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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES
TRABALHO FINAL DE CURSO
JONNY WILLIAN LUIZ ANDRADE CORRÊA
THIAGO DA SILVA ECHEBARRENA SAMPAIO
ARQUITETURA DE REDE LTE E SUA MODELAGEM NO NÍVEL DE SISTEMA
ORIENTADOR: TADEU FERREIRA
NITERÓI
2013
JONNY WILLIAN LUIZ ANDRADE CORRÊA
THIAGO DA SILVA ECHEBARRENA SAMPAIO
ARQUITETURA DE REDE DO LTE E SUA MODELAGEM NO NÍVEL DE SISTEMA
Orientador: TADEU FERREIRA, D. Sc.
NITERÓI
2013
Projeto Final apresentado ao curso de graduação
em Engenharia de Telecomunicações da
Universidade Federal Fluminense, como requisito
parcial para aquisição do Grau de Engenheiro de
Telecomunicações.
JONNY WILLIAN LUIZ ANDRADE CORRÊA
THIAGO DA SILVA ECHEBARRENA SAMPAIO
ARQUITETURA DE REDE DO LTE E SUA MODELAGEM NO NÍVEL DE SISTEMA
BANCA EXAMINADORA
___________________________________________________________________
Prof. EDUARDO RODRIGUES VALE, D. Sc.
Universidade Federal Fluminense
___________________________________________________________________
Prof. TADEU FERREIRA, D. Sc.
Universidade Federal Fluminense
___________________________________________________________________
Profª. VANESSA PRZYBYLSKI RIBEIRO MAGRI, D. Sc.
Universidade Federal Fluminense
NITERÓI
2013
Projeto Final apresentado ao curso de graduação
em Engenharia de Telecomunicações da
Universidade Federal Fluminense, como requisito
parcial para aquisição do Grau de Engenheiro de
Telecomunicações.
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer a Deus, por uma vida tão abundante em felicidades e
oportunidades. Aos familiares que me deram o apoio sem o qual não teria chegado
até aqui, aos colegas de curso, sempre dispostos a ajudar, aos professores, em
especial ao professor Tadeu Ferreira, pela orientação e compreensão sem limites, e
ao cursinho APROV onde essa caminhada começou.
À Mariângela, que me trouxe ao mundo, à dona Neuza, minha mãe, à tia
Jacira, aos falecidos Antônio de Andrade Corrêa, meu pai, Izaura Botelho Luiz (tia),
e Judite Luíza (tia), pela fé, educação, determinação e inspiração, que me mantém
firme a caminho do desenvolvimento e satisfação pessoal e profissional.
Por fim à Nayellen, minha namorada, por não me deixar fraquejar, por me
mostrar que a vida não é preto e branco e por me proporcionar tamanha felicidade.
Jonny Corrêa
Agradeço a meu pai, Waldemar, minha mãe, Regina, e minha irmã, Thaís, por
sempre acreditarem em minha capacidade e me apoiarem incondicionalmente.
Obrigado por me educarem e me fazerem uma pessoa melhor. Vocês foram muito
importantes durante esta jornada.
Agradeço à minha namorada, Danielle, por me fazer tão feliz e por me
aguentar durante os momentos de stress. Obrigado por participar desta história, do
inicio ao fim.
Agradeço ao professor Tadeu Ferreira, pela ótima orientação, compreensão e
paciência nos momentos em que estivemos focados em outras atividades.
Thiago Sampaio
RESUMO
A forma como o mundo se comunica mudou. Utilizam-se diversos dispositivos
móveis, e estes dispositivos estão cada vez mais sofisticados, permitindo
comunicação multimídia a qualquer hora, em qualquer lugar. Consequentemente, os
usuários estão cada vez mais exigentes no tocante à velocidade, qualidade e preço
dos serviços móveis. O LTE chegou para atender essa demanda, esses requisitos, e
muito mais.
Este trabalho consiste no estudo da arquitetura de rede LTE em nível de
sistema, abordando suas principais entidades e interfaces, e sua modelagem,
visando entender os requisitos, desafios e soluções para o projeto e implantação de
redes de alta capacidade, eficiência, qualidade e baixo custo.
Será apresentado também um estudo de caso referente à implantação do LTE
no Brasil, os diversos desafios encontrados e o serviço disponível atualmente, com
intuito de evidenciar a importância do uso de simuladores o projeto e implantação de
redes LTE, propondo ao fim, a criação de um simulador em nível de sistema que, em
conjunto com um simulador em nível físico, permita simular cenários e trabalhar os
parâmetros de throughput, latência, perda de pacotes e QoS, imprescindíveis para
implantação de redes de alta qualidade.
Palavras-chave: LTE, SIMULADOR, eRAN, EPC, EPS, RAN-Sharing, QoS, QoE;
ABSTRACT
The way the world communicates has changed, evolved. People use various
mobile devices, and those devices are getting increasingly sophisticated, allowing
multimedia communication anytime, anywhere. Consequently, users are increasingly
demanding faster mobile services, with higher quality at a lower price. LTE arrived to
meet this demand, these requirements, and much more.
This work consists in the study of LTE network system-level architecture and its
modeling in link layer, exploring its main entities and interfaces, aiming to understand
the requirements, challenges and solutions for the project and implementation of high
capacity networks, with quality, efficiency and low cost.
A case study concerning the implementation of LTE in Brazil will be presented,
along with its challenges and the service currently available, in order to highlight the
importance of using simulators at the design and deployment of LTE networks,
proposing in the end, the creation of a system-level simulator, that alongside a
physical-level simulator, would simulate scenarios and work the system parameters:
throughput, latency, packet loss and QoS, essential for deploying high-quality
networks.
Keywords: LTE, SIMULATOR, eRAN, EPC, EPS, RAN-Sharing, QoS, QoE;
GLOSSÁRIO
2G Segunda geração de tecnologias de redes móveis
3G Terceira geração de tecnologias de redes móveis
3GPP 3rd Generation Partnership Project
3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2
4G Quarta geração de tecnologias de redes móveis
ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações
BBU Baseband Unit
BSC Base Station Controller
BTS Base Transmission Station
CADE Conselho Administrativo de Defesa Econômica
CAP Competitive Access Provider
CAPEX Capital Expenses
CDMA Code Division Multiple Access
CIR Committed Information Rate
CN Core Network
CODEC Codificador/Decodificador
CSFB Circuit Switched FallBack
CSP Communication Service Provider
DiffServ Serviços Diferenciados
DPI Deep Packet Inspection
DSCP Diffserv Code Point – QoS tag on IP layer
DSCP Differentiated Services Code Point
E2E Equipment-to-Equipment
eNodeB Evolved NodeB
EPC Evolved Packet Core
eRAN Evolved Radio Access Network
ERB Estação Rádio Base
e-UTRAN Evolved UTRAN
FDD Frequency-Division Duplexing
FIFA Fédération Internationale de Football Association
GSM Global System for Mobile Communications
GWNC Gateway Core Network
Gx Interface para troca de mensagens de QoS
Gxc Interface para troca de mensagens de QoS com o S-GW
HSPA High speed packet access
HSPA High Speed Packet Access
HSS Home Subscriber Server
IETF International Engineering Task Force
IntServ Serviços Integrados
IP Internet Protocol
IPSec IP encryption methodology
LTE Long Term Evolution
LTE-A Long Term Evolution – Advanced
M2M Machine-to-Machine
MIMO Multiple Input Multiple Output
MME Mobility management entity – part of the EPC
MME Mobility Management Entity
MOCN Multi-Operator Core Network
MORAN Multi Operator Radio Access Network
MSP Mobile Service Provider
MWR Microwave radio
NGNM New Generation Network Management
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex
OPEX Operational Expenses
OSI Open Systems Interconnection
p-bit Bit de prioridade - Marcação de QoS na camada Ethernet
PCRF Policy and Charging Rules Function
P-GW Packet Data Network Gateway
PIR Peak Information Rate
PKI Public key infrastructure
PLMN Public Land Mobile Network
PLMN-ID Public Land Mobile Network Identification
PLS Projeto de Lei do Senado
PTP Precision Time Protocol
QCI QoS Class Id
QoE Quality of Experience
QoS Quality of Service
RAN Radio Access Network
RAT Radio Access Technology
RF Radio Frequência
RNC Radio Network Controller
RRU Remote Radio Unit
Rx Interface para troca de mensagens como PCRF
RTP Real Time Transport Protocol
RTT Round Trip Time
S1 Interface lógica entre a eNodeB, S-GW e MME / Evolved Packet Core (EPC)
S5 Interface lógica entre o P-GW e o S-GW
S8 Interface lógica entre o P-GW e o S-GW para mensagens de roaming
S9 Interface lógica para comunicação entre PCRFs de redes distintas
S10 Interface lógica entre os MMEs para mensagens de handover
S11 Interface lógica entre o MME e o S-GW
SGi Interface entre o P-GW e a rede IP da operadora
SEG Security gateway
S-GW Service Gateway
SIB System Information Block
SLA Service Level Agreement
SRVCC Single Radio Voice Call Continuity
TCP Transmission Control Protocol
TDD Time-Division Duplexing
TS Technical Specification
UDP User Datagram Protocol
UE User Equiptment
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
VLan Virtual Lan
VoIP Voice over IP
VoLTE Voice over LTE
X2 Interface lógica entre eNodeBs vizinhas
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 - ARQUITETURA SAE ........................................................................................ 17
FIGURA 2 - DIAGRAMA DO EPC ........................................................................................ 19
FIGURA 3 - DIAGRAMA DA ARQUITETURA EPS COMPLETA ......................................... 20
FIGURA 4 - ARQUITETURA E-UTRAN ............................................................................... 22
FIGURA 5 - ESQUEMA DE MULTIPLEXAÇÃO OFDM ....................................................... 23
FIGURA 6 - ESQUEMA DE MÚLTIPLO ACESSO OFDMA ................................................. 24
FIGURA 7 - TÉCNICAS DE IMPLEMENTAÇÃO MIMO ....................................................... 25
FIGURA 8 - ESTRUTURA EM CAMADAS DA E-UTRAN .................................................... 32
FIGURA 9 - PILHAS DO S1-MME E S1-U ........................................................................... 34
FIGURA 10 - PILHA DE PROTOCOLOS DA INTERFACE X2 ............................................. 36
FIGURA 11 - PILHA DE PROTOCOLOS UTILIZADOS NAS INTERFACES ........................ 38
FIGURA 12 - EXEMPLO DE THROUGHPUT POR SETOR (FONTE: MOTOROLA) ........... 42
FIGURA 13 - THROUGHPUT POR SETOR EM DIVERSAS TECNOLOGIAS CELULARES44
FIGURA 14 - COMPARAÇÃO DO THROUGHPUT POR SETOR ENTE HSPA+ E LTE
(FONTE: MOTOROLA) ........................................................................................................ 46
FIGURA 15 - COMPARATIVO ENTRE A MÁXIMA TAXA DE PICO E TAXA MÉDIA.
(FONTE: MOTOROLA) ........................................................................................................ 48
FIGURA 16 - CALCULANDO A TAXA DE DADOS SINGLE-PEAK, ALL-AVERAGE.
(FONTE: MOTOROLA) ........................................................................................................ 49
FIGURA 17 - GANHO DE MULTIPLEXAÇÃO DEPENDE DO NÚMERO DE eNBs
AGREGADAS ...................................................................................................................... 50
FIGURA 18 - COMPARAÇÃO DE LATÊNCIA ENTRE AS TECNOLOGIAS 2G, 3G E 4G ... 53
FIGURA 19 - COMPARAÇÃO DE LATÊNCIA DO 2G AO 4G (Fonte: ................................. 57
FIGURA 20 - COMPARAÇÃO ENTRE AS ARQUITETURAS UMTS E LTE (FONTE: UMTS
FORUM) .............................................................................................................................. 58
FIGURA 21 - FREQUÊNCIAS DE 2,5 GHZ NO BRASIL (FONTE: TELECO, 2013) ............ 68
FIGURA 22 - DIVISÃO DE ÁREAS PARA SERVIÇO DE FDD EM 450 MHZ (FONTE:
TELECO, 2013) ................................................................................................................... 71
FIGURA 23 - EVOLUÇÃO DA DEMANDA DE BANDA (FONTE: SPECTRUM BRIDGE, INC
– 2010) ................................................................................................................................ 74
FIGURA 24 - TOPOLOGIA MOCN ...................................................................................... 78
FIGURA 25 – COMPARTILHAMENTO GWCN .................................................................... 81
FIGURA 26 - TOPOLOGIA DA RAN SHARING TIM X OI .................................................... 86
FIGURA 27 - TAXA DE ERRO DE BIT VS. RELAÇÃO SINAL/RUÍDO – DOWNLINK – [5].. 95
FIGURA 28 - TAXA DE ERRO DE BIT VS. RELAÇÃO SINAL/RUÍDO – UPLINK – [5] ........ 95
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - CATEGORIAS DE TERMINAIS ....................................................................... 31
TABELA 2 - TAXAS DE PICO NO LTE SEM CÓDIGO DE CORREÇÃO DE ERRO ............ 43
TABELA 3 - TAXA DE PICO NO LTE COM CÓDIGO DE CORREÇÃO DE ERRO 5/6 ........ 43
TABELA 4 - SENSIBILIDADE DE ALGUMAS APLICAÇÕES QUANTO À LATÊNCIA ......... 55
TABELA 5 - TAXA MÉDIA REAL DO ASSINANTE .............................................................. 60
TABELA 6 - EXEMPLO DE MAPEAMENTO DA QOS DE RÁDIO LTE PARA QOS DE
TRANSPORTE .................................................................................................................... 63
TABELA 7 - FAIXAS DE FREQUÊNCIA POR BLOCO (FONTE: TELECO, 2013) ............... 69
TABELA 8 - RESULTADOS DO LEILÃO (FONTE: TELECO, 2013) .................................... 70
TABELA 9 - PRAZOS PARA COBERTURA DE SERVIÇO 4G NOS MUNICÍPIOS
BRASILEIROS ..................................................................................................................... 72
TABELA 10 - COMPROMISSO DE COBERTURA DE SERVIÇO MÓVEL 3G/4G -
MUNICÍPIOS < 30 MIL HAB ................................................................................................ 72
TABELA 11 - COMPARAÇÃO MORAN X MOCN ................................................................ 81
TABELA 12 - OPÇÕES DE CONFIGURAÇÃO DE COMPARTILHAMENTO DEFINIDAS NO
PADRÃO LTE PELO 3GPP. ................................................................................................ 82
TABELA 13 - VALORES DOS SERVIÇOS 4G PARA USO EM MODENS 4G E TABLETS
(FONTE: GIZMODO) ........................................................................................................... 89
TABELA 14 - VALORES DOS SERVIÇOS 4G PARA USO EM SMARTPHONES (FONTE:
GIZMODO) .......................................................................................................................... 90
TABELA 15 - VALORES DOS SERVIÇOS 4G PARA USO EM SMARTPHONES (VIVO)
(FONTE: GIZMODO) ........................................................................................................... 90
TABELA 16 - RESULTADO DOS TESTES DE VELOCIDADE DA REDE 4G (FONTE: UOL
TECNOLOGIA) .................................................................................................................... 91
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 14
1.1 MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS ................................................................................. 14
1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO .......................................................................... 14
2 VISÃO GERAL DO LTE ................................................................................................. 16
2.1 EVOLVED PACKET SYSTEM ............................................................................... 17
2.2 E-UTRAN ............................................................................................................... 21
2.2.1 ACESSO ......................................................................................................... 22
2.2.2 MIMO.................................................................................................................24
2.2.3 EFICIENCIA ESPECTRAL .............................................................................. 26
3 AS ENTIDADES DA ARQUITETURA DE REDE LTE .................................................... 27
3.1 EVOLVED NODE B (eNodeB ou eNB) ................................................................... 27
3.2 MOBILITY MANAGEMENT ENTITY (MME) ........................................................... 28
3.3 PDN GATEWAY (P-GW) ........................................................................................ 28
3.4 SERVING GATEWAY (S-GW) ............................................................................... 29
3.5 POLICY AND CHARGING RULES FUNCTION (PCRF) ........................................ 30
3.6 USER EQUIPMENT (UE) ....................................................................................... 30
3.7 INTERFACES DE COMUNICAÇÃO ENTRE AS ENTIDADES ............................... 31
3.7.1 INTERFACE S1............................................................................................... 32
3.7.1.1 INTERFACE S1-MME ........................................................................... 32
3.7.1.2 INTERFACE S1-U ................................................................................. 34
3.7.2 INTERFACE X2............................................................................................... 34
3.7.2.1 INTERFACE X2-C ................................................................................. 35
3.7.2.2 INTERFACE X2-U ................................................................................. 35
3.7.3 DEMAIS INTERFACES ................................................................................... 36
4 DIMENSIONAMENTO DA REDE .................................................................................... 39
4.1 THROUGHPUT ...................................................................................................... 39
4.2 LATÊNCIA ............................................................................................................. 51
4.3 QUALIDADE DE SERVIÇO (QOS) ........................................................................ 60
4.4 PERDA DE PACOTES ........................................................................................... 64
5 ESTUDO DE CASO: IMPLANTAÇÃO DO LTE NO BRASIL ......................................... 67
5.1 ASPECTOS REGULATÓRIOS – ANATEL ............................................................. 67
5.2 INFRAESTRUTURA .............................................................................................. 73
5.3 ASPECTOS ECONÔMICOS .................................................................................. 75
5.4 SOLUÇÃO - LTE RAN SHARING .......................................................................... 76
5.5 LTE RAN SHARING TIM x OI ................................................................................ 85
5.6 SERVIÇO LTE DISPONÍVEL NO BRASIL ............................................................. 88
6 PROPOSIÇÃO DE SIMULADOR EM NÍVEL DE SISTEMA ........................................... 93
7 CONCLUSÕES ............................................................................................................. 100
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 102
14
1 INTRODUÇÃO
1.1 MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS
No ramo da Engenharia de Telecomunicações, é sabido que, diante do
desafio que é a implantação de uma nova rede, mostra-se necessário um
profundo estudo das tecnologias empregadas e das aplicações e serviços que
serão suportados por esta rede.
Em geral, a quantidade de parâmetros envolvidos nestes estudos é
grande demais, dificultando a obtenção de um bom mapeamento inicial da
rede, o que é imprescindível para o correto dimensionamento da mesma.
No caso da rede do LTE (Long Term Evolution), que é baseada na
arquitetura EPS (Evolved Packet System), é preciso entender o papel que cada
entidade desempenha, assim como suas interfaces de comunicação.
Posteriormente, devem-se saber quais parâmetros são importantes para avaliar
corretamente o desempenho da rede implantada.
Este trabalho surge com o intuito de elucidar os pontos acima descritos,
e, ao final, propõe um simulador em nível de sistema para a rede LTE, pois
assim é possível projetar corretamente a rede, tendo em vista os parâmetros
de desempenho desejados.
1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Este trabalho está divido em 7 capítulos. Neste primeiro capítulo é
apresentada a introdução do trabalho, com a motivação, o objetivo e a
descrição resumida dos demais capítulos.
No capítulo 2 são apresentados alguns conceitos fundamentais da
arquitetura de rede do LTE, assim como uma breve descrição dos aspectos de
sua camada física.
Por sua vez, o capítulo 3 descreve as principais entidades de rede que
compõem a arquitetura do LTE, discorrendo sobre suas interfaces de conexão
15
e apresentando brevemente os protocolos utilizados para a troca de
mensagens.
O capítulo 4 apresenta conceitos importantes para que seja possível
simular e implantar uma rede de qualidade. Já no capítulo 5, um estudo de
caso é exposto, a fim de embasar a importância dos conceitos até então
abordados.
No capítulo 6, uma proposição inicial de um simulador em nível de
sistema é discutida. Finalmente, no capítulo 7, serão apresentadas as
conclusões.
16
2 VISÃO GERAL DO LTE
O LTE é um padrão desenvolvido pelo 3GPP (3rd Generation
Partnership Project), que tinha como objetivo inicial, em 2004, determinar uma
evolução de longo prazo para a tecnologia UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System). O UMTS tinha dois principais componentes, o
UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access Network), que era a interface aérea,
incluindo o dispositivo móvel, e a Core Network, CN.
Como o LTE é a evolução do UMTS, componentes equivalentes aos
citados acima foram nomeados como E-UTRA e E-UTRAN (Evolved UMTS
Terrestrial Radio Access Network), formando a rede de acesso rádio (RAN). No
entanto, o sistema da rede LTE vai além destes dois componentes, devido ao
que o 3GPP chamou de SAE, System Architecture Evolution, que define que
todo o núcleo da rede LTE deve ser baseado na tecnologia IP, ou seja, todo o
tráfego é feito através de comutação de pacotes.
Assim, esta rede baseada no protocolo IP foi chamada de EPC, Evolved
Packet Core. A combinação da EPC com a RAN define a rede como um todo,
denominada como EPS, Evolved Packet System.
Dependendo do contexto, muitos autores utilizam algumas das siglas
citadas (LTE, E-UTRA, E-UTRAN, SAE, EPC ou EPS), para definir a rede LTE
como um todo, apesar de o termo correto que define a arquitetura de rede que
suporta o LTE é o EPS. O termo LTE define apenas um conjunto de padrões
utilizados a fim de atender alguns requisitos impostos pelo cenário atual das
redes de comunicações móveis. Nas seções seguintes, será detalhado o que
cada um destes termos e padrões representa.
Dentre estes requisitos para o LTE destacam-se a redução do custo por
bit, melhor prestação de serviço, uso flexível de novas bandas de frequência,
arquitetura de rede simplificada com interfaces abertas, e a possibilidade de
terminais com menor consumo de energia. Estes requisitos são detalhados nos
documentos oficias do 3GPP, 25.912 e 25.913, que estão, em parte, descritos
abaixo:
17
Maiores taxas no downlink e uplink.
Canais de 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz e 20 MHz, tanto
para downlink quanto para uplink.
Melhorias de 3 a 4 vezes na eficiência espectral quando comparado ao
HSPA, utilizado no 3G.
Latência menor que 5 ms para pacotes IP pequenos.
Desempenho otimizado em velocidades baixas para o terminal (0 a 15
km/h), e suporte a altas velocidades (120 a 350 km/h).
Interconexão com os padrões legados ainda em funcionamento, no
entanto visando a utilização de redes totalmente IP no futuro.
2.1 EVOLVED PACKET SYSTEM
A arquitetura formada pelo EPS é representada por diversos nós lógicos
que se comunicam a fim de promover um conjunto específico de funções na
rede. De acordo com o 3GPP, uma implementação de rede baseada no
conceito do EPS pode ser vista da seguinte forma:
FIGURA 1 - ARQUITETURA SAE
Do lado esquerdo da figura, podem-se observar diferentes padrões de
rede de acesso rádio que podem se conectar ao EPC, incluindo a segunda
(2G) e a terceira geração (3G) de redes móveis, representado pelo GSM/GPRS
e WCDMA/HSPA, respectivamente. Obviamente, o LTE é o mais recente
18
padrão de rede de acesso de rádio, e também se conecta à EPS. Há ainda
outro nó chamado de “Non-3GPP”, que representa qualquer tipo de rede de
acesso baseada em pacotes, porém não definida pelo 3GPP, como o WLAN,
por exemplo, que é definido pelo IEEE.
O núcleo da rede consiste em, basicamente, três domínios: “Circuit
Core”, que representa os elementos e funções de rede que se baseiam em
comutação de circuitos; “Packet Core”, que representa os elementos e funções
de rede que se baseiam em comutação de pacotes, como o HSPA e o próprio
LTE; e, finalmente, o IMS, que representa os nós e funções que fornecem
suporte a sessões multimídia, baseadas no protocolo SIP, por exemplo, e
utiliza o IP como protocolo de camada de rede.
Em meio a estes três domínios, existe ainda o “User mgmt”, que
gerencia todos os dados relacionados aos assinantes que utilizam os serviços
dos outros domínios. Formalmente, o 3GPP não define um domínio separado
para esta função, e sim incorporado como funções de gerencia dentro de cada
um dos três domínios já abordados. Porém, por questões de simplicidade, este
domínio é abordado muito separadamente, como outro nó na rede.
O EPS, conforme mostrado na figura 3, pode ser bastante complexo,
pois a arquitetura completa, que possibilita a interconexão com praticamente
qualquer rede de acesso que se possa pensar, está prevista para esta
arquitetura. Sendo assim, uma grande quantidade de entidades e interfaces
são previstas e padronizadas pelo 3GPP.
É improvável que uma operadora faça uso de todos os nós lógicos e
interfaces exibidas neste diagrama. Além disso, nem todos os nós e interfaces
são implementados em uma rede real, visto que muitas vezes podem residir
fisicamente no mesmo hardware. Isso, de certa maneira, simplifica o
entendimento e a implantação de uma arquitetura baseada no EPS.
Neste trabalho, a maior ênfase a ser dada dentro do EPS é na
arquitetura do EPC, que é representada na figura 1, pelo “Packet Core
Domain”, visto que o desenvolvimento do LTE está intimamente ligado ao
desenvolvimento do EPC, e também porque o LTE se conecta à EPS apenas
19
através do EPC. A arquitetura do EPC estudada é ilustrada em detalhes na
figura 2.
FIGURA 2 - DIAGRAMA DO EPC
20
FIGURA 3 - DIAGRAMA DA ARQUITETURA EPS COMPLETA
21
Assim, alguns dos nós de rede e interfaces presentes no EPC que envolvem
a interconexão com outras redes de acesso, sendo elas padronizadas pelo 3GPP ou
não, não serão abordados.
2.2 E-UTRAN
Com a banda larga móvel já sendo uma realidade, a geração atual cresce
habituada a ter acesso à Internet onde quer que esteja, não apenas em casa, lan
houses, ou no escritório.
Já é possível navegar na Internet, enviar e-mails, trocar mensagens
instantâneas e fazer chamadas utilizando o telefone celular, ou notebook com um
modem HSPA, substituindo, assim, os modens fixos. Com a chegada do LTE, a
experiência do usuário será ainda mais rica, pois esta tecnologia possibilita o uso de
novos aplicativos, mais exigentes quanto à banda disponível e latência, como TV
interativa, jogos online em tempo real, e serviços profissionais que requisitam uma
conexão de mais qualidade, e maior taxa de transferência.
Neste contexto o LTE veio como uma aposta promissora. Intitulado como o
passo rumo ao sistema móvel de quarta geração, o 4G, e precedido pelas já
conhecidas redes 2G e 3G, o LTE é um projeto da 3GPP que tem como objetivo
melhorar o padrão de telefonia móvel utilizado nas redes de terceira geração, o
UMTS. Para isso, utiliza de maneira mais eficiente o espectro disponível, reduzindo
custos e aumentando a qualidade de serviço. O LTE promete taxas de até 326 Mbps
para downlink e 86,4 Mbps para uplink.
O LTE tem base fundamental no protocolo IP e possui o E-UTRAN (Evolved
Universal Terrestrial Radio Access Network) como rede de acesso, e tem como
diferencial a sua interface física aérea, onde foi especificado o uso do modelo
OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) para o sentido de downlink
e, até o release 9 do 3GPP, uso de SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division
Multiple Access) para o sentido de uplink. Além disso, é utilizada a tecnologia MIMO
para aumentar a capacidade de robustez do sistema.
22
A E-UTRAN é composta pelas eNodeB’s e suas respectivas interfaces de
comunicação, S1 e X2, que serão mais profundamente abordados nas seções 3.7.1
e 3.7.2.
FIGURA 4 - ARQUITETURA E-UTRAN
2.2.1 ACESSO
Na E-UTRAN, a interface sem fio é baseada na tecnologia OFDM (Orthogonal
Frequency-Division Multiplexing), que faz com que seja possível atingir-se maiores
taxas de transferência, aliada a uma implementação de baixo custo e eficiente no
que tange a consumo de energia.
A OFDM é um método de multiplexação que codifica o sinal em múltiplas
portadoras, chamadas então de subportadoras. Cada subportadora é modulada com
uma técnica convencional, como QAM ou PSK, em uma taxa de símbolos baixa, no
entanto mantendo a taxa de transferência de esquemas de modulação de única
portadora, dada a mesma largura de banda. A figura 5 a seguir, mostra como é feita
esta subdivisão da portadora principal em subportadoras ortogonais de menor
largura de banda.
23
FIGURA 5 - ESQUEMA DE MULTIPLEXAÇÃO OFDM
Com isso, o OFDM associa diferentes subcanais para usuários diferentes,
evitando problemas causados por desvanecimento por multipercursos, enviando os
bits de dados a baixas velocidades, combinados no receptor para formar uma
mensagem de alta velocidade.
O principio da ortogonalidade garante que as subportadoras não causarão
interferência entre si, já que o pico de cada uma está sempre no ponto nulo de suas
adjacentes, fazendo com que não seja necessário o uso de banda de guarda entre
as portadoras. Isso faz com que a eficiência espectral seja significativamente maior,
em relação a outros tipos de modulação tradicionais.
Uma extensão desta tecnologia também é usada na técnica de acesso de
múltiplos usuários ao meio, que se chama OFDMA (Orthogonal Frequency-Division
Multiple Access). O OFDM, em si, não é voltado para o acesso de múltiplos usuários
ao meio.
No OFDMA, um método de acesso por divisão de frequências é definido,
associando uma subportadora diferente para cada usuário do sistema. É possível,
inclusive, implementar QoS ao sistema, dependendo de quantas subportadoras
sejam alocadas para um determinado usuário e da constelação utilizada. A figura 6
abaixo mostra de que forma estes canais são distribuídos dentro de uma portadora.
24
FIGURA 6 - ESQUEMA DE MÚLTIPLO ACESSO OFDMA
Até o release 9 do 3GPP, o esquema de múltiplo acesso padronizado para o
downlink é o OFDMA, enquanto para o uplink é o SC-FDMA (Single-Carrier
Frequency-Division Multiple Access). O SC-FDMA funciona de forma similar ao
OFDMA, porém com um processamento adicional utilizando DFT (Discrete Fourier
Transform) antes do processamento convencional do OFDMA. Esta técnica é
favorecida no uplink pelo fato de admitir uma relação de potência de pico por
potência média menor, ou seja, é mais eficiente em equipamentos que não dispõem
de fontes de energias abundantes, de forma que precisam utilizar potências de
transmissão tão pequenas quanto possível.
2.2.2 MIMO
Para que se possa alcançar maiores taxas de transferência de download e
upload no UE, o LTE faz uso da tecnologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output),
que envia os dados através de diferentes caminhos ao mesmo tempo. O sistema
MIMO confere grande capacidade de confiabilidade aos sistemas de banda larga
móvel.
25
A Lei de Shannon diz que a quantidade de informação que pode ser
transmitida através de um canal de comunicação é limitada, em função de diferentes
tipos de interferência. Ultimamente, técnicas de codificação para ambientes com
ruído, como redes de telefonia móvel celular, tem aproximado a capacidade dos
canais de comunicação ao limite imposto pela Lei de Shannon.
A técnica MIMO toma como base o fato de que a Lei de Shannon se baseia a
apenas um canal de comunicação. Como o sistema MIMO utiliza mais de um canal
(mais de uma antena) entre o transmissor e o receptor, o conjunto de canais excede
a capacidade de um único canal, porém obedecendo as demais leis da Teoria da
Informação.
O uso de múltiplas antenas permite explorar o domínio espacial como uma
nova dimensão, e assim alcançar maior eficiência espectral. Esta técnica pode ser
implementada de diversas formas, conforme mostra a figura abaixo.
FIGURA 7 - TÉCNICAS DE IMPLEMENTAÇÃO MIMO
Ganho em diversidade: O uso da diversidade espacial a partir da implantação
de múltiplas antenas aumenta a robustez do sinal transmitido contra
desvanecimento por multipercurso. Esta técnica é ilustrada pelo esquema (a).
Ganho em conjunto: É caracterizada pela concentração da energia do sinal
em uma ou mais direções. Isso possibilita que usuários localizados em diferentes
regiões sejam servidos simultaneamente. Esta técnica é ilustrada pelo esquema (b).
Ganho em multiplexação espacial: Consiste na transmissão de múltiplos
sinais (através de múltiplas antenas) para um único usuário, que são multiplexados
de forma a formar um único sinal. Esta técnica é ilustrada pelo esquema (c).
26
2.2.3 EFICIENCIA ESPECTRAL
Para que se possa comportar o máximo número de usuários dentro do
espectro disponível, é preciso que se obtenha a maior eficiência espectral possível.
No LTE, a largura de banda disponível varia de 1,4 MHz a 20 MHz. A flexibilidade de
largura de banda tem como resultado direto a maior resistência à interferência
durante a transmissão de dados, permitindo assim aumentar o número de usuários
por célula na rede.
Além disso, o suporte a FDD (Frequency Division Duplex) e a TDD (Time
Division Duplex) na mesma plataforma garante o melhor aproveitamento do espectro
de diferentes formas. O FDD faz uso de duas faixas de frequências distintas, onde é
possível enviar dados por uma frequência e recebê-los através de outra. Por sua
vez, o TDD só utiliza uma única faixa de frequência, transmitindo e enviando em
tempos diferentes.
A eficiência espectral é medida em taxa de bits transmitidos por unidade de
frequência ocupada, bps/Hz, e está diretamente ligada a quão econômica será a
implantação de uma nova tecnologia de acesso wireless.
27
3 AS ENTIDADES DA ARQUITETURA DE REDE LTE
Nas seções seguintes, serão apresentadas as entidades principais que, em
conjunto, formam a arquitetura EPS, sendo a parte do núcleo da rede IP designada
como EPC, e a parte de acesso à camada física sem fio designada E-UTRAN.
Posteriormente, será descrita a interface de comunicação entre as eNodeBs, a X2,
assim como a interface de comunicação destas eNodeBs com o EPC, a S1, além de
uma breve exposição das demais interfaces que fazem parte da arquitetura EPC.
É importante definir quais são as funções exercidas por cada entidade e
interface, pois, desta forma, é possível modelar as funções e interações de cada
uma delas em um ambiente de simulação. Esta exposição pode ser utilizada para a
elaboração de um protótipo de simulador para LTE em nível de sistema.
3.1 EVOLVED NODE B (ENODEB OU ENB)
A eNodeB é a responsável pela interface rádio sem fio para o UE, além de
controlar os recursos alocados. Este controle envolve o gerenciamento da portadora,
a alocação de recursos para o uplink e o downlink individualmente para cada UE. A
eNodeB suporta, também, a compressão do cabeçalho IP e a encriptação dos dados
do plano de usuário.
A interconexão entre uma ou mais eNodeBs é feita através de uma interface
chamada X2. Esta interface tem diversos usos, sendo o principal exemplo a troca de
mensagens para execução do handover. As eNodeBs também são interligadas ao
core da rede (EPC), através de uma interface chamada S1, que é separada em dois
planos: o plano de usuários e o plano de controle. O plano responsável pelo controle
é chamado de S1-MME, pois a interface é terminada quando a eNodeB se comunica
com o MME. Já o plano responsável pelos dados dos usuários é chamado de S1-U,
e por sua vez é terminado no Serving Gateway (S-GW), escoando o tráfego de
dados dos usuários. A interface S1 tem, ainda, outra característica importante, que é
a possibilidade de ser feito o compartilhamento da rede de acesso rádio. Este tópico
será mais profundamente abordado ao longo deste trabalho.
28
3.2 MOBILITY MANAGEMENT ENTITY (MME)
Sob a perspectiva da rede EPC (ver figura 2), o MME é o nó central que
controla todo o acesso à rede LTE. É responsável pela seleção do S-GW que
atenderá a uma UE durante a associação inicial, assim como após o handover, se
necessário. É o MME que trata do rastreamento e da paginação de UEs que estão
em estado inativo, a fim de controlar a ativação e desativação de interfaces que
atendem ao UE.
Através da interação com o HSS/PCRF, o MME é capaz de tratar da
autenticação do usuário final junto a rede. No caso de UEs que estão em roaming, o
MME termina a interface S6a até a HSS original do UE. A interface S6a transporta
mensagens que carregam informações de autenticação e autorização do usuário,
utilizando o protocolo SCTP/Diameter.
Assim, o MME pode garantir autorização ou não de serviços que o UE em
roaming pode acessar. Além disso, o MME disponibiliza o plano de controle para a
mobilidade entre as redes de acesso LTE e 2G/3G.
A seleção do MME é dada através da topologia da rede, dependendo de qual
MME atende a área a qual o UE pertence no momento. Se vários MMEs servirem à
mesma área, a seleção se dá através de outros critérios, como, por exemplo, a
escolha de um MME que tenha menos chances de requerer uma troca futura devido
a questões relacionadas ao balanceamento de carga.
3.3 PDN GATEWAY (P-GW)
O PDN Gateway é o ponto de interconexão entre a EPC e redes IP externas.
Com isso, possibilitando a conectividade com outros PDNs da rede, funcionando
como um portal de entrada e saída do tráfego de dados do usuário. O UE pode se
conectar a mais de um P-GW caso necessite acessar mais de uma PDN ao mesmo
tempo.
O P-GW é responsável por alocar um endereço IP ao UE, executar a DPI
(Deep Packet Inspection), ou filtragem de pacotes, que tem grande importância para
a correta aplicação do QoS na rede, já que o P-GW marca os pacotes através do
29
DPI, tanto de uplink quando de downlink, a fim de controlar as taxas de download e
upload que a UE poderá obter, através do PCRF.
O P-GW também serve como âncora durante a mobilidade da UE entre
sistemas com tecnologia não baseadas no 3GPP, como o WiMAX e o CDMA.
As interfaces com as quais o P-GW se conecta são a S5/S8, através da qual
é feita a comunicação com o S-GW, a SGi, através da qual o P-GW se comunica
com outros P-GW e com redes IP externas, e a Gx, através da qual o P-GW se
comunica com o PCRF.
3.4 SERVING GATEWAY (S-GW)
O Serving Gateway é quem termina a interface entre a EPC até a E-UTRAN.
Todos os UEs que são ligados à rede EPS (Evolved Packet System) estão
associados a um único S-GW. Assim como acontece com o MME, o S-GW é
escolhido para ser responsável por um certo UE de acordo com a topologia da rede
e da localização do UE. A seleção deste S-GW se dá através de alguns critérios,
como a tentativa de evitar a futura necessidade de troca de S-GW a partir da
mudança de local do UE, de acordo com a área de serviço do S-GW. O segundo
critério seria a necessidade de se fazer o balanceamento de carga entre os S-GW
disponíveis na rede.
Uma vez que o UE esteja associado a um S-GW, este último fica responsável
pelo encaminhamento do tráfego de pacotes do usuário, e também atua como um
ponto de ancoragem para quando o handover entre as eNodeBs for necessário.
Quando uma dada UE está inativa, ou seja, sem transmitir nem receber
dados, ela colocada em estado inativo (idle), e o S-GW é o responsável por terminar
a bearer de downlink de dados do usuário. Da mesma forma, quando um novo
pacote chega e a máquina de estados muda para ativo, o S-GW é o responsável por
reestabelecer o caminho, e armazena parâmetros do protocolo IP e de roteamento.
O S-GW também é o responsável pela aquisição de dados em caso de
interceptação legal.
30
As interfaces de comunicação do S-GW são a S1-U, que o interliga com as
eNodeBs, a S5/S8, que o interliga com o P-GW, e a S11, que detém a troca de
informações entre o S-GW e o MME.
3.5 POLICY AND CHARGING RULES FUNCTION (PCRF)
O PCRF é o elemento de controle da arquitetura de rede SAE, através do
qual as políticas de controle tarifários necessárias são aplicadas na rede. Isso
significa tratar da detecção da direção do tráfego, aplicação do QoS e tarifação dos
usuários. No entanto, o PCRF não é o responsável pelo controle de créditos
disponíveis a um usuário.
O PCRF recebe informações do tipo de serviço detectado, e decide como o
fluxo de dados para um particular serviço será controlado. Com isso, o PCRF
garante que os dados do plano do usuário serão mapeados e tratados de acordo
com o perfil de assinatura associado ao usuário final.
3.6 USER EQUIPMENT (UE)
É o terminal portado pelo usuário, que deve ser compatível com as
tecnologias usada pela eNodeB para ser capaz de se comunicar, tais como OFDMA,
e MIMO. Porém, devem ser observadas algumas limitações quanto a tamanho do
dispositivo, temperatura, consumo de bateria, dentre outros. No LTE, o UE se
comunica com a E-UTRAN e com a EPC, usando protocolos rádio avançados. A
comunicação no plano do usuário termina na eNodeB, enquanto a comunicação do
plano de controle é feito tanto com a eNodeB quanto com o MME.
Por suportar diferentes tipos de hardwares, os UE são categorizados
conforme a tabela abaixo:
31
Throughput máximo (kbps)
Categoria do terminal
Downlink Uplink Camadas MIMO para
Downlink
1 10296 5160 1
2 51024 25456 2
3 102048 51024 2
4 150752 51024 2
5 299552 75376 4
TABELA 1 - CATEGORIAS DE TERMINAIS
As categorias distinguem a taxa máxima possível para o downlink e para o
uplink, assim como o número máximo de camadas MIMO com que o UE é capaz de
lidar.
3.7 INTERFACES DE COMUNICAÇÃO ENTRE AS ENTIDADES
Esta seção irá descrever de forma geral como funcionam as interfaces S1 e
X2. Estas interfaces fazem parte da E-UTRAN, que é composta por duas partes
principais: a camada de transporte, que padroniza a forma como os dados da
camada de rádio são transportados, e a camada de rádio em si, que engloba os
protocolos das camadas superiores da interface. Além de basicamente seguirem o
modelo OSI, estas interfaces são separadas em dois planos, o plano de controle
(CP) e o plano do usuário (UP). Esta separação é apresentada na figura 8. As
demais interfaces serão brevemente apresentadas nas seções posteriores.
32
FIGURA 8 - ESTRUTURA EM CAMADAS DA E-UTRAN
O plano do usuário carrega todos os dados referentes ao usuário, como voz e
vídeo, assim como sinalização em nível de aplicações (pacotes SIP e RTCP, por
exemplo). O plano de controle lida com todas as mensagens e procedimentos
relacionados às entidades suportadas pelas interfaces, como, por exemplo, o
controle de handover. A camada física é comum aos dois planos, e a partir daí, tanto
o CP como o UP utilizam protocolos que permitem que o transporte seja
independente. A forma como a informação é carregada pelo CP está mais ligada a
segurança, confiabilidade, e perda de dados, enquanto a UP pode ser baseada em
protocolos de roteamento menos seguros e mais simples. As interfaces da E-UTRAN
são padrões abertos definidos pelo 3GPP, possibilitando que fabricantes diferentes
possam fabricar os equipamentos que podem ser implantados na mesma rede.
3.7.1 INTERFACE S1
A interface S1 conecta a eNodeB com a EPC. Ela é separada pelo plano de
controle, chamado de S1-MME, e pelo plano do usuário, chamado de S1-U.
3.7.1.1 INTERFACE S1-MME
33
A interface S1-MME, também chamada de S1-C, que denota controle, é uma
interface de sinalização que suporta uma série funções e processos que acontecem
entre a eNodeB e o MME. Todos estes processos de sinalização pertencem a quatro
principais grupos:
Processos no nível de bearer: este conjunto de processos corresponde a todos
que são relacionados à iniciação, modificação e terminação de uma bearer.
Estes processos são tipicamente usados para iniciar ou terminar uma
comunicação.
Processos de handover: engloba rodas as funções relacionadas a mobilidade do
usuário entre as eNodeBs, assim como entre outras tecnologias 2G ou 3G
padronizada pelo 3GPP.
Transporte da sinalização NAS (Non Access Stratum): corresponde ao transporte
da sinalização entre a UE e o MME através da interface S1. Esta sinalização
também é chamada de NAS, e é transparente à eNodeB. Dada a importância
destas mensagens, elas são transportadas através da S1-MME utilizando
procedimentos específicos que garantem a entrega.
Processos de paginação: são processos utilizados quando o usuário termina sua
sessão. Através dele, o MME é capaz de pedir a eNodeB para tentar localizar o
UE deste usuário dentro de um conjunto de células.
A interface S1-MME deve ser capaz de prover alta disponibilidade e
confiabilidade, a fim de evitar que mensagens sejam retransmitidas e haja latência
desnecessária no plano de controle.
Dependendo da forma como a rede é implantada, podem haver casos em que
o protocolo UDP sobre IP não seja confiável o suficiente. Além disso, em casos em
que a rede de transporte não pertence a operadora que controla a camada de rádio,
podem ocorrer períodos em que o QoS na rede de transporte não é garantido
durante todo o tempo. Por esta razão, a interface S1-MME faz uso de uma camada
de transporte mais confiável, que funciona como um túnel ponto a ponto entre a eNB
e o MME. Na arquitetura EPS, este serviço é garantido pelo SCTP (Stream Control
Transmission Protocol).
34
O protocolo utilizado para fazer a troca de sinalização entre a eNodeB e o
MME é chamado de S1 Application Part (S1AP).
3.7.1.2 INTERFACE S1-U
O plano do usuário da interface S1, chamado de S1-U, tem como função
transportar os pacotes de dados entre a eNodeB e o Serving Gateway. Esta
interface utiliza um protocolo GTP (GPRS Tunnelling Protocol) sobre UDP/IP, que
apenas encapsula os dados dos usuários. Não há controle de erro nem de fluxo, ou
qualquer mecanismo que garanta a entrega de dados na interface S1-U. O protocolo
GTP é, na verdade, herdado das redes GPRS. Em tais redes, o GTP era utilizado
entre os nós SGSN - Serving GPRS Support Node e GGSN - Gateway GPRS
Support Node. Abaixo são apresentadas as pilhas das interfaces S1-MME e S1-U.
FIGURA 9 - PILHAS DO S1-MME E S1-U
3.7.2 INTERFACE X2
A interface X2 interconecta as diversas eNodeBs que podem haver na rede
de acesso sem fio. O LTE utiliza a mesma estrutura de protocolos nas interfaces X2
e na S1, o que acaba por simplificar o encaminhamento dos dados. Da mesma
forma como é definido na interface S1, a interface X2 é separada no plano de
controle X2-C, e no plano do usuário X2-U.
35
3.7.2.1 INTERFACE X2-C
A interface X2-C é a interface de sinalização que suporta um conjunto de
funções e procedimentos entre as eNodeBs. Estes procedimentos são reduzidos, se
limitando a troca de mensagens para possibilitar a mobilidade do usuário entre as
eNodeBs, como informações sobre bearers alocadas e mensagens de segurança.
Além disso, a interface X2-C possibilita a troca de mensagens para indicação
da carga atual da eNodeB, a fim de indicar as condições de carga de uma eNodeB
para suas vizinhas. Esta função visa ajudar o controle do balanceamento de carga
que deve ser feito para que uma eNodeB não fique sobrecarregada, otimizando
decisões de handover.
Assim como na interface S1-MME, se faz necessário o uso do protocolo
SCTP sobre IP para que se possa garantir a entrega das mensagens de sinalização
entre os nós.
O protocolo utilizado para fazer a troca de sinalização entre as eNodeBs é
chamado de X2 Application Part (X2AP).
3.7.2.2 INTERFACE X2-U
A interface do plano do usuário X2, chamada de X2-U, tem objetivo de
transportar os dados dos usuários entre as eNodeBs. Esta interface é utilizada
apenas em curtos períodos de tempo, quando um UE se move de uma eNodeB para
outra. Este processo envolve buffering, técnica na qual os dados são acumulados
até que possam ser encaminhados. Assim como a interface S1-U, a interface X2-U
utiliza o protocolo GTP.
Abaixo é exibida a pilha de protocolos que compõem a interface X2.
36
FIGURA 10 - PILHA DE PROTOCOLOS DA INTERFACE X2
3.7.3 DEMAIS INTERFACES
As demais interfaces que compõem a arquitetura EPC na forma como foi
abordada neste trabalho são: Rx, Gxc, Gx, S9, SGi, S5/S8, S11 e S10, que serão
brevemente descritas abaixo.
S10: É o ponto de referência entre os MMEs, para a realocação de MMEs para
um UE e para a troca de informações entre os MMEs. Esta interface suporta as
mensagens responsáveis pela mobilidade dentro da E-UTRAN, através do
handover. Em outras palavras, a troca de mensagens por esta interface é
acionada quando um UE se move e troca de eNodeB. O documento 23.401 do
3GPP define a realocação de MME como um tipo de handover entre interfaces
S1. Sendo assim, a interface S10 é um tipo especial de interface S1 e o protocolo
S1AP é utilizado.
S11: Este é o ponto de referencia entre o MME e o S-GW. O protocolo utilizado
nesta interface é o GTP-C. A troca de mensagens através desta interface é
acionada pelo processo de paginação e mobilidade da UE.
S5: A interface S5 habilita um tunelamento para tráfego dos dados do plano do
usuário entre o S-GW e P-GW, assim como a gerência desse túnel. As
mensagens são acionadas quando é necessária a troca do P-GW devido à
37
mobilidade do UE. O protocolo usado nesta interface é o GTP tanto para o plano
de controle quanto para o de usuário.
S8: Esta interface é utilizada quando o usuário está em roaming. É o ponto de
referência para a interconexão entre as redes móveis públicas das duas
operadoras envolvidas. Esta interface fornece o canal de comunicação entre o P-
GW da rede original e o S-GW da rede visitada pelo usuário. Além disso, fornece
as politicas de QoS e tarifação entre o PCRF original e o PCRF visitado. É uma
variação da interface S5, porém voltada para operações entre redes de
diferentes operadoras, operação esta denominada inter-PLMN (Public Land
Mobile Network).
SGi: Esta interface faz conexão do P-GW com a rede de pacotes e serviços da
operadora. Esta rede pode ser pública ou privada. Simplificadamente, muitas
vezes a SGi é a interface que conecta os dados do plano do usuário com a
Internet pública. Geralmente toda a pilha TCP/IP já pode ser observada nesta
interface.
Gx: Esta interface transfere as mensagens contendo informações das politicas
de QoS e tarifação para o P-GW. Isso significa que o P-GW fará uma série de
requisições ao PCRF ao estabelecer a bearer para um dado usuário, enquanto o
PCRF irá, através da interface Gx, fornecer as informações necessárias para o
processo de tarifação.
Gxc: O propósito principal desta interface é fornecer informações sobre o QoS
aplicado para o S-GW. Utiliza o protocolo SCTP para o transporte das
mensagens.
S9: Esta interface é responsável por transferir as politicas de QoS e tarifação
entre o PCRF da rede original e a rede visitada pelo usuário. Esta interface
possibilita que usuário visite a rede de outra operadora, mas ainda assim consiga
acessar as informações em sua rede original. Este conceito é conhecido como
local breakout.
Rx: A interface Rx possibilita a comunicação entre as aplicações utilizadas pelo
usuário e o PCRF. Isso possibilita, por exemplo, que determinadas aplicações,
como VoIP, sejam tarifadas de forma diferente de outras aplicações que rodam
sobre a rede de pacote, como navegação na internet.
38
Abaixo, é exibido um resumo dos protocolos utilizados nas camadas mais
superiores de cada interface.
FIGURA 11 - PILHA DE PROTOCOLOS UTILIZADOS NAS INTERFACES
39
4 DIMENSIONAMENTO DA REDE
O LTE traz muitas inovações como sua arquitetura all-IP, uso do OFDMA
como técnica de acesso, uso de múltiplas antenas (MIMO, SIMO, MISO), as altas
taxas alcançáveis, etc. Tudo isso influi significativamente no projeto e
dimensionamento da rede. As operadoras não possuem experiência no
dimensionamento dessa rede e este capítulo apresenta as características e os
requisitos de throughput, latência, perda de pacotes e QoS, parâmetros de sistema
que não podem ser negligenciados quando se deseja implantar um rede com
eficiência e qualidade.
4.1 THROUGHPUT
DEFINIÇÃO
O Throughput pode ser definido como a capacidade total de um canal em
transmitir dados durante um determinado período de tempo, ou seja, a taxa de
transferência efetiva de um sistema. Em suma, mede a taxa de dados reais, sem
redundâncias. Na prática, um canal é afetado por inúmeros fatores que diminuem
sua capacidade de transmitir, assim, a taxa de transferência efetiva de um
determinado sistema pode ser menor que a taxa de entrada devido às perdas e
atrasos no sistema. Um throughput adequado é essencial para transmitir grandes
quantidades de dados com poucos erros. Por exemplo, a transmissão de streaming
de vídeo sobre redes locais é uma aplicação em tempo real muito crítica quando se
fala de taxa de erros.
THOUGHPUT EM REDES WIRELESS
Frequentemente o throughput de pico é visto, de maneira equivocada, como
como a taxa real que o assinante irá experimentar em uma rede sem fio, o que não é
verdade. Em ambientes wireless, fatores adicionais tais como: o meio ambiente e as
condições atmosféricas, afetam as taxas de dados alcançáveis. Isso resulta em uma
taxa de dados no mundo real que está bem abaixo da taxa de dados de pico teóricos
obtidos em ambientes de laboratório.
Outro aspecto no qual a taxa de pico toma parte é criar excitação sobre o
desempenho de cada nova geração de tecnologias de banda larga. Mas o
40
throughput de pico, como o próprio nome indica, é apenas uma medida teórica que
não é exequível em uma rede comercial. Existem várias maneiras diferentes de
medir o desempenho de tecnologias sem fio, que incluem throughput de pico,
throughput médio por setor, throughput na borda da célula e taxa de dados de
assinantes, os quais levam em conta várias condições e cenários. Para prever com
precisão realista a capacidade da rede LTE e a demanda dos usuários, as
operadoras precisam compreender as diferentes medidas de desempenho.
Em business cases e exercícios de modelagem de rede, o uso de métricas de
desempenho realistas como o throughput médio por setor e o throughput na borda
da célula oferecem maior precisão e levam a expectativas mais realistas. Por
exemplo, as taxas de dados máximas são raramente utilizadas, pois refletem taxas
teóricas que muito poucos (se houver) assinantes realmente irão experimentar em
uma rede comercial e, portanto, não pode ser convertida em receita. Como as
operadoras estão avaliando onde investir na próxima geração de tecnologias de
banda larga sem fio é importante obter uma visão realista das verdadeiras
capacidades das opções tecnológicas disponíveis.
MÉTODOS PARA MEDIÇÃO DE THROUGHPUT
As expectativas dos usuários finais são equivocadas devido aos diferentes
métodos e métricas para medição de throughput. Vários fatores tais como os
descritos na seção anterior, impactam no throughput prático observado em sistemas
de RF. A sobrecarga adicional acrescentada pela modulação adaptativa e
codificação para correção de erros afeta a taxa de dados real utilizada por um
usuário, reduzindo significativamente a taxa experimentada pelo usuário em
comparação com a taxa de dados de pico medido em laboratório. As medições de
throughput mais significativas serão explicadas a seguir, começando com a medida
mais teórica e seguindo até as medidas que melhor refletem o desempenho
comercial em uma rede real. Depois, serão apresentadas as informações de
throughput no LTE.
THROUGHPUT DE PICO NA CAMADA FÍSICA
41
Essa taxa está frequentemente em destaque na mídia e materiais de
marketing. É uma medida fixa, com base na camada física, e, portanto, determina a
atual capacidade disponível para cada sector, na estação de base sem quaisquer
codificações de erros. A taxa de pico na camada física é útil em laboratório
comparando desempenhos contra os valores teóricos, mas não considera todas as
técnicas de correção de dados, qualidade do sinal de interferência, programação,
desempenho dos terminais, ou mobilidade e, portanto, não é uma representação
prática do desempenho de dados.
THROUGHPUT DE PICO NA CAMADA DE APLICAÇÃO
O modelo de referência de Interconexão de Sistema Aberto (OSI) é uma
descrição para comunicação em camadas e projeto de protocolos de rede. A
arquitetura de rede é dividida em sete camadas únicas, e a camada de aplicação
representa o topo do modelo, interagindo diretamente com o usuário. A taxa de
dados de pico da camada de aplicação assume que há apenas um único assinante
na rede com as melhores condições atmosféricas possíveis, por exemplo, quando o
assinante se localizada diretamente sob a BTS. A taxa também é dependente da
taxa de codificação de erro aplicada sobre a conexão. Codificação de correção de
erro é um método aplicado para tratamento de erros nos dados transmitidos em que
o sistema insere dados adicionais (redundantes) nos pacotes, permitindo que o
receptor detecte e corrija erros, sem ter que solicitar uma retransmissão completa
dos dados afetados. Na ausência de codificação para correção de erros o sistema
utiliza os mecanismos de retransmissão de dados com maior frequência, o que
diminui a largura de banda disponível.
THROUGHPUT MÉDIO POR SETOR
O throughput médio por setor é o agregado das taxas de dados de assinantes
individuais em um setor, em outras palavras, representa a habilidade de entregar o
maior número de bits para o maior número de assinantes, portanto, permitindo às
operadoras maximizar a receita. A figura 12 ilustra vários acessos à rede por vários
assinantes dentro de uma célula.
42
FIGURA 12 - EXEMPLO DE THROUGHPUT POR SETOR (FONTE: MOTOROLA)
O throughput é frequentemente afetado por um conjunto de condições como a
distância a partir de célula, número de assinantes simultâneos, a mobilidade, a
interferência, a cobertura indoor/outdoor, altura das torres, e os tipos de dispositivos
que estão sendo usados na rede. O throughput médio por setor é a medida que
melhor representa a capacidade real de um setor para servir assinantes em um
ambiente do mundo real. É por isso que é a medida mais útil ao avaliar diferentes
tecnologias e desenvolver planos detalhados e business cases. É importante notar
que ocorrerão variações no throughput médio por setor, devido às diferentes
condições listadas acima, que são semelhantes ao que o que ocorre em uma rede
todos os dias.
TAXA DE DADOS DE ASSINANTE
A taxa de dados de assinante representa a taxa que o assinante experimenta
na rede. Pode ser expressa como sendo "até" um pico (por exemplo, até 10 Mbps),
uma faixa de valores min-máx (por exemplo, de 2 a 5 Mbps), ou valores médios (por
exemplo, 10 Mbps). Esta é a visão de taxa de dados de um único assinante e pode
variar muito, dependendo das condições e do número de assinantes em uma célula
usando os serviços, mas dá uma expectativa realista da experiência do usuário em
uma rede na vida real.
43
LTE: THROUGHPUT DE PICO POR SETOR
As taxas de dados de pico por setor LTE são listadas na tabela abaixo.
Tecnologia da antena Largura de banda do canal e taxa de transferência
Tipo Quantidade 5 MHz 10 MHz 20 MHz
MIMO 2x2 43 86 173
MIMO 4x4 82 163 326
TABELA 2 - TAXAS DE PICO NO LTE SEM CÓDIGO DE CORREÇÃO DE ERRO
As taxas variam com base na largura do canal e o esquema de tecnologia de
antenas usado. MIMO é uma tecnologia de antena inteligente que permite o uso de
múltiplas antenas tanto no transmissor e receptor para melhorar o desempenho. É
importante lembrar que a taxa de camada física é um pico máximo teórico e não leva
em conta a taxa de codificação para correção de erro, que é essencial em
implementações reais. Sem a aplicação de codificação para correção de erros em
um ambiente de vida real, muitos bits terão de ser retransmitidos várias vezes
reduzindo a eficiência espectral para um nível extremamente baixo. A eficiência
espectral refere-se à taxa na qual a informação é transmitida com sucesso sobre
determinada largura de banda.
A tecnologia LTE é espectralmente eficiente, assim, entrega mais bits por
segundo sobre uma largura de banda fixa do que as tecnologias anteriores e, como
resultado, se você levar em conta uma taxa razoável de codificação para correção
de erro, chega-se a uma taxa de dados de pico que é mais realista para implantação
comercial.
Tecnologia da antena Largura de banda do canal e taxa de transferência
Tipo Quantidade 5 MHz 10 MHz 20 MHz
MIMO 2x2 29 59 117
MIMO 4x4 55 113 226
TABELA 3 - TAXA DE PICO NO LTE COM CÓDIGO DE CORREÇÃO DE ERRO 5/6
44
LTE: THROUGHPUT MÉDIO POR SETOR LTE
Enquanto as taxas de dados máximas mostram o throughput teórico, a
medida mais significativa para estimar a capacidade de rede e a demanda dos
assinantes, é o throughput médio por setor. Este throughput estima quanta largura
de banda pode ser entregue dentro de um setor em condições do mundo real. O
throughput agregado pode, então, ser usado para estimar quantos assinantes
simultâneos podem ser servidos no setor. Esta taxa de throughput média do setor
ajuda as operadoras a terem uma melhor compreensão dos seus custos de
implantação e custos operacionais, permitindo um melhor dimensionamento da rede
e rentabilidade.
FIGURA 13 - THROUGHPUT POR SETOR EM DIVERSAS TECNOLOGIAS CELULARES
(FONTE: MOTOROLA)
Conforme descrito na figura acima, LTE proporciona uma melhora significativa
na capacidade de throughput médio por setor em todas as faixas de largura de canal
quando comparado a outras tecnologias 3GPP, aproveitando MIMO do tipo 2x2 e
OFDM. Estas melhorias na capacidade são a chave para alcançar a eficiência
necessária para atingir o mercado de massa e reduzir o custo por bit para a
operadora.
45
COMPARAÇÃO DO THROUGHPUT MÉDIO POR SETOR
As melhorias no rádio do HSPA+ Release 8 usam a constelação 64QAM e
MIMO, com ênfase na taxa de pico. A melhoria fornecida pelo 64QAM, MIMO e
HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access, protocolo de telefonia móvel da
família HSPA, também conhecido como 3.5G) permite um aumento da taxa de
dados em toda a célula (do centro à borda) sob condições de carga leve. Em
condições altamente congestionadas, o desempenho de Dual Cell HSDPA (Dual Cell
Dedicated Channel, operação de duas portadoras adjacentes para downlink em
combinação com uma única portadora de uplink) é comparável ao de uma única
portadora HSDPA, limitando as melhorias no throughput por setor na região de 10-
20% da área de cobertura total da célula, conduzindo a células urbanas densas /
células indoor. As tecnologias HSPA, W-CDMA e algumas outras, sofrem o
fenômeno de encolhimento de célula (cell shrinkage ou cell breathing). Nestas
tecnologias todos os sinais compartilham uma única portadora, assim, um aumento
no número de assinantes na rede faz com que a interferência aumente, levando a
um curto alcance para entregar a mesma taxa dos dados, resultando numa
diminuição do raio da célula. Por outro lado, a célula LTE não sofre com o
encolhimento. Embora ambos LTE e HSPA+ usem 64QAM e MIMO, em HSPA+, os
assinantes compartilham a mesma portadora separados apenas pela codificação.
Em LTE, por outro lado, utiliza-se OFDM, e cada assinante recebe uma
subportadora exclusiva e assim não é afetado por mais assinantes que entram na
célula. Outras características de desempenho que tem impacto significativo sobre a
experiência do assinante experiência através da célula e na borda da célula em LTE
incluem:
• Técnicas de múltiplas antenas para aumentar a taxa de dados em geral;
• Melhor capacidade de tratamento de multipercurso de sinal do que as
tecnologias CDMA;
• Nenhuma interferência intracelular, como as subportadoras são para um
único assinante, em um intervalo de tempo;
• Cancelamento de interferência avançado proporcionando redução da
interferência intercelular;
46
• Sem encolhimento da célula devido à relação demanda versus carga (on
demand vs. loading) de tecnologias CDMA;
• Cabeçalhos de controle (overhead) menores e mais eficientes;
• Frequência de agendamento seletivo para flexibilidade e eficiência adicional;
A figura a seguir mostra como o LTE supera tecnologias anteriores, as
condições abaixo são idênticas e são baseadas na mesma altura da torre, de perda
de caminho e perda de penetração.
FIGURA 14 - COMPARAÇÃO DO THROUGHPUT POR SETOR ENTE HSPA+ E LTE (FONTE: MOTOROLA)
TAXA DE PICO DE ASSINANTE E TAXA MÉDIA ESPERADA
Taxa de dados esperada de assinantes é muito difícil de prever e vai
depender de muitos fatores típicos de tecnologias sem fio (distância da célula, carga
da célula, a velocidade do assinante, interior, exterior, macro célula, ou hotspot).
Estes desafios têm feito do throughput médio por setor a melhor medida de que
taxas que o assinante pode esperar de uma tecnologia. NGNM (New Generation
Network Management) também adotou esta medida para comparar tecnologias de
próxima geração, pois oferece uma taxa esperada mais realista.
Com base na simulação e ensaios, LTE é capaz de proporcionar uma
verdadeira experiência de banda larga com velocidade de dados multi-megabit na
maior parte da célula, mesmo numa macro célula, e ser mais eficaz no fornecimento
de banda larga sem fio para mercados de massa.
47
DIMENSIONAMENTO DA REDE DE TRANSPORTE
O LTE promete entregar altas taxas de dados e sua interface aérea já
mostrou que é capaz de fazê-lo. Mas não se pode esquecer que esses dados
precisam ser escoados. Esta seção apresenta os requisitos para dimensionamento
da rede de transporte LTE.
CAPACIDADE E DIMENSIONAMENTO
LTE e LTE-A prometem progressivamente entregar maiores taxas de dados,
assim, como a rede de transporte subjacente deve ser dimensionada? Qual é o
requisito de capacidade para cada BTS? Existem duas abordagens básicas: a
abordagem bottom-up, baseada nas atuais previsões do modelo de tráfego,
enquanto a alternativa de top-down é baseada nas taxas de dados (bit-rates)
alcançáveis com as diferentes tecnologias de interface aérea.
CAPACIDADE DE TRANSPORTE: ABORDAGEM BOTTOM-UP
O dimensionamento de rede tem tradicionalmente usado a abordagem
bottom-up. Um modelo de tráfego é calculado para um período de tempo baseado
em certas suposições. O modelo em seguida produz estimativas que podem ser
usadas para o dimensionamento da rede de transportes.
A vantagem dessa abordagem é a base científica para as estimativas,
que são baseadas na experiência, mais especificamente nos modelos de tráfego já
utilizados pelas operadoras em seus locais de atuação. Também é independente da
tecnologia de rádio utilizada e pode ser usada para planejar o desenvolvimento da
capacidade da rede de rádio e de transporte ao longo do tempo.
CAPACIDADE DE TRANSPORTE: ABORDAGEM TOP-DOWN
Por outro lado, muitas operadoras não têm experiência anterior com a
utilização dos serviços de dados. Taxas fixas e grandes pacotes de dados
normalmente dificultam a realização de previsões. Em suma, se o tipo de escolha
inicial anteriormente usado não é prático, a outra opção é fazer um cálculo de cima
para baixo com base nas taxas de dados das diferentes tecnologias de interface
48
aérea para conseguir uma estimativa do tráfego de usuário (user plane). Assim, a
abordagem top-down se baseia com base na limitação da taxa de bits da interface
aérea.
A figura 15 (a) mostra o máximo teórico das taxas de bits disponível para
certas configurações. Note que esses valores máximos são apenas para um único
setor, então um site com três setores deveria servir três vezes a taxa de pico.
FIGURA 15 - COMPARATIVO ENTRE A MÁXIMA TAXA DE PICO E TAXA MÉDIA. (FONTE: MOTOROLA)
O dimensionamento de uma rede baseado em taxas de pico aponta para o "pior
caso" e irá resultar em superdimensionamento. Portanto, é útil considerar as taxas
de bits de pico realistas, que normalmente pode ser alcançada dentro da célula. A
figura 15 (b) mostra as taxas de transferência de uma célula média com base em
simulações, que foram realizadas pelo 3GPP considerando certa distribuição de
usuários dentro da célula, mobilidade do terminal e interferências.
Ao calcular a capacidade de transporte total necessária por BTS, o
dimensionamento pela taxa de dados de pico pode resultar em valores muito altos.
O dimensionamento com base apenas na média pode resultar em valores muito
baixos e causar congestionamento regularmente. Um bom compromisso, portanto,
pode ser a utilização do modelo chamado "single-peak, all-average”, como mostrado
na figura a seguir. Neste modelo, a exigência de tráfego do usuário da BTS se
presume ser a capacidade média agregada de todas as células ou a capacidade
máxima de uma célula. Os planejadores devem utilizar o maior valor entre os dois
casos, de modo que a taxa de serviço por usuário anunciada possa ser alcançado
49
momentaneamente em qualquer célula, embora a taxa de serviço do usuário
anunciado será apenas uma fração da taxa de pico da célula.
FIGURA 16 - CALCULANDO A TAXA DE DADOS SINGLE-PEAK, ALL-AVERAGE. (FONTE: MOTOROLA)
O último passo para obter a taxa de dados necessária para a interface S1 da
BTS inclui alguns cálculos de cabeçalhos (overhead). Os cabeçalhos da interface
aérea são retirados e o cabeçalho de transporte e um possível cabeçalho de IPSec
são adicionados. Claro que, a gestão do tráfego de sinalização também deve ser
levada em conta.
AGREGAÇÃO DE TRÁFEGO
Indo além do primeiro link (ou "última milha"), que liga as BTS mais
profundamente na rede, agregação e overbooking (atribuir uma banda menor que o
conjunto de eNodeBs necessita, baseado na estimativa de tráfego) tornam-se ainda
mais essenciais para garantir a eficiência dos transportes. A agregação deve ser
realizada próximo às BTS para realmente aproveitar essa vantagem. A figura 17
mostra como o ganho de multiplexação, referente refere à banda economizada com
agregação de tráfego, depende do número de BTS agregadas, com base em certas
suposições.
50
FIGURA 17 - GANHO DE MULTIPLEXAÇÃO DEPENDE DO NÚMERO DE eNBs AGREGADAS
(FONTE: MOTOROLA)
Assim, podem ser obtidas grandes vantagens utilizando overbooking através
da adoção de hub-agregação, até o ponto onde o ganho estabiliza e a agregação
não traz maiores ganhos ao sistema.
CAPACIDADE LTE E OS REQUISITOS DE INTERFACE X2
Outra particularidade de redes LTE em comparação aos tradicionais redes 3G
é a interface X2, que desempenha um papel importante na transferência de
conexões (handover) entre BTSs vizinhas. Durante o procedimento de handover a
ligação de rádio para o terminal é interrompida por um curto período de tempo,
tipicamente entre 60 e 70 ms. Pacotes no downlink que chegam à BTS que
anteriormente hospedava o terminal serão encaminhados para a nova BTS, ligando
o terminal através da interface X2 até que o EPC tenha comutado a conexão S1
para a nova BTS. Nesse sentido, a interface X2 cria outro conjunto de fluxo de
tráfego diretamente entre BTSs vizinhas. Este tráfego ocorre durante as fases de
handover, e como o handover é rápido o tráfego gerado é em rajadas. Estudos
mostram que o tráfego da interface X2 será normalmente na faixa de apenas 3% do
tráfego total da interface S1. Ela é, portanto, fator relativamente menor no
planejamento e o tráfego gerado certamente não justifica a instalação de ligações
físicas dedicadas entre BTSs vizinhas.
51
4.2 LATÊNCIA
DEFINIÇÃO
Latência é o intervalo (atraso) entre o tempo em que uma solicitação de
serviço é feita por um assinante e o tempo que o assinante recebe uma resposta a
partir do sistema. Pode ser medida em um sentido ou no percurso de ida e volta
(RTT, Round Trip Time), sendo que a medida ida-e-volta é a medida comum, pois
abrange o tempo desde o início de uma solicitação de serviço no dispositivo
assinante através da rede até a volta pela rede até que ele exibe uma resposta no
dispositivo do assinante, por exemplo, o tempo entre a solicitação de uma página da
web e quando essa página começa a carregar.
Assim, a latência também tem um impacto considerável sobre a satisfação do
usuário, especialmente em aplicações sensíveis a atrasos como jogos online. Se o
tempo de reação da rede é muito longo, uma conexão de alta velocidade não vai
fazer muito para melhorar a experiência. Os provedores de rede controlam alguns
aspectos, mas a latência também depende de fatores externos, como: a distância
entre o usuário e os provedores de conteúdo. Uma abordagem que proporcione a
melhor latência possível não daria errado, desde que seja economicamente viável.
LATÊNCIA NA PERSPECTIVA DO USUÁRIO
É essencialmente o tempo que leva para um pacote de dados viajar a partir
do terminal através da rede móvel para o servidor de conteúdo na internet e vice-
versa. Existem vários componentes que afetam a latência experimentada pelo
assinante. Há latência inerente do sistema que depende da tecnologia de rádio
utilizado (BTSs e seus controladores, gateways e assim por diante). Depois, há
atrasos adicionais decorrentes da rede de transportes, a partir da conectividade
entre a rede da operadora e da Internet e do tempo necessário para atingir o atual
servidor que executa o serviço solicitado. Além de tudo isso também pode haver um
atraso de enfileiramento em qualquer um dos vários nós se houver algum
congestionamento.
52
LATÊNCIA NA PERSPECTIVA DA OPERADORA
Do ponto de vista da operadora a latência é composta por dois elementos.
Um deles é o atraso introduzido pela rede da operadora, referente ao tempo de ida e
volta entre o aparelho do usuário e gateway de Internet do operador. A operadora
pode influenciar e minimizar esse atraso. No entanto, o outro componente é o tempo
que leva para os dados de viajar a partir desta porta de entrada para o servidor de
conteúdo atual e volta, e a operadora não tem influência direta sobre ele. A latência
é considerada por muitos como tão importante quanto a capacidade real suportada,
desde que rege parâmetros como o tempo que leva para uma página de Internet
solicitada para exibir. Se o tempo de reação é muito longo, uma conexão de alta
velocidade não pode fazer muito para melhorar a experiência. Este é apenas um
exemplo onde a latência desempenha um papel. Diferentes serviços têm diferentes
requisitos de latência.
LATÊNCIA INERENTE À TECNOLOGIA RÁDIO
LTE oferece valores de latência imensamente melhorados em comparação
com outras tecnologias sem fio, como o HSPA. De 60 ms em HSPA, a latência
(RTT) é reduzida para 20 ms em LTE. Observe que esses valores só levam em
conta os componentes de latência referentes ao rádio e ao core da rede, ignoram o
fato de que o transporte físico pode (e vai) contribuir significativamente para a
latência total. Em outras palavras, a baixa latência prometida pelo LTE só será
experimentada pelo usuário se o transporte subjacente também suporte baixa
latência.
53
FIGURA 18 - COMPARAÇÃO DE LATÊNCIA ENTRE AS TECNOLOGIAS 2G, 3G E 4G
(FONTE: MOTOROLA)
COMPONENTES DA LATÊNCIA NO TRANSPORTE
Atraso de propagação: A velocidade da luz é finita, e leva a um tempo de
viagem de cerca de 1 ms por 100km. Isto mostra o impacto da topologia na
latência em geral.
Buffer e atraso de fila: sistemas de transporte baseado em pacotes usam
diversos mecanismos de buffer e filas, cada um dos quais acrescenta atraso. O
planejamento correto do enlace irá minimizar este efeito.
Atraso de transmissão: Um pacote de dados leva certo tempo para ser
transmitido com base em seu comprimento e largura de banda da conexão. Para
grandes pacotes pode levar a atrasos de alguns milissegundos através de
conexões mais lentas.
Atraso de processamento de sinal: Quanto mais processamento de sinal
ocorrer dentro de um enlace, maior o atraso. Portanto, o grande número de nós
de processamento desempenha um papel, assim como a diferença entre
simplesmente conectar a nível óptico e realmente processar operações de
roteamento.
54
55
RECOMENDAÇÕES SOBRE LATÊNCIA
Em contraste com algumas das tecnologias anteriores sem fio, não são os
sistemas de rádio (control plane) que impõem limites práticos sobre o atraso no LTE.
Em vez disso, é a maneira que os usuários experimentam diferentes serviços.
Normalmente a experiência torna-se inaceitável muito antes da rede apresentar
problemas. A latência aceitável depende do tipo de serviço. O 3GPP indicou certas
metas de atraso de sentido único para serviços específicos na especificação técnica
TS 23,203.
TAXA
GARANTIDA
LATÊNCIA
ADMITIDA
PERDA DE
PACOTES
ADMITIDA
EXEMPLO DE APLICAÇÃO
GBR
100 ms 10-2 Conversação comum
150 ms 10-3 Conversação comum
(streaming)
50 ms 10-3 Jogos em tempo real
300 ms 10-6 Streaming com buffer
Non - GBR
100 ms 10-6 Sinalização do plano de controle
IMS
300 ms 10-6 Aplicações TCP
100 ms 10-3 Jogos em tempo real, Streaming
300 ms 10-6 Aplicações TCP (Portadora
Premium)
300 ms 10-6 Portadora Comum
TABELA 4 - SENSIBILIDADE DE ALGUMAS APLICAÇÕES QUANTO À LATÊNCIA
As aplicações que apresentam maior exigência de latência são os jogos
online, videoconferência e aplicações machine-to-machine (M2M). Por exemplo, foi
proposto atraso máximo de 50ms para jogos online. No entanto, deve ser notado
que o foco do documento 3GPP é a funcionalidade do core (incluindo priorização de
serviço) e não a própria rede de transportes. Portanto, no atraso fixo de 20 ms (one-
way) foi assumido para a rede de transportes.
56
Muitas vezes a qualidade de um serviço depende mais da latência real do que
da largura de banda disponível. O protocolo TCP é usado para transferir uma grande
parte do tráfego não tempo real e utiliza procedimento de apresentação (handshake)
para assegurar a transmissão. Isto significa que a taxa de dados alcançável e,
consequentemente, o tempo de download para a maioria das aplicações (páginas
web, música, vídeo, software e assim por diante) é dependente do tempo total de ida
e volta (incluindo rádio LTE, backhaul móvel, núcleo LTE e o domínio Internet).
Isto pode ser melhorado através da ativação de opções específicas da pilha
de protocolos TCP (como a escala de janela do TCP) ou utilizando várias sessões
TCP simultâneas. A aplicabilidade dessas opções de melhoria depende dos
sistemas operacionais individuais utilizados em terminais e servidores, bem da
própria aplicação.
Finalmente, alguns organismos da indústria emitiram recomendações para o
atraso permitido em backhaul móvel. Estes se baseiam nas considerações já
mencionadas. Por exemplo, o NGMN definiu um limite de 10 ms para o atraso de
duas vias, e 5 ms se a operadora o requerer ("Requisitos de backhaul NGMN
otimizados", lançado em agosto de 2008).
No entanto, essas recomendações têm de ser vistas no contexto. Vai ser
difícil manter essa baixa latência em grandes áreas geográficas, uma vez que a
distância de transmissão de apenas 1,000 km esgota completamente este limite de
atraso. Neste caso, um limite de atraso de 40 ms da BTS para o EPC poderia ser
visto como um bom compromisso que ainda permite que os provedores ofereçam os
serviços mais exigentes como jogos em tempo real.
REQUISITOS DE LATÊNCIA PARA INTERFACE X2
A latência da interface X2 também tem suas próprias exigências. Pode
parecer, à primeira vista, que os requisitos são muito rigorosos, pois ela deve ser
considerada durante a fase de handover, onde o link de rádio para o terminal do
usuário será interrompido por um curto período de tempo de qualquer maneira. No
entanto, um encaminhamento de pacotes mais rápido que 60 e 70 ms é
desnecessário. Uma vez que uma rede de transmissão LTE deve ser projetada com
metas rigorosas de atraso, a interface X2 não muda significativamente as coisas. Em
particular, não torna obrigatória a utilização da conectividade direta inter-BTS.
57
MINIMIZAR A LATÊNCIA PARA OTIMIZAR A EXPERIÊNCIA DO USUÁRIO
Todos os requisitos de latência são movidos principalmente pela demanda
das aplicações dos usuários. Nesse sentido, uma abordagem que proporcione a
melhor latência possível não vai dar errado, desde que seja economicamente viável.
A otimização end-to-end para a latência deve levar em conta uma série de
fatores, incluindo topologia (distâncias e o número de nós de processamento) e a
distância entre o EPC e o ponto de peering Internet, bem como um
dimensionamento e planejamento adequado de enlace.
O atraso do lado de fora da rede do operador também merece alguma
atenção. Se o conteúdo é armazenado, literalmente, na outra extremidade do
mundo, os valores de atraso serão muito elevados, em qualquer caso. Métodos
como buffer de conteúdo e similares tornam-se cada vez mais importantes.
LATÊNCIA DO LTE COMPARADA A OUTRAS TECNOLOGIAS
FIGURA 19 - COMPARAÇÃO DE LATÊNCIA DO 2G AO 4G (Fonte:
LATÊNCIA 3G X 4G: MUDANÇA DE ESTADO, OCIOSO PARA ACTIVE STATE
O LTE traz uma arquitetura Flat all-IP, uma forma moderna para identificar os
dispositivos em rede utilizando nomes simbólicos, mas mantém a mesma arquitetura
de endereços IP normais, e assim, permite uma estrutura de rede mais simples e um
número reduzido de elementos de rede.
58
FIGURA 20 - COMPARAÇÃO ENTRE AS ARQUITETURAS UMTS E LTE (FONTE: UMTS FORUM)
Com essa arquitetura:
BSC/RNC desapareceram e suas funções foram transferidas para
eNodeB;
Todas as eNodeBs se interconectam diretamente através da interface X2;
Somente comutação de pacotes, voz sobre IP.
O número de estados de ligação é dependente do número de elementos de
rede envolvidos dentro do caminho da rede de acesso. Quanto mais elementos,
mais tempo é necessário para estabelecer uma sessão. Menos elementos levam a
um melhor desempenho do sistema e um mecanismo de transição mais simples,
permitindo assim uma melhor experiência para o usuário. LTE introduz uma
arquitetura Flat all-IP, reduzindo o tempo que leva para acessar os recursos de rádio
e do core. Assim, o padrão LTE reduziu os estados de conexão de quatro no HSPA
para dois estados, para tirar proveito da arquitetura de rede do LTE.
Hoje, largura de banda é um desafio e em sistemas anteriores, era impossível
manter uma conexão de dados constante. A conexão de cada assinante seria
cortada e colocada em estado ocioso quando não havia mais transmissão de dados
por um período de tempo definido. Por exemplo, a conexão de um usuário
navegando na internet seria colocada em estado ocioso na rede HSPA enquanto o
59
assinante lê uma página totalmente carregada, e, quando o assinante clica para
solicitar uma nova ligação, a conexão seria restabelecida, resultando em atrasos.
Os tempos de transição entre HSPA estado de repouso para o estado ativo
em Cell-DCH (Cell Dedicated Channel, operação de uma portadora para downlink
em combinação com uma única portadora de uplink) pode chegar a 1000ms. Em
LTE, este não é o caso, a ligação permanece constante eliminando o atraso ao
restabelecer a conexão cada vez que o assinante faz uma requisição. "always-on".
EXPERIÊNCIA DO ASSINANTE
Além do aumento da taxa de dados, as melhorias na latência do LTE
proporcionam uma melhoria significativa na experiência do assinante. Com redes
HSPA, o assinante pode esperar um atraso de dois segundos ou mais, para realizar
a primeira conexão e, em seguida, entre 75 e 150 ms de latência de ida e volta.
Como no LTE é tudo IP, arquitetura plana, a conexão de pacote de dados inicial é
muito mais rápida, tipicamente 50 ms, e, em seguida, entre 12 a 15 ms de latência
de ida e volta. A baixa latência do LTE, combinada com seu alto throughput médio
por setor, faz com que seja uma plataforma ideal para serviços mais exigentes,
como vídeo, jogos e VoIP.
Latência de ida e volta do LTE se compara favoravelmente com a latência
típica em infraestrutura de banda larga fixa de hoje, fornecendo uma resposta
instantânea depois de pressionar botões no browser ou leitor de mídia. Isto terá um
impacto significativo na experiência do assinante e satisfação. Latência também tem
um impacto significativo para aplicações multimídia on-line: como jogos on-line, onde
a resposta e reação do jogador afetam a ação no jogo. Este tempo de reação está
ligado à latência experimentada na rede (supondo atraso insignificante no lado do
servidor).
Com a melhora tanto na taxa de dados e quanto na latência, espera-se que
no LTE as aplicações proporcionem uma experiência muito semelhante à vivida em
casa com a rede de banda larga com fio, "always-on", viabilizando um verdadeiro
serviço de banda larga que vai a qualquer lugar com o assinante.
60
LTE - 2x2 MIMO
HSPA R8
MIMO
Medida de
Throughput 20 MHz 10 MHz 5 MHz 64 QAM
Taxa real do
assinante
2 - 15
Mbps
2 - 75
Mbps
0.5 - 4
Mbps
0.3 - 3.0
Mbps
TABELA 5 - TAXA MÉDIA REAL DO ASSINANTE
4.3 QUALIDADE DE SERVIÇO (QOS)
DEFINIÇÃO
Qualidade de serviço (QoS) em uma rede é a capacidade da rede para impor
prioridades diferentes para diferentes aplicativos ou serviços (serviços em tempo real
normalmente são mais críticos), assinantes (por exemplo, com perfis de assinatura)
e operadoras (especialmente em situações como o compartilhamento de rede de
transportes). A classe de QoS e Taxa de Bit Garantida (GBR) são significativamente
dependentes do nível de latência (atraso na transmissão de pacotes), jitter (variação
de latência), e perda de pacotes que ocorrem na rede. Sem a implementação de
QoS em uma rede carregada, os assinantes terão vídeos cortados e eco e atrasos
na voz, resultando em má qualidade de áudio em chamadas de voz.
COMPARAÇÃO COM OUTRAS TECNOLOGIAS
O QoS suportado na RAN e nos nós de transmissão das tecnologias GSM,
UMTS e HSPA é muito limitado, o que resulta num QoS end-to-end também limitado.
Isto porque a arquitetura das redes 3GPP não viabilizavam uma aplicação detalhada
de QoS, e assim, a classificação de QoS não estava disponível. O LTE muda este
cenário ao implementar uma rede totalmente IP. Como todos os dados sobre a rede
tornam-se empacotados, alguns pacotes de dados tendem a serem mais críticos do
que outros e a aplicação de QoS nesse cenário é muito mais simples.
QOS NO LTE
61
Definir QoS não só garante a qualidade de um serviço, mas suporta também
diferentes níveis de serviços para outras aplicações sensíveis à latência e taxa de
bits, tendo um grande impacto sobre a experiência do assinante. LTE adotou um
modelo de QoS baseado em classes que é simples e oferece às operadoras uma
forma eficaz e simples de diferenciar os serviços e os assinantes com variados
níveis de qualidade de serviço viabilizando o fornecimento de serviços premium e
modelos inovadores de faturamento e precificação.
Como discutido anteriormente, o transporte econômico de taxas de dados
LTE vai levar a certo overbooking e congestionamento. Neste ambiente, a QoS é a
ferramenta que garante que, por exemplo, os pacotes de tráfego de voz tenham
tratamento preferencial em relação ao tráfego peer-to-peer.
Uma solução completa de QoS se estende a toda a rede. O core é o principal
responsável pela gestão de QoS, com a definição e divulgação das respectivas
políticas de QoS, trata até mesmo o uso de tecnologias, como DPI (Deep Packet
Inspection). Tanto o acesso de rádio e quanto o core aplicam QoS nos pacotes,
marcando-os com bits de prioridade de VLan ou valores DSCP (Differentiated
Services Code Point) no cabeçalho IP, por exemplo. A aplicação do QoS é garantida
(QoS enforcement) pelos sistemas de rádio (para a interface aérea) e de transporte
(para a rede de transportes).
QOS NA REDE DE TRANSPORTE
Os requisitos de QoS para uma rede de transportes para suportar o LTE
garantem os níveis de serviço apropriados para cada serviço em termos de atraso
de pacotes, variação do atraso e perda de pacotes.
As funções básicas implementadas nos elementos da rede de transporte são
a priorização e reserva de capacidade. Em padrões IETF (Internet Engineering Task
Force) eles são referidos como Serviços Diferenciados (DiffServ) e Serviços
Integrados (IntServ), respectivamente. A implementação de elementos é muitas
vezes uma combinação destes princípios. Haverá algumas reservas de recursos
para parte do tráfego e priorização será utilizada no escalonamento (scheduling).
PRIORIZAÇÃO ("SOFT" QoS)
Sistemas de enfileiramento em vários elementos impõem priorização. Na
interface aérea existe um escalonador (scheduler) de pacote ou quadro que prioriza
62
os dados. Além disso, algoritmos de gestão de recursos de transporte ou
multiplexação podem ser utilizados.
Mecanismos de enfileiramento normalmente incluem prioridade estrita (para o
tráfego de alta prioridade) e enfileiramento ponderado para as classes de menor
prioridade. O número de filas que podem ser usados para diferenciar o tráfego é
importante, uma vez que esta determina o nível de granularidade, ou o número de
diferentes classes de tráfego que podem ser distinguidos. O máximo de classes que
podem ser diferenciadas com VLan p-bits na camada Ethernet é oito, por isso este
pode ser considerado um número útil de filas.
RESERVA DE RECURSOS ("HARD" QoS)
O controle de admissão estima se haverá recursos suficientes para cada nova
conexão ou fluxo de tráfego. Esta funcionalidade é obrigatória na implementação de
conexões de taxa de bits garantidos. A reserva de recursos estática, através do
Sistema de Gerenciamento de Rede (NMS), é uma boa opção no backhaul móvel,
por exemplo, pela utilização de serviços com Committed Information Rate (CIR) e
Peak Information Rate (PIR).
As operadoras podem deliberadamente limitar a taxa de transferência de uma
conexão utilizando o mecanismo de buffer, de modo a não exceder a taxa de bits
máxima pré-definida (traffic shaping), ou descartar pacotes que irá exceder a taxa
máxima de bits (traffic policing). Traffic shaping e policing também podem ser usados
em sistemas de enfileiramento como mecanismos de controle de congestionamento.
Na implementação de QoS em um caso real, a classificação e marcação de tráfego
é realizada tanto pela BTS e quanto pelos gateways, com base na informação
recolhida nos gateways e o servidor de política (policy server). Para o caso mais
típico de diferenciação baseada em serviços, esta classificação depende do QCI
(Identificador de classe QoS), conforme definido pelo 3GPP (veja a tabela 6). O valor
do QCI referencia o tipo de aplicação e é usado dentro da rede de acesso como
referência para controlar o tratamento de encaminhamento de pacotes. Valores de
QCI são traduzidos em uma marcação de prioridade de pacote (valor de prioridade
DSCP e / ou VLAN) aplicada pelas BTSs e gateways. Da mesma forma, o plano de
controle, gestão e sincronização do tráfego é marcado para garantir que receba o
tratamento adequado de prioridade nas interfaces de saída.
63
DOMÍNIO DE RÁDIO LTE
DOMÍNIO DE
TRANSPORTE
Classe de tráfego LTE QCI Tipo de Recurso
DSCP
Conversação por voz 1
Taxa de bits
garantida (GBR)
46 (5)
Conversação por vídeo 2
26 (3)
Jogo em tempo real 3
46 (5)
Vídeo sem conversação 4
28 (3)
Sinalização IMS 5
Taxa de bits não
garantida
(Non-GBR)
34 (4)
Voz, vídeo e jogos interativos 6
18 (2)
Video por streaming com buffer 7 20 (2)
Aplicações TCP 8
10 (1)
9
0 (0)
Plano C
46 (5)
Plano M
34 (4)
Plano S
46 (5)
ICMP
10 (1)
TABELA 6 - EXEMPLO DE MAPEAMENTO DA QOS DE RÁDIO LTE PARA QOS DE TRANSPORTE
Com base nessas marcas de QoS, os elementos da rede de transporte no
caminho do pacote podem então garantir que cada pacote é tratado de acordo com
seus requisitos, por exemplo, atribuindo a ele para as filas corretas. Isto pode ser
combinado com o controle de conexão para os elementos da rede de transmissão,
adicionando um componente de hard QoS.
QoS END-TO-END
É importante diferenciar Qualidade de Experiência (QoE) e QoS. O primeiro
descreve a qualidade da experiência do usuário final, enquanto o último é o método
usado para gerenciar essa experiência.
QoS pode ser uma ferramenta poderosa para alcançar uma QoE LTE para o
usuário final. Pode levar em conta as necessidades dos diferentes serviços, bem
64
como o SLA adquirido pelo cliente. Ele ajuda a gerenciar os recursos em ambientes
congestionados, especialmente onde há pressão sobre acesso sem fio e backhaul
no domínio móvel. QoS é um conceito que permite a um caso de negócio (business
case) viável. No entanto, QoS devem ser gerenciados de forma consistente end-to-
end. A QoS do rádio LTE tem que estar alinhada com a implementação da rede de
transporte, mas o transporte de rede também tem de atender às necessidades de
QoS de 3G ou, ainda mais rigorosa, 2G de tráfego de pacotes. Note, no entanto, que
da mesma forma como latência, qualquer operadora tem controle sobre QoS apenas
dentro de sua própria rede. Assim que o tráfego sai para a Internet, o tratamento é
essencialmente melhor esforço.
4.4 PERDA DE PACOTES
A perda de pacotes (packet loss) ocorre quando um ou mais pacotes de
dados que trafegam em uma rede de computadores não conseguem chegar ao seu
destino. É distinguida como um dos três principais tipos de erros encontrados na
comunicação digital, sendo os outros dois: erro de bits e pacotes espúrios causados
devido ao ruído.
Essa perda pode ser causada por uma série de fatores, principalmente devido
ao congestionamento da rede (overflow de buffer do router), falhas de conexão e
reencaminhamento, erros de transmissão, pacotes corrompidos rejeitados em
trânsito, colisões excessivas, e ainda, efeitos de degradação do sinal como: o
desvanecimento multipercurso, erros de mídia física, etc.
Quando causados por problemas na rede, pacotes perdidos ou descartados
podem resultar em problemas de desempenho altamente visíveis ou jitter em
tecnologias de streaming, voz sobre IP, jogos online e videoconferência, e afetará
todos os outros aplicativos de alguma forma. No entanto, é importante notar que a
perda de pacote não indica sempre um problema, uma vez que a latência e perda de
pacotes no destino sejam aceitáveis. Além disso, um pacote perdido pode ser
retransmitido da fonte ao destino, a fim de assegurar que todos os dados sejam
eventualmente transferidos da fonte ao destino, mas os custos de processamento e
taxa de transmissão devem ser considerados.
65
PERDA DE PACOTES ACEITÁVEL
A perda de pacotes aumenta com o aumento da intensidade do tráfego. Por
isso, o desempenho de um nó geralmente é medido não só em termos de demora,
mas também em termos de probabilidade de perda de pacotes. A fração de pacotes
perdidos aceitável depende do tipo de dados a serem enviados. Por exemplo, para o
tráfego de voz sobre IP, perder um ou dois pacotes esporadicamente não afeta a
qualidade da conversa. Perdas de 5% a 10% do fluxo total de pacotes afetam de
forma significativa a qualidade. Por outro lado, ao transmitir um documento de texto
ou uma página da Web, um único pacote descartado poderia resultar na perda de
parte do processo, o que torna indispensável o emprego de sistemas de
retransmissão de pacotes. Em geral, utilizando o protocolo TCP / IP, uma perda de
pacotes inferior a 0,1% (um pacote perdido em cada 1000 pacotes) pode ser
tolerada, qualquer coisa superior terá mais ou menos impacto (dependendo das
circunstâncias) e precisa ser tratada.
TRATAMENTO DA PERDA DE PACOTES
Alguns protocolos de transporte de rede, como TCP preveem a entrega
confiável de pacotes. Em caso de perda de pacotes, o receptor pede retransmissão
ou o remetente reenvia automaticamente todos os segmentos que não foram
reconhecidos. Apesar de o TCP poder se recuperar da perda de pacotes,
retransmitir pacotes em falta faz com que a taxa de transferência diminua. Numa
situação em que a quantidade de dados a serem enviados por uma conexão está
crescendo e chegando ao limite de capacidade da conexão, problema conhecido
como “gargalo”, não há outra solução senão a descartar pacotes. Para contornar
esse problema, o protocolo TCP é projetado com uma estratégia de conexão slow-
start que usa a perda de pacotes percebida como realimentação, assim, ao perceber
uma alta taxa de perda de pacote o remetente pode desacelerar o envio de dados e
evitar a inundação de dados no ponto de gargalo. Assim, os pacotes de dados serão
transmitidos durante maior tempo, mas evitando a perda e garantindo a entrega de
pacotes.
No entanto, descartar pacotes quando a fila está cheia é uma solução pobre
para qualquer ligação que requer processamento em tempo real. Nos casos em que
a qualidade de serviço é dependente da taxa de uma ligação, os pacotes podem ser
intencionalmente descartados a fim de retardar serviços específicos para garantir a
66
largura de banda disponível para outros serviços marcados com maior importância
Por esta razão, a perda de pacotes não é necessariamente uma indicação de
confiabilidade má conexão ou um gargalo.
Protocolos como UDP não fornecem recuperação de pacotes perdidos.
Assim, as aplicações que usam UDP devem definir seus próprios mecanismos para
lidar com a perda de pacotes.
PERDA DE PACOTES NO LTE
Como mencionado anteriormente, apesar de tolerável a perda de pacotes é
mais prejudicial em serviços críticos de tempo real como os serviços de voz (VoLTE
no caso do LTE). Codecs de voz levam em conta a possibilidade de perda de
pacotes, especialmente desde que os dados RTP são transferidos sobre a camada
UDP, não confiável.
A perda de pacotes começa a afetar o serviço de voz quando a percentagem
de perda de pacotes excede um determinado limiar (em cerca de 4% dos pacotes),
ou quando as perdas ocorrem em rajadas (burst error), que tende a ser o caso,
devido à natureza de ocorrência de erros. Nestas situações, mesmo as melhores
codecs não serão capazes de ocultar os efeitos sobre o serviço, resultando na
degradação da qualidade da voz. Por estas razões, é importante saber tanto a
percentagem de perda de pacotes, o comportamento de ruptura e se estas perdas
são especificamente no lado do uplink ou downlink de serviço de rede.
67
5 ESTUDO DE CASO: IMPLANTAÇÃO DO LTE NO BRASIL
A implantação do LTE no Brasil sofreu a influência de diversos fatores. Além da
evolução tecnológica, a forma como o mundo se comunica mudou, utiliza-se
diversos dispositivos móveis, e estes dispositivos estão cada vez mais sofisticados,
permitindo comunicação multimídia a qualquer hora, em qualquer lugar. Nesse
contexto, o número de usuários de serviços de dados, bem como o uso de dados
por assinante cresceu e continua crescendo vertiginosamente. Podemos considerar
ainda a realização de grandes eventos no país como a Copa das Confederações, e
recentes mudanças na regulamentação da implantação e competição dos serviços
de telecomunicações. Tudo isso influencia significativamente no planejamento,
dimensionamento e estudos econômicos prévios à implantação do 4G.
Nesse contexto, as grandes exigências regulatórias, econômicas e dos
usuários torna cada vez mais importante um projeto adequado, capaz de entregar
uma rede de alta capacidade com qualidade e baixo custo, e o uso de um simulador
em nível de sistema (em conjunto com um simulador em nível físico) traria grandes
benefícios, facilitando e otimizando bastante o projeto e implementação de tal rede.
Nesse estudo de caso será apresentada uma visão geral da implantação do
LTE no Brasil, abordando alguns dos fatores que tiveram influência significativa no
modo como a rede foi implantada e a escolha de tecnologia.
5.1 ASPECTOS REGULATÓRIOS – ANATEL
Esta seção apresenta os aspectos regulatórios, relacionados à ANATEL
(Agência Nacional de Telecomunicações), que influenciaram na implantação do LTE
no Brasil.
LICITAÇÃO DE FREQUÊNCIAS DE 4G - ANATEL
Ao escolher em 2007 o Brasil como sede da Copa do Mundo de 2014, a FIFA
(Fédération Internationale de Football Association) cobrou do governo brasileiro a
garantia de um "serviço exemplar" de telecomunicações, ciente da enorme demanda
por conexão de dados tanto por parte dos torcedores como da mídia. A promessa do
68
governo foi de que haveria a oferta de serviços de Internet móvel de quarta geração
(4G) a tempo para os eventos.
Devido aos outros serviços em operação, como a TV aberta analógica, a faixa
reservada para o LTE e licitada inicialmente foi a de 2,5 GHz. Detalhes sobre a
licitação serão apresentados a seguir.
OBJETO DO LEILÃO
O leilão ocorreu no dia 12 de junho de 2012 e ofertava:
Quatro lotes nacionais para as subfaixas W, X, V1 e V2.
Lotes por área local do celular (DDD) para as frequências disponíveis nas
subfaixas U+T e P.
FIGURA 21 - FREQUÊNCIAS DE 2,5 GHZ NO BRASIL (FONTE: TELECO, 2013)
A faixa de frequência entre 2.500-2.570 MHz e 2.620-2.690 MHz (subfaixas P,
W, V e X) foi destinada para operação FDD (canais separados para transmissão e
recepção). Já as subfaixas T e U, que estão entre 2.570 e 2.620 MHz, para
operação TDD (transmissão e recepção no mesmo canal).
69
SUBFAIXA
(MHZ)
BLOCOS
(MHZ) TRANSMISSÃO (MHZ)
ESTAÇÃO
MÓVEL ERB
P 10+10 2.500-2.510 2.620-2.630
W 20+20 2.510-2.530 2.630-2.650
V1 10+10 2.530-2.540 2.650-2.660
V2 10+10 2.540-2.550 2.660-2.670
X 20+20 2.550-2.570 2.670-2.690
T 15 2.570-2.585*
U 35 2.585-2.620*
TABELA 7 - FAIXAS DE FREQUÊNCIA POR BLOCO (FONTE: TELECO, 2013)
* Sistemas TDD (Time Division Duplex) que utilizam a mesma subfaixa de frequências para
transmissão nas duas direções.
O regulamento estabeleceu um valor máximo de espectro que uma
operadora pode possuir em uma região geográfica nestas faixas (CAP, Competitive
Access Providers): 60 MHz (2.500-2.570 MHz e 2.620-2.690 MHz) ou 50 MHz (2.570
e 2.620 MHz). As operadoras de MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service)
possuem parte deste espectro. Entre elas está a Telefônica, que adquiriu as
operações da Abril e a Sky que em 2011 passou a oferecer LTE (TDD) em Brasília.
A Tabela a seguir apresenta os resultados do leilão.
70
OPERADORA
VALOR
(EM MILHÕES DE
REAIS)
FREQUÊNCIAS ADQUIRIDAS
Vivo 1.050 Banda X (20+20 MHz) em todo o Brasil
Claro 988,8
Banda W (20+20 MHz) em todo o Brasil
19 lotes da banda P
TIM 382,2
Banda V1 (10+10 MHz) em todo o Brasil
6 lotes da banda P
Oi 399,8
Banda V2 (10+10 MHz) em todo o Brasil
11 lotes da banda P
Sky 90,5 12 lotes da banda U
Sunrise 19 12 lotes da banda U
TABELA 8 - RESULTADOS DO LEILÃO (FONTE: TELECO, 2013)
Os participantes do leilão foram as empresas: Vivo, Claro (Americel), TNL
PCS, TIM (Intelig), SKY e Sunrise, que ofereceram R$ 2,93 bilhões pelo direito de
uso dessas radiofrequências. O ágio médio chegou a 31,27% em relação aos
valores mínimos dos lotes colocados em disputa.
Divisão de áreas para prestação dos 450 MHz de acordo com as subfaixas
FDD (W,V1, V2 e X):
71
FIGURA 22 - DIVISÃO DE ÁREAS PARA SERVIÇO DE FDD EM 450 MHZ (FONTE: TELECO, 2013)
COMPROMISSOS PARA AS SUBFAIXAS W, X, V1 E V2
As operadoras que adquirirem estas faixas terão de atender aos seguintes
compromissos:
Oferta de acessos rurais em 450 MHz, caso não apareça comprador para
esta faixa na licitação.
Cobertura utilizando as faixas adquiridas
Cobertura 3G
Utilização de Tecnologia Nacional
72
COMPROMISSOS DE ABRANGÊNCIA EM 2,5 GHZ
PRAZO COBERTURA
Abril de 2013 TODAS as sedes da Copa das Confederações 2013
Dezembro de 2013 TODAS as SEDES e SUBSEDES da Copa do Mundo 2014
Maio de 2014 TODAS as Capitais e municípios com mais de 500 mil hab.
Dezembro de 2015 TODOS os municípios com mais de 200 mil hab.
Dezembro de 2016 TODOS os municípios com mais de 100 mil hab.
Dezembro de 2017 TODOS os municípios entre 30 e 100 mil hab.
TABELA 9 - PRAZOS PARA COBERTURA DE SERVIÇO 4G NOS MUNICÍPIOS BRASILEIROS
Haverá ao menos uma prestadora em 2,5 GHz e, em todos os municípios, será
ofertado de serviço em condições tecnológicas equivalentes ao 3G.
COMPROMISSO DE COBERTURA 3G
Em 2017, de acordo com o compromisso de abrangência em 2,5 GHz, em
2017 todos os municípios acima de 30 mil habitantes estarão sendo atendidos por
serviço 4G. Enquanto isso, os municípios com menos de 30 mil habitantes, que
correspondem 24% dos municípios brasileiros, não estarão sendo atendidos. Abaixo
segue a tabela com o compromisso de cobertura desses municípios, que deverá ser
feita com 4G em 2,5 GHz ou oferta de tecnologia equivalente ou superior ao 3G.
PRAZO COBERTURA
Dezembro de 2017 Pelo menos 30 % deles
Dezembro de 2018 Pelo menos 60% deles
Dezembro de 2019 100% dos municípios previstos na meta
TABELA 10 - COMPROMISSO DE COBERTURA DE SERVIÇO MÓVEL 3G/4G - MUNICÍPIOS < 30 MIL HAB
73
5.2 INFRAESTRUTURA
A frequência do 4G no Brasil é a de 2,5 GHz. Essa faixa de espectro demanda
até cinco vezes mais antenas que as redes anteriores 3G, o que indica que as
operadoras terão um alto investimento em infraestrutura para concluir as
implementações, especialmente ao considerarmos as exigências de cobertura, que
incluem municípios com pelo menos 30 mil habitantes, zonas rurais e as principais
estradas do país.
Reduções de custos e entraves legais na autorização para instalação deste
tipo de estrutura costumam limitar a quantidade de antenas disponíveis nos centros
urbanos brasileiros, criando sobrecargas na rede.
Visando reduzir os custos na implementação, o Ministério das Comunicações
junto com a Anatel, incentivaram o compartilhamento das antenas entre as
operadoras, através de desconto na taxa anual paga a Anatel. O compartilhamento
de antenas e infraestrutura representa ainda, se bem estruturado, a solução para
muitos dos problemas causados pela concentração exagerada de usuários em uma
mesma antena, o que prejudica a qualidade dos serviços, além de uma redução
significativa no prazo para implantação.
LEI GERAL DAS ANTENAS
No ano passado, 2012, o senado brasileiro aprovou o projeto de lei PLS nº 293
de 2012 (setembro), batizado de Lei Geral das Antenas, proposto após a medida de
suspensão da comercialização de novos acessos de serviços de telefonia móvel em
todos os estados, em julho, editada pela ANATEL, em vista do crescente volume de
reclamações dos usuários. O projeto aborda normas gerais de política urbana,
ambiental e de saúde que deverão reger o processo de licenciamento e instalação
de antenas, e visa a mitigar os efeitos negativos decorrentes da multiplicação dos
componentes das redes em um ambiente cuja competitividade depende, atualmente,
da propriedade da infraestrutura.
ESCASSEZ DE ESPECTRO
O crescimento do volume de dados trafegados pelos usuários leva a uma
demanda cada vez maior de banda, elevando ainda mais a importância da eficiência
74
espectral e de um bom dimensionamento de rede. O gráfico a seguir apresenta a
projeção do crescimento da demanda de banda em relação à demanda de serviços
pelos usuários.
FIGURA 23 - EVOLUÇÃO DA DEMANDA DE BANDA (FONTE: SPECTRUM BRIDGE, INC – 2010)
Apesar de já estar sendo implementada em diversos países, a tecnologia LTE
tem se mostrado fragmentada por conta de diferentes frequências utilizadas e de
difícil interoperação, devido às diferentes condições de disponibilidade de espectro
nos países. Nesse contexto, a indústria não chegou ao ponto de permitir que
dispositivos se conectem com a tecnologia 4G em qualquer lugar do mundo, pois,
não existem aparelhos 4G multibanda disponíveis. Por precisar de muitas antenas
(para as várias frequências), o LTE requer muito poder de computação, e isso faz
com que a bateria tenha sua eficiência comprometida, tornando necessários muitos
ciclos para localização e triangulação. Existem pesquisas focadas em solucionar o
problema, voltadas para otimização de hardware. Enquanto isso, aparelhos que se
encontrem em locais com incompatibilidade de frequências deverão se conectar em
redes 3G, o que invalida a promessa de velocidade do 4G.
Ao mesmo tempo, as operadoras precisam lidar com regulações e problemas
de ineficiência de espectro, tornando mais difícil uma harmonização de frequências.
É necessária uma limpeza do espectro, consolidando a banda e usando de maneira
75
eficiente. Há um senso comum de que há uma escassez de frequências, e isso é
bem verdade. Mas muito do problema é o uso de espectro em bandas não-
contínuas, que não foi usado ou planejado corretamente, uma questão de
organização.
5.3 ASPECTOS ECONÔMICOS
A implantação de LTE vai exigir grandes investimentos. E mesmo se o LTE
viabilizar os serviços de alta velocidade que prometem uma inundação de tráfego, a
receita que eles geram provavelmente não vai aumentar da mesma forma,
especialmente porque os assinantes desejam banda larga de qualidade a um preço
baixo.
A maioria dos custos iniciais está relacionada ao estabelecimento de cobertura
(aporte de capital - CAPEX). Cerca de 70% do CAPEX envolve a aquisição dos
locais, equipamentos de acesso, obras civis (ou seja, a construção do site, e a
instalação dos equipamentos) e instalação da rede de transmissão (lançamento de
fibras, etc.). Com o 4G, estas questões fundamentais de implementação serão ainda
mais complicadas pela falta de locais, regulamentações ambientais mais rígidas, e
as preocupações de saúde sobre os perigos da radiação.
O número de usuários de serviços de dados assinantes, bem como o uso de
dados por assinante está explodindo. Por outro lado, a receita gerada não aumenta
da mesma forma. A explosão do tráfego de dados é explicada tanto por uma
mudança na forma como nos comunicamos quanto na rápida evolução dos
dispositivos sem fio, permitindo comunicação multimídia a qualquer hora, em
qualquer lugar. Isso tem redefinido como os consumidores interagem tanto social
quanto empresarialmente, adotando novos serviços e dispositivos rápida e
intuitivamente.
A receita gerada pela explosão do tráfego de dados não aumenta da mesma
forma, porque os assinantes estão cada vez mais exigentes, desejam banda larga
de maior qualidade a baixo preço. Assim, as operadoras precisam implantar redes
sem fio capazes de atender essa demanda, com maior capacidade, e ao mesmo
tempo reduzindo o custo total de propriedade, além de encontrar novos modelos de
76
negócios de forma a criar novas fontes de receita. Agora, o caminho para uma
operadora seria escolher o caminho de atualização ou se tornar obsoleta.
5.4 SOLUÇÃO - LTE RAN SHARING
Em meio à conjuntura atual, devendo atender a tantas exigências regulatórias,
econômicas, tecnológicas e o prazo determinado, as operadoras brasileiras viram no
compartilhamento da RAN (Radio Access Network) a solução para atender a todos
esses requisitos.
Soluções de infraestrutura de rede compartilhadas podem ser exploradas, a fim
de reduzir os riscos financeiros enfrentados pela indústria, estabelecer uma
cobertura universal mais rápido e, assim, melhorar o time-to-revenue (tempo para
obter receita). O compartilhamento tem um impacto significativo sobre time-to-
revenue porque a aquisição de terrenos e recursos de implantação é escassa e
estão sempre no caminho crítico de lançamento. Mas o mais importante, a partilha
de infraestrutura traz grande economia de CAPEX e OPEX (despesas operacionais),
permitindo assim às operadoras se concentrarem no desenvolvimento de aplicações
e serviços exigidos pelo mercado, o que acabará por conduzir o uso, gerar receita e
sustentar o negócio global de banda larga sem fio.
Nesta seção será descrita o compartilhamento de redes e RAN, e em seguida
os acordos de compartilhamento feitos no Brasil, especificamente o acordo entre OI
e TIM.
BENEFÍCIOS DO COMPARTILHAMENTO DE REDE
Operadoras
Economia significativa de CAPEX e OPEX;
Maior eficiência na rede;
Menor prazo para entrar em operação.
Assinantes
Menores preços;
Maior qualidade de serviço;
Variedade, serviços abundantes;
77
Sem impacto no dispositivo móvel.
Reguladores
Permitir aos operadores sobreviver e competir;
Permitir que os operadores se concentrem na implantação dos serviços;
Redução do impacto ambiental.
COMPARTILHAMENTO DE REDE
Compartilhamento de rede não é novidade no mercado de comunicação
móvel. Operadoras em todo o mundo já compartilham torres de transmissão e sites.
Entretanto, a maioria dos contratos de compartilhamento de rede hoje está limitada a
partilha passiva em que os operadores compartilham os sites e os elementos de
engenharia civil. O compartilhamento de rede ativa onde as operadoras partilham
partes da BTS, antenas ou mesmo controlador de rede de rádio não é amplamente
utilizado em redes 2G e 3G.
Na maioria dos países os reguladores abraçam a partilha passiva como um
meio de evitar duplicações de rede, reduzir os custos de investimento inicial e
minimizar o impacto sobre o meio ambiente, enquanto criam incentivos para a
implantação de serviços em áreas carentes. Por outro lado, a partilha ativa continua
a ser um assunto mais delicado. O principal contra argumento é que a partilha ativa
poderia levar a um comportamento anticoncorrencial dos preços e serviços.
Do ponto de vista tecnológico, mecanismos de compartilhamento foram
construídos para funcionar com o padrão LTE desde o início. LTE é projetado com
uma moderna arquitetura baseada em IP, que é uma plataforma mais flexível do que
as tecnologias legadas. Ele também fornece mecanismos padrão para se interligar
com outros sistemas baseados em IP.
O compartilhamento da RAN nas redes LTE representa a verdadeira
convergência das famílias de redes 3GPP e 3GPP2, como uma evolução lógica para
ambas as famílias de tecnologias. É a primeira vez que a tecnologia evolui tanto na
RAN e na CN, com um núcleo todo IP e modulação baseada em OFDM para a rede
de RF, dando início a uma evolução end-to-end de banda larga sem fio.
78
COMPARTILHAMENTO PASSIVO
O compartilhamento passivo é aquele que envolve somente os sites e os
elementos de engenharia civil, existem dois tipos, descritos a seguir.
Tipo I: Compreende o compartilhamento de infraestrutura física entre duas ou
mais operadoras, incluindo sistemas de antenas, postes, telhados, armários,
abrigos, espaço físico, alarmes de segurança e instalações técnicas passivas como
fonte de alimentação, backup de bateria, etc. Trazem economia de 25-50% no
aluguel do site e até 50% na construção do site e nos custos com gabinetes, etc.
Tipo II: Compreende o compartilhamento de infraestrutura física e ainda os
sistemas de antena e alimentadores, viáveis juntamente com o compartilhamento de
BBU (Baseband Unit) / RRU (Remote Radio Unit). Permite ainda o compartilhamento
de backhaul, viável na forma de E1, E3 ou Micro-ondas. A economia é ainda mais
elevada do que no tipo 1.
COMPARTILHAMENTO ATIVO
No compartilhamento ativo as partes compartilham, além dos sites e
construções, as ERBs, antenas e o controlador de rede de rádio, ou seja, a RAN –
Rede de Acesso Rádio (ou eRAN - Evolved RAN - no caso do LTE). O 3GPP definiu
duas abordagens para a partilha da eUTRAN, o MOCN e o GWCN, descritos a
seguir.
MOCN (Multi Operator Core Network)
FIGURA 24 - TOPOLOGIA MOCN
79
No MOCN, Rede de Acesso Rádio Multi-Operador, as operadoras
compartilham o site e a rede de acesso rádio (eUTRAN), que no 4G compreende a
eNodeB, e podem compartilhar também seus espectros ou utilizá-los de forma
dedicada.
Nessa abordagem, a eUTRAN partilhada está ligada a vários CN (Rede Core)
por meio da interface S1. Cada operador de rede móvel tem a sua própria EPC. O
tráfego de cada operadora é separado no backhaul e encaminhado a sua respectiva
CN. Assim, o MME, o PGW e o SGW não são partilhados e estão localizados em
diferentes CN. A interface S1 flexível permite que a eNodeB seja ligado a diferentes
CN. Ele também permite conectar a eNodeB a vários MME e SGW num determinado
CN, viabilizando o balanceamento de carga entre MME e SGW de um dado CN.
Cada operadora de rede móvel pode ter sua própria eUTRAN (dedicada),
além da eUTRAN partilhada com outra operadora. Por exemplo, cada operadora de
rede móvel tem a sua própria eUTRAN em densas áreas urbanas e compartilha uma
eUTRAN em áreas onde a sua implantação dedicada não é economicamente viável
(por exemplo, áreas rurais).
SELEÇÃO DE REDE NO COMPARTILHAMENTO DA E-UTRAN
A seleção da operadora ou PLMN (Rede Móvel Terrestre Pública) em MOCN
é composta pelos seguintes passos:
PLMN IDs dos diferentes operadores de redes móveis são transmitidos na
interface aérea no Bloco de Informações do Sistema (SIB).
O equipamento do usuário (UE) decodifica as informações do sistema e
executa o processo de seleção do PLMN ID da sua operadora.
A PLMN ID selecionada é especificada no procedimento de conexão RRC.
A eNodeB usa o PLMN ID selecionado para encaminhar a requisição
anexa a uma MME pertencente a CN correta.
Além do eUTRAN compartilhado e dedicado a cada operador de rede móvel
pode ter suas próprias redes de acesso 2G e 3G.
80
Assim, a RAN é fisicamente compartilhada, mas logicamente dividida em
duas e o core da rede é separado por operadora. E não há impactos à mobilidade
com redes não compartilhadas, sejam 2G, 3G ou 4G.
ESPECTRO COMPARTILHADO X DEDICADO
O MOCN com uso de espectro dedicado, também conhecido como MORAN
(Multi Operator Radio Access Network), permite que as operadoras controlem o
rádio e os amplificadores de potência de forma independente, a fim de permitir que
os operadores possam utilizar as suas frequências atribuídas. Partes da eNodeB
são logicamente particionadas entre as operadoras: particionamento lógico de
portadoras.
No MOCN com uso de espectro compartilhado as operadoras utilizam o
mesmo espectro e configurações de rádio e potência, cada uma transmitindo seu
PLMN ID. Assinantes de operadores com espectro dedicado só podem realizar
acesso à rede utilizando o respectivo espectro do operador.
Compartilhamento de espectro é mais eficiente, pois não cria uma estrita
separação dos recursos de rádio entre os operadores. Estrita separação significa
que, se os assinantes de uma operadora estão usando toda a largura de banda da
operadora, então nenhum assinante adicional deste operador poderá entrar na rede
nesta célula, mesmo se ainda houver a largura de banda disponível do outro
operador. Compartilhamento de espectro também reduz a sobrecarga e permite
apoiar maior taxa de pico como a largura de banda disponível é mais importante.
81
ESPECTRO DEDICADO (MORAN) ESPECTRO COMPARTILHADO
(MOCN)
Espectro dedicado para cada operadora Várias operadoras compartilham o
mesmo espectro
Recursos de banda básica
independentes
Recursos de banda básica
compartilhados
Recursos no nível de célula separados
por operadoras (recursos da eNodeB
são compartilhados)
Recursos a nível de célula são os
mesmos para os operadores
Assegura a operação com políticas
diferenciadas por operadoras Independência operacional da rede
Solução mais independente Economia na aquisição de espectro
para operação
Grande eficiência espectral
Maior Throughput alcançável
Possibilita a eliminação da faixa de
guarda
TABELA 11 - COMPARAÇÃO MORAN X MOCN
GWCN – GATEWAY CORE NETWORK
FIGURA 25 – COMPARTILHAMENTO GWCN
82
Nessa abordagem, além da eRAN, as operadoras compartilham também o
MME. Oferece menor custo ao também compartilhar o MME, porém traz maior
complexidade no roteamento de tráfego na rede.
MOCN x GWCN
As duas abordagens são bem parecidas, diferenciando-se somente na
possibilidade (ou não) de compartilhar o espectro e o compartilhamento do MME.
Em nível de sistema, as principais diferenças são que no MOCN o MME que não é
compartilhado não necessita de interfaces para o MSC e SGSN, nem conhecer
todos os endereços HSS dos parceiros.
CONFIGURAÇÕES NO COMPARTILHAMENTO ATIVO 3GPP
COMPARTILHAMENTO DE
REDE
MOCN - Somente a eUTRAN
GWCN - eUTRAN e parte da EPC (MME)
SEGURANÇA IPSec baseada em VLAN por operadora
GESTÃO DE QOS
Os parceiros podem controlar QoS utilizando o
padrão QoS Classe Identifier (QCI) e podem
configurar adicionalmente QCIs específicos por
operadora
ESPECTRO Dedicado ou Compartilhado
BACKHAUL Dedicado ou Compartilhado
PERFIS DE MOBILIDADE
(ESPECÍFICO POR
PARCEIRO)
Intra-LTE de compartilhada para compartilhada
Intra-LTE de compartilhada para dedicada
Inter-RAT (eUTRAN para UTRAN) de compartilhada
para dedicada
SUPORTE DE VOZ
(ESPECÍFICO POR
PARCEIRO)
CSFB (Circuit Switched FallBack)
VoLTE (Voice over LTE)
TABELA 12 - OPÇÕES DE CONFIGURAÇÃO DE COMPARTILHAMENTO DEFINIDAS NO PADRÃO LTE
PELO 3GPP.
83
Todas estas medidas são compatíveis com os padrões LTE (3GPP Release 8
em diante).
ASPECTOS SIGNIFICATIVOS NÃO DEFINIDOS NO PADRÃO 3GPP
Existem aspectos relativos ao compartilhamento de rede ativo no LTE que
não foram definidos no padrão da tecnologia pelo 3GPP, sendo assim definidos
diretamente pelas partes envolvidas, alguns deles são:
Compartilhamento de recursos de capacidade: Pode ser partilha total,
segregado total ou parcialmente segregado;
Informações de uso e contadores: Separado por PLMN-ID;
Gerenciamento de QoS (Específico por parceiro): Policy e Shaping de
tráfego;
Considerações sobre o gerenciamento de rede: Gerenciamento de falhas,
configuração, gestão, desempenho e segurança;
Considerações de negócios: Planejamento e compartilhamento das
despesas da rede.
DESAFIOS NO COMPARTILHAMENTO DE REDE
A tecnologia não é o principal obstáculo, o compartilhamento de rede requer
alinhamento estratégico entre as operadoras em compartilhamento.
QoS: Uma QoS homogênea deve ser fornecida pela eUTRAN compartilhada
e pela o eUTRAN dedicado.
QoE: A qualidade da experiência deve ser a mesma para os assinantes. A
diferenciação entre os parceiros estarão em serviços e nível de aplicações.
Nível de concorrência: Cobertura, QoS, privacidade e roaming.
Prioridades de crescimento: Precisa de comum acordo em estratégia de
evolução e plano de migração de rede.
Gestão e Manutenção: Qual dos participantes será responsável, ou se será
terceirizado.
Capacidade, atualização de hardware: Atualizações de capacidade e
expansão trazem desafios técnicos e de gestão.
Seleção de fornecedor: Comum acordo na seleção e alinhamento de
fornecedores para rede compartilhada.
84
Regulamentação: Pode ser necessária negociação com o regulador para se
adaptar as condições da licença.
Aspectos comerciais e jurídicos: Pode ser necessário o estabelecimento de
uma joint venture entre parceiros de compartilhamento. Acordos sobre SLA,
multas, escopo, duração e modelo de divisão de despesas deve ser definido.
QOS NO COMPARTILHAMENTO DE REDE
O objetivo do modelo de QoS end-to-end é controlar a quantidade de tráfego
fluindo no eUTRAN a fim de:
Cumprir os requisitos de SLA entre o prestador da eUTRAN e os
diferentes operadores de CN;
Proteger os recursos da eUTRAN de tráfego descontrolado no sentido da
eUTRAN que resultaria em grande congestionamento. Isto é
especialmente verdadeiro no caso de um puro atacadista (wholesaler)
vender capacidade eUTRAN para diferentes operadores CN. Um excesso
de tráfego de um operador poderia levar a uma violação do SLA de outros
operadores compartilhando a eUTRAN. Além disso, o atacadista precisa
garantir um acesso justo aos recursos da eUTRAN por parte dos
operadores compartilhando o eUTRAN.
Vários mecanismos são usados para controlar a QoS dentro do eUTRAN
partilhada:
No nível da eNodeB: Controle de Admissão de Chamada; Política por
portadoras de rádio; Traffic shaping por operadora; Marcação baseada em
QoS Class Identifier (QCI) especificado no estabelecimento portadora de
rádio;
No roteador de borda eUTRAN, características de QoS IP podem ser
utilizadas para: Realizar policiamento e modelagem em nível agregado
para controlar a quantidade de tráfego proveniente de cada operador CN
em DL;
Dentro da rede de transportes entre a eNodeB e o roteador de borda
eUTRAN: A rede de transportes deve apoiar QoS para fornecer a
85
prioridade correta de pacotes IP ou quadros Ethernet marcados pelo
roteador de borda eUTRAN ou o eNodeB.
5.5 LTE RAN SHARING TIM X OI
A Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) aprovou no dia 18 de abril
de 2013 o compartilhamento de infraestrutura de telefonia móvel de quarta-geração
(4G) entre as operadoras TIM e a Oi, parceria firmada para implantação da rede 4G
das empresas no país.
No leilão das faixas de frequência 4G (2,5 GHz e 450 MHz) realizado pela
ANATEL em 2012, a TIM arrematou a faixa V1 de 10 MHz + 10 MHz e a Oi a faixa
V2 de mesmo tamanho. As operadoras pagaram 340 e 330 milhões de reais,
respetivamente.
Juntas, as operadoras acumulam quase metade dos 261,78 milhões de
clientes de telefonia móvel no país. De acordo com dados contabilizados até o fim
de 2012, a TIM tinha o segundo maior número de assinantes, com 70,3 milhões de
usuários. Já a Oi, contabilizava 49,2 milhões de contas.
ACORDO DE COMPARTILHAMENTO
As negociações levaram pelo menos três meses, mas ainda assim foram
concluídas em tempo recorde. TIM e Oi selaram o acordo de compartilhamento de
infraestrutura para exploração da quarta geração de telefonia móvel (4G) no Brasil.
O documento foi protocolado na Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) no
dia 27 de março de 2013 e, no dia seguinte, recebeu o aval do Conselho
Administrativo de Defesa Econômica (CADE).
São compartilhados, além da infraestrutura passiva como as torres, a eNodeB
e também o backhaul com separação lógica, ou seja, o tráfego de cada uma delas é
direcionado para o respectivo core de rede.
86
FIGURA 26 - TOPOLOGIA DA RAN SHARING TIM X OI
O acordo não compreende o atendimento em modo compartilhado das cidades-
sede da Copa do Mundo, próxima etapa das metas de atendimento impostas pela
Anatel. Porém, o acordo servirá como um teste para a expansão ou não do modelo.
PREMISSAS DO COMPARTILHAMENTO, SEGUNDO AS EMPRESAS
De acordo com as empresas, o acordo envolve três grandes questões.
A primeira é tecnológica, com o compartilhamento da rede de acesso de rádio
(RAN). Até hoje, as operadoras compartilharam partes passivas da infraestrutura,
como as torres, sendo essa a primeira experiência de compartilhamento da parte
eletrônica, que é a antena, a qual opera nas duas frequências de 4G, da TIM e da
Oi. Isso gera não só uma economia de custos, mas uma eficiência em termos de
espaço, considerando, por exemplos, torres que não comportam dois equipamentos.
A segunda premissa é a independência dos serviços. A rede de cada
operadora continua a trabalhando de maneira autônoma a outra, atendendo sua
base de clientes. A companhia é responsável pela entrega dos seus serviços e por
garantir a qualidade a seus respectivos usuários.
A terceira condição do acordo refere-se ao equilíbrio entre as partes: tudo
deve ser dividido, tanto custos quanto cobertura. Na primeira fase da oferta de 4G,
cada uma das seis cidades-sede da Copa das Confederações (Rio, Brasília, Belo
Horizonte, Recife, Salvador e Fortaleza) deverá estar com 50% de sua área coberta
87
pela infraestrutura até o dia 30 de abril. Ao todo, quase 500 estações radio base
(eNodeBs) seriam instaladas só nas cidades sede da Copa das Confederações.
A TIM ficou responsável pela instalação da rede em Recife, Curitiba, São
Paulo e Natal, enquanto a Oi ficou com Belo Horizonte, Brasília, Manaus, Porto
Alegre, Fortaleza, Rio de Janeiro, Salvador e Cuiabá.
FORNECEDORES
A Oi e a TIM possuem fornecedores diferentes para o LTE. A TIM fechou
acordo com Huawei, Ericsson e Nokia Siemens, enquanto a Oi assinou com a
Ericsson, a Nokia Siemens e a Alcatel-Lucent.
Assim, o compartilhamento de rede envolve a necessidade de um integrador,
que teria a função de fazer com que o core de rede da TIM "enxergue" uma eNodeB
da Alcatel-Lucent, que não está entre os seus fornecedores contratados. O mesmo
vale para a Oi. O core de rede da Oi precisa "enxergar" uma eNodeB da Huawei.
CONSIDERAÇÕES DA ANATEL
As discussões entre operadoras brasileiras e a Anatel em relação à
possibilidade de compartilhamento da rede de rádio (RAN Sharing) foram intensas
no período anterior à implantação da rede para Copa das Confederações. As
operadoras apresentaram à Anatel os detalhes técnicos e a agência, expôs seus
pontos de preocupação, Os principais pontos foram:
Responsabilização por falhas;
Possibilidade de devolução de frequências;
Ao uso eficiente do espectro (sem deixar frequências ociosas);
Acesso de uma operadora sobre as informações dos clientes da
operadora hóspede.
A Anatel estuda a criação de uma regulamentação de RAN Sharing, ou seja,
de compartilhamento de espectro e de equipamentos eletrônicos pelas operadoras
móveis. A proposta de regulamento deve entrar em consulta pública em 2013.
A ideia é viabilizar, por exemplo, o uso da faixa de 900 MHz para 4G. Hoje
cada uma das quatro grandes operadoras possui licenças de 2,5 MHz + 2,5 MHz
88
nessa faixa, voltada para o 2G. Com o RAN Sharing seria possível compartilhar 10 +
10 MHz entre as teles, o que permitiria a oferta de 4G. Considerando ainda o
desaparecimento das faixas de guarda, que servem para proteger de interferência
os serviços das operadoras, haverias ainda mais espectro para o 4G.
A agência também analisa a possibilidade de tornar o RAN Sharing
obrigatório no interior do País, o que pode ser incluído nas regras do leilão de 700
MHz.
5.6 SERVIÇO LTE DISPONÍVEL NO BRASIL
CIDADES COM COBERTURA
CLARO
Barueri, Belém, Belo Horizonte, Brasília, Búzios, Campinas, Campos do
Jordao, Cuiabá, Curitiba, Fortaleza, Jandira, Manaus, Natal, Paraty, Porto Alegre,
Recife, Rio de Janeiro, Salvador, São Paulo.
VIVO
Belo Horizonte, Brasília, Fortaleza, Recife, Rio de Janeiro, Salvador, São
Paulo; região do ABC (Santo André, São Bernardo do Campo e São Caetano do
Sul) até o final de maio de 2013.
TIM
Belo Horizonte, Brasília, Fortaleza, Recife, Rio de Janeiro e Salvador.
OI
Belo Horizonte, Brasília, Fortaleza, Recife, Rio de Janeiro e Salvador.
PREÇO DOS SERVIÇOS
As tabelas a seguir apresentam o preço dos planos para utilização do serviço
4G das operadoras nacionais. Em geral os planos são diferenciados por dispositivo
móvel (modens, tablets, smartphones), franquia (quantidade total de banda para ser
89
utilizada), e a velocidade para a qual o serviço cai após exceder tal banda. Valores
coletados em maio de 2013.
PLANOS PARA USO DO SERVIÇO 4G EM MODENS E TABLETS
OPERADORA FRANQUIA VALOR
(R$)
VELOCIDADE
CONTRATUAL
VELOCIDADE
APÓS
FRANQUIA
TIM
500 MB 35
5 Mbps
100 kbps
800 MB 49,9
3 GB 61
200 kbps
10 GB 101
Vivo
5 GB 99,9
256 kbps 10 GB 129,9
20 GB 159,9
Claro
5 GB 119,9 128 kbps
10 GB 199,9 256 kbps
Oi 10 GB 188 / 125** 150 kbps
TABELA 13 - VALORES DOS SERVIÇOS 4G PARA USO EM MODENS 4G E TABLETS (FONTE: GIZMODO)
*Valor para quem é cliente Oi Conta Total ou Oi Velox
90
PLANOS PARA USO DO SERVIÇO 4G EM SMARTPHONES
OPERADORA FRANQUIA VALOR
(R$)
VELOCIDADE
CONTRATUAL
VELOCIDADE
APÓS FRANQUIA
TIM*
300 MB 29,9**
5 Mbps
50 kbps
300 MB 21,9
600 MB 34,9 100 kbps
Claro
2 GB 79,9 128 kbps
5 GB 99,9 128 kbps
Oi 10 GB 98 150 kbps
TABELA 14 - VALORES DOS SERVIÇOS 4G PARA USO EM SMARTPHONES (FONTE: GIZMODO)
*A TIM oferece o serviço 4G juntamente com o plano 3G, sem custo adicional.
**Por mês que utilizar.
PLANO FRANQUI
A
VELOCIDA
DE
CONTRAT
UAL
VELOCIDA
DE APÓS
FRANQUIA
VALOR (R$)
SP/M
G BA/DF/PE/RJ CE
Vivo*
60 min. 5 GB
5 Mbps 256 kbps
149 139 109
100 min. 10 GB 199 179 149
200 min. 20 GB 279 259 229
TABELA 15 - VALORES DOS SERVIÇOS 4G PARA USO EM SMARTPHONES (VIVO) (FONTE: GIZMODO)
*Todos os planos incluem ligações locais, torpedos e DDD/Roaming ilimitados
91
DESEMPENHO DO SERVIÇO 4G DISPONÍVEL
As tabelas a seguir apresentam testes realizados nas cidades sede da Copa
das Confederações pela UOL Tecnologia em maio de 2013.
VELOCIDADE DO 4G
LOCAIS DOWNLOAD
(MBPS)
UPLOAD
(MBPS)
Brasília - Estádio Nacional 32 24
Brasília - Setor Hoteleiro Norte 27 20
Brasília - Aeroporto Internacional 0,6 4
Belo Horizonte - Estádio Mineirão 33 22
Belo Horizonte - Mercado Central 25,3 7,7
Belo Horizonte - Praça da Savassi 41 12,8
Fortaleza - Estádio Castelão 3,5 1,4
Fortaleza - Av. Beira Mar 3,7 2,1
Fortaleza - Shopping Iguatemi 3,3 1,4
Recife - Boa Viagem 39 29
Recife - Recife Antigo 3,7 0,7
Rio de Janeiro - Estádio do Maracanã 2 0,22
Rio de Janeiro - Praia de Copacabana 53 19
Rio de Janeiro - Aeroporto Tom Jobim 2,6 0,2
Salvador - Estádio Arena Fonte Nova 20 2,8
Salvador - Bairro Rio Vermelho 28 2,4
Salvador - Shopping Salvador 7,4 0,3
TABELA 16 - RESULTADO DOS TESTES DE VELOCIDADE DA REDE 4G (FONTE: UOL TECNOLOGIA)
92
Podemos observar que existe grande disparidade no serviço ofertado nas
diversas localidades, e tudo indica que esse cenário consequência dos desafios pela
conjuntura da implantação do LTE no Brasil e na inexperiência das operadoras ao
projetar tais redes.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Como pode ser observada neste estudo de caso, a implantação do LTE no
Brasil sofreu a influência de diversos fatores, sejam exigências regulatórias,
econômicas ou dos usuários, e isso levou as operadoras a optarem pelo
compartilhamento da RAN.
O compartilhamento da RAN não é um conceito novo, mas as operadoras não
possuem experiência em sua implantação, e estão tendo que aprender ao mesmo
tempo em implantam as redes, o que dificulta a estimativa de capacidade e
planejamento das redes.
Existe grande disparidade no serviço ofertado em diversas localidades e muitos
compromissos regulatórios, especialmente de cobertura a serem cumpridos. Ainda,
pode ser notar que os serviços ofertados pelas operadoras têm características
similares, tornando a concorrência bem acirrada.
Não se pode esquecer também dos requisitos de throughput, latência, perda de
pacotes e QoS. Existe uma grande variedade de cenários aos quais estes requisitos
devem atender, e ainda uma variedade de opções para atingi-los.
Tudo isto evidência a necessidade de um melhor planejamento e projeto para
implantação e otimização das redes, que viabilize maior qualidade e a oferta de
serviços diferenciados. Certamente, um simulador em nível de sistema, em conjunto
com simuladores em nível físico, será de fundamental ajuda para atingir estes
objetivos e entregar redes com alta qualidade, capacidade, eficiência e baixo custo.
93
6 PROPOSIÇÃO DE SIMULADOR EM NÍVEL DE SISTEMA
Os serviços de comunicação móvel nunca foram tão requisitados. Hoje o
mundo se comunica de forma diferente, cada vez mais dinâmica, mas acima de
tudo, móvel. Os usuários desejam cada vez mais velocidade, qualidade e menor
preço. Assim, as redes de celulares precisam ter capacidade para suportar além do
tráfego de voz, o tráfego de dados em alta velocidade, tudo isso, numa rede eficiente
e rentável.
As redes 3G alavancaram este processo e têm suportado a pressão dos
usuários, mas possui suas limitações. Os serviços de comunicações móveis estão
em contínua expansão, e com a evolução dos dispositivos móveis a demanda por
serviços diversificados fica cada vez maior.
A padronização dos sistemas se apresenta como a solução para migrar as
tecnologias de forma se obter um maior aproveitamento dos recursos da rede já
configurados e menores custos de implantação. É neste contexto que se encontra o
LTE, como o próprio nome já diz, Long Term Evolution. É uma evolução de longo
prazo para os sistemas 3G buscando manter uma interface de rádio bem flexível. O
LTE traz muitas inovações como: uso de múltiplas antenas (MIMO, SIMO, MISO),
utilização do OFDMA como técnica de múltiplo acesso e redução de interferência
entre canais, taxas de transmissão elevadas, bem superiores às tecnologias 3G, sua
arquitetura all-IP, que elimina a comutação de circuitos, e a eNodeB, que incorpora
os papéis da BSC e da RNC, se tornando o único elemento da eRAN.
Conforme o estudo de caso apresentado, descrevendo a implantação do LTE
no Brasil, ficam claros os desafios encontrados e a necessidade de simular cenários
em nível de sistema para se realizar bons projetos e obter redes de qualidade.
Sendo assim, as operadoras ainda não possuem experiência na implantação
de rede com a arquitetura do LTE e enfrentam desafios cada vez maiores
envolvendo as exigências regulatórias, econômicas e dos usuários. Por isso,
simuladores são importantes, pois permitem avaliar o comportamento da rede em
vários cenários, num momento anterior à sua implantação, viabilizando a análise das
várias possíveis soluções para o projeto e implantação das redes.
94
Como foi exposto no objetivo, este trabalho visa propor um simulador em nível
de sistema da tecnologia de comunicação móvel LTE. A ideia é criar um simulador
que receba RSR (Relação Sinal-Ruído) e parâmetros da camada física como: taxa
dos codificadores, tipo de multiplexação de antenas, modulação utilizada e etc., e
entregue os parâmetros de sistema que desejamos trabalhar: Throughput, latência,
perda de pacotes e QoS, que foram expostos nos capítulos 4.
Para que se possa desenvolver um simulador em nível de sistema LTE, é
preciso conhecer suas principais entidades, como elas se comunicam, que tipo de
mensagens são trocadas, quando são trocadas, e sobre qual rede de transporte
essas mensagens serão carregadas. O capitulo 3 deste trabalho apresentou alguns
destes conceitos.
Para auxiliar no estudo da camada física sugerimos a utilização de simulador
em nível físico desenvolvido em outro projeto [5]. Este simulador, implementado em
MATLAB, faz a simulação da transmissão de uplink e downlink do LTE, podendo-se
configurar parâmetros de simulação como nível e tipo de modulação utilizado,
número de quadros transmitidos, espaçamento entre subportadoras e número de
iterações do loop de simulação, entre outros.
Abaixo, são exibidos alguns exemplos de saídas do simulador de camada
física pode entregar que serviriam de entrada para o simulador em nível de sistema
proposto. No caso das figuras, foi utilizada a modulação 64 QAM.
95
FIGURA 27 - TAXA DE ERRO DE BIT VS. RELAÇÃO SINAL/RUÍDO – DOWNLINK – [5]
FIGURA 28 - TAXA DE ERRO DE BIT VS. RELAÇÃO SINAL/RUÍDO – UPLINK – [5]
96
Para implementar este simulador, propomos que seja adotada uma linguagem
orientada a objetos, já que fica imediata a associação de cada entidade da
arquitetura EPS a uma classe.
O MATLAB suporta a orientação a objetos, e facilitaria a implementação, visto
que os dados de entrada podem ser obtidos diretamente do simulador de camada
física, sem muitas adaptações.
São apresentados abaixo fragmentos de código que mostram a
implementação inicial das entidades do LTE.
%% Definição da classe da eNodeB
classdef eNodeB < handle
properties id % Identificação única da eNodeB interfaces % Identificação das interfaces e IPs da
eNodeB pos % Posição da eNodeB (lat, long, elev) sectors % Informações sobre setores da eNodeB neighbors % eNodeB's vizinhas a eNodeB neighbor_sectors % Setores das eNodeB's vizinhas conn_ues % UE's ao quais a eNodeB está conectada downlink_channel % Modelo do canal de downlink uplink_channel % Modelo do canal de uplink antenna_gain % Ganho da antena da eNodeB serving_gw % S-GW ao qual a eNodeB está conectada mme % MME ao qual a eNodeB está conectada end
% Função para checar se uma UE está conectada a eNodeB function is_connected = userIsAttached(obj,user) ... end
% Fumção para checar número de UEs conectadas a eNodeB function num_conn_ues = connected_UEs(obj) ... end end
97
%% Definição da classe do MME
classdef MME < handle
properties id % Identificação única do mme interfaces % Interfaces e IPs do MME conn_enodebs % eNodeB’s conectadas hss % HSS ao qual o MME está conectado serving_gw % S-GW ao qual o MME está conectado ue_ecm_state % Estado dos UEs conectados
(idle/connected) end
methods
% Funções para gerenciamento de beares function create_bearer(UE,PDN_Gw) ... end
end
end
%% Definição da classe do S-GW
classdef Serving_Gw < handle
properties id % Identificação única do S-GW interfaces % Interfaces e IPs do S-GW conn_enodebs % eNodeBs conectadas mme % MME ao qual cada eNodeB está conectada pdn_gw % P-GW ao qual o S-GW está conectado
end
methods
% Função de ancoragem de mobilidade function idle_handoff(UE,BEARER) ... end
% Função de tarifação function ip_alloc(UE,BEARER,duration) ... end
end
end
98
%% Definição da classe do PCRF
classdef PCRF < handle
properties id % Identificação única do PCRF interfaces % Interfaces e IPs do PCRF pdn_gw % P-GW ao qual o PCRF está conectado qos_classes % Identificação de clases de QoS e taxas
de transferência operator_ip_services % IP da rede de serviços da operadora ao
qual o P-GW está conectado end end
%% Definição da classe do P-GW
classdef PDN_Gw < handle
properties id % Identificação única do P-GW interfaces % Interfaces e IPs do P-GW pcrf % PCRF ao qual o P-GW está conectado serving_gw % S-GW ao qual o P-GW está conectado operator_ip_services % IP da rede de serviços da operadora ao
qual o P-GW está conectado ip_list % Informções de alocação de IP end
methods
% Políticas de QoS function qos_enforce(UE,BEARER) ... end
% Alocação de IPs para o UE function ip_alloc(UE,ip_info) ... end
end
end
99
%% Definição da classe do UE
classdef UE < handle
properties id % Identificação única do UE interfaces % Interfaces e IPs do UE pos % Posição do UE (lat, long, elev) conn_enodeb % eNodeB ao qual o UE está conectado downlink_channel % Modelo do canal de downlink uplink_channel % Modelo do canal de uplink antenna_gain % Ganho da antena do UE ecm_state % Estado ECM (idle/connected) ip % IP do UE, atribuido pelo P-GW
end
methods function obj = UE end
% Função para alterar local do UE function move(obj) ... end
end
end
100
7 CONCLUSÕES
Este trabalho apresenta a arquitetura da rede LTE, abordando como foram
padronizados, através do 3GPP, os elementos de rede que compõem esta
arquitetura, e suas funções. Esta padronização permite ao LTE alcançar maiores
taxas de transferência, maior controle sobre a qualidade da rede, utilizando o QoS,
além de conferir compatibilidade com as tecnologias de redes móveis anteriores,
denominadas de terceira e segunda geração.
Através da sua capacidade de interagir com redes que utilizam outras
tecnologias, o LTE proporciona uma perspectiva de rede na qual é possível se
adaptar a novos modelos de negócios, além atingir uma maior variedade de usuários
e dispositivos. Esta integração de redes possibilita, também, que o LTE seja usado
como base para aplicações multisserviço, onde diferentes fabricantes e tecnologias,
como IPTV e VoIP, possam ser explorados dentro da mesma rede.
Além de melhorias na camada de acesso sem fio, o fato de a rede do LTE ser
totalmente baseado em comutação por pacotes traz maior flexibilidade e eficiência
no transporte dos dados, sejam eles em nível de usuário ou em nível de controle.
O trabalho apresentou a arquitetura EPS, e a forma com que cada entidade se
relaciona, a partir de suas interfaces, a fim de proporcionar uma base teórica que
possa auxiliar na modelagem adequada de um ambiente de simulação que possa
servir como um ponto inicial na preparação de uma nova rede.
Posteriormente, foram abordados de forma mais aprofundada os conceitos de
throughput, latência, qualidade de serviço, e perda de pacotes, que são de
fundamental entendimento para que se possa implantar uma rede baseada em
comutação por pacotes. Quando se busca transferir dados em tempo real, como voz
e vídeo, utilizando redes IP, é preciso ter controle sobre a latência e perda de
pacotes, a fim de que o usuário tenha uma boa experiência de uso, e que as
mensagens de sinalização e controle sejam entregues corretamente. Este controle
é, principalmente, alcançado utilizando o QoS, que pode definir se um pacote será
transportado utilizando uma bearer dedicada ou não, com taxa e entrega garantida
ou não, de acordo com a criticidade deste pacote.
101
Em seguida, um estudo de caso é apresentado a fim de elucidar os desafios
enfrentados pelas operadoras que pretendem implantar uma nova rede LTE,
abordando os aspectos regulatórios, requisitos de infraestrutura, e aspectos
econômicos inerentes à implantação do LTE. É exposta uma solução encontrada por
muitas operadoras, o RAN Sharing, que possibilita uma redução de custos, aliada a
maior eficiência no uso da rede. Esta estrutura de compartilhamento beneficia não
somente a operadora, mas também o cliente final, que tem acesso à tecnologia com
planos mais baratos, além de ter mais opções ao escolher uma operadora, visto que
o compartilhamento incentiva a concorrência.
Todos estes desafios e requisitos trazem à tona a quão bem preparada deve ser
a modelagem de uma nova rede. Esta modelagem, muitas vezes, se torna mais fácil
com o auxilio de sistemas que possam simular o ambiente com o qual a operadora
estará lidando durante a implantação da rede.
Neste contexto, é feita uma proposição de um simulador em nível de sistema.
Este simulador toma como base os conceitos apresentados anteriormente,
relacionados à arquitetura da rede, suas entidades e interfaces, e os parâmetros que
devem ser conhecidos para que se garanta o bom funcionamento da rede, tanto em
nível de controle quanto em nível de usuário.
A proposta é que este simulador tenha como entrada parâmetros de entrada da
camada física, que podem ser obtidos através de simuladores de outros trabalhos, e
utilize uma arquitetura conhecida, como número de usuários por célula, quantidade
de eNodeB simuladas, métodos de QoS utilizados, dentre outros, para que
apresente, na saída, os parâmetros relacionados a qualidade de funcionamento da
rede em nível de sistema, como perda de pacotes, throughput, e latência. Desta
forma, espera-se que este trabalho sirva como ponto de partida a implementação de
tal simulador.
102
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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desempenho-do-4g-nas-seis-cidades-sede-da-copa-das-
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acesso: julho/2013
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