/Hz 13,6 Mbps20 MHZ SIMO 1×2 1036Erl 1,36 bps/Hz 27,1 Mbps5 MHZ MIMO 2×2 273Erl 1,48 bps/Hz 7,4 Mbps10 MHZ MIMO 2×2 539Erl 1,48 bps/Hz 14,8 Mbps20 MHZ MIMO 2×2 1055Erl 1,48 bps/Hz 29,6 Mbps

O grau de serviço da interface ar para serviços de VoIP sobre o sistema LTE não está

definido tal como acontece no GSM e WCDMA, e por conseguinte, foram tidos em conta os

seguintes requisitos [17]:

O utilizador VoIP está sem serviço ou não satisfeito, se 98% da latência desse

utilizador for maior que 50 ms;

A capacidade do sistema é definida através do número de utilizadores na célula em que

pelos menos 98% dos mesmos está satisfeita.

Na Figura 3.8 está ilustrada a variação da capacidade de uma célula segundo a combinação do

serviço VoIP e dados, para três larguras de banda distintas 3, 5 e 10 MHz.

Figura 3.8 – Exemplo de Capacidade LTE (Fonte: [17]).



3.3.7. Modelos de Agregação de Tráfego

Os operadores de telecomunicações efectuam o dimensionamento das suas redes, de

forma a terem capacidade para suportar o tráfego gerado nas horas de pico (maior volume de

tráfego). Logo, o dimensionamento de uma rede deve ter em consideração as variações do

tráfego ao longo de todo o dia. No entanto, também não se pretende uma rede

sobredimensionada em que apenas se tem em consideração o pico máximo de tráfego para se

efectuar o dimensionamento. O que é pretendido é um dimensionamento baseado em

estatísticas de ganhos de serviço multiplexados resultantes das múltiplas fontes de tráfego,

introduzindo requisitos de grau de serviço (GoS), sendo esta a probabilidade de congestão.

Em LTE existem vários recursos que necessitam de ser dimensionados no eNB: a capacidade

da interface ar, a potência de transmissão total em DL, os recursos de banda de base (número

de conexões em simultâneo), as interfaces S1/X2 [19].

Em LTE, os recursos são partilhados entre diferentes classes de serviços e por

conseguinte, necessitam de critérios diferentes. O dimensionamento de recursos com diversos

tipos de serviços é difícil e complexo. Por exemplo, se apenas se efectuar a aplicação dos

modelos de Erlang-B ou Erlang-C, independentemente de cada serviço, e efectuar o

somatório dos resultados, não vai traduzir a partilha real dos recursos, até porque a maioria

dos serviços funcionará sobre comutação de pacotes. Como tal, são necessárias, algumas

regras para dimensionar o número de recursos necessários quando temos vários tipos de

serviços, sendo estas, designadas por Modelos de Agregação de Tráfego [19].

Figura 3.9 – Inputs e Outputs do Modelo de Agregação de Tráfego (Fonte: [19]).

3.3.7.1. Método Médio do Rácio dos Picos de Tráfego

Um método simples de agregação de tráfego que pode ser aplicado a um sistema com

multi-serviços é calculado através da média de rácios dos vários picos de tráfego. Este método

necessita de inputs de cada um dos tipos de serviço (N) e da agregação de tipo de fluxos de

serviços (STk) [19]:



mk - método do tráfego necessário por cada utilizador;

P2Ak - indicação do GoS, e refere quantos recursos estão aprovisionados para um

determinado tráfego agregado para uma amostragem com todos os utilizadores, e para

um determinado tipo de serviço;

Nk - quantidade de recursos para um tipo de serviço k.

A capacidade necessária para uma agregação de tráfego (CA) corresponde à quantidade de

recursos que permitam corresponder a um determinado grau de serviço, sendo cálculado pela

CA = ∑K=1

N

N k x mk x P 2 AK (3.16)

3.3.7.2. Aproximação Guassiana Assimétrica Para Agregação do Tráfego

O modelo de assimetria Gaussiana de Agregação de tráfego é um modelo que permite

o cálculo da capacidade de tráfego necessária para um determinado fluxo. Este cálculo é

baseado na agregação de tráfego que é gerado por diferentes fontes com diferentes

características para uma determinada probabilidade de overflow (capacidade requerida ser

inferior à capacidade disponível).

Assumindo um determinado fluxo de tráfego de tipo intermitente (On/Off), a

agregação desses fluxos resulta num fluxo de agregação onde o rácio gerado é caracterizado

por uma função de distribuição probabilística (pdf (x) = Rácio de probabilidade de agregação

do fluxo = x) [19].

Figura 3.9 – Esquema de Fluxo de Tráfego (Fonte: [19])

3.3.7.3. Extensão da Lei Erlang B de Mono-Serviços para Multi-Serviços

Os modelos clássicos Erlang-B e Erlang-C não satisfazem os requisitos de um

ambiente de multi-serviços. Assim, para os casos de multi-serviços foi criado um modelo de

extensão do Erlang-B que se designam por algoritmos de Knapsack e Kaufmann-Roberts.



3.3.7.4. Algoritmo Knapsack

O algoritmo Knapsack ou multi-serviço Erlang-B é uma extensão da lei Erlang-B

aplicada a vários serviços de voz que são originados na mesma fonte. Tendo conhecimento do

número total de recursos ou capacidade disponíveis, este modelo de cálculo a probabilidade

de bloqueio para cada serviço e a intensidade do tráfego prevista por cada serviço [19].

Figura 3.10 – Algoritmo Knapsack Inputs e Outputs (Fonte: [19])

Na Figura 3.13, pode-se observar um exemplo de variação da probabilidade de

bloqueio de um serviço (B1) em função da combinação de recursos necessários por dois

serviços (p1, p2) em que ambos partilham a mesma pool de recursos.

Figura 3.11 – Exemplo do Comportamento Knapsack (Fonte: [19])

É visível nas curvas 3D, que a combinação de dois serviços com diferentes

necessidades de recursos pode levar a um comportamento distinto, como por exemplo a

diminuição da probabilidade de bloqueio enquanto o tráfego (p1) aumenta.



3.3.7.4.1. Algoritmo Kaufman-Roberts

O algoritmo Knapsack requer a definição de todos os estados possíveis, e respectivas

combinações, além do cálculo de todas as probabilidades associadas. Este método é muito

intensivo em termos de cálculos, o que não é bem o que se pretende no dimensionamento de

uma rede, muito devido ao tempo que é necessário para efectuar o mesmo.

Ao contrário do algoritmo Knapsack, o algoritmo Kaufman-Roberts é um algoritmo

recursivo, o que possibilita o cálculo da probabilidade de bloqueio com baixa complexidade.

Este algoritmo calcula recursivamente o acumulado de probabilidades de cada estado em que

uma determinada quantidade de recursos está ocupado. Desta forma, é mais fácil e rápido,

efectuar os cálculos com ferramentas de dimensionamento.

3.4. Planeamento Rádio Frequência (RF) INDOOR

Planear uma rede de rádio indoor com pequenas células em edificios pode ser uma

tarefa extremamente complexa e difícil. Para além das questões técnicas, existem uma série de

questões legais, logísticas, e outros a considerar, desde o início. No entanto, a qualidade do

desenho da rede é a chave para criar uma solução indoor sustentável que esteja preparada para

albergar ao longo do tempo as gerações móveis. Em termos de arquitetura, o LTE introduz

novas preocupações e é mais complexo do que 2G ou 3G. Os requisitos de capacidade devem

ser cuidadosamente considerados, juntamente com o impacto da rede Outdoor. Para além

disso, características como as tecnologias MIMO e beam forming têm de ser tidos em conta,

bem como o planeamento end-to-end, integração e validação de redes IP e aplicações.

Para se efectuar um planeamento indoor deve-se ter em consideração o número de

utilizadores que se pretende que sejam servidos pela infra-estrutura a implementar. Após

termos a informação do número de utilizadores, devemos-nos focar na topologia do espaço

(número de andares, área coberta, área descoberta, zonas públicas e privadas) de forma, a

estabelecer uma solução dedicada nas áreas privadas e públicas. A distribuição do número de

utilizadores pelo espaço, e também a qualidade de experiência que o utilizador deverá ter, o

nível de cobertura e a capacidade esperada, são também inputs necessários para o desenho do

sistema.

3.4.1. Desenho da Rede

O desenho de rede de uma infra-estrutura indoor dever ter em consideração os pontos

discriminados em baixo, que são baseados em resultados experimentais e de muitos surveys

efectuados em edificios, de forma a melhorar a assertividade do planeamento de rádio indoor.



Os pontos a ter em consideração são os seguintes:

Identificação dos constragimentos da area de cobertura;

Modelo de trafego;

Impacto no desempenho do sistemas radio e capacidade de trafego;

Equipamento a utilizar;

Soluçoes a implementar e link budget;

Relatorio global da solução.

3.4.1.1. Objectivo de Cobertura

Num projecto de cobertura indoor um dos principais pontos a considerar é a gestão

correcta da interferência entre o ambiente indoor e o ambiente outdoor. Um projecto de

cobertura indoor é implementado, onde já existe uma cobertura outdoor, logo, a regra é não

afectar a qualidade da rede outdoor e a sua capacidade devido ao aumento da interferência nas

áreas outdoor causado pela introdução dum sistema indoor. Um sistema indoor com um eNB

dedicado não pode ser implementado sem um sistema distribuído de antenas DAS

(Distributed Antenna System Solution). O sistema DAS requer um planeamento com algum

cuidado para se efectuar a definição da localização e quantidade de antenas, passagem de

cabos e equipamentos passivos, como splitters e tappers, para a distribuição do sinal RF. A

implementação deste sistema é bastante demorada devido a complexidade que advém da

estrutura interna de um edifício.

Para uma cobertura eficaz e mitigação da interferência entre as coberturas indoor e

outdoor, é importante avaliar o sistema outdoor existente através de medidas de sinal e de

penetração do sistema indoor. Os valores de, RSRP (Reference Signal Received Power), da

cobertura outdoor envolvente ao sistema indoor, como os valores em frente das janelas dos

edifícios, devem ser tidos em conta para um bom planeamento indoor e uma coexistência dos

dois sistemas com qualidade.

Com base na informação RSRP, com as plantas do edifício e com as medidas indoor, é

possível determinar a melhor localização das antenas (localização nominal), de forma a, ter

por cada piso do edifício uma célula indoor best server, e no exterior do edificio uma célula

outdoor best server.

Os critérios de RF que suportam estas recomendações por tipologia estão discriminados

abaixo.



Para terceiros andares ou acima deve ter-se em consideração os seguintes pontos:

Garantia de uma cobertura com qualidade e uma boa capacidade em cada piso;

Garantia de um sinal com potencia sufiiente para cumprir oseguinte requisito:

o RSRP da Celula Indoor = RSRP + 3dB da celula Outdoor:

Para o Rés-do-chão, primeiro e segundo pisos, devemos ter em consideração dois cenários de

cobertura Outdoor:

Cenário 1: Lacuna de Cobertura (buraco) ou cobertura deficiente do sistema outdoor

RSRP célula Macro ≤ -120dBm;

Não existe nenhum problema específico em ter uma lacuna de cobertura, pois o

sistema indoor consegue efectuar a cobertura de parte da rua com melhor qualidade do

que sistema outdoor. O RSRP para o sistema indoor deve ser maior do que -95 dBm

dentro do edifíco e à frente da janela.

Cenário 2 : Boa cobertura do sistema outdoor

RSRP célula macro > -110 dBm;

RSRP célula macro = -95 dBm.

Estes pressupostos acima descritos, servem para definir a célula indoor best server, e a

mesma não interferir com o sistema outdoor que se encontra no exterior do edifício. A Tabela

3.3 refere os valores a serem considerados para as distâncias a cumprir para instalação das

antenas.

Tabela 3.4- Distância mínima para a posição da Antena

Referência do sinal EIRP sobre toda a banda -15dB -10dBm -5dBm 0dBmA distância da Janela ou entrada mais proxima 10m 20m 30m 50mA distancia da parede mais proximo 0m 0m 5m 20m

3.4.1.2. Equipamentos

Os equipamentos tipos a utilizador numa implementação de uma cobertura indoor estão

listados abaixo, em que as quantidades terão que ser definidas e ajustadas conforme o

planeamento/dimensionamento de radio.

Equipamento Multi-Standard;

Antenas;

Splitters;

Tappers;

“Cabo coaxial 7/8” (valor dependente da localização da sala tecnica, antenas e calhas

tecnicas);



Cabo coaxial de ½”

Fibra Optica.



Capítulo IV

Estudo de Caso

Capítulo IV-Estudo de Caso

4. Estudo de Caso



O estudo de caso realizado neste capítulo, mostra a implementação de um projecto que

consiste no dimensionamento de cobertura e capacidade de uma rede de acesso sem fio para

prover serviços de banda larga móvel em uma região da Provincia de Luanda, com área de

aproximadamente cobertura 45Km2 numa zona urbana atraves de 12 Enode-B 3-Sector

(Trisectorizada). O objectivo principal deste capítulo é efectuar um planeamento teórico de cobertura

outdoor e indoor para a tecnologia LTE.

4.1 Planeamento OutdoorDurante o processo de planeamento, e necessário estipular algumas fases de processamento

(ver Figura).



acao

tros

Figura 4.1 - Fases de Processamento no Planeamento de uma Rede Móvel


Requisitos de Cobertura Rádio

Área de Cobertura Espectro Rádio Estacões Base

Existente

Requisitos do Tráfego Rádio

Planeamento do tráfego

Serviço Utilizadores

Parâmetros de Rádio

Elementos de Rede Parâmetros

Link Budget

Configuração Número de Estações

Bases Cobertura de

Rádio/Capacidade

Modelo de Propagação

Calibração da ferramenta Radio

Análise de Cobertura e Desempenho

Identificação de medidas de Optimização

Colecta de Medidas e Pós-Processamento

Monitoramento de Indicadores Radio

Inputs Fases Outputs

Desenho de Rede Rádio Global

Desenho de Rede Rádio Detalhada

Optimização da Rede Rádio


Figura 4.2 – Esquema da rede



Tabela 4.1 – Caracteristica da rede

Caracteristica da Area

Subscritores Lte = 20,000 Area Urbana = 9Km2

Requisitos da Rede

Cell Edge Throughput -Uplink= 500kbps -Downlink = 10Mbps A probablidade de cobertura é 95%

Perfil de Trafico de Subscritores

Channel Model: EVA5 Monthly data upload: 1 GB Monthly data download: 5 GB

Detalhes da Rede

RBS(Enode-Bs) Power = 60 w EU o/p Power= 23 dBm Canal de Largura de banda = 20 MHz Banda Frequencia = 2600 MHz

Vamos usar processo de dimensionamento de LTE para calcular o número de eNodeBs

necessitada para cobrir a mesma área com os requisitos de rede LTE a tabela 5.1

As seguintes suposições podem ser feitas sobre esta rede:

E-UTRA banda 7 (2,6 GHz) com largura de banda de 20 MHz canal.;

ASCs são usados com 40W de potência no ponto de referência;

Ganho de antena de estação base é 18.5 dB • UE antena ganho 0 dBi;

Downlink carga de sistema média é 50%, desde que esta área já está coberto por

12Enode-B de 3-setor sites, ou (3 X 12) 36 células, esta seria uma boa escolha para a

contagem inicial do site. Desde que há 20.000 assinantes e 36 células, isto significa

que haverá 20.000/36 = 556 assinantes por célula.

4.2 Cálculo da Quantidade de Estações Necessárias para Cobertura

A máxima perda de propagação permitida ao longo do caminho (L) calculada na seção 2.1

(tabela 2.5), conforme configuração adotada para o sistema celular foi utilizada na seção 2.2

para a determinação do raio máximo de cobertura de uma célula, resultado observado na

equação 2.2-A, que é de aproximadamente 1,3 Km.

A área para a qual se pretende prover o serviço celular neste trabalho é da ordem de 45 km2 e

através da equação 2.12-A, introduzida na seção 2.6 e repetida abaixo (equação 4.2 -A), pode-

se obter a área de cobertura de cada estação rádio base.



A= (3 ) √3 R2

2

A= (3 ) √3 (1,3 Km )2

2

a 4,4Km2

Sabendo que a região a ser atendida tem uma área de aproximadamente 45 Km2 , e que a área

de cobertura de uma célula é de 4,4 Km2 ,com a equação 4.2-4 encontramos a quantidade de

estações rádio base necessárias para prover a cobertura da região, ressaltando que o resultado

da equação deverá ser arredondado.

NºEstaçõesCobertura = ÀreaDeCobertura

ÁreaCelular

NºEstaçõesCobertura=45 Km2

4,4 Km2

NºEstaçõesCobertura≅ 10

4.3 Cálculo da Quantidade de Estações Necessárias para Capacidade

Para o dimensionamento da quantidade de estações necessárias para capacidade, deve ser

levada em consideração qual o throughput médio que se espera oferecer na rede.

A melhor maneira para estimar o throughput celular é o mapeamento da distribuição da

relação sinal ruído ao longo da célula (SNR), que irá variar de acordo com os MCS

(Modulation and Coding Schemes) utilizados pelos usuários.

No LTE assumimos que para a cobertura o limite é o uplink, fato comprovado anteriormente,

onde o Link Budget de Uplink indicou a máxima perda suportável pelo sistema, e a limitação

de capacidade é dada pelo downlink.

Desta forma, partindo do princípio que desejamos garantir um throughput médio da ordem de

25 Mbps na célula, ao utilizamos uma largura de banda de 20 MHz, com o auxilio das tabelas

2.16 e 2.25 chegamos à conclusão que o SNR a ser garantida é de 1,45 dB e que a modulação

e a taxa de código utilizada será a QPSK ¾.

Almejando a garantia de uma SNR igual ou superior a 1,45 dB, devemos determinar a área de

atuação das células limitadas ao raio de 1193 metros (tabela 2.25).



A= (3 ) √3 R2

2

A= (3 ) √3 (1,193 Km)2

2

a = 3,7Km2

Sabendo que a região a ser atendida tem uma área de aproximadamente 45 km2, e que a área

de cobertura de uma célula é de 3,7 km2, com a equação 2.3-4 encontramos a quantidade de

estações rádio base necessárias para prover a capacidade necessária na região, ressaltando que

o resultado da equação deverá ser arredondado.

NºEstaçõesCobertura = A ´ reaDeCobertura

ÁreaCelular

NºEstaçõesCobertura=45 Km2

3,7 Km2

NºEstaçõesCobertura≅ 12Com o resultado encontrado, podemos assegurar que com 12 estações rádio base somos

capazes de garantir a SNR de 1,45 dB no limite celular, desta forma, o usuário poderá usufruir

de throughputs que variam de acordo com a largura de banda utilizada pela rede celular

conforme valores demonstrados na tabela 4.2.

Tabela 4.2 – Throughput dimensionado para o limite celular com SNR de 1,45 dB

Largura de Banda Throughput (Mbps)

5MHz 6,31

10MHz 12,61

15MHz 18,92

20MHz 25,22

4.4 Projeto de Rede

A região a ser atendida pela rede celular se estende por uma área de aproximadamente 45

km2, a figura 4.3 apresenta esta área e seu relevo com a distribuição espacial das 12 estações

rádio base (eNodeBs) a serem utilizadas.



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

A marcação em forma de círculo observada na figura 4.3 representa a área de 45 km2 para a

qual se pretende oferecer a cobertura e serviço.

Na teoria, poderíamos distribuir as eNodeBs na região de forma eqüidistante umas das outras,

no entanto, em projetos reais deve-se, por exemplo, levar em consideração o reuso de

estruturas de estações existentes (utilizadas por outras tecnologias) de forma a reduzir a

poluição visual e os investimentos em novas estruturas. A figura 4.4 ilustra novamente a

distribuição das eNodeBs onde se pode observar também a concentração de edificações da

região.



Figura 4.4 – Área ser atendida pelo serviço de banda larga móvel

A altura de cada uma das eNodeBs varia de acordo com o local a ser utilizado e

também do reuso das estruturas existentes. Elas podem estar localizadas no alto de edifícios,

em terrenos próprios ou ainda aproveitar postes de avenidas.

A tabela 4.3 traz a informação da altura de cada uma das 12 eNodeBs configuradas para o

estudo.

Tabela 4.3 – Alturas adotadas para as eNodeBs utilizadas no estudo de caso

eNodeBs Altura (m)

1 37

2 27

3 38

4 50

5 54

6 33

7 33

8 20

9 30

10 38

11 30



12 30

Na fase de projeto, com o conhecimento dos serviços que se pretende oferecer e o

crescimento do número de clientes esperado ao longo dos anos pelo Marketing das

operadoras, a área de Engenharia de Rede deve analisar cuidadosamente os equipamentos

existentes no mercado e suas possibilidades de configuração e capacidade de gerenciamento, a

fim de certificar que os produtos atendem ou não aos requisitos de projeto.

Os equipamentos utilizados neste projeto apresentam as características informadas na tabela

4.4, considerando que o número de usuários se refere à soma de todos os usuários que

utilizam qualquer serviço em um dado momento.

Tabela 4.4 – Configurações dos equipamentos utilizados

Banda de Operação 2600 MHz

Faixa de DL 2620 MHz-2690 MHz

Faixa de UL 2500 MHz-2570 MHz

Max Taxa de Dados DL(Célula) 173 Mbps

Max Taxa de Dados UL(Célula) 56 Mbps

Número de Células Permitido 36

Usuários por eNodeB 556

Potência de Saida (Rádio) 6ow; 47 dBm

Observando a distribuição e a quantidade das estações radio base apresentadas na figura 4.4,

podemos fazer uma analogia e considerar que uma rede UMTS (3G) implementada nesta

mesma área de cobertura seria capaz de absorver simultaneamente cerca de 4.608 usuários,

384 usuários por estação rádio base, estando eles providos do subsistema HSDPA, onde taxas

de até 14.4 Mbps podem ser atingidas na teoria. Para chegar a estes números, consideramos

que, cada uma das 12 estações rádio base UMTS estejam configuradas com duas portadoras

de 5 MHz cada (36 células), e que cada célula

absorve até 64 usuários HSDPA. Além dos usuários atendidos pelo HSDPA teríamos também

a possibilidade de atendimento de outros usuários capazes de trafegar taxas de

dados menores em banda larga, da ordem de 384 Kbps, e ainda os usuários de voz.

A rede LTE proposta neste estudo, com 12 eNodeBs instaladas, fazendo uso do equipamento

e respectiva configuração da tabela 4.3, seria capaz de absorver até 20000 usuários (556



usuários por eNodeB), atendidos com capacidades de throughput celular da ordem de 100

Mbps, sem considerarmos a utilização de configurações MIMO, o que poderia elevar o

throughput a até 173 Mbps no caso de configurações MIMO 2x2, conforme cálculos da seção

2.3.

Ao longo do capítulo 2 realizamos inúmeros cálculos através de equações teóricas, com base

em premissas que foram adotadas para o projeto, que nos orientaram no dimensionamento de

cobertura e capacidade do tráfego de dados da rede LTE proposta.

Neste capítulo demonstraremos uma aproximação prática do que se pode esperar da rede LTE

dimensionada ao longo deste trabalho. Para tal, imagens obtidas com o auxilio de ferramentas

computacionais de predição irão ilustrar os resultados obtidos nos cálculos das seções

anteriores.

Tabela 4.5 – Sensibilidade Requerida na Recepção pela estação móvel

Sensibilidade Requerida Recepção-5 MHz -98 dBm


Sensibilidade Requerida Recepção-15 MHz -93,2 dBm


Na seção 2.1 realizamos o Link Budget do sistema (uplink e downlink), e para o Link Budget

de Downlink o valor de -92 dBm foi adotado como a sensibilidade requerida pela estação

móvel, com base na especificação da Série 36101 da 3GPP [13]. A tabela 4.4 refere-se aos

valores requeridos por cada largura de banda adotada.

O valor de -92 dBm foi adotado, pois representará a máxima perda de propagação (L)

possível para o Link Budget de Downlink, sendo que ao garantirmos este nível de sinal na

cobertura do sistema, para qualquer que seja a largura de banda adotada, a cobertura

continuará existindo em níveis aceitáveis e em condições de oferecer os serviços aos usuários.



Max Min

0 dBm -60 dBm-60 dBm -70 dBm-70 dBm -80 dBm-80 dBm -92 dBm-92 dBm -100dBm

Figura 4.5 – Intensidade do Sinal na área de cobertura (RSCP).

A figura 4.5 apresenta o nível RSCP (Received Signal Code Power) distribuído na região de

cobertura, onde se pode observar que em praticamente toda a área na qual se pretende

oferecer serviço móvel, ao menos o sinal de -92 dBm está garantido.

Decorrente das configurações que resultaram os resultados da figura 4.5, pode-se analisar

outro resultado que é a figura 4.6. Nesta figura estão ilustrados em cores diferentes qual o

setor se apresenta, para uma respectiva área, como o melhor servidor entre as 12 eNodeBs que

provêem a cobertura da região.



Figura 4.6 – Ilustração da distribuição das eNodeBs na área a ser atendida

O melhor servidor representa qual o setor que está em melhores condições para prover os

serviços aos usuários que estão distribuídos ao longo da área de cobertura.

Quando nos referimos às melhores condições, levamos em consideração alguns itens tais

como: nível de sinal, ruído, interferência entre outros, que juntos determinarão a capacidade

do canal utilizado para transmitir dados aos usuários.

Ao longo da seção 2.7 determinamos o raio de atuação de cada MCS (Modulation and Coding

Schemes) que poderá ser utilizada pelos usuários distribuídos na área de cobertura através do

SNR requerido por cada modulação e taxa de código. Desta forma, chegamos aos raios

máximos de modulação e respectivo throughput de cada MCS.

Tabela 4.6 – Raio de atuação das Modulações e respectivas taxas de códigos e throughput celular para largura de banda de 20

MHz.

Modulação Taxa de Codigos Throughput(Mbps) SNR(db) Raio(m)

QPSK 1/2 16,81 -1,02 1343

QPSK 3/4 25,22 1,45 1193

16 QAM 1/2 33,63 3,44 1084

16 QAM 3/4 50,44 6,76 924



64 QAM 1/2 50,44 6,76 924

64 QAM 2/3 67,26 9,68 804

64 QAM 3/4 75,67 11,06 752

64 QAM 5/6 84,07 12,41 705

Tabela 4.5 – Raio de atuação das Modulações e respectivas taxas de códigos ethroughput celular para largura de banda de 20 MHz.

A tabela 4.5 traz esta informação considerando um exemplo onde a configuração da largura

de banda é de 20 MHz.

64 QAM 16 QAM QPSK

Figura 4.7 – Área de atuação das modulações 64 QAM, 16 QAM e QPSK

Na seção 2.3 calculamos a quantidade de eNodeBs necessárias por capacidade (throughput

celular requerido) e chegamos ao resultado de que 12 eNodeBs seriam suficientes para prover



ao longo dos 45 km2 um throughput celular mínimo da ordem de 25 Mbps, considerando uma

largura de banda de 20 MHz, valor obtido com a modulação QPSK e taxa de código ¾.

Analisando o resultado ilustrado na figura 4.7, observamos que praticamente toda a área de

cobertura está atendida com as modulações mais altas, 64 QAM e 16 QAM, e que na borda da

área de cobertura, assim como desejado, ao menos a modulação QPSK se faz presente.

A figura 4.8 ilustra a variação do Ec/Io do sistema em questão, que é a informação da taxa de

chip em relação à interferência do sistema, e é utilizada como medida do desempenho do

canal rádio.

Max Min

0 dBm -60 dBm-60 dBm -70 dBm-70 dBm -80 dBm-80 dBm -92 dBm-92 dBm -100dBm

Figura 4.8 – Relação Ec/Io



A relação Ec/Io varia de acordo com a quantidade de usuários presentes no sistema em um

determinado momento, com a taxa de dados que está sendo requerida por cada usuário e

também conforme sua localização ao longo da área de cobertura. Variando-se os fatores

citados, a interferência no sistema irá se alterar, diminuindo ou aumentando, fazendo com que

os resultando de Ec/Io também venham a variar.

Conforme mencionado, podemos ter inúmeros resultados de Ec/Io variando-se, por exemplo,

a quantidade de usuários. Para o exemplo demonstrado na figura 4.8, consideramos 5.000

usuários distribuídos ao longo da área de serviço.

A distribuição dos usuários foi realizada empregando-se o método de Monte Carlo (presente

na ferramenta de predição de cobertura utilizada). Este método estatístico é utilizado em

simulações estocásticas e envolve a geração de observações, através de vários experimentos,

de alguma distribuição de probabilidade e o uso da amostra obtida para aproximar a função de

interesse.

4.5 PLANEAMENTO INDOORO planeamento indoor que se pretende alcançar será a cobertura do piso 0 da empresa

ETELECOM S.A esperada a circulação de um grande número de pessoas, exige-se um nível

de sinal de rádio (cobertura) mais elevado e uma atribuição de recursos que suportem a

satisfação dos utilizadores (capacidade).

A abordagem ao planeamento será feita tendo em conta a planta interna do edificio e da

dimensão do piso e da estrutura do edifício a qual pode ter um enorme impacto no

planeamento da rede de rádio.

A superfície da empresa para este planeamento é constituída por 1 piso, com as seguintes

características:

Piso 0: área de escritório;

Área coberta: 1200 m2;

Morfologia: Moderado denso (Espaço de escritórios, com 50%; de vidros duplos termicos,

pladur, aberto, vidro, salas e auditórios acústicos. Na Figura 49 é possível visualizar a

localização da estação base LTE (provisória), que está sediada No municipio de Belas, mais

específicamente no Talatona junto as torres Belas Bussines Park, Luanda, nas instalações da

empresa ETELECOM S.A.



Esta estação Base é constituida por uma célula indoor com duas antenas, tendo como

objectivo de cobertura o piso 0.

Figura 4.9 - Localização do Edifício da ETELECOM S.A

4.6 Calibração do Modelo Propagação A dificuldade de um planeamento indoor está na compreensão da influência dos obstáculos

(paredes, vidros, portas, escritórios, tectos falsos) no ambiente de propagação, de forma a

verificar quais os obstáculos que contribuem para a diminuição do seu nivel de sinal.

Para este estudo, não existe calibração do modelo de propagação, porque para o ambiente

indoor é necessário ter uma ferramenta de planeamento específica devido ao facto que, a

mesma vai ter em consideração a planta do edificio, os tipos de materiais e as suas perdas /

atenuações associadas. A ferramenta ALU para esse efeito é designada por IBwave mas, não

foi disponibilizada durante o desenvolvimento desta Tese. Assim sendo, apenas se efectuou

um link budget para um ambiente moderadamente denso com as caracteristicas descritas

acima (3.3.1). É de salientar que os factores de atenuação variam mediante os ambientes

(escritório, hospital, centros de conferência, auditórios, centros comerciais) e respectivos

valores de atenuação das paredes para estes ambientes. É de referir também que, as

características dos respectivos ambientes, podem variar devido à morfologia e local. Os

valores típicos de atenuação e propagação devem ser qualificados como uma aproximação

razoável e utilizados quando não existem dados específicos do ambiente de propagação.

4.7 Link Budget Indoor O link budget realizado para a cobertuta indoor será em modo FDD, na banda de frequências

dos 2600 MHz e com uma largura de banda de 20 MHz, e capacidade 100 RB. No

planeamento indoor também é necessário termos em consideração o sistema de distribuição



de antenas (DAS). Na Tabela 4.7 é apresentada a lista de equipamento e material a utilizar

com os principais parâmetros.

Tabela 4.7 – Equipamento, materiais, ganhos e perdas.

Quantidade

Equipamento Unidade Refência Un Total Ganhos/Perdas

Equipamento dBm ALU 1 1 0

LTE Node B m 10 10 0

FO-Fibra Optica desde o eNodeB ao RRH

dBm ALU 1 1 46

LTE RRH

DAS m LDF4RN-50A 30 30 -4

Cabo “Coaxial desde o RRH ao S1- Cabo 1/2” Andrew Fire Retardant

un 860 10017 1 1 -2,96

Splitter S1(1:2)-Splitter kathrein fichas N-F de duas saidas

m FSJ4RN-50B 2 4 0,42112

Cabo Coaxial desde o S1 as antenas- Cabo de 1/2" superflexivel Andrew Fire Retardant

dBi 800 10137 1 2 2

LTE Antenas Indoor un F4PDMV2-C 3 3 -0,15

“Conectores- Ficha Andrew para cabo 1/2” tipo DIN 7-16

un L4PNM-RC 3 6 -0,15

Tabela 4.8 –Resumo de Parametros DAS

Cable & Connector Losses 7,5dB

Active / Hybrid Element Output Power 42 dBm

Na Tabela 4.9, é apresentada a informação de banda de frequências e parâmetros utilizados.

Tabela 4.9 – Banda de frequências e parâmetros

Frequencia band (MHz) 2600 MHz



FDD Band 7

TDD Band 38

UL Frequecy 2535,0 MHz

DL Frequecy 2655,0 MHz

FDD eNode-B Noise Figure 2,0 dB

TDD eNode-B Noise Figure 2,5 dB

UE Noise Figure 8,0 dB

Propagation Model Modelo Indoor Calibrado

Indoor Antenna Gain 2,0 dBi

Tabela 4.10 - Caracteristicas chave do LTE.

FDD Mode 1.4MHz 3MHz 5MHz 10MHz 15MHz 20MHz

Slot duration 0.5

Sub-frame duration 1 ms (=2slots)

Sub-carrier Spacing 15KHz(7.5KHz for MBMS)

Sampling frequency 1.92 MHz 3.84 MHz 7.68 MHz 15.36MHz 23.04 MHz 30.72 MHz

FFT Size 128 256 512 1024 1536 2048

Number of Sub-Carriers 72 180 300 600 900 1200

Number of Resource blocks 6 15 25 50 75 100

OFDM Symbols per slot 7(short CP), 6(long CP)

CP length 4.96s 6,5.21s1 (Short)/ 16.67s (Long)

Na Tabela 4.11, pode ser encontrado o sumário do link budget para uma morfologia moderada densa.

Tabela 4.11 - Sumário do link budget.



UL Cell Edge Rate Target PS 128

Cell Range for Rate Target 63 m

MAPL for Rate Target 116,0 dB

Number of Sites for Rate Target 1 Site/ 2 Sectores

DL Cell Edge Rate 4242 kbps

DL SINR -3,7 dB

Tabela 4.12 - Valores de UL Cell Range, UL MAPL, DL Throughput e DL SINR no Indoor.



Na Tabela 4.13 é apresentado um sumário com os parâmetros de UL e DL

Tabela 4.13 – Sumária dos Parâmetros de DL e UL

4.8 Planeamento de Cobertura A primeira etapa no planeamento de cobertura será a de decisão dos locais de colocação das

antenas, tendo como base a planta do edifício e os pontos especificos que se pretendem cobrir.

Na Figura 50 é apresentada a localização nominal proposta das antenas para alcançar o

objectivo pretendido.



Figura 4.10 - Localização das antenas

A segunda etapa será a simulação da rede através de um simulador calibrado para o efeito

com base nas localizações das antenas (este ponto não foi efectuado). O tipo de antena

seleccionada também terá impacto na área de cobertura. As antenas para grandes áreas abertas

devem ser omni-direcionais e apenas em áreas específicas se deve ter antenas de painel,

dependendo da cobertura e requisitos. Neste caso optou-se por antenas omni-direccionais.

Para se definir a localização de antenas efectuou-se um estudo de cobertura com base num

transmitter. Após a localização das antenas estarem definidas, a terceira etapa passa pela

definição de todos os equipamentos e antenas. Esta etapa pode ser verificada no capitulo3,

onde se apresenta o cálculo das perdas e ganhos do sistema e a potência estimada de

transmissão das antenas. As específicações técnicas destes equipamentos podem ser

encontradas nos anexos no final deste documento.

Para se ter uma visão global da solução, efectuou-se um diagrama da solução técnica e um

diagrama de blocos que podem ser vistos na Figura 4.11 e Figura 4.12, respectivamente.



Figura 4.11 - Solução Técnica

Figura 4.12 – Diagrama de Blocos

4.9 Medidas Colectadas Para efectuar os ensaios e de forma a constatar a necessidade de efectuar alterações ao

planeamento inicial, foi utilizado um móvel na frequência de 2600 MHz e duas antenas

emissoras omnidireccional.



4.13- Mapas de Cobertura RSSI

Na Figura 4.13, é possível verificar que existe uma zona de níveis mais baixos, sendo estes

valores devidos à existência de uma sala de reuniões fechada que cria esta diminuição de

cobertura. No entanto, e visto tratar-se de um ambiente indoor controlado, não existe a

necessidade de aumentar o reforço de cobertura inicialmente previsto.

Figura 4.14 – Mapa de Cobertura SINR.

No seguimento da análise da Figura 4.13 e da Figura 4.14 é possível concluir que apesar de

existirem algumas amostras com níveis mais baixos, não existem grandes alterações ao nível

do SINR.



Os ensaios efectuados pelo móvel mostram que os niveis de sinal estão maioritariamente

acima de -70 dBm e os niveis de qualidade acima de 25 dB. Sendo assim, não se prevê a

necessidade de adição ou remoção de equipamentos/materiais.



ConclusõesAs tecnologias de comunicações móveis existentes e empregadas pelas operadoras na

atualidade foram desenvolvidas e preparadas desde o inicio para operar no modo CS (Circuit

Switched), eficiente quando tratamos do tráfego de voz, mas não para o tráfego de dados,

assim estas tecnologias foram sendo adaptadas ao longo dos anos para suportar o crescente

tráfego de dados.

Neste contexto, o LTE surge como uma tecnologia desenvolvida desde o inicio com a

concepção de absorver o tráfego de dados, e irá operar somente no modo PS (Packet

Switched), sendo a voz trafegada através de IP (Internet Protocol), VoIP (Voice Over Internet

Protocol).

Para que toda expectativa relacionada à capacidade e desempenho das redes LTE sejam

atendidos, um correto dimensionamento na fase de projeto deve ser realizado, a começar pela

área de atuação de cada eNodeB, decorrente do raio máximo de atuação de cada célula.

Utilizando o modelo de propagação SUI (Stanford University Interin), determinamos que o

raio máximo de cobertura de cada célula seria de 1,3 Km e para a área na qual se pretende

prover o serviço celular sendo de 45 km, chegamos ao resultado onde 10 eNodeBs

seriam suficientes para que a cobertura fosse atendida. No entanto, devido a capacidade do

tráfego de dados desejado na célula ser da ordem de 25 Mbps (considerando 20 MHz

como largura de banda), a área de atuação das células se tornou limitada ao raio de

1,193 Km, passando a necessitar 12 eNodeBs.

Sistemas celulares se baseiam no reuso de freqüências para obter da rede uma maior

capacidade e qualidade na área de cobertura. A configuração celular, com reuso de

freqüências para grupos de células adjacentes, gera uma interferência dentro do sistema

denominada de interferência co-canal.

De acordo com a literatura e com o 3GPP, existe uma forte tendência para que os sistemas

LTE adotem um fator de reuso de freqüências unitário, 1 = N, desta forma, verificamos que

ao adotarmos um fator de reuso 1 = N, os usuários da borda estariam atendidos com as

modulações QPSK ½ e QPSK ¾.

Outras possibilidades foram levadas em consideração para que a relação I S fosse melhorada,

e verificamos que utilizando a setorização tripla, com 1 = N os usuários na borda das células

estariam atendidos pelas modulações QPSK ½, ¾, 16 QAM ½, ¾ e pela modulação 64

QAM ½.



Considerando o fator de reuso 1 = N e setorização sêxtupla, os usuários na borda das

células estariam atendidos por todas as modulações do sistema, QPSK, 16 QAM e 64

QAM, com exceção da modulação 64 QAM com taxa de códigos 5/6.

Analisando os resultados percebemos que se pode utilizar o reuso unitário (1 = N) em

sistemas LTE sem que os usuários da borda estejam desprovidos de qualidade na cobertura.

No LTE, o principal indicador relacionado à capacidade é a distribuição da SNR ao longo da

célula. Neste trabalho optou-se pela determinação do SNR requerido para cada

modulação, e respectiva taxa de código através de cálculos considerando a equação de

Shannon-Hartley, pois não foi encontrado na literatura e nas especificações da 3GPP,

referências para cálculos dos níveis de projeto.

No Capítulo 4 realizamos um estudo de caso onde simulamos uma rede com 12

eNodeBs com fator de reuso unitário ( 1 = N ) e setorização tripla, e uma conclusão

importante do mesmo foi que as bordas das células apresentam uma SNR suficiente para

utilizar ao menos a modulação QPSK e tambem resolvemos o problemas de má cobertura

num edificio da empresa Etecom atraves de uma solução indoor. Em relação aos resultados

obtidos por medidas de campo à cobertura de rádio indoor no edificio na sede da Etelecom,

concluiu-se que, em relação ao nível de sinal recebido e qualidade, existem valores aceitavéis

de sinal nos corredores, junto as janelas, na zona de café, excepto na zona de salas que

possuem vidros duplos e protecção acústica onde efectivamente o sinal se deteriora. Numa

análise global, o sinal de potência varia entre os -50 e -70 dBm e o de qualidade entre os 15 e

25 dB. Estes resultados estão dentro de um intervalo que permite uma boa qualidade de

cobertura. Mais uma vez não existe um chamado valor referência mínimo óptimo de nível e

qualidade de serviço. Este valor deve ser considerado mediante estratégia de desenho e

parametrização da rede, caso a caso, e devido à necessidade de ajuste dos níveis de transição

indoor <->outdoor.

Verificamos que o throughput varia entre os valores de 8.4 Mbps (quando adotamos uma

largura de banda de 5 MHz e modulação QPSK) a 100,9 Mbps (com largura de banda de 20

MHz e modulação 64 QAM) sem considerar MIMO.

Taxas de dados maiores não serão atingidas devido ao limite que existe no canal de

transmissão, com a máxima taxa de dados sendo atingida com 6 bits (64 QAM) por

símbolo.

Esta Tese descreveu uma metodologia para o Planeamento de cobertura e capacidade

para sistemas LTE em ambientes outdoor e indoor, abordando temas como o link budget,



SNR requerido por modulação, raio de atuação celular, efeitos da interferência co-canal

e a capacidade do canal de transmissão.

Vale ressaltar que as redes LTE terão sua eficiência aproveitada ao máximo, quando

configurações que levam em consideração a utilização de bandas superiores a 10 MHz

forem utilizadas, trazendo um relevante avanço em relação ao UMTS, seja no HSPA ou

HSPA+.

Comparando-se os resultados encontrados com 5 MHz de banda, a mesma utilizada no

UMTS, notamos melhoras na taxa entregue ao usuário, da ordem de 20% maior em

comparação ao HSPA+ (considerando modulação de 64 QAM) e 75% maior em

comparação ao HSDPA, existente hoje no mercado Angolano.

Pelo que foi apresentando na presente Tese, pode-se afirmar que as Redes LTE trarão

grandes melhorias para o acesso em banda larga móvel, especialmente no que diz

respeito à qualidade do serviço e às taxas de transferência de dados.



RecomendaçõesComo próximos passos deve-se estudar a integração do sistema de cobertura móvel outdoor

com o conceito de cobertura contínua. O conceito de cobertura contínua é o de criar uma

cobertura global sem se ter perda de qualidade de serviço na passagem de um ambiente

outdoor para indoor ou vice-versa e durante as suas transições dentro dos próprios ambientes.

Com a evolução tecnológica, a integração da cobertura de um ambiente indoor com o

ambiente outdoor vai ser cada vez mais importante, sendo prova disso, o número de células

que não pára de aumentar e a necessidade de acesso a qualquer hora e em qualquer

lugar. Este será o grande desafio que os operadores móveis vão enfrentar num futuro

próximo, pois vão ter de se auto definir como um fornecedor de serviços de alta qualidade

que lhes permita atingir os seus objectivos com uma elevada relação entre custo e

benefício, de forma a aproveitar a infra-estrutura existente e de resolver a inerligação entre

ambientes indoor’s e outdoor’s sem se perder a qualidade de serviço exigida.

A forma de se poder dar uma resposta capaz a este desafio complexo é olhar para a cobertura

móvel numa perspectiva de soluções globais, desde a arquitectura e desenho de rede até a

implementação das mesmas. Para, além disso, deve-se ter em consideração a

descomplexidade da arquitecura LTE, a interoperabilidade com 2G e 3G, as técnicas MIMO e

bean forming, o planeamento E2E e as redes IP e respectivas aplicações, em que por último é

sempre preciso ter atenção à introdução de small cells.

As small cells podem ser picocells ou femtocells que utilizam espectro de rádio licenciado,

com raio de cobertura pequeno e uma oferta de alta capacidade, servindo apenas um número

menor de utilizadores do que as típicas macro-células. Estas células são usadas normalmente

para proporcionar um aumento de capacidade de uma cobertura indoor ou outdoor, em

complemento a uma cobertura de uma macro-célula que estará numa camada acima à das

small cells e metro cells (femto em ambiente outdoor, Light Radio).



Anexos



Anexo A MIMO

MIMO

O sistema LTE promete elevados débitos binários, na ordem das centenas de megabits por

segundo, o que representa um aumento substancial face aos débitos binários oferecidos pelos

sistemas 3G actuais (na ordem das dezenas de megabits por segundo). Trata-se de uma

proposta desafiante uma vez que as redes móveis estão sujeitas a interferência, multi-percurso

e canais com baixas características de propagação, o que limita o débito binário. As técnicas

de MIMO emergiram como solução para fornecer melhores débitos binários explorando as

características de multi-percurso dos canais móveis. Isto é realizado através da utilização de

diversas antenas para transmissão (Tx) e recepção (Rx) dos sinais, o que reforça a dimensão

espacial resultante da utilização de múltiplas antenas distribuídas espacialmente (daí o termo

Multiple Input Multiple Output – MIMO). Quando os sinais são combinados correctamente no

receptor, a qualidade do sinal ou o débito binário para cada utilizador de MIMO será

melhorado. Neste anexo fala-se sobre esta tecnologia e sobre os diferentes modos que

existem.

Uma das tecnologias fundamentais introduzidas juntamente com a primeira versão do LTE

(Release 8) foi o Multiple Input Multiple Output (MIMO) incluindo multiplexação espacial,

bem como pré-codificação e diversidade de transmissão. O princípio básico da multiplexação

espacial baseia-se em enviar sinais de duas ou mais antenas diferentes com fluxos de dados

diferentes e, por meio de processamento do sinal no receptor, separar esses fluxos de dados

aumentando assim o débito binário de pico por um factor de 2 (ou 4 para uma configuração

MIMO 4x4). Na pré-codificação os sinais transmitidos pelas diferentes antenas são

ponderados de modo a maximizar o SNR recebido. A diversidade de transmissão depende do

envio do sinal codificado a partir de várias antenas, de forma a explorar os ganhos do

desvanecimento entre as mesmas. A utilização do MIMO já tinha sido incluída nas

especificações do WCDMA, [25], mas funcionava de forma ligeiramente diferente da do

LTE. A natureza do OFDMA é bastante adequada para a operação de MIMO, uma vez que a

operação de MIMO requer um SNR razoavelmente elevado e com um sistema OFDMA pode

beneficiar-se do alto SNR que é atingido localmente (no domínio do tempo e da frequência).



Na Figura A.1 é apresentado o princípio MIMO, onde os diferentes fluxos de dados são

alimentados pela operação de pré-codificação e, em seguida, partem para o mapeamento e

geração do sinal OFDMA, [1].

Figura A.1 – Princípio MIMO para uma configuração de duas antenas de emissão e de recepção. [1]

Os símbolos de referência activam o receptor para separar as diferentes antenas umas das

outras. Para evitar que a transmissão de outra antena corrompa a estimação do canal

necessária para separar os fluxos MIMO, é preciso ter recursos de símbolos de referência

utilizados por cada uma das antenas de transmissão. Este princípio é apresentado na Figura

A.2, onde os símbolos de referência e os elementos de recursos vazios são mapeados para

alternar entre as antenas. Este princípio também pode ser estendido para cobrir mais de duas

antenas, sendo que na Release 8 do LTE é possível utilizar até 4 antenas. Conforme o número

de antenas aumenta, o SNR necessário também aumenta, assim como a complexidade entre o

transmissor e o receptor e a sobrecarga de símbolos de referência, [1]. Até o UL no LTE

suporta a tecnologia MIMO. Enquanto o UE utiliza apenas uma antena de transmissão, o

débito binário do SU não pode ser aumentado com MIMO. O nível máximo do débito binário

da célula pode ser o dobro, no entanto, isso apenas é possível com a atribuição de dois UE’s

com sinais de referência ortogonais. Assim, a transmissão do eNodeB é tratada como uma

transmissão MIMO, como é possível ver na Figura A.3, e o fluxo de dados é separado com

processamento do receptor MIMO.



Figura A.2 – Símbolos de Referência OFDMA para suportar duas antenas de transmissão do eNodeB. [1]

Figura A.3 – Princípio MIMO para múltiplos utilizadores, com UE's de apenas uma antena de transmissão. [1]

Outro factor preponderante no desempenho do MIMO é o número de “camadas espaciais”

(“spatial layers”) do canal móvel, o que determina a capacidade de melhorar a eficiência

espectral. As camadas espaciais formam-se fora do ambiente de multi-percurso e dispersão,

entre os transmissores e os receptores. Outro factor é o número de antenas de transmissão e de

recepção. O aumento do débito binário de um sistema MIMO é linearmente proporcional ao



número mínimo de antenas de transmissão e recepção sujeitas ao limite do “rank” da

estimativa de propagação do canal. O rank é a medida do número independente de camadas

espaciais. Ou seja, um sistema MIMO com 4 antenas de transmissão (4Tx) e 2 antenas de

recepção (2Rx) oferece o dobro do débito binário [i.e., min(4,2) = 2] uma vez que existem

duas camadas espaciais (rank = 2) no canal móvel. Em condições de linha de vista, o rank da

matriz do canal é igual a um; portanto, mesmo com 4 antenas não é possível aumentar a

eficiência espectral do canal, [45].

Modos MIMO

Estão definidos sete modos MIMO para o DL no LTE, Release 8, [45].

Modo 1 – Single-antena Port; Port 0: É análogo aos sistemas actuais de comunicações

móveis, onde um único fluxo de dados (palavra de código) é transmitido por uma única

antena e recebido, ou por uma antena (SISO: Single Input Single Output), ou por mais antenas

(SIMO: Single Input Multiple Output). Na Figura A.4 é possível ver os sistemas de acesso de

múltiplas antenas nas modernas redes de comunicação móveis.

Figura A.4 – Sistemas de Acesso de Múltiplas Antenas. [45]

Modo 2 – Transmit-Diversity: Este modo envolve transmitir o mesmo fluxo de informação

em múltiplas antenas (o LTE suporta a opção de uma, duas ou quatro antenas). O fluxo de

informação é codificado de forma diferente para cada antena utilizando “Space-Frequency

Block Codes” (SFBC). Ao contrário do “Space-Time Block Codes” de Alamouti, onde os

símbolos são repetidos no tempo, o SFBC repete os símbolos em diferentes sub-portadoras

em cada antena.

Este modo é utilizado no LTE por padrão para os canais comuns tal como para os canais de

controlo e de transmissão. Uma vez que se trata de uma “transmissão de camada única”, não

aumenta o débito binário. Por sua vez, a qualidade do sinal torna-se mais robusta e é

necessário um SINR mais baixo para descodificar o sinal.

Modo 3 – Open Loop Spatial Multiplexing (OL-SM): Neste modo são transmitidos dois

fluxos de informação (duas palavras de código) através de duas ou mais antenas (até 4 no



LTE). Não existe nenhuma informação de retorno por parte do equipamento do UE, no

entanto, uma Transmit Rank Indication (TRI) transmitida pelo UE é utilizada pelo eNodeB

para seleccionar o número de camadas espaciais.

Como são transmitidos múltiplas palavras de código, este modo oferece picos de throughput

muito melhores que o Modo 2. Também é mais fácil de implementar e considera-se que seja

um dos principais modos de MIMO a ser implementado nos sistemas de LTE.

Modo 4 – Closed Loop Spatial Multiplexing (CL-SM): Tal como no Modo 3, são

transmitidos dois fluxos de informação através de duas palavras de código a partir de N

antenas (até 4). A diferença é o PMI, que é uma informação de retorno do UE para o eNodeB.

Este mecanismo de informação de retorno permite ao transmissor pré-codificar os dados de

forma a optimizar a transmissão pelo canal móvel, tornando mais fácil a separação dos sinais

no receptor até chegar ao fluxo original. Espera-se que este seja o modo de maior desempenho

do MIMO no LTE.

Modo 5 – Multi-User MIMO: Este modo é semelhante ao CL-SM mas os fluxos de

informação são direccionados para UE’s diferentes. Ou seja, múltiplos utilizadores partilham

os mesmos recursos. Enquanto cada utilizador experiencia o mesmo débito binário, o débito

binário global da rede é melhorado. É espectável que na prática sejam utilizadas matrizes

lineares de antenas para este modo, ao contrário das múltiplas antenas distribuídas

espacialmente.

O número de utilizadores é limitado pelo número de camadas: o limite é um utilizador por

cada camada espacial. Os utilizadores são separados no domínio espacial e podem não ser

correlacionados devido a padrões individuais de beamforming. No caso de as camadas não

serem completamente ortogonais, cada utilizador irá ter interferência dos outros utilizadores.

Este modo é geralmente interessante quando as redes de LTE estiverem bastante carregadas e

não se espera que seja uma das principais características em implementações iniciais.

Modo 6 – Closed Loop Rank 1 com pré-codificação: Neste modo uma única palavra de

código é transmitida por uma única camada espacial. Muitos consideram que é um retorno ao

Modo 4 e tem sido associado ao beamforming.

Modo 7 – Single-antenna port; Port 5: Trata-se de um modo de beamforming onde uma

única palavra de código é transmitida numa única camada espacial. Um sinal de referência

dedicado origina uma porta de antena adicional (Port 5) permitindo transmissões de mais de 4

antenas. O UE estima a qualidade do canal a partir de sinais de referência comuns em antenas

1-4. É espectável a utilização de matrizes lineares de antenas neste modo.



Análise dos desempenhos dos diversos modos MIMO

Uma característica chave no MIMO é que o seu desempenho depende de vários factores tais

como o estado do canal móvel (p.e. dispersão baixa vs. alta), a qualidade do sinal (medida

pelo SINR), a velocidade do UE e a correlação dos sinais recebidos nas antenas receptoras.

Por esta razão, alguns modos MIMO serão mais eficientes que os outros dependendo destes

factores críticos. Isto gera a possibilidade de vários tipos de implementações práticas do

MIMO que poderiam diferenciar os produtos das diferentes marcas, [45].

Os benefícios dos Modos 3 e 4 são atingidos quando a qualidade do sinal recebido (medida

pelo SINR) é máxima (normalmente, para um SINR = 15 dB ou superior, quando a correlação

é baixa). No limite da célula, um sinal mais fraco e uma relação sinal-ruído maior reduz os

benefícios destes modos, no entanto, torna os Modos 2 e 6 mais atractivos. O Modo 2 também

é mais atractivo que os Modos 3 e 4 em ambientes onde a dispersão do sinal é baixa (p.e. em

zonas rurais). Uma forma de optimizar o sistema é ir alternando entre estes modos quando o

UE se afasta do centro da célula ou o ambiente de dispersão é alterado.

A velocidade do UE tem um forte impacto no Modo 4. Normalmente o Modo 4 oferece uma

eficiência espectral superior à do Modo 3, uma vez que é dada uma informação de retorno por

parte do receptor ao transmissor acerca dos parâmetros do canal e assim esses são utilizados

para codificar os fluxos de dados. No entanto, com o aumento da velocidade do UE, as

condições do canal mudam rapidamente e o Modo 4 perde as vantagens que tinha sobre o

Modo 3, sendo este último mais fácil de implementar. O Modo 2 também é robusto para

diferentes velocidades, no entanto, tem um melhor desempenho que o Modo 3 em ambientes

de baixa dispersão e para altos valores de SINR. Portanto, no caso de um veículo a andar a

alta velocidade numa auto-estrada com linha de vista para o eNodeB, o Modo 2 ofereceria a

melhor eficiência espectral enquanto o Modo 3 seria o mais adequado para um UE a alta

velocidade num ambiente rico em multi-percurso e com elevados valores de SINR.

Os Modos 3 e 4 têm um melhor desempenho quando os sinais têm um coeficiente de

correlação baixo. Com o aumento da correlação do sinal o desempenho destes modos diminui.

A correlação do sinal está relacionada com o ambiente de dispersão junto do eNodeB ou do

UE. Quanto maior for a dispersão do sinal, mais eficientes se tornam os Modos 3 e 4. É

espectável que os Modos 3 e 4 tenham o seu melhor desempenho em ambientes de alta

dispersão, onde o sinal recebido tem uma propagação angular relativamente elevada, tal como

em densas áreas urbanas, [45].



A baixa correlação dos sinais é também dependente da colocação das antenas. Quanto maior

for a distância entre as múltiplas antenas em cada transmissor e receptor, menor é a

correlação. Isto coloca algumas restrições no desenho dos terminais uma vez que o espaço é

muito limitado. As técnicas de beamforming são alternativas eficientes em ambientes de

elevada correlação onde os sinais têm uma propagação angular baixa, tal como em ambientes

rurais.

A Tabela A.1 resume a matriz de decisão para seleccionar os modos MIMO mais

aconselháveis para cada cenário. Com a variação do cenário e das características do canal

móvel, é possível adaptar-se dinamicamente entre certos modos.

Tabela A.1 – Matriz de Decisão para os Principais Modos MIMO no LTE. [45]

Modo Mimo Qualidade do Sinal (SINR)

Dispersao Velocidade Adaptacao Dinamica

Modo 2 Baixa Baixa Alta -------------

Modo 3 Alta Alta Alta Modo 2

Modo 4 Alta Alta Baixa Modo2 ou Modo 6

Modo6 Baixa Baixa Baixa Modo 2



Anexo B Adaptação da Ligação

Adaptação da Ligação

Em sistemas de comunicações móveis a qualidade do sinal recebido por um UE depende da

qualidade do canal da célula que o serve, do nível de interferência com outras células e do

nível de ruído. Para optimizar a capacidade e a cobertura do sistema para uma determinada

potência de transmissão, o transmissor deve tentar fazer coincidir a informação do débito

binário para cada utilizador com as variações da qualidade do sinal recebido (ver, por

exemplo, [36] e [47] e as referências citadas). A esta situação costuma chamar-se adaptação

da ligação e tipicamente baseia-se na Modulação e Codificação Adaptativa (AMC). Neste

anexo apresentam-se as formas de adaptação da ligação utilizadas pela rede LTE.

Os graus de liberdade da AMC consistem em esquemas de modulação e de codificação, [18]:

Esquema de modulação - A modulação de ordem inferior (i.e. poucos bits de dados por

símbolo de modulação, p.e. QPSK) é mais robusta e consegue tolerar maiores níveis de

interferência mas oferece um débito binário inferior. A modulação de ordem superior (i.e.

mais bits por símbolo de modulação, p.e. 64QAM) oferece um débito binário superior mas é

mais sujeita a erros devido à grande sensibilidade à interferência, ruído e erros de estimação

do canal; portanto, isto é útil quando o SINR é suficientemente alto.

Rácio de Código - Para uma dada modulação, o rácio de código pode ser escolhido

dependendo das condições da ligação de rádio. Um rácio de código pequeno pode ser

utilizado em canais com más condições e um rácio de código mais elevado nos casos onde

houver um SINR superior. A adaptação do rácio de código pode ser conseguida pela aplicação

de puncturing ou repetição na saída do código inicial.

Uma questão fundamental na concepção do esquema da AMC para o LTE era saber se todos

os blocos de recursos (RB’s) atribuídos a um utilizador numa sub-trama deveriam utilizar o

mesmo esquema de modulação e de codificação (MCS) ou se cada MCS deveria ser

dependente da frequência de cada sub-trama. Verificou-se que, normalmente, existe apenas

uma pequena melhoria no throughput proveniente do MCS dependente da frequência

comparativamente com o MCS com os RB’s normais na ausência de controlo de transmissão



de energia e, portanto, a sobrecarga do controlo de sinalização adicional associado ao MCS

dependente da frequência não é justificada. Por essa razão, no LTE, os débitos de codificação

do canal e de modulação são constantes ao longo dos recursos atribuídos na frequência, para

um determinado utilizador e a AMC e o escalonamento no domínio do tempo do canal

dependente são suportados. Para além disso, quando múltiplos blocos de transporte são

transmitidos para um utilizador numa determinada sub-trama utilizando vários fluxos MIMO,

cada bloco de transporte pode utilizar um MCS independente, [18].

No LTE um UE pode ser configurado para enviar informação acerca do Indicador da

Qualidade do Canal (CQI) de forma a auxiliar o eNodeB na selecção do MCS a utilizar

apropriado para a transmissão no DL. Essa informação do valor do CQI é derivada da

qualidade do sinal recebido, normalmente baseada em medições do sinal de referência do DL.

É importante realçar que, tal como acontecia no HSDPA (High-Speed Downlink Packet

Access), a informação do valor do CQI não é uma indicação directa do SINR no LTE. Em vez

disso, o UE informa qual é o maior MCS que pode descodificar com uma probabilidade de

taxa de erros de blocos transportados não superior a 10%. Assim, a informação recebida pelo

eNodeB leva em linha de conta as características do receptor do UE e não apenas a qualidade dos

canais rádio existentes. Desta forma, um UE que utilize algoritmos avançados de processamento de

sinal (p.e. utilizando técnicas de cancelamento de interferência) pode informar que tem uma qualidade

superior do canal e, dependendo das características de escalonamento do eNodeB, pode receber um

débito binário superior.

Um método simples através do qual um UE pode escolher um valor do CQI apropriado poderia ser

baseado num conjunto de Taxas de Erro de Bloco (BLER), como apresentado, a título de exemplo, na

Figura B.1. O UE poderia informar o valor do CQI correspondente ao MCS que garante uma BLER <

10-1 baseado na medição da qualidade do sinal recebido, [18].

Figura B.1 – BLER em função do SNR para diferentes esquemas de modulações e codificação. Da esquerda para a

direita, as curvar de exemplo corresponde a modulações QPSK, 16QAM e 64QAM, e rácios de código de 1/3, 1/2, 2/3 e

4/5. [18]



A lista de esquemas de modulação e rácios de código que podem ser sinalizados através de valores

do CQI é apresentada na Tabela B.1.

Tabela B.1 – Tabela de CQI's. [18]

CQI MODULACAO RACIO DE CODIGO BITS/SIMBOLO

0 OUT OF RANGE ---------- --------

1 QPSK 0,076 0,1523

2 QPSK 0,120 0,2344

3 QPSK 0,190 0,3770

4 QPSK 0,300 0,6016

5 QPSK 0,440 0,8770

6 QPSK 0,590 1,1758

7 16QAM 0,370 1,4766

8 16QAM 0,480 1,9141

9 16QAM 0,600 2,4063

10 64QAM 0,450 2,7305

11 64QAM 0,550 3,3223

12 64QAM 0,650 3,9023

13 64QAM 0,750 4,5234

14 64QAM 0,850 5,1152

15 64QAM 0,930 5,5547

A AMC pode explorar a informação de retorno do UE assumindo que o desvanecimento do

canal é suficientemente lento. Isto exige que o tempo de coerência do canal seja pelo menos

tão longo como o tempo entre a medição do UE dos sinais de referência para o DL e a sub-

trama contendo a transmissão adaptada do DL correspondente no Canal Físico Partilhado da

Ligação Descendente (PDSCH). Este tempo é normalmente de 7-8 ms (para um UE a uma

velocidade constante de 16 km/h, à frequência de 1,9 GHz).

No entanto, existe um compromisso entre a quantidade de informação enviada do valor do

CQI pelo UE e a precisão com que a AMC pode fazer coincidir as condições existentes. Com

informação frequente acerca dos valores do CQI ao longo do tempo, existe a possibilidade de



uma melhor adequação às variações do canal e da interferência, enquanto uma fina resolução

no domínio da frequência permite uma melhor exploração de escalonamentos deste tipo.

Contudo, ambos levam a um aumento da sobrecarga da informação de retorno no UL. Por

essa razão, o eNodeB pode configurar tanto a actualização da taxa no domínio do tempo como

a resolução no domínio da frequência dos valores do CQI, tal como será indicado de seguida,

[18].

Informação de Retorno do valor do CQI no LTE

O eNodeB controla tanto a periodicidade como a frequência de resolução a serem utilizadas

pelo UE para enviar a informação do valor do CQI. No domínio do tempo, são suportados

envios periódicos e aperiódicos do valor do CQI. O Canal Físico de Controlo da Ligação

Ascendente (PUCCH) é utilizado apenas para o envio periódico de informação do valor de

CQI; o Canal Físico Partilhado da Ligação Ascendente (PUSCH) é utilizado para o envio

aperiódico de informação do valor do CQI, através do qual o eNodeB instrui especificamente

o UE a enviar a informação individual do valor do CQI incorporada num recurso que está

escalonado para transmissões de dados no UL.

A granularidade da frequência do envio de informação do valor do CQI é determinada pela definição

do número de sub-bandas (N), cada uma composta por k Blocos de Recursos Físicos (PRB’s)

contíguos. O valor k depende do tipo do CQI relatado considerado. Para cada caso, o número de sub-

bandas preenche toda a largura de banda do sistema e é dado por N=⌈N RB

DL

K⌉ , ondeN RB

DL é o número

de RB’s em toda a largura de banda do sistema. Os modos de envio de informação do valor de CQI

podem ser Wideband CQI, eNodeB-configured sub-band feedback, ou UE-selected sub-band

feedback. Estes modos são explicados detalhadamente de seguida. Além disso, para o caso de

múltiplas antenas de transmissão no eNodeB, o valor do CQI pode ser enviado por uma segunda

palavra de código.

Para alguns modos de transmissão no canal descendente é também transmitida pelo UE uma

informação de retorno adicional de sinalização composta por Indicadores de Matriz Pré-

Codificados (PMI) e Indicação do Rank (RI), [18].

Envio de informação do valor do CQI de forma aperiódica

Os envios aperiódicos de informação do valor do CQI no PUSCH são escalonados pelo

eNodeB colocando um bit de pedido do valor CQI num recurso concedido no UL e enviado

pelo PDCCH.



O tipo de envio de informação do valor do CQI é configurado no eNodeB por sinalização do

Controlo de Recursos de Rádio (RRC). Na Tabela B.2 encontra-se um resumo das relações

entre a configuração dos modos de transmissão no DL e os possíveis tipos de envio de

informação do valor do CQI. Esses envios de informação do valor do CQI podem ser dos

seguintes tipos:

Wideband feedback - O UE envia a informação do valor de um CQI de banda-larga

para toda a largura de banda.

eNodeB-configured sub-band feedback - O UE envia a informação do valor de um

CQI de banda-larga para toda a largura de banda. Para além disso o UE envia a

informação do valor do CQI para cada uma das sub-bandas, calculado considerando

apenas a transmissão na respectiva sub-banda. A informação dos valores do CQI para

as sub-bandas é codificada diferencialmente em relação à do valor do CQI de banda

larga utilizando apenas 2 bits, como se pode ver de seguida:

Offset do CQI da Sub-banda = Índice do CQI da Sub-banda – Índice do CQI da banda larga

Os possíveis valores do offset do CQI da sub-banda são {<–1, 0, +1,>+2}. O tamanho k da

sub-banda é uma função da largura de banda do sistema tal como se apresenta na Tabela B.3.

Tabela B.2 – Tipos de envio aperiódico de informação do valor do CQI no PUSCH para cada modo de transmissão

PDSCH. [18]

MODOS DE TRANSMISSAO

Apenas windeband

Eu-selected

Sub-band

eNodeB-configured

sub-bands

Modo 1: Single Antenna Port x x

Modo 2: Transmit Diversity x x

Modo 3: Open-Loop Spatial Multiplexing x x

Modo 4: Closed-Loop Spatial Multiplexing x x x

Modo 5: Multi-User MIMO x

Modo 6: Closed-Loop rank-1 precoding x x x

Modo 7: UE-specific reference signals x x



Tabela B.3 – Tamanho da Sub-banda (k) vs. Largura de banda do sistema eNodeB-configured sub-band feedback. [18]

Largura de Banda Sistemas(RB’s) Tamanho da Sub-banda(k RB’s)

6-7 (apenas CQI’S de banda larga)

8-10 4

11-26 4

27-63 6

64-110 8

UE-selected sub-band feedback – O UE selecciona um conjunto de M sub-bandas

preferenciais de tamanho k (onde k e M são dados na Tabela B.4 para cada gama de

largura de banda) dentro de toda a largura de banda do sistema. O UE envia a

informação do valor de um CQI de banda larga e de um valor de CQI reflectindo a

qualidade média das M sub-bandas seleccionadas. O UE também informa qual a

posição das M sub-bandas seleccionadas utilizando o índice combinatório r definido

como

Onde o conjunto { Si }i=0M−1 , 1< si<N,si<N, si<si+1 contem os indices das M sub-bandas

classificadas e

é o coeficiente binomial estendido, resultando num único rótulo r ϵ {0,…,( ) – 1}.

O valor do CQI para as M sub-bandas seleccionadas para cada palavra de código é codificada

diferencialmente utilizando 2 bits relativos ao respectivo valor do CQI de banda larga,

definido por:

CQI diferencial = Índice para a Média das M sub-bandas preferenciais – Índice do CQI da

banda larga

Os possíveis valores para o CQI diferencial são {<+1, 2, +3,>+4}.



Tabela B.4 – Tamanho da Sub-banda (k) e número de Sub-bandas preferenciais (M) vs. Largura de Banda do Sistema

para o DL para UE-selected sub-band feddback. [18]

Largura de Banda Sistemas(RB’s)

Tamanho da Sub-banda(k RB’s) Número de Sub-bandas preferenciais (M)

6-7 (apenas CQI’s de banda larga) (apenas CQI’s de banda larga)

8-10 2 1

11-26 2 3

27-63 3 5

64-110 4 6

Envio de informação do valor do CQI de forma periódica

Se o eNodeB quiser receber informação periódica do valor do CQI, o UE irá transmitir essa

informação utilizando o PUCCH. É possível enviar informação periódica do valor do CQI

apenas em Wideband feedback e UE-selected sub-band feedback para todos os modos de

transmissão no DL (PDSCH). Tal como para o envio aperiódico de informação do valor do

CQI, os tipos para o envio periódico de informação também são configurados no eNodeB por

sinalização do RRC. Para o envio periódico da informação do valor do CQI do tipo

Wideband, o período pode ser configurado para {2, 5, 10, 16, 20, 32, 40, 64, 80, 160} ms ou

desligado. Enquanto o modo Wideband feedback é similar ao que é enviado pelo PUSCH, o

modo UE-selected sub-band que utiliza o PUCCH é diferente. Neste caso, o número total de

sub-bandas N é dividido por J fracções chamadas partes da largura de banda. O valor de J

depende da largura de banda do sistema, tal como apresentado na Tabela B.5. No caso do

modo de envio periódico de informação do valor do CQI UE-selected sub-band, um valor de

CQI é calculado e enviado para uma sub-banda seleccionada, de cada uma das partes da

largura de banda, em conjunto com o correspondente índice da sub-banda, [18].

Tabela B.5 – Envio Periódico de Informação do Valor do CQI com UE-selected sub-bands: tamanho da sub-banda (k)

e partes da largura de banda (J) vs. Largura de Banda do Sistema na Ligação Descendente. [18]

Tamanho da Sub-banda(k RB’s)

Tamanho da Sub-banda(k RB’s)

Número de Sub-bandas preferenciais (M)

6-7 (apenas CQI’s de banda larga)

1

8-10 4 111-26 4 2



27-63 6 364-110 8 4

Anexo C SC-FDMA e OFDMA

Acesso múltiplo no LTE

Uma transmissão SC significa que a informação é modulada apenas por uma portadora,

ajustando a fase e/ou a amplitude da mesma (dependendo do tipo de modulação utilizado). A

frequência também poderia ser ajustada mas, no LTE, tal não acontece. Quanto maior for o

débito binário, maior é a taxa de símbolo num sistema digital e, portanto, maior é a LB. Com

a utilização da modulação QAM, com os princípios explicados, por exemplo em [48], o

transmissor ajusta o sinal de forma a transportar o número desejado de bits por símbolo de

modulação. A forma de onda resultante é um espectro SC, tal como apresentado na Figura

C.1, com a máscara do espectro influenciada pela forma dos pulsos utilizados (depois da

filtragem), [1].

Figura C.1 – Transmissor de Single Carrier. [1]

Com o princípio de Frequency Division Multiple Access (FDMA), diferentes utilizadores

utilizam diferentes portadoras ou sub-portadoras, como apresentado na Figura C.2, para

aceder ao sistema simultaneamente, sendo a modulação dos seus dados centrada numa

frequência diferente. Têm de ser tomadas precauções para criar uma forma de onda de tal

modo que não haja uma interferência excessiva entre as portadoras e não seja preciso utilizar

um intervalo de guarda excessivamente grande entre os utilizadores.



Figura C.2 – Princípio FDMA. [1]

A utilização do princípio de multi-portadora é apresentada na Figura C.3, onde os dados são

divididos pelas diferentes sub-portadoras do transmissor. O exemplo da Figura C.3 tem um

banco de filtros que, para soluções práticas (tais como as apresentadas posteriormente), é

normalmente substituído pela Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) em aplicações onde o

número de sub-portadoras é elevado. Existe um espaçamento constante entre sub-portadoras

vizinhas. Uma das abordagens para multi-portadoras é também a dupla portadora do

WCDMA (duas células HSDPA) que envia dois sinais WCDMA próximos um do outro, mas

não utiliza os princípios explicados mais à frente para elevada utilização do espectro, [1].

Figura C.3 – Princípio de Multi-portadora. [1]

Para resolver a ineficiência dos possíveis requisitos de banda de guarda, a melhor abordagem

é escolher os parâmetros do sistema de modo a alcançar ortogonalidade entre as diferentes

transmissões e criar as sub-portadoras de forma a, por um lado, não interfiram umas com as

outras e, por outro, os seus espectros se possam sobrepor no domínio da frequência. Isto é

atingido com o princípio OFDMA, onde cada uma das frequências centrais das sub-portadoras

é seleccionada de modo a que a diferença no domínio da frequência faça com que as sub-

portadoras vizinhas tenham valor zero no instante de amostragem da sub-portadora desejada,

tal como se apresenta na Figura C.4. No LTE a diferença entre as sub-portadoras é constante e



foi escolhida o valor de 15 kHz na Release 8 (existe a possibilidade de utilizar apenas 7,5 kHz

em Releases posteriores para aplicações de transmissão, como TV Móvel).

Figura C.4 – Princípio OFDMA. [1]

O princípio básico do OFDMA já era conhecido em 1950, numa altura onde os sistemas

utilizavam tecnologia analógica. Nessa altura, fazer as sub-portadoras manterem-se ortogonais

em função das variações dos componentes ou das gamas de temperatura não era uma tarefa

fácil. A partir do momento em que se passou a utilizar tecnologia digital nas comunicações, o

OFDMA também se tornou mais viável e acessível aos consumidores. Nos últimos anos a

tecnologia OFDMA tem sido amplamente adoptada em muitas áreas, como na TV digital

(DVB-T e DVB-H) e também em aplicações de redes de área local sem fios (WLAN), [1].

Os princípios OFDMA têm sido utilizados no UL do acesso múltiplo do LTE, uma vez que o

SC-FDMA utiliza muitos dos princípios OFDMA de forma a atingir uma alta eficiência

espectral, tal como descrito mais à frente nesta Dissertação. O SC-FDMA na sua actual forma,

tal como será explicado mais à frente nesta Dissertação, é a tecnologia mais recente com

publicações dos finais dos anos 90, como as apresentadas em [49] e as referências citadas.

As principais motivações que levaram à utilização da tecnologia OFDMA no LTE e em

outros sistemas têm a ver com as seguintes propriedades, [1]:

Bom desempenho em canais de frequência com desvanecimento selectivo;

Baixa complexidade dos receptores de banda de base;

Boas propriedades espectrais e manipulação de várias larguras de banda;



Escalonamento no domínio da frequência e adaptação da ligação;

Compatibilidade com tecnologias avançadas de receptores e antenas.

Muitos desses benefícios só poderiam ser alcançados na sequência da recente evolução da

arquitectura de rede de acesso rádio, ou seja, colocando o controlo rádio no eNodeB e, como

as larguras de banda estão a ficar maior, acima dos 5 MHz, a complexidade do receptor

também se torna um problema.

A tecnologia OFDMA também tem desafios, tais como, [1]:

Tolerância ao deslocamento da frequência (offset). Esta foi abordada no desenho da

tecnologia LTE, escolhendo um espaçamento entre sub-portadoras de 15 kHz, o que

dá uma tolerância suficientemente grande para o efeito de Doppler devido à

velocidade e imperfeições da implementação;

O Rácio Médio de Pico (PAR) do sinal transmitido, o que requer uma elevada

linearidade no transmissor. Os amplificadores lineares têm uma baixa eficiência de

conversão de energia e, portanto, não são ideias para o UL móvel. No LTE isso foi

resolvido recorrendo à tecnologia SC-FDMA, o que proporciona uma melhor

eficiência de potência.

Ao olhar para o passado, a selecção de tecnologias realizada para os sistemas de 3ª Geração,

no final da década de 90, não contemplou a tecnologia OFDMA devido aos seguintes factores

chaves: a falta de uma solução sensível de UL, a necessidade de soluções avançadas de

antenas (com mais de uma antena) e o facto de o controlo rádio estar centralizado no RNC.

OFDMA A tecnologia OFDMA é uma variante da tecnologia Orthogonal Frequency-Division

Multiplexing (OFDM). Consiste num esquema de modulação digital multi-portadora que é

amplamente utilizado em sistemas sem fios, mas tem uma utilização relativamente recente em

sistemas de comunicações móveis. Em vez de transmitir um fluxo com um elevado débito

binário numa portadora, a tecnologia OFDM utiliza um grande número de sub-portadoras

ortogonais muito pouco espaçadas na frequência que são transmitidas em paralelo. Cada sub-

portadora é modulada com um esquema de modulação convencional (QPSK, 16QAM ou

64QAM) a um débito de símbolo baixo. A combinação de centenas ou milhares de sub-

portadoras permite débitos binários semelhantes aos sistemas convencionais com esquemas de

modulação SC na mesma largura de banda, [50].



Na Figura C.5 apresentam-se as principais características de um sinal OFDM na frequência e

no tempo. No domínio da frequência, múltiplas sub-portadoras são moduladas de forma

independente com dados. De seguida, no domínio do tempo, são introduzidos intervalos de

guarda entre cada um dos símbolos para prevenir a interferência inter-simbólica no receptor

causada pelo facto de o multi-percurso causar diferentes atrasos de propagação no canal rádio.

Figura C.5 – Sinal OFDM representado no tempo e na frequência. [51

Embora a utilização da tecnologia OFDM tenha sido utilizada durante vários anos nos

sistemas de comunicações, a sua utilização em comunicações móveis é mais recente, tal como

referido anteriormente. O European Telecommunications Standarts Institute (ETSI) pensou

em utilizar a tecnologia OFDM no GSM, no final da década de 80, no entanto, o poder de

processamento necessário para realizar as inúmeras operações da FFT de um sinal OFDM era

bastante dispendioso e exigente para um terminal móvel naquela altura. Em 1998 o 3GPP

pensou seriamente em utilizar a tecnologia OFDM para o UMTS mas, mais uma vez,

escolheu uma tecnologia alternativa baseada no Code Division Multiple Access (CDMA).

Hoje em dia o custo do processamento digital de sinais é bastante reduzido e a tecnologia

OFDM é agora considerada um método de transmissão sem fios comercialmente viável para

um terminal móvel. Na Figura C.6 apresenta-se representada a transmissão e a recepção de

um sinal OFDMA.

Quando comparada com a tecnologia CDMA (tecnologia utilizada no UMTS), a tecnologia

OFDM oferece uma série de vantagens, [50]:

A tecnologia OFDM pode ser facilmente expandida para canais de banda larga, que

são mais resistentes ao desvanecimento;



Os equalizadores de canal OFDM são muito mais simples de implementar que os

equalizadores da tecnologia CDMA, uma vez que o sinal OFDM é representado no

domínio da frequência ao invés de ser no domínio do tempo;

O sinal OFDM pode ser completamente resistente ao atraso gerado pela propagação de

multi-percurso. Isto é possível uma vez que os símbolos longos utilizados no OFDM

podem ser separados por um intervalo de guarda conhecido como Prefixo Cíclico

(CP). O CP é uma cópia do final do símbolo colocada no início (Figura C.7). Por

amostragem do sinal recebido no momento ideal, o receptor pode remover, no

domínio do tempo, a interferência entre símbolos adjacentes causada pelo facto de o

multi-percurso causar diferentes atrasos de propagação no canal rádio.

A tecnologia OFDM é mais adequada para MIMO. A representação do sinal no

domínio da frequência permite a fácil pré-codificação do sinal de forma a fazer

coincidir a frequência e a fase características do canal rádio com multi-percurso.

Figura C.6 – Transmissão e recepção de um sinal OFDMA. [1]

No entanto, a tecnologia OFDM também tem algumas desvantagens. As sub-portadoras são

espaçadas tornando os sinais OFDM sensíveis a erros na frequência e ruído na fase. Pela

mesma razão, o sinal OFDM é também sensível ao efeito de Doppler, que causa a

interferência entre as sub-portadoras. Um sinal OFDM puro também cria um elevado sinal de



pico em relação à média e é por isso que uma modificação da tecnologia denominada SC-

FDMA é utilizada no UL. Esta tecnologia será discutida mais à frente nesta Dissertação.

Figura C.7 – Criação do intervalo de guarda para um símbolo OFDM. [1]

Sabe-se que a tecnologia OFDM será mais difícil de operar no limite da célula, comparando

com a tecnologia CDMA. A tecnologia CDMA utiliza encriptação de forma a fornecer

protecção contra a interferência inter-simbólica no limite da célula, e a tecnologia OFDM não

tem essa característica. Por essa razão, será preciso recorrer a planeamento de frequências no

limite das células. Na Figura C.8 é possível ver um exemplo de como esse planeamento pode

ser realizado. Em amarelo representou-se a largura de banda de todo o canal e as outras cores

representam um planeamento de reutilização de frequências de forma a evitar a interferência

inter-simbólica no limite das células, [50].

Figura

C.8 – Exemplo do planeamento de frequências de forma a evitar a interferência inter-simbólica no limite da célula.

[50]

As principais diferenças entre a tecnologia CDMA e a tecnologia OFDM são apresentadas na

Tabela C.1.



Com o OFDM normal, apenas transmissões muito estreitas de UE’s podem sofrer de

desvanecimento e interferência de banda estreita. Foi por essa razão que o 3GPP escolheu a

tecnologia OFDMA para o DL, uma vez que incorpora elementos de Time Division Multiple

Access (TDMA). A tecnologia OFDMA permite a atribuição dinâmica de subconjuntos de

sub-portadoras ao longo dos diferentes utilizadores no canal, tal como apresentado na Figura

C.9.

O resultado é um sistema mais robusto e com maior capacidade. Isto deve-se à eficiência de

trunking dos utilizadores de multiplexação de baixa taxa e a possibilidade de escalonar os

utilizadores pela frequência, o que fornece resistência ao desvanecimento selectivo na

frequência.

Figura C.9 – Atribuição de sub-portadoras em OFDM e OFDMA. [50]



Tabela C.1 – Comparação entre CDMA e OFDM. [50]

Carateristicas CDMA OFDM

LB da Transmissao Toda a LB do Sistema Variavel ate toda a LB do Sistema

Escalonamento de selecção da frequência Não é possível

Uma das principais vantagens do OFDM, embora precise de informação das condições do canal entre o receptor e o emissor em tempo real.

Período do SímboloMuito curto – inverso da LB do Sistema.

Muito longo – definido pelo espaçamento entre as sub-portadoras e independente da LB.

IgualizaçãoDifícil acima dos 5 MHz.

Fácil para qualquer LB pelo facto de o sinal ser representado no domínio da frequência.

Resistência ao multi-percursoDifícil acima dos 5 MHz.

Completamente livre da distorção de multi-percurso até ao comprimento do CP.

Aptidão para MIMO

Requer um significativo poder de computação devido ao facto de o sinal ser representado no domínio do tempo.

Ideal para MIMO devido ao facto de o sinal ser representado no domínio da frequência e da possibilidade de atribuição de banda estreita para acompanhar as variações do canal em tempo real.

Sensibilidade à distorção e interferência no domínio da frequência

Valores médios ao longo do canal pelo processo de propagação.

Vulnerável à distorção e à interferência em banda estreita.

Separação dos utilizadores

Códigos de encriptação e espalhamento ortogonal.

Frequência e tempo, no entanto, podem adicionar-se encriptação e espalhamento.

SC-FDMA

O alto PAR associado à tecnologia OFDM levou o 3GPP a procurar um esquema de

transmissão diferente para o UL no LTE. Foi escolhida a tecnologia SC-FDMA uma vez que

combina as baixas técnicas de PAR dos sistemas de transmissão SC, tais como o GSM e o

CDMA, com a resistência ao multi-percurso e a atribuição de frequências flexíveis da

tecnologia OFDMA.

A descrição matemática de um símbolo SC-FDMA no domínio do tempo é dada em [24].

Uma breve descrição é a seguinte: os símbolos no domínio do tempo são convertidos para o



domínio da frequência utilizando a Discrete Fast Fourier (DFT); de seguida, já no domínio da

frequência, são mapeados para o local desejado em toda a largura de banda do canal antes de

voltarem a ser convertidos para o domínio do tempo através da IFFT; por fim, é inserido o CP

(Figura C.10).

Figura C.10 – Transmissor e receptor de SC-FDMA com geração do sinal no domínio da frequência. [1]

A transmissão ocupa a parte contínua do espectro de frequências atribuído ao utilizador e, no

LTE, o sistema oferece uma taxa de resolução de atribuição de 1 ms. Quando a atribuição de

recursos no domínio da frequência duplica, o débito binário também duplica, assumindo o

mesmo nível de sobrecarga. A transmissão individual (com modulação) é agora mais pequena

no domínio do tempo e maior no domínio da frequência, tal como apresentado na Figura

C.11. Na Figura C.11 assumiu-se que na nova atribuição de recursos, os recursos existentes

são mantidos e é atribuída a mesma quantidade de espectro à transmissão adicional,

duplicando assim a capacidade de transmissão, [1].



Figura C.11 – Ajustamento do débito binário num sistema SC-FDMA. [1]

Através da Figura C.12 é possível verificar as diferenças entre as tecnologias OFDMA e SC-

FDMA. No exemplo da Figura C.12 utilizou-se apenas 4 sub-portadoras (M) ao longo de dois

períodos de símbolos com uma modulação Quadrature Phase Shift Keying (QPSK).

Conforme descrito anteriormente, são atribuídos 12 sub-portadoras adjacentes aos sinais no

LTE.

Figura

Figura C.12 – Comparação entre as tecnologias OFDMA e SC-FDMA quando transmitem uma série de símbolos com modulação QPSK. [50]



No lado esquerdo da Figura C.12, M sub-portadoras adjacentes de 15 kHz, já posicionadas no

local desejado na largura de banda do canal, são moduladas para um período de símbolo

OFDMA de 66,7 μs por cada símbolo QPSK. Neste exemplo de quatro sub-portadoras, são

colocados 4 símbolos em paralelo. Uma vez que se utilizou uma modulação QPSK, apenas a

fase de cada sub-portadora é modulada, mantendo-se a potência da mesma constante entre os

símbolos. Após decorrido um período de símbolo OFDMA, o CP é inserido e os próximos

quatro símbolos são transmitidos em paralelo. De forma a ser mais visível, o CP foi

representado por um espaço, no entanto, é preenchido com uma cópia do final do símbolo

seguinte, o que significa que a potência de transmissão é contínua, mas tem uma fase de

descontinuidade na fronteira do símbolo. Para criar o sinal transmitido é executada um IFFT

em cada sub-portadora de forma a criar M sinais no domínio do tempo. Estes, por sua vez, são

somados vectorialmente de modo a criar a forma de onda utilizada para a transmissão, no

domínio do tempo, [50].

A geração do sinal SC-FDMA começa com uma pré-codificação especial, mas depois

contínua de forma semelhante a um sinal OFDMA. Não se vai entrar em detalhes em relação

ao processo de geração de um sinal SC-FDMA, no entanto, o resultado final é apresentado no

lado direito da Figura C.12. A diferença mais óbvia entre os dois esquemas é que o OFDMA

transmite os quatro símbolos QPSK em paralelo, um em cada sub-portadora, enquanto o SC-

FDMA transmite os quatro símbolos QPSK em série, a uma taxa 4 vezes superior, com cada

símbolo a ocupar uma largura de banda de M x 15 kHz.

Visualmente, o sinal OFDMA é claramente multi-portadora com um símbolo por sub-

portadora, mas o sinal SC-FDMA comporta-se como uma única portadora (SC) (daí o “SC”

no nome SC-FDMA) com cada símbolo a ser representado por um sinal largo. Note-se que o

comprimento dos símbolos OFDMA e SC-FDMA é o mesmo com 66,7 μs, no entanto, o

símbolo SC-FDMA contém M “sub-símbolos” que representam os dados modulados. É a

transmissão em paralelo de vários símbolos que cria o indesejado PAR elevado da tecnologia

OFDMA. Ao transmitir os M símbolos em série, a uma taxa M vezes superior, a LB ocupada

no SC-FDMA é a mesma que na multi-portadora OFDMA mas, sendo isto crucial, o PAR é o

mesmo utilizado nos símbolos originais. Ao somar várias formas de onda QPSK de banda

estreita em OFDMA cria-se sempre picos mais elevados do que os registados nas larguras de

banda mais larga das formas de onda QPSK em SC-FDMA. Quando o número M de sub-

portadoras aumenta, o PAR, em OFDMA, com dados modulados aleatoriamente aproxima-se



das estatísticas de ruído Gaussiano mas, no caso SC-FDMA, independentemente do número

M de sub-portadoras, o PAR contínua a ser o mesmo utilizado pelos símbolos originais.

Anexo D Agregação de Portadora

Agregação de Portadoras

De forma a atingir os débitos binários exigidos pelo IMT-Advanced, o 3GPP colocou na

especificação do LTE-Advanced a possibilidade de utilização de portadoras, contíguas e não-

contíguas na frequência. Desta forma foi possível atingir valores acima dos 1 Gbps. Neste

anexo explica-se em que consiste a agregação de portadoras e quais os cuidados que se

tiveram de forma a ser compatível com o LTE Release 8. No final deste anexo, apresentam-se

os cenários estudados pelo 3GPP para as bandas de frequência a nível global e quais as gamas

de espectro disponíveis que possibilitam a utilização da agregação de portadoras.

O LTE Release 8 permite a implementação de uma grande variedade de atribuição do

espectro, desde os 1,4 MHz até aos 20 MHz, tanto em bandas emparelhadas como em bandas

não emparelhadas. Para além dos 20 MHz, a única maneira razoável de atingir as altas metas

de débitos binários de pico do LTE-Advanced, é aumentar a LB da transmissão, em relação ao

LTE Release 8. Por essa razão, o LTE-Advanced especifica atribuições de espectro até 100

MHz utilizando “Agregação de Portadoras”, onde múltiplas portadoras são combinadas de

forma a oferecer a LB necessária. É possível configurar todas as LB’s que são compatíveis

com o LTE Release 8, pelo menos, quando o número de portadoras agregadas é o mesmo no

UL e no DL. No entanto, nem todas as portadoras são necessariamente compatíveis com o

LTE Release 8. Na Figura D.1 apresenta-se a agregação de portadoras contíguas e na Figura

D.2 a agregação de portadoras não-contíguas, [32].

Figura D.1 – Agregação de Portadoras Contíguas. [32]



Figura D.2 – Agregação de Portadoras Não-Contíguas. [32]

De forma a garantir a compatibilidade com versões anteriores de atribuição de blocos nos

eNodeBs, são exigidas apenas pequenas mudanças nas especificações se o escalonamento, as

técnicas de MIMO, a adaptação da ligação e as HARQ (Hybrid automatic repeat request)

forem todos realizados em grupos de portadoras de 20 MHz. Por exemplo, um utilizador que

receba a informação numa LB de 100 MHz, irá precisar de 5 cadeias de recepção, uma por

cada bloco de 20 MHz. A agregação de portadoras é suportada tanto para portadoras

contíguas como não-contíguas, com cada portadora limitada a 110 RB’s no domínio da

frequência (utilizando numeração do LTE Release 8). Isto garante uma maior flexibilidade na

utilização do espectro disponível, de acordo com as necessidades de cada operador. É possível

configurar um UE para agregar um número diferente de portadoras provenientes do mesmo

eNodeB e, possivelmente, com LB’s diferentes no UL e no DL. Claro que, em

implementações normais, o número de portadoras e a LB de cada uma das portadoras no UL e

no DL tem de ser o mesmo, [32]. Prevê-se que sejam especificados diferentes categorias de

UE’s que suportem a transmissão e a recepção de uma ou várias portadoras, [35].

O espaçamento da frequência central na agregação de portadoras contíguas é um múltiplo de

300 kHz. Foi implementado desta forma de maneira a ser compatível com o incremento de

100 kHz na frequência do LTE Release 8, enquanto, ao mesmo tempo, preserva a

ortogonalidade das portadoras com um espaçamento de 15 kHz. Dependendo do cenário de

agregação, os espaçamentos de N*300 kHz podem ser atingidos inserindo um pequeno

número de sub-portadoras não utilizadas entre as portadoras contíguas.

As diferentes regiões do globo têm diferentes implementações das frequências nas tecnologias

existentes. A agregação de portadoras também é utilizada nas redes WCDMA/HSPA. Por

consequência, existe uma grande variedade de cenários de evolução da migração das

tecnologias existentes para o LTE/LTE-Advanced. Naturalmente, a agregação de portadoras



irá começar no LTE-Advanced com um número limitado de portadoras. Tendo em conta as

exigências globais, os organismos de normalização do 3GPP identificaram os cenários

apresentados na Tabela D.1, [35].

Tabela D.1 – Cenário de Agregação de Portadoras de acordo com o 3GPP. [35]

Agregação contiguas de portadoras Intra-Banda

FDD UL/DL: 40 MHz na Banda 3TDD UL/DL: 50 MHz na Banda 40

Agregação Contíguas de Portadoras Inter-BandaRegião 1

(Europa)

UL/DL: 40 MHz; 20 MHz (Band 7) e 20 MHz (Band 20)UL/DL: 40 MHz; 20 MHz (Band 3) e 20 MHz (Band 20)UL/DL: 40 MHz; 20 MHz (Band 7) e 20 MHz (Band 3)

Região 2(EUA)

UL/DL: 20 MHz; 10 MHz (Band 5) e 10 MHz (Band 12)UL/DL: 10 MHz; 5 MHz (Band 17) e 5 MHz (Band 4)

Região 2(Asia)

UL/DL: 20 MHz; 10 MHz (Band 1) e 10 MHz (Band 18/19)UL/DL: 40 MHz; 20 MHz (Band 38) e 20 MHz (Band 40)

Agregação Contíguas de Portadoras Intra-BandaFDD/TDD

Nenhuma

De acordo com [30], é espectável que o throughput total seja o somatório do throughput de

cada umas das portadoras. Ou seja, por exemplo, para N portadoras de 20 MHz agregadas, o

throughput total será N*Throughput(20 MHz).



Anexo E Bandas de Frequência do LTE

Bandas de Frequência para transmissões FDD e TDD

O espectro FDD requer bandas emparelhadas, uma para o DL e outra para o UL, e o espectro

TDD apenas requer uma única banda, uma vez que o DL e o UL estão na mesma frequência,

mas separados no tempo. Por essa razão, existem diferentes bandas alocadas para FDD e

TDD. Em alguns casos, estas bandas podem sobrepor-se e, por isso, é possível, embora

improvável, que ambas as transmissões (FDD e TDD) estejam presentes numa determinada

banda do LTE.É muito provável que um UE tenha de detectar se uma transmissão FDD ou

TDD deve ser realizada numa determinada banda. Os UE’s que estejam em movimento

podem encontrar ambos os tipos na mesma banda. Os UE’s terão, portanto, que detectar qual

o tipo de transmissão que é utilizada nessa determinada banda, no local onde se encontrarem.

Foram atribuídos números às diferentes bandas de frequência no LTE. Até ao momento, as

bandas entre 1 e 24 são de espectro emparelhado, ou seja, são para transmissões FDD e as

bandas entre 33 e 43 são para espectro não emparelhado, portanto, para transmissões TDD,

[20].

Atribuição de Bandas de Frequência para FDD no LTE

Existe um grande número de atribuições do espectro rádio que foi reservado para as

transmissões FDD no LTE.

As bandas de frequência FDD no LTE são emparelhadas de forma a permitir a transmissão

simultânea em duas frequências. As bandas têm uma separação suficientemente grande de

forma a permitir que os sinais transmitidos não prejudicam indevidamente o desempenho do

receptor. Se os sinais fossem muito próximos na frequência o receptor poderia ficar

bloqueado e a sua sensibilidade comprometida. A separação deve ser suficiente para permitir

que o filtro da antena atenue bastante o sinal transmitido dentro da banda de recepção. Na

Tabela E.1 são apresentadas as bandas de frequência para transmissões FDD no LTE, [20].

Atribuição de Bandas de Frequência para TDD no LTE

Existem diversas bandas de frequência não emparelhadas que estão a ser preparadas para

utilizar transmissões TDD no LTE. As bandas de frequência para transmissões TDD são não

emparelhadas uma vez que o DL e o UL partilham a mesma frequência, no entanto, são



separados no tempo. Na Tabela E.2 são apresentadas bandas de frequência para transmissões

TDD no LTE.

Tabela E.1 – Bandas de Frequência do LTE e Larguras de Banda suportadas por cada Banda (TDD). [20]

Banda de Operação

E-UTRAN

Banda de Operação no UL

Banda de Operação no DL

Largura de Banda do Canal [MHz]

Nome da Banda

Região

I(1) De 1920 MHz a 1980 MHz

De 2110 MHz a 2170 MHz

5, 10, 15, 20 UMTS IMT"2100"

Japão, Europa, Ásia

II(2) De 1850 MHz a 1910 MHz


1.4, 3, 5, 10, 15, 20

PCS, "1900" Canadá, EUA, América Latina

III(3) De 1710 MHz a 1785 MHz


1.4, 3, 5, 10, 15, 20

DCS 1800, "1800"

Finlândia, Hong Kong, Alemanha

IV(4) De 1710 MHz a 1755 MHz


1.4, 3, 5, 10, 15, 20

AWS,"1.7/2.1 GHz"

Canadá, EUA, América Latina

V(5) De 824 MHz a 849 MHz


1.4, 3, 5, 10 Cellular 850, UMTS850

Canadá, EUA, Austrália, Chile

VI(6) De 830 MHz a 840 MHz


5, 10 UMTS800 Japão

VII(7) De 2500 MHz a 2570 MHz


5, 10, 15, 20 IMT-E,"2.6 GHz"

Ásia, Europa

VIII(8) De 880 MHz a 915 MHz


1.4, 3, 5, 10 GSM, UMTS900, EGSM900

Europa, América Latina

IX(9) De 1749,9 MHz a 1784,9 MHz

De 1844,9 MHz a 1879,9 MHz

5, 10, 15, 20 UMTS1700 Canadá, EUA, Japão

X(10) De 1710 MHz a 1770 MHz


5, 10, 15, 20 UMTS, IMT 2000

Brasil, Uruguai, Equador, Peru

XI(11) De 1427,9 MHz a 1447,9 MHz

De 1475,9 MHz a 1495,9 MHz

5, 10 PDC Japão (Softbank, KDDI, DoCoMo)

XII(12) De 698 MHz a 716 MHz


1.4, 3, 5, 10 EUA

XIII(13) De 777 MHz a 787 MHz


5, 10 EUA

XIV(14) De 788 MHz a 798 MHz


5, 10 EUA

XVII(17) De 704 MHz a 716 MHz


5, 10 EUA

XVIII(18) De 815 MHz a 830 MHz


5, 10, 15 Japão

XIX(19) De 830 MHz a 845 MHz


5, 10, 15 Japão

De 832 MHz De 791 MHz 5, 10, 15, 20Dividendo Digital de 800 Europa



XX(20) a 862 MHz a 821 MHz MHz da União Europeia

XXI(21) De 1447,9 MHz a 1462,9 MHz

De 1495,9 MHz a 1510,9 MHz

5, 10, 15Japão

XXIV(24)

De 1626,5 MHz a 1660,5 MHz


5, 10

XXXIII(33) De 1900 MHz a 1920 MHz

5, 10, 15, 20 Ásia (menos no Japão), Europa

XXXIV(34) De 2010 MHz a 2025 MHz

5, 10, 15 Ásia, Europa

XXXV(35) De 1850 MHz a 1910 MHz

1.4, 3, 5, 10, 15, 20

Américas

XXXVI(36) De 1930 MHz a 1990 MHz

1.4, 3, 5, 10, 15, 20

Américas

XXXVII(37) De 1910 MHz a 1930 MHz

5, 10, 15, 20

XXXVIII(38) De 2570 MHz a 2620 MHz

5, 10, 15, 20 Europa

XXXIX(39) De 1880 MHz a 1920 MHz

5, 10, 15, 20 China

XL(40) De 2300 MHz a 2400 MHz

5, 10, 15, 20 IMT-2000 China, Índia

XLI(41) De 2496 MHz a 2690 MHz

5, 10, 15, 20 EUA

XLII(42) De 3400 MHz a 3600 MHz

5, 10, 15, 20

XLIII(43) De 3600 MHz a 3800 MHz

5, 10, 15, 20

Como resultado das negociações nas reuniões da ITU, as atribuições de espectro do LTE estão

constantemente a ser aumentadas. Essas atribuições do espectro para o LTE são resultantes,

em parte, do dividendo digital, mas também da pressão causada pela necessidade crescente de

comunicações móveis. Muitas das novas atribuições do espectro para o LTE são relativamente

pequenas, normalmente 10-20 MHz de largura de banda, sendo este um motivo de

preocupação. Uma vez que o LTE-Advanced necessita de larguras de banda até 100 MHz, a

agregação de portadoras ao longo de uma vasta gama de frequências pode ser necessária e

isso tem sido reconhecido como um problema tecnológico significativo, [20].



Biografia

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Planeamento LTE em Ambientes Indoor e Outdoor