Tecnologia ecnologi a celular cel ular 4G LTE
Reprodução proibida. Art. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. Todos os direitos reservados Fundação Instituto Nacional de Telecomunicações – Finatel
Tecnologia ecnologi a celular cel ular 4G LTE
Reprodução proibida. Art. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. Todos os direitos reservados Fundação Instituto Nacional de Telecomunicações – Finatel
Tecnologia ecnologi a celular cel ular 4G LTE
Equipe Multidisciplinar Prof. MsC. Carlos Augusto Rocha Pró-diretor de desenvolvimento de tecnologias e inovação
Douglas Rosa Webmaster e Suporte Técnico
Prof. Rinaldo Duarte Teixeira Gerente da Educação Continuada
Designer Gráco e Diagramador
Paulo B. de Oliveira Jr. Juliano Inácio Produtor de vídeos
Eng. Mário Ferreira Gerente Técnico
Prof. José Renato Silva Revisor Gramatical
Profª. Rosimara Salgado Coordenadora NEaD e Designer Instrucional
Amanda Bernardes Almeida Secretária
Prof. MsC. Guilherme Pedro Aquino Autor Engª. Francine Cássia de Oliveira Professora-tutora
2013
Boas-vindas! Prezado(a) Aluno(a):
Este livro digital foi desenvolvido pelo Inatel a m de que você possa realizar as leituras do conteúdo didático com maior conforto, além de ter acesso a uma série de recursos importantes para o seu processo de aprendizagem. A versão PDF permite que você salve e imprima a apostila. Ao nal do curso, você terá um rico material de consulta para ser usado ao longo de sua vida. A estrutura do livro PDF permite que você tenha acesso à Lista de Ilustrações, à Lista de Tabelas, à Lista de Siglas e Abreviações, bem como ao Sumário, os quais contêm hiperlinks que dão acesso direto às suas partes. Ao nal de cada página da apostila, há um espaço exclusivo para se realizar anotações, onde suas reexões e dúvidas poderão escritas para posterior interação com o professor e com os seus colegas nos fóruns e bate papos. Eventualmente, no texto aparecerão termos técnicos obscuros e esses são esclarecidos e apresentados no glossário. A versão PDF, também, proporciona acesso às vídeo-aulas e às animações (quando houver), bem como traz exercícios de xação na forma de quizzes para serem respondidos na apostila. O gabarito se encontra no nal desse arquivo.
Bons estudos!
Lista de Ilustrações Figura 1 – Evolução dos padrões de telefonia móvel 3GPP Figura 2 – Linha de evolução 3GPP Figura 3 – Divisão lógica da rede móvel em rede de acesso e núcleo de rede Figura 4 – Redes de Acesso GERAN, UTRAN e E-UTRAN Figura 5 – Diagrama em blocos das funções desempenhadas pelo eNodeB Figura 6 – Diagrama em blocos do núcleo de rede das tecnologias 3GPP
13 19 24 25 27 28
Lista de Tabelas Tabela 1 – Resumo dos requisitos de desempenho para o sistema LTE Tabela 2 – Categoria do terminal móvel
19 21
Lista de Siglas e Abreviações 1G - 1st Generation – Primeira Geração. 2,5G - Second and Half Generation – Segunda Geração e Meia. 2G - 2nd Generation – Segunda Geração. 3G - 3rd Generation – Terceira Geração. 3GPP - 3rd Generation Partnership Project – Projeto de Parceria do 3G. 4G - 4th Generation – Quarta Geração. AMC - Adaptive Modulation and Coding – Modulação e Codicação Adaptativa.
ARQ - Automatic Repeat Request – Solicitação de Repetição Automática. AuC - Authentication Center – Centro de Autenticação. BPSK - Binary Phase Shift Keying – Chaveamento Binário por Deslocamento de Fase. BSC - Base Station Controller – Controlador de Estação Base. BTS - Base Transceiver Station – Transceptor da Estação Base. CDMA - Code Division Multiple Access – Acesso Múltiplo por Divisão de Código. CN - Core Network – Núcleo da Rede. CQI - Channel Quality Indicator – Indicador de Qualidade de Canal. CS - Circuit Switch – Comutação de Circuito. D-AMPS - Digital Advanced Mobile Phone System – Sistema Avançado de Telefonia Móvel Digital. DHCP - Dynamic Host Conguration Protocol – Protocolo de Conguração Dinâmica de Host.
DL - Downlink – Link de Descida. DS-SS - Direct Sequence Spread Specrtum – Espalhamento Espectral por Sequência Direta. E-DCH - Enhanced Dedicated Channel – Canal Dedicado Aprimorado. EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution – Taxa de Dados Aprimorada para Evolução GSM. EIR - Equipment Identity Register – Registrador de Identidade Equipamento. eNB - Evolved NodeB – NodeB Evoluída. EPC - Evolved Packet Core – Pacote de Núcleo Evoluído. EPS - Evolved Packet System – Pacote do Sistema Evoluído. ERB - Radio Base Station – Estação Rádio Base. E-UTRAN - Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network – Rede d e Acesso Universal Evoluída para Radio Terrestre. FDD - Frequency Division Duplex – Duplex por Divisão de Frequência. FEC - Forward Error Correction – Correção de Erro para Frente. Gbps - Giga bit por segundo. GERAN - GSM EDGE Radio Access Network – Rede de Acesso para Rádio GSM EDGE. GMSC - Gateway Mobile Switching Center – Gateway do Centro de Chaveamento Móvel. GPRS - General Packet Radio Services – Serviços Gerais de Pacote de Rádio. GSM - Global System for Mobile Communications – Sistema Global para Comunicações Móveis. HARQ - Hybrid Automatic Repeat Request – Requisição de Repetição Híbrida Automática. HHO - Hard-Handover. HLR - Home Location Register – Registrador de Local Inicial. HSDPA - High Speed Downlink Packet Access – Acesso de Pacote de Downlink em Alta Velocidade. HSPA - High Speed Packet Access – Acesso de Pacote em Alta Velocidade. HS-PDSCH - High Speed Physical Downlink Shared Channel – Canal Físico Compartilhado para Downlink de Alta Velocidade. HSS - Home Subscriber Server – Servidor Local de Assinante. HSUPA - High Speed Uplink Packet Access – Acesso de Pacote de Uplink em Alta Velocidade. IMEI - International Mobile Equipment Identity – Identidade Internacional de Equipamento Móvel. IMS - IP Multimedia Subsystem – Subsistema de Multimídia IP. IMSI - International Mobile Subscribe Identier – Identicador Internacional de Assinante Móvel.
IMT-Advanced - International Mobile Telecommunications - Advanced – Telecomunicações Móveis Internacionais – Avançado. IP - Internet Protocol – Protocolo de Internet. IRC - Interference Rejection Combining – Combinação de Rejeição por Interferência. IS-136 - Interim Standard 136 – Padrão Internacional 136. IS-95 - Interim Standard 95 – Padrão Internacional 95. ITU-R - International Telecommunication Union - Radiocommunication Sector – Setor de Radiocomunicação - União Internacional de Telecomunicações. Kbps - Kilo bit por segundo LTE - Long Term Evolution – Evolução de Longo Termo. MAC - Medium Access Control – Camada de Acesso ao Meio. MAI - Multiple Access Interference – Interferência de Múltiplos Acessos. MIMO - Multiple-Input and Multiple-Output – Múltiplas entradas e múltiplas saídas. MME - Mobility Management Entity – Entidade de Gerenciamento de Mobilidade.
MS - Mobile Station – Estação Móvel. MSC - Mobile Switching Center – Centro de Comutação da rede Móvel. NAT - Network Address Translation – Translação de Endereço de Rede. OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing – Multiplexação Ortogonal por Divisão de Frequência. OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access – Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência Ortogonal. OVSF - Orthogonal Variable Spreading Factor – Fator de Espalhamento Ortogonal Variável. PCRF - Policy and Charging Rules Function – Função de Política e Regras. PDCP - Packet Data Convergence Protocol – Protocolo de Convergência para Pacotes de Dados. PDN - Packet Data Network – Rede de Pacotes de Dados. P-GW - Public Data Network (PDN) SAE Gateway. PLMN - Public Land Mobile Network – Rede Móvel Pública. PSTN - Public Switched Telephone Network – Rede Telefônica Pública Chaveada. QAM - Quadrature Amplitude Modulation – Modulação por Amplitude de Quadratura. QoS - Quality of Service – Qualidade de Serviço. QPSK - Quadrature Phase Shift Keying – Chaveamento por Deslocamento de Fase em Quadratura. R10 - Release 10 – Versão 10. R5 - Release 5 – Versão 5. R6 - Release 6 – Versão 6. R7 - Release 7 – Versão 7. R8 - Release 8 – Versão 8. R9 - Release 9 – Versão 9. R99 - Release 99 – Versão 99. RAN - Radio Access Network – Rede de Acesso por Rádio. RB - Radio Bearer – Portadora Rádio. RF - Radio Frequency – Rádio Frequência. RLC - Radio Link Control – Controle do Link de Rádio. RNC - Radio Network Controller – Controlador da Rede Rádio. RR - Radio Resources – Recursos de Rádio. RRC - Radio Resource Control – Controle de Recurso de Rádio. RRM - Radio Resource Management – Gerenciamento de Recurso de Rádio. SAE - System Architecture Evolution – Evolução da Arquitetura do Sistema. SC-FDMA - Single Carrier Frequency Division Multiple Access – Múltiplo Acesso por Divisão de Frequência de Portadora Única. S-GW - Serving SAE Gateway – Gateway de Servidor SAE. SHO - Soft-Handover. SMS - Short Message Service – Serviço de Mensagem Curta. SNR - Signal-to-Noise Ratio – Relação Sinal-Ruído. TBS - Transport Block Size – Tamanho de Quadro de Transporte. TDMA - Time Division Multiple Access – Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo. TDD - Time Division Duplexing – Duplexação por Divisão no Tempo. TF - Transport Format – Formato de Transporte. TTI - Transmission Time Interval – Intervalo de Tempo de Transmissão. UE - User Equipment – Equipamento de Usuário. UL - Uplink – Link de Descida. UMTS - Universal Mobile Telecommunication System – Sistema Universal de Telecomunicação Móvel. UTRAN - Universal Terrestrial Radio Access Network – Rede de Acesso Universal de Rádio Terrestre. VLR - Visitor Location Register – Registro Local de Visitante. WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access – Múltiplo Acesso por Divisão de Código em Banda Larga.
Lista de Símbolos ε
- Eciência espectral.
Bw R
- Largura de banda.
- Taxa de codicação.
- Taxa de bit. - Tamanho do bloco de transporte. TTI - Intervalo de tempo de transmissão.
Rb
TBS
Sumário Capítulo 1 - Introdução Capítulo 2 - Evolução dos Sistemas Celulares até o 3G Capítulo 3 - Evolução das Tecnologias 3GPP a partir do 3G Capítulo 4 - Requerimentos para o Sistema LTE Quiz 1 4.1 Arquitetura do Sistema LTE/SAE 4.1.1 Rede de Acesso de Rádio 4.1.2 Núcleo de Rede Vídeo 1 – Arquitetura do Sistema LTE/SAE Vídeo 2 – Revisão Quiz 2 Gabarito - Quiz
11 12 14 18 22 24 24 27 31 31 32 34
11
Capítulo 1 - Introdução
No cenário atual das telecomunicações, é visível o crescimento acelerado das comunicações móveis. Várias tecnologias têm surgido para suprir a demanda dos usuários por serviços móveis sempre com taxas de transmissão de dados cada vez maiores [1]. As tecnologias de 2,5G (Second and a half generation) e 3G (3rd Generation) utilizadas pelas operadoras brasileiras não conseguem oferecer serviços de qualidade aos clientes em função das limitações de taxa de transferência de dados. O LTE ( Long Term Evolution), que é uma evolução das atuais redes 3G, vem se tornando uma das tecnologias mais promissoras para atender a crescente demanda do mercado consumidor.
12
Capítulo 2 - Evolução dos Sistemas Celulares até o 3G
A demanda por largura de banda em sistemas móveis é crescente. Isso ocorre pela combinação de dois fatores: (i) dispositivos móveis com maior capacidade de transmissão, (ii) maiores expectativas de serviços de boa qualidade por parte dos usuários. Consequentemente, há a necessidade de constantes inovações em tecnologias de transmissão de dados sem o que possam gerar maior capacidade
e maior qualidade aos serviços móveis. As tecnologias baseadas no 3GPP (3rd Generation Partnership Project ) vêm evoluindo desde o GSM ( Global System for Mobile communications) até o LTE-Advanced para, justamente, melhorar a experiência do usuário de comunicações móveis. A Figura 1 mostra, a partir do UMTS-R99 ( Release 99), um gráco da evolução das tecnologias 3GPP durante os anos. Glossário Largura de banda: Uma das faixas
no espectro de frequências que é ocupada pelo sinal.
13 R99
2000
UMTS
R4
2001
R5
2002 HSPA DL
R6
2003
2004
R7
2005 HSPA UL
2006
R8
2007
HSPA+
2008
R9
2009
LTE
IMS
R10
2010
2011 LTE ADV
EPC
Figura 1 – Evolução dos padrões de telefonia móvel 3GPP
Os sistemas celulares analógicos são, em geral, classicados como sendo os sistemas de primeira
geração (1G – 1st Generation). Já o Sistema Global para comunicações móveis (GSM), padrão Europeu, introduziu um sistema digital combinado com o acesso múltiplo por divisão no tempo (TDMA – Time Division Multiple Access) para oferecer tráfego de voz através de uma rede de telefonia móvel. Além do GSM, outros sistemas digitais são referidos como sendo sistemas de segunda geração das comunicações móveis (2G – 2nd Generation). É o caso dos padrões, IS-95 ( CdmaOne) e IS-136 (D-AMPS – Digital Advanced Mobile Phone Service). Estes sistemas foram desenvolvidos para suportar comunicações de voz, porém, é possível também enviar pequenas mensagens de texto (SMS – Short Message Service) entre os dispositivos da rede. Os sistemas 2G evoluíram para suportar tráfego baseado em pacotes, e dessa maneira, permitir que os usuários acessassem a Internet a partir de seus aparelhos. Estes sistemas caram
conhecidos como sistemas de segunda geração e meia (2,5G). Dentre os sistemas 2,5G, destacamse o GPRS (General Packet Radio Services) e o EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), ambos são evoluções do GSM.
No GPRS, um usuário alcança uma taxa de pico, para transmissão de dados, de 140 Kbps quando todos os slots de tempo ( timeslot ) de uma frequência estão alocados para ele. Já a tecnologia EDGE aumenta esta taxa de pico para 384 Kbps. Este aumento é conseguido usando um esquema de modulação e codicação
adaptativa ( AMC – Adaptive Modulation and Coding). Ou seja, o AMC seleciona a melhor modulação e codicação de canal de acordo com
a relação sinal-ruído (SNR – Signal-to-Noise Ratio) instantânea do usuário móvel.
Glossário Time slot: Intervalo de tempo em que
é subdividido um quadro e reservado para uma fonte de informação.
AMC (Adaptive Modulation and Coding): São adaptações na
modulação e na taxa de código efetiva do canal de cada terminal. SNR (Signal-to-noise ratio): É a
relação entre a potência do sinal e a potência do ruído no canal de comunicação. Geralmente expressa em dB.
14
Capítulo 3 - Evolução das Tecnologias 3GPP a partir do 3G
O sistema de comunicações móvel universal (UMTS – Universal Mobile Telecommunications System) foi apresentado na Release-99 (R99) do 3GPP, publicada no ano de 2000. O UMTS é considerado um sistema de terceira geração (3G), tem como base o acesso múltiplo em banda larga por divisão no código (WCDMA – Wideband Code Division Multiple Access), e é a evolução das redes GPRS e EDGE.
15
O padrão R99 oferece melhorias nos serviços de voz e dados. A portadora do sistema ocupa uma largura de faixa de 5 MHz. Com esta largura de faixa e, utilizando códigos de espalhamento espectral variável (OVSF – Orthogonal Variable Spreading Factor ) [2], é possível atingir uma taxa de transmissão de pico, no downlink (DL), da ordem de 384 Kbps em ambientes externos ( outdoor ), e até 2 Mbps em ambientes internos ( indoor ) [3]. A modulação empregada no link de descida (DL) é a QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), enquanto que, para o link de subida (UL – Uplink ) é a BPSK (Binary Phase Shift Keying). O código corretor de erro (FEC – Forward Error Correction) utilizado pode ser do tipo Convolucional R=1/2 e R=1/3, e código Turbo R=1/3[2]. Onde, R representa a taxa de codicação [4]. O fato de utilizar taxas de codicação e modulações de baixa ordem limita a
taxa de transferência de dados na R99. Com o rápido avanço do UMTS, iniciou-se a próxima fase da evolução, a chamada Release-2005 ou R5. Esta versão oferece um aumento na velocidade de transmissão de pacotes para o DL. Desta forma, o sistema também recebeu o nome de High Speed Downlink Packet Access (HSDPA). O HSDPA permite uma modulação de maior ordem, 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Além disso, implementa taxas de codicação entre R=1/3 e R=1
[5]. No HSDPA, a modulação e a codicação
são adaptadas de acordo com a condição de canal. Portanto, o móvel (UE – User Equipment ) reporta a todo instante para a estação rádio-base (NodeB) a condição de canal instantânea. Esta informação é conhecida como CQI ( Channel Quality Indicator ) e serve para que o NodeB faça o agendamento de pacotes e a priorização dos usuários de DL. Este agendamento (Fast Scheduling) é necessário, pois, o canal de comunicação é compartilhado entre todos os usuários HSDPA que estiverem utilizando o sistema naquele momento. Quatro novos canais são descritos na R5. Entre eles, o canal HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channel ) é responsável por carregar as
informações úteis dos usuários HSDPA. Este canal compartilhado é capaz de transmitir informações de vários usuários em múltiplos códigos utilizando uma combinação de multiplexação no código e no tempo [5]. A taxa de pico deste canal é de 14,4 Mbps, e é compartilhada entre os usuários HSDPA que estão utilizando o sistema no mesmo momento. Outro aspecto chave do HSDPA é que o UE guarda as informações de um pacote que tenha sido decodicado de maneira errada, para
depois, combinar com o pacote retransmitido futuramente, e assim, recuperar a informação distorcida pelo canal. Este processo é conhecido como HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request ).
Glossário Códigos OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor):
São códigos empregados como canalização em um sistema CDMA. Transmissão de descida: Transmissão que ocorre no sentido da torre para o móvel. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying): Técnica de modulação digital. A cada dois bits de entrada são convertidos de série para paralelo e mapeados em fase e quadratura. Transmissão de subida: Transmissão que ocorre no sentido do móvel para a torre. BPSK (Binary Phase Shift Keying): Técnica de modulação
digital. A fase é variada entre os níveis 0 e 1, sendo que durante cada intervalo de bit esta permanece constante.
FEC (Forward Error Correction): Fator de correção
de erros. Bits redundantes são inseridos à informação e permitem que erros sejam corrigidos na decodicação.
16-QAM (16ary Quadrature Amplitude Modulation):
Técnica de modulação QAM. Transmite 4 bits por símbolo.
Agendamento de pacotes: Determina qual canal de
transmissão compartilhado deve ser direcionado ao equipamento do usuário (UE).
HARQ (Hybrid automatic repeat request): É uma
arquitetura que faz a retransmissão de pacotes com erros, em diferentes codicações, estas ortogonais entre si.
16
Este procedimento é a combinação do FEC com o sistema ARQ ( Automatic Repeat Request ) [6], e resulta em uma técnica que permite aumentar
Quando um usuário HSDPA possui uma potência de recepção relativamente alta, o sistema aumenta a taxa de transmissão deste usuário aumentando
a robustez da codicação de canal, ativando a
a ordem de modulação e alterando a codicação
codicadas [5]. A técnica HARQ é utilizada no LTE.
prioriza a eciência espectral do sistema, ao invés de, priorizar a eciência energética. A situação no
transmissão de apenas algumas informações
Esta técnica será melhor explicada na subseção da camada de acesso ao meio do LTE. Como visto, o HSDPA melhorou as condições de transmissão de dados somente para o DL. O Enhanced Uplink , também conhecido como HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), foi introduzido na versão 6 (R6 – Release 6) da evolução da família 3GPP [7]. Esta versão provê um melhoramento no UL do WCDMA R99. Esta melhoria consiste em um maior desempenho em termos de taxa de dados, baixa latência, e aumento da capacidade do sistema. Juntos, HSDPA e HSUPA são comumente referidos como HSPA (High Speed Packet Access). No centro do HSUPA estão duas tecnologias que são utilizadas também no HSDPA. São elas: o agendamento rápido e a HARQ com combinação suave (Soft Combining). Estas modicações são implementadas em um novo canal, denominado E-DCH (Enhanced Dedicated Channel ). Apesar das mesmas tecnologias serem usadas no HSDPA e no HSUPA, existem diferenças fundamentais entre elas. Por exemplo, no HSDPA, os recursos de potência e de banda de transmissão são compartilhados entre os usuários. Por outro lado, no HSUPA, cada usuário tem seu próprio canal dedicado, onde o limitante da capacidade do UL é a interferência múltipla causada entre os usuários (MAI – Multiple Access Interference) [8]. Isto é uma consequência da não-ortogonalidade entre os códigos de transmissão de UL. Desta forma, é imprescindível que o UL tenha um controle de potência efetivo. Quanto menor for a potência de transmissão de um usuário, menor a interferência que ele causa na célula. No HSDPA não existe esta necessidade de controle de potência.
de canal. Portanto, é correto dizer que o HSDPA
HSUPA é diferente. Ao contrário do HSDPA, na R6 não existe uma modulação de alta ordem. Um sistema AMC e, portanto, uma modulação de alta ordem para UL, somente foram introduzidas na versão 7 (R7 – Release 7 ) da evolução das
tecnologias da família 3GPP. Esta evolução cou
conhecida como HSPA+ (HSPA plus). Um aspecto interessante presente na R99 e também na R6 é o soft-handover (SHO) [2] que é a capacidade do UE de enviar e receber dados em múltiplas células, promovendo assim, um ganho de diversidade ao sistema. O HSDPA não implementa o soft-handover . Portanto, os usuários em conexão HSDPA somente farão a troca de célula pelo processo Break-Before-Make, também conhecido como hard-handover (HHO) [2]. Como apresentado anteriormente, a evolução do HSPA veio com a R7. O HSPA+ consiste da introdução de novos recursos tecnológicos como, MIMO (Multiple-Input Multiple-Output ) e modulações de alta ordem, e muitas outras pequenas melhorias na estrutura existente que, quando tomadas em conjunto, representam um aumento no desempenho do sistema e suas capacidades. Uma das maiores características da R7 é a implementação do MIMO para o DL (HSDPAMIMO). De modo geral, MIMO denota o uso de múltiplas antenas de transmissão ( MultipleInput ) e, múltiplas antenas de recepção ( MultipleOutput ). Pode ser usado para obter um ganho de diversidade e, assim, aumentar o desempenho do sistema de recepção. Contudo, o termo MIMO é comumente usado para denotar a transmissão de múltiplos quadros de dados, aumentando assim a taxa de transmissão do usuário do sistema [9].
17
A técnica MIMO também é utilizada pelo LTE e será abordada com mais detalhes nas subseções posteriores. Além da técnica MIMO, a R7 também introduz novas modulações, tanto para DL, quanto para o UL. No DL é introduzida a modulação 64QAM, enquanto que, para o UL é introduzida a modulação 16-QAM. O processo de escolha da modulação é feito pelo algoritmo AMC. Com estas alterações na camada física da rede, é possível conseguir taxas de pico igual a 42 Mbps para DL (64-QAM e MIMO), e 11 Mbps para UL (16-QAM). As especicações da versão 8 (R8 – Release 8) da evolução das tecnologias da família 3GPP, comumente chamada de LTE, incluem melhorias para o HSPA+. Na R8 é introduzido o EPC ( Evolved Packet Core), que consiste de um núcleo de rede todo baseado no protocolo IP ( Internet Protocol ). Esta versão também apresenta uma nova rede de acesso, chamada de E-UTRAN ( Evolved Universal Terrestrial Radio Access). Trata-se de uma nova concepção para a rede de acesso para a família de tecnologias 3GPP. Entre outras coisas, esta nova rede tem como base o uso do múltiplo acesso por divisão em frequências ortogonais (OFDMA – Orthogonal Frequency Division Multiple Access) para o DL, enquanto que, para o UL, o acesso múltiplo é baseado no SC-FDMA ( Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Juntos, EPC e E-UTRAN, formam o EPS ( Evolved Packet System). A taxa de transmissão de pico é de 100 Mbps para DL e 50 Mbps para UL, quando o sistema opera com uma alocação de espectro de 20 MHz com uso da técnica MIMO.
Enquanto a R8 estava sendo concluída, iniciaramse os trabalhos para o planejamento da versão 9 (R9 – Release 9) da evolução 3GPP. Além de outras melhorias para o HSPA+, a R9 tem seu foco em melhorias para o EPC [10]. Ao mesmo tempo em que as melhorias da R9 eram desenvolvidas, o 3GPP reconheceu a necessidade de desenvolver uma solução para submeter ao ITU-R (International Telecommunication Union - Radiocommunication Sector ) para cumprir os requerimentos do IMT- Advanced (International Mobile Telecommunications - Advanced ) [11]. Basicamente, o IMT- Advanced é um conjunto de requerimentos que dene os sistemas de quarta
geração da telefonia móvel (4G – 4th Generation). Dentre os vários requerimentos, o sistema 4G deve apresentar uma interface de transferência de dados com taxa de 1 Gbps para usuários que estiverem relativamente estáticos [11]. Portanto, o 3GPP trabalhou em um estudo chamado de LTE Advanced , que dene a maior parte do conteúdo da versão 10 (R10 – Release 10) da evolução das tecnologias 3GPP. A R10 inclui novas melhorias tecnológicas para o EPS, que visam cumprir os requerimentos do IMT- Advanced . O objetivo deste documento é tratar as características fundamentais do LTE (R8) e LTE- Advanced (R10). No Módulo IV, existe uma descrição da rede de acesso E-UTRAN (R8) e o Módulo V traz as características do núcleo
de rede EPC (R8). Por m, o Módulo VI trata de
características fundamentais do LTE- Advanced .
18
Capítulo 4 - Requerimentos para o Sistema LTE
Paralelamente ao desenvolvimento do HSPA, o 3GPP especicou uma nova tecnologia para acesso sem o, denominada Long Term
Evolution. Por se tratar de um novo conceito para as redes de telefonia da família 3GPP, o LTE passa a ter sua própria linha de evolução, se diferenciando da linha de evolução R99-R7. A Figura 2 ilustra este conceito. Nela, é possível identicar duas linhas de evolução. A primeira, que começa na R99 e se estende até a R7 e uma segunda linha que se inicia com a R8. Esta diferenciação não exclui a interoperabilidade entre os sistemas.
19
R99
Rel4
WCDMA
Rel5
Rel6
HSDPA
HSPA
Rel7
Rel8
HSPA evolution
LTE
Figura 2 – Linha de evolução 3GPP
No ano de 2005, o 3GPP estipulou os objetivos, requerimentos e metas para o LTE (R8). Estes requerimentos estão documentados na recomendação 3GPP TR 25.913 [12]. Neste documento existem algumas recomendações que visam, principalmente: •
Estabelecer
uma
rede
otimizada
para
comutação por pacotes para qualquer serviço (conceito All-IP), não existindo mais a necessidade de suportar serviços de comutação por circuitos.
• Reduzir a latência dos serviços da rede. • Aumentar a taxa de dados dos usuários. • Aumentar a eciência espectral do sistema. • Simplicar a arquitetura da rede.
Para conseguir atingir estes requerimentos, o sistema LTE apresenta mudanças tanto na interface de rádio, quanto na arquitetura da rede. Na R8 é apresentada uma série de requisitos para melhoria no desempenho do sistema. A Tabela 1 apresenta um resumo dos requisitos que devem ser atendidos pelo LTE [13].
Tabela 1 – Resumo dos requisitos de desempenho para o sistema LTE
20
Assumindo um valor médio de 1,85 bps/Hz para o DL, e ainda, um sistema operando com largura de a taxa de transferência de pico. Esta taxa pode ser banda do canal de 20 MHz, a taxa de transferência denida como a máxima vazão conseguida por um média deste sistema será de 37 Mbps. Fazendo as único usuário quando toda a banda disponível está mesmas observações para o UL e admitindo uma alocada somente para ele. Assume-se também eciência espectral média de 0,83 bps/Hz, a taxa que este usuário usa a maior ordem de modulação de transmissão média do UL será de 16,6 Mbps. e codicação, e o máximo número de diversidade É interessante observar que o sistema LTE pode de antenas. trabalhar com uma banda de canal escalonável. A meta para a máxima taxa de transferência de Em outras palavras, a banda do canal pode assumir dados do sistema LTE é de 100 Mbps para DL e valores iguais a 1,4 / 3 / 5 / 10 / 15 / 20 Mhz. Para 50 Mbps para UL, considerando um canal de 20 sistemas operando com largura de faixa menor MHz FDD (Frequency Division Duplexing), ou seja, que 20 MHz, a taxa de pico pode ser calculada por é alocado um canal com banda de 20 MHz para (1) assumindo a máxima eciência espectral. o DL, e outro canal com banda de 20 MHz para Além da taxa de transmissão, outro ponto UL. Deste modo, caracteriza-se uma eciência importante para avaliar o desempenho de um espectral de 5 bps/Hz para DL, e 2,5 bps/Hz para sistema de comunicações é a latência da rede. o UL. A eciência espectral (ε) é denida como Basicamente, a latência do plano de usuário é o a relação entre a taxa de transferência de dados tempo em que um pacote de dados de pequeno (bps) e a largura de banda do canal efetivamente tamanho leva para ser transmitido de um terminal utilizada (Hz) [15]. Logo, a eciência espectral de móvel a um nó da rede de acesso, e vice-versa. um sistema pode ser calculada por: No LTE, este tempo de transmissão unidirecional não deverá exceder 5 milissegundos em uma rede não congestionada. A medida de latência do plano (1) de usuário leva em consideração que o usuário já esteja conectado à rede. Quando o usuário onde, R é a taxa de transferência de dados e Bw está em um estado ocioso ( Idle state), este não denota a largura de banda efetiva do sistema. possui uma conexão de transferência de dados As máximas taxas de transferências são atingidas estabelecida com a rede. Portanto, deve-se levar em utilizando modulação 64-QAM e 16-QAM para DL consideração o tempo de sinalização necessário e UL, respectivamente. Deve-se assumir o uso do para levar o usuário ocioso para um estado ativo MIMO 2x2 para DL, ou seja, existe um esquema de ( Active state). Este tempo de conexão deve ser diversidade que utiliza duas antenas de transmissão menor que 100 milissegundos. O procedimento (na estação rádio-base) e duas antenas de de sinalização de conexão é chamado de RRC recepção (no móvel). Os valores máximos para conection setup (RRC – Radio Resource Control ), a eciência espectral só são atingidos em uma e será melhor explicado no Módulo IV. condição excepcionalmente boa para o canal de O sistema LTE apresenta algumas implementações comunicação. Os usuários que estão na borda da opcionais para se alcançar uma maior taxa de célula não terão a capacidade de ter tais eciências transferência de dados no sistema. Trata-se da tão altas. Portanto, é interessante mostrar que em implementação de um sistema MIMO 4x4 no DL média, o sistema terá uma eciência espectral e modulação 64-QAM para UL. Nestes casos, variando entre 1,6 e 2,1 bps/Hz para o DL, se podem-se atingir taxas de pico da ordem de 300 o sistema utilizar IRC ( Interference Rejection Mbps no DL e 75 Mbps no UL. A Tabela 2 apresenta Combining) [16]. um resumo das taxas de transmissão de pico que alguns terminais móveis podem atingir [17]. Os terminais são divididos em categorias, nas quais cada uma tem suas próprias características. Para ns comerciais, o primeiro parâmetro de comparação entre tecnologias de acesso sem o é
b
21 Tabela 2 – Categoria do terminal móvel
A quantidade de informação que é transmitida por um usuário em cada bloco de transporte também dene a taxa de transferência de dados do terminal
móvel. Cada bloco de transporte possui um formato de transporte (TF – Transport Format ). O TF dene como a informação do usuário será transmitida pela interface de rádio. Pode-se calcular a taxa de transmissão de um usuário da seguinte forma [3]
(2) onde, TBS (Transport Block Size) é o tamanho do bloco de transporte, e TTI (Transmission Time Interval ) é o intervalo de tempo de transmissão de um quadro de camada física do LTE. Estes dois assuntos serão explorados com mais detalhes no
Módulo IV. O tamanho do bloco de transporte é um parâmetro de QoS ( Quality of Service) denido para cada usuário pelo sistema de agendamento da camada de acesso ao meio MAC ( Medium Access Control ) [13]. O valor padrão para o TTI no LTE é sempre constante e igual a 1 milissegundo [18]. Portanto, um terminal móvel de categoria 1 pode, no máximo, receber um TBS de 10296 bits em um subquadro de 1 milissegundo. Desta forma, calcula-se que a máxima taxa de DL deste terminal é de, aproximadamente, 10 Mbps. Sendo assim, conclui-se que a taxa de transmissão de dados de um determinado usuário dependerá de três fatores: (i) largura de banda alocada, (ii) ordem de modulação e taxa de codicação, e (iii) tamanho
do bloco de transporte (TBS).
Quiz 1 Chegou a hora de fazer um pequeno teste para avaliar o que você aprendeu. Responda as questões abaixo e confra as respostas corretas no fnal do livro. Este questionário não é avaliativo, mas sim para xação do conteúdo.
1. Qual foi a técnica de múltiplo acesso introduzida pelo GSM? a. CDMA
b. FDMA
c. TDMA
d. OFDMA
c. 9,6kbps
d. 300kbps
2. Qual a taxa de pico alcançada pelo padrão EDGE? a. 140kbps
b. 384kbps
3. Qual a modulação empregada no link de descida do WCDMA? a. BPSK
b. 16 QAM
c. 64 QAM
d. QPSK
c. WCDMA
d. HSPA+
c. EPC
d. UTRAN
c. Altas taxas de
d. Baixas taxas de
4. Qual o nome do padrão utilizado na Release 5? a. HSUPA
b. HSDPA
5. Que nome passa a ter o núcleo da rede na Release 8? a. EPS
b. EUTRAN
6. São características do sistema LTE/SAE: a. Altas taxas de transmissão, baixa
b. Altas taxas de
transmissão, alta eciência transmissão, alta eciência transmissão, alta eciência
eciência espectral e baixa espectral e alta latência.
latência.
espectral e baixa latência.
espectral e baixa latência.
7. Qual a meta para a máxima taxa de transferência de dados do sistema LTE para DL e UL respectivamente? a. 100 Mbps e 50 Mbps
b. 50Mbps e 100Mbps
c. 100Mbps e 20Mbps
d. 20Mbps e 100Mbps
8. Aponte as modulações de DL e UL empregadas no sistema LTE/SAE: a. BPSK, 16QAM e 128QAM.
b. M-PSK, 16QAM e 64QAM.
c. QPSK, 16QAM e 64QAM.
d. 16QAM, GMSK e 64QAM.
9. Assinale qual dos valores abaixo é possível de ser assumido como valor da banda de canal: a. 4MHz
b. 1,4MHz
c. 6MHz
d. 7MHz
10. Qual a melhor denição para a latência do plano de usuário?
a. tempo em que um pacote de dados de pequeno tamanho leva para ser transmitido de um terminal móvel a um nó da rede de acesso, e viceversa.
b. tempo em que um pacote de dados de grande tamanho leva para ser transmitido de um terminal móvel a um nó da rede de acesso, e viceversa.
c. tempo em que um pacote de dados de pequeno tamanho leva para ser transmitido de um terminal móvel a um nó da rede de acesso.
d. tempo em que um pacote de dados de pequeno tamanho leva para ser transmitido de um nó da rede de acesso a um terminal móvel.
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4.1 Arquitetura do Sistema LTE/SAE
Esta seção traz um resumo sobre a arquitetura A Figura 3 ilustra esta diferença. de rede do LTE/SAE. É feito também um paralelo com a arquitetura da rede WCDMA/HSPA para mostrar as principais mudanças que ocorreram na arquitetura da rede. A arquitetura da rede descreve as funções lógicas Núcleo da Rede de cada nó da rede, e mostra as interfaces entre estes elementos da rede. Em uma rede de comunicação móvel existem funções que devem ser implementadas para garantir o acesso sem o de um determinado usuário em um ambiente
Rede de Acesso
móvel. Porém, existem funções que garantem a
conexão m-a-m deste usuário com outras redes
de telecomunicações. Portanto, pode-se fazer uma divisão lógica da rede móvel em duas redes com funções dessemelhantes. A primeira, que garante
Figura 3 – Divisão lógica da rede móvel em rede de acesso e núcleo de rede
o acesso sem o, é chamada de rede de acesso
de rádio (RAN – Radio Access Network ), enquanto
que a segunda, que garante a conexão m-a-m, é
chamada de núcleo de rede (CN – Core Network ).
4.1.1 Rede de Acesso de Rádio
Evolved especicado um sistema de acesso baseado em Universal Terrestrial Radio Access Network espalhamento espectral por sequência direta (DS(E-UTRAN) para se referir à rede de acesso sem SS – Direct Sequence Spread Specrtum). Sendo o. Este termo é utilizado por fazer uma alusão assim, o acesso de múltiplos usuários é feito por à melhoria feita na rede de acesso das versões divisão no código (CDMA – Code Division Multiple anteriores das tecnologias da família 3GPP Access) [2]. Na camada física do LTE é especicado (R99-R7). A rede de acesso do WCDMA/HSPA era um sistema de acesso baseado em OFDM. E chamada somente de UTRAN ( Universal Terrestrial o acesso de múltiplos usuários é baseado no Radio Access Network ). Existem algumas diferenças OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple substanciais entre as duas redes de acesso. Por Access). Os processos de camada física do LTE exemplo, na camada física do WCDMA/HSPA é serão detalhados no Módulo IV.
A especicação do LTE utiliza o termo
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A Figura 4 permite fazer uma comparação com as arquiteturas das redes de acesso das tecnologias 3GPP. Pode-se ver que existem três redes de acesso distintas, GERAN ( GSM EDGE Radio Access Network ), UTRAN e E-UTRAN. A GERAN dene os elementos da rede de acesso para as tecnologias GSM, GPRS e EDGE. É possível notar a presença de dois elementos que compõem esta rede, BTS (Base Transceiver Station) e BSC (Base Station Controller ). O terminal móvel, também chamado
BTS
de estação móvel (MS – Mobile Station), conectase à BTS por uma interface de rádio chamada de Um. Esta interface, baseada em TDMA, provê serviços de voz e/ou dados para os usuários do sistema. A BTS é a estação radio-base (ERB) do sistema. Basicamente, desempenha funções de amplicação de sinal RF (Rádio Frequência), modulação e codicação, e multiplexação/
demultiplexação das informações dos usuários.
Abis
BSC
Um Abis
BTS
A/Gb GERAN
NodeB
Iub
RNC
Iu
Iub Uu
Núcleo de Rede
NodeB Iur
Iu
RNC UTRAN
Uu
eNodeB S1 X2
S1 eNodeB E-UTRAN
Figura 4 – Redes de Acesso GERAN, UTRAN e E-UTRAN
Núcleo de Rede
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A BTS se conecta à BSC por uma interface denominada Abis. A BSC tem a possibilidade de controlar várias BTS. Essencialmente, a BSC tem a responsabilidade de gerenciar os recursos de rádio (RR – Radio Resources) alocados para as MS. Além disso, também é função da BSC, administrar o uso das frequências de uma BTS, e gerenciar o Handover dos usuários que se deslocam de uma BTS para outra. De maneira geral, existem duas interfaces conectando uma BSC ao núcleo da rede, interface A e interface Gb. A interface A conecta a BSC à central de comutação por circuito (CS – Circuit Switch), enquanto que, a interface Gb conecta a BSC à central de comutação de pacotes (PS – Packet Switch).
Como pode ser observado na Figura 4, existem duas interfaces conectando uma RNC ao núcleo da rede, interface Iu-CS e interface Iu-PS. Como a própria sigla sugere, a interface Iu-CS conecta a RNC ao domínio CS do núcleo, enquanto que, a interface Iu-PS conecta a RNC ao domínio PS do núcleo da rede. A E-UTRAN é caracterizada, basicamente, por dois requisitos: (i) suporte apenas para comutação de pacotes, (ii) baixa latência. Para atingir estes objetivos, a arquitetura da rede de acesso teve de ser desenvolvida contendo menos elementos que as redes UTRAN e GERAN. Isto é importante, pois, quanto menor o número de elementos na rede, menor será o processamento com relação aos protocolos de rede, menor o custo com testes A UTRAN é a rede de acesso especicada para e interfaces. Por meio de fusões entre protocolos os sistemas WCDMA/HSPA. De forma muito e usando menos protocolos de sinalização, semelhante à GERAN, a UTRAN também possui consegue-se reduzir o tempo de estabelecimento dois elementos que compõe esta rede, NodeB e das conexões e a latência m-a-m. RNC (Radio Network Controller ). O terminal móvel, Pode-se ver, pela Figura 4, que a E-UTRAN é referido como equipamento do usuário (UE), se composta apenas pelo eNodeB (eNB – evolved conecta ao NodeB por meio da interface de rádio, NodeB) e pelo UE. De maneira geral, o eNodeB denominada Uu. Esta interface é baseada em incorpora as funções do NodeB e RNC que CDMA e proporciona o tráfego de voz e/ou dados compõem a UTRAN. A Figura 5 ilustra este do usuário. Da mesma forma que a BTS, o NodeB conceito mostrando o diagrama em blocos das é a ERB do sistema. Portanto, exerce as mesmas funcionalidades de um eNodeB [19]. Portanto, é funções que a BTS desempenha para a GERAN. função do eNB prover os recursos de camada física Para as redes HSPA, o NodeB implementa também (PHY), e também, fazer a gerência dos recursos de as funções de HARQ e agendamento rápido. rádio (feito antes pelo RNC). O NodeB se conecta à RNC por meio da interface O UE se conecta ao eNodeB por meio da interface Iub. A RNC é a controladora da rede de acesso, e de rádio Uu. Esta interface é baseada em OFDMA possui as funções de gerenciamento RR, e também, para DL e SC-FDMA para UL. A interface X2 gerenciamento da mobilidade dos usuários em conecta dois eNodeBs, e provê comunicação entre Handover . Basicamente, as funções da RNC são as ERBs quando o usuário está em processo de iguais às funções da BSC. Um ponto interessante Handover . A interface S1 é utilizada para conectar que deve ser observado é o fato de existir o eNodeB ao núcleo da rede. Diferentemente dos uma interface entre duas RNCs. Esta interface, sistemas GERAN e UTRAN, a interface S1 somente denominada Iur, permite que haja Soft-Handover provê conexão com um domínio PS. Não existindo entre células que pertencem à RNCs diferentes. então um domínio CS no núcleo de rede. De maneira geral, isto aumenta a eciência de
Handover na rede, aumentando a capacidade de reter as chamadas em curso na rede [2].
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EUTRAN RB Control
Inter Cell RRM
Radio Admission Control
Connection Mobility Cont.
Dynamic Resource Allocation (Sheduler)
eNB Mesurement Configuration & Provision
RRC
PDCP RLC MAC
S1
Núcleo da Rede
PHY eNode B
Figura 5 – Diagrama em blocos das funções desempenhadas pelo eNodeB
Através da Figura 5, nota-se que o eNB é responsável por tratar as informações do plano do usuário e do plano de controle da E-UTRAN. O plano do usuário é responsável por assegurar o transporte dos dados úteis dos usuários da rede. Enquanto que, o plano de controle é responsável por estabelecer, manter e liberar as conexões destes usuários. As funcionalidades do plano do usuário são PDCP ( Packet Data Convergence Protocol ), RLC ( Radio Link Control ), MAC e PHY (Controles de camada física). As funcionalidades
do plano de controle são baseadas no protocolo RRC. Como resultado, as funções RRM ( Radio Resource Management ) são providas pela eNB. Isto inclui o controle dos Radio Bearer (RB Control ), Controle de admissão de novos usuários ( Radio Admission Control ), controle de mobilidade dos usuários conectados ( Connection Mobility Control ) e alocação dinâmica de recursos de rádio ( Dynamic Resource Allocation). Estas funcionalidades serão descritas com maiores detalhes no Módulo IV.
4.1.2 Núcleo de Rede
Como já observado anteriormente, a rede de acesso provê o acesso sem o ao usuário da rede
móvel, enquanto que, o núcleo da rede garante
uma conexão m-a-m entre os usuários da mesma
rede, ou até mesmo, de redes diferentes. A Figura 6 ilustra o diagrama em blocos das redes móveis da família 3GPP, e foca na arquitetura do núcleo destas redes.
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MSC
A
GERAN
G-MSC
PSTN / PLMN
Gb
VLR
EIR
Iu-CS
UTRAN Iu-PS
HLR
Gn
SGSN
AuC
CGSN
Gi
Rede IP Externa
Núcleo de Rede
Gp
HSS
S6a
S1-MME
Outras PLMN
Rede IP Externa
MME
SGi
E-UTRAN
P-GW S1-U
SGi
IMS
S5
S-GW Núcleo de Rede (SAE)
S7
PCRF
PSTN
Figura 6 – Diagrama em blocos do núcleo de rede das tecnologias 3GPP
É interessante observar que existe um núcleo de rede comum às tecnologias GSM/EDGE e WCDMA/ HSPA. Ou seja, tanto a GERAN quanto a UTRAN são ligadas ao mesmo CN. Neste núcleo existem dois domínios, um de comutação de circuitos, e outro de comutação de pacotes. No domínio CS destaca-se a MSC (Mobile Switching Center ), que é a central de comutação por circuitos da rede.
Dentre as funções da MSC, pode-se destacar a comutação das chamadas de voz, gerência de mobilidade dos usuários em Idle Mode, sinalização de conexão, entre outras. A MSC se conecta a uma rede de telefonia pública comutada (PSTN – Public Switched Telephone Network ), e/ou a uma rede pública de telecomunicação móvel (PLMN – Public Land Mobile Network ) por meio de um gateway de rede, denominado GMSC ( Gateway Mobile Switching Center ). Desta forma, é possível fazer ligações de uma rede de telefonia xa para uma
rede de telefonia móvel, e vice-versa.
29
No domínio PS existem dois elementos, SGSN e Existem alguns elementos do CN que são comuns GGSN. Estes dois elementos servem para prover aos dois domínios apresentados. Primeiramente, serviços de dados comutados por pacotes à rede o VLR (Visitor Location Register ) é um banco de de telefonia móvel. De forma resumida, o SGSN dados que contém todas as informações para a é um roteador da rede interna da operadora de manipulação das chamadas de um assinante, e telefonia. Sendo assim, desempenha funções de para a gerência da mobilidade destes usuários controle de acesso, ou seja, o SGSN é responsável móveis que estão localizados na área controlada por controlar os usuários que estão acessando o pelo VLR. De forma geral, tanto a MSC, quanto domínio PS do CN. Outra função do SGSN está o SGSN, precisam consultar o VLR para saber relacionada à gerência de mobilidade dos usuários a localização do usuário móvel na rede. O HLR que usam serviços de dados. O SGSN também é (Home Location Register ) é um banco de dados responsável por manter uma rota entre o GGSN e que armazena informações permanentes de um cada terminal móvel. Em outras palavras, o SGSN usuário. Isto inclui, basicamente, as identidades do faz o roteamento de todos os pacotes de dados usuário (IMSI, MSISDN, IMEI) [21] e informações entre usuários e GGSN. A interface Gn conecta sobre o pacote de serviços contratado por um SGSN a um GGSN na rede. Enquanto que este usuário. O centro de autenticação (AuC – a interface Gp conecta um SGSN de uma PLMN Authentication Center ) é uma entidade lógica que a outro SGSN de outra PLMN, permitindo a mantém informações necessárias para que a rede interconexão do CN de duas redes de operadoras autentique cada usuário. Além disso, ele gera as diferentes. chaves de criptograa que serão usadas para a O GGSN serve como interface entre o domínio comunicação segura na interface de rádio. O AuC PS do CN e qualquer outra rede baseada em é acessado via HLR. Isto elimina a necessidade de comutação de pacotes (internet, intranet, entre denir uma interface individual entre o AuC e cada outras). Qualquer pacote de uma rede externa que elemento da rede que precise acessá-lo. Por m, seja endereçado a qualquer usuário da PLMN será o EIR (Equipment Identity Register ) é um banco de enviado primeiramente para um GGSN através da dados que mantém a identicação de equipamento interface Gi. Este irá encaminhar os pacotes ao seu (IMEI – International Mobile Equipment Identity ) dos destino nal. O GGSN também pode implementar usuários da rede. Este registro serve para bloquear funções de NAT (Network Address Translation), aparelhos que foram listados como roubados, DHCP (Dynamic Host Conguration Protocol ), ou cuja operação irá afetar de forma negativa o Firewall , entre outras [20]. funcionamento da rede.
Glossário NAT (Network Address Translation):
NAT é um protocolo que faz a tradução dos endereços IP e portas TCP da rede local para a Internet. DHCP (Dynamic Host Confguration Protocol): é um protocolo utilizado
em redes de computadores que permite às máquinas obterem um endereço IP automaticamente.
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Algumas informações sobre interfaces e funções de elementos foram negligenciadas por não fazerem parte do escopo deste documento. Mais informações sobre o CN apresentado podem ser encontradas em [2] e [20]. Para o LTE, o CN sofreu uma reestruturação na R8. Esta mudança pode ser vista na Figura 6. Este novo núcleo de rede foi denominado de SAE (System Architecture Evolution) ou EPC ( Evolved Packet Core). O núcleo SAE é dividido em dois planos: controle e usuário. O plano de controle é responsável pela sinalização das conexões dos usuários, enquanto que, o plano de usuário é responsável por tratar os dados úteis destes usuários. A entidade SAE responsável pelo plano de controle é o MME ( Mobility Management Entity ), que possui funções relacionadas à sinalização, gerência da mobilidade e manipulação de informações para usuários em idle-mode. A interface que conecta o MME ao eNodeB é chamada de S1-MME. Por ela passa informações relacionadas ao plano de controle da rede. No plano de usuário existem dois elementos, S-GW (Serving SAE Gateway ) e o Packet Data Network (PDN) SAE Gateway (P-GW). De maneira geral, as funções do S-GW são semelhantes às funções do SGSN, enquanto que o P-GW se assemelha ao GGSN. A interface que conecta estas duas entidades é denominada S5, enquanto que, a interface que conecta o plano de controle (MME) ao plano de usuário (S-GW) é chamada
de S11. A interface que conecta o eNB ao S-GW é denominada S1-U. Esta interface é similar à interface Iu-PS. As duas interfaces (S1-U e Iu-PS) utilizam transporte de dados baseados em túneis IP [20]. Portanto, os pacotes IP dos usuários LTE são transportados por túneis IP que interligam o EPC ao eNodeB. Junto ao EPC existe também o HSS ( Home Subscriber Server ), este é um banco de dados que guarda os registros dos usuários da rede. Sua funcionalidade é equivalente às funções do HLR, além de guardar, por exemplo, informações sobre prioridades e taxa de transferência de dados de usuários especícos. O PCRF (Policy and Charging Rules Function) possui funções relacionadas às políticas de conformidade do contrato de QoS, bem como, funções relacionadas à aplicação das regras de bilhetagem aos usuários. As interfaces de conexão entre os dois CNs apresentados serão abordadas no Módulo V. Neste mesmo Módulo serão também discutidos os processos de gerenciamento de mobilidade, paging, handover entre sistemas, entre outras funcionalidades do EPC. É interessante observar que não existe um domínio CS no SAE. Desta forma, a conexão com a rede de telefonia xa PSTN é feita através de um núcleo
IMS (IP Multimedia Subsystem). O IMS é um núcleo comum de convergência de serviços multimídia, e pode ser melhor compreendido em [22].
Vídeo 1 – Arquitetura do Sistema LTE/SAE
Vídeo 2 – Revisão
Quiz 2 Chegou a hora de fazer um pequeno teste para avaliar o que você aprendeu. Responda as questões abaixo e confra as respostas corretas no fnal do livro. Este questionário não é avaliativo, mas sim para xação do conteúdo.
1. Qual o nome dado à rede de acesso na quarta geração de telefonia móvel? a. GERAN
b. EUTRAN
c. UTRAN
d. EPS
c. eNodeB, BTS e Ue
d. NodeB, BTS, BSC e Ue.
2. São componentes da rede de acesso do 4G: a. eNodeB e Ue.
b. NodeB, RNC e Ue
3. A eNodeB incorpora a função de qual dos elementos abaixo? a. RNC
b. ERB
c. BTS
d. Ue
4. A interface que Uu conecta o Eu ao eNodeB é baseada em técnicas de múltiplo acesso. Quais são estas técnicas para DL e UL respectivamente? a. TDMA / SC-FDMA
b. CDMA / CDMA
c. OFDMA e SC-FDMA
d. OFDMA / WCDMA
c. Iu
d. X2
c. Assegurar a conexão dos usuários na rede.
d. Controla a admissão de novos usuários.
5. Qual interface conecta dois eNodeBs? a. S1
b. Abis
6. Qual a responsabilidade do plano de usuário na rede? a. Assegurar o transporte dos dados úteis dos usuários da rede.
b. Estabelecer, manter e liberar as conexões dos usuários.
7. Qual nome o núcleo da rede recebeu na Release 8? a. LTE
b. EUTRAN
c. SAE
d. EPS
8. Qual o nome da interface que conecta o MME ao EnodeB? a. S5 - MME
b. X1 – MME
c. S11 - MME
d. S1 - MME
9. São componentes da rede core do quarta geração de telefonia móvel: a. eNodeB e Ue.
b. MME, PDN SAE GW e Serving SAE GW.
c. PDN SAE GW e GGSN.
d. Serving SAE GW, MSC e Ue.
10. É função de PCRF ( Policy and Charging Rules Function): a. Função de registro
b. Função de paging
c. Funcionalidades referentes à qualidade do serviço e tarifação
d. Função de localização
Gabarito - Quiz Quiz 1
Questão 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Alternativa c b d b c c a c b a
Quiz 2
Questão 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Alternativa b a a c d a c d b c
Referências Bibliográcas
[1] S. Glisic, Advanced wireless communications: 4G technologies. New Delhi: John Wiley & Sons, 2006. [2] H. Holma e A. Toskala, WCDMA for UMTS: Radio Access for third generation mobile communications. New Delhi: John Wiley & Sons, 3rd ed., 2004. [3] C. Chevallier, C. Brunner, A. Garavaglia, K. Murray e K. Baker, WCDMA (UMTS) Deployment Handbook . New Delhi: John Wiley & Sons, 2006. [4] W. G. Chambers, “On good convolutional codes of rate 1/2, 1/3 and 1/4”, Singapure ICCS/ ISITA 92. vol. 2, pp. 750-754, Nov. 1992. [5] H. Holma e A. Toskala, HSDPA/HSUPA for UMTS: High speed radio Access for mobile telecommunications. New Delhi: John Wiley & Sons, 1st ed., 2006. [6] M. A. Latif, M. Youseff, A. Sultan e H. El Gamal, “Keys through ARQ: Theory and Practice”, IEEE Transaction on Information Forensics and Security , vol 6, pp737-351, Sep. 2011. [7] 3rd Generation Partnership Project; Technical Specication Group Radio Access Network;
FDD Enhanced Uplink; Overall Description; Stage 2, 3GPP, 3GPP TS 25.309. [8] K. Fazel e S. Kaiser, Multi-Carrier and Spread Spectrum System , New York: John Wiley, 2003. [9] L. L. Mendes, “Modelos Matemáticos para Estimação do Desempenho de Sistemas de Multiplexação por Divisão em Frequencias Ortogonais”, Tese de Doutorado, UNICAMP, Campinas, SP, BR, Julho de 2007. [10] 3rd Generation Partnership Project; Technical Specication Group Radio Access Network;
Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN) (Release 9). [11] K. J. Miyahara, “IMT-Advanced – Objective and Challenges,” Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium 2009 , CISC-2009, Oct. 2009. [12] 3rd Generation Partnership Project; Technical Specication Group Radio Access Network;
Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN) (Release 7), 3GPP, 3GPP TR 25.913. [13] S. Sesia, I. Touk e M. Baker, LTE: The UMTS
Long Term Evolution: From Theory to Practice.
New Delhi: John Wiley & Sons, 1st ed., 2009. [14] NGMN, “Next Generation Mobile Networks Beyond HSPA & EVDO – A white paper”, www. ngmn.org, December 2006.
[15] S. Haykin, Communication System, 5th Ed. New York: John Willey & Sons, 2010. [16] J. H. Winters, “Optimum Combining in Digital Mobile Radio with Cochannel Interference.” IEEE Journal on Selected Areas in Communications , Vol. 2, July 1984. [17] 3rd Generation Partnership Project; Technical Specication; User Equipment (UE) radio
access capabilities, 3GPP, 3GPP 36.306 v8.2.0:, August 2008. [18] E. Dahlman, S. Parkvall, J. Skold e P. Beming, 3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband . Elsevier, 1st ed., 2007. [19] H. Holma e A. Toskala, WCDMA for UMTS – HSPA Evolution and LTE . New Delhi: John Wiley & Sons, 4th ed., 2007. [20] J. C. Chen e T. Zhang, IP-Based Next-Generation Wireless Networks: Systems, Architectures, and Protocols. New Jersey: John Wiley & Sons, 1st ed., 2004. [21] T. Halonen, J. Romero, J. Melero, GSM, GPRS, and EDGE performance: Evolution towards 3G/UMTS. New Delhi: John Wiley & Sons, 2nd ed., 2003. [22] M. Poikselka e G. Mayer, The IMS IP Multimedia Concepts and Services . New Delhi: John Wiley & Sons, 3rd ed., 2009.
