Tecnologias de camada física e MAC para redes LTE

Transcrição

Tecnologias de camada física e MAC para redes
LTE
Fabbryccio A. C. M. Cardoso*, Donato Manzan Júnior, Rafael Mendes Vilela, Fabrício Lira
Figueiredo
O 3GPP Long Term Evolution (LTE) é um dos passos mais importantes das tecnologias móveis celulares
na direção das redes banda larga de quarta geração (4G), devido, principalmente, à sua solução de
interface aérea. Há muita informação redundante na literatura, o que pode tornar a busca bastante difícil
e improdutiva. A proposta deste artigo é prover uma síntese do estado da arte das tecnologias de
camada MAC e PHY que integram essa solução, ao organizá-las e apresentá-las de forma compacta,
com foco no que se considera essencial para o entendimento do LTE.
Palavras-chave: LTE. OFDMA. SC-FDMA. MIMO. Scheduling.
Introdução
Mesmo sem alcançar todos os requisitos da
ITU (International Telecommunication Union)
para ser considerado uma rede celular de quarta
geração, o LTE (Long Term Evolution) (3GPP,
2010b) é popularmente chamado de tecnologia
4G (MCQUEEN, 2009). Outros tentam ser mais
precisos e o classificam como tecnologia 3.9G. O
mais importante, porém, é entender que LTE é
uma tecnologia móvel celular IP cuidadosamente
projetada para apresentar latência bem menor e
eficiência espectral bem maior do que as
tecnologias precedentes de terceira geração.
No LTE, a tecnologia de acesso sem fio está
alicerçada na técnica de multiplexação por
divisão em frequências ortogonais (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing – OFDM) (ZOU;
WU, 1995), o que possibilita o alcance de
melhorias significativas na alocação de recursos
de rádio e na adaptação dos enlaces. Além
disso, a partir de uma arquitetura de rede mais
simples e de menor custo, o LTE deverá prover
não apenas uma conexão mais rápida, mas
também uma variedade de novas aplicações
antes disponíveis apenas através de acessos
banda larga com fio à Internet.
Um exemplo de tais aplicações é a navegação
em sites com conteúdos de vídeo embutidos em
páginas Web e Web 2.0. Mais do que uma
tendência, o acesso a essas aplicações de vídeo
vem gerando um tráfego de dados cada vez
maior em redes de acesso banda larga com fio, e
é inevitável que o mesmo ocorra nas redes
celulares móveis (MCQUEEN, 2009). Antevendo
essa demanda crescente por taxa de dados,
Internet móvel e serviços interativos, como, por
exemplo, VoIP e jogos on-line, o LTE foi incluído
no roadmap do 3GPP (3rd Generation Partnership
Project) para garantir a competitividade das
operadoras 3G e possibilitar um caminho de
atualização de suas redes.
A Tabela 1 apresenta as características
principais do LTE (3GPP, 2010a). As metas
originais de taxa de bits para o sistema foram
estabelecidas em 100 Mbit/s no downlink e
50 Mbit/s no uplink, que podem ser alcançadas
pelo sistema quando se opera com uma única
antena (Single Input Single Output – SISO) e
com largura de banda de 20 MHz. Para larguras
de banda mais estreitas, as taxas de bits
correspondentes podem ser calculadas a partir
do escalonamento apropriado da taxa de bits em
20 MHz. Portanto, independentemente da largura
de banda, a eficiência espectral em SISO é de
5 bit/s/Hz no downlink e de 2,5 bit/s/Hz no uplink.
Quando se opera com multiplexação espacial em
múltiplas antenas (Multiple Input Multiple Output
– MIMO) no downlink, essa eficiência espectral é
multiplicada por 1,5 ou por 3, dependendo do
número de antenas 2x2 ou 4x4, respectivamente.
Isso corresponde, em 20 MHz, a taxas de 150 e
300 Mbit/s.
A especificação da latência na rede de acesso foi
dividida nos planos de usuário e de controle para
possibilitar sua otimização. No plano de usuário,
a latência é definida pelo tempo que se leva para
se transmitir um pacote IP do terminal de usuário
até o nó de borda da rede de acesso por rádio
(Radio Access Network – RAN) ou vice-versa. O
requisito de latência nesse plano estabelece que
o tempo de ida do pacote não deve exceder 5 ms
em uma rede não carregada; o tempo de ida e
volta do pacote não deve exceder 10 ms. No
plano de controle, o requisito de latência é
definido pelo tempo de transição do terminal de
usuário entre o estado inativo (idle) e o estado
ativo, quando o terminal pode enviar e receber
dados. Essa latência na transição de estados do
terminal não deve exceder 100 ms para o LTE.
A especificação do sistema foi feita de forma a
se obter o máximo desempenho para
velocidades de usuário de até 15 km/h. Uma
pequena degradação de desempenho é
*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 7, n.1, p. 7-22, jul. 2010/jun. 2011
Tecnologias de Camada Física e MAC para Redes LTE
Tabela 1 Características gerais do LTE1
Parâmetro
Detalhe
Taxa de bit de
100 (SISO), 150 (2x2 MIMO),
pico DL 64-QAM
300 (4x4 MIMO)
(Mbit/s)
Taxa de bit de
pico UL (Mbit/s)
Tipo de dados
25 (QPSK), 50 (16-QAM), 75
(64-QAM)
Somente comutação por pacotes
Largura de banda
1,4; 3; 5; 10; 15; e 20
(MHz)
Duplexação
FDD e TDD
Mobilidade
0-15 km/h (otimizado)
15-120 km/h (alto desempenho)
Latência
Ocioso para ativo <~ 100 ms
~ 10 ms para pacotes de dados
Eficiência
espectral
DL 3 – 4 x Rel 6 HSDPA
UL 2 – 3 x Rel 6 HSUPA
Múltiplo acesso
Tipos de
modulação
OFDMA (DL)
SC-FDMA (UL)
QPSK, 16-QAM, 64-QAM (UL e
DL)
permitida para velocidades superiores. Porém,
para velocidades de até 120 km/h o sistema deve
prover alto desempenho, sem perda de conexão
ao longo da rede.
Considerando-se o lado da operadora, além de
possuir uma arquitetura de rede simplificada e de
baixo custo, um dos méritos do LTE é a
flexibilidade no uso de largura de banda e de
faixa de operação. Uma rede pode ser
implantada para operar com larguras de banda
desde 1,4 até 20 MHz. Isso possibilita o aumento
de sua capacidade à medida que se aumenta a
demanda por serviços de dados. O LTE também
foi especificado para atuar em uma grande
variedade de faixas de frequência, incluindo a
nova faixa de 2,6 GHz, em que há disponibilidade
de banda, para se obter o máximo desempenho
do sistema nos 2x20 MHz necessários. O
sistema também pode ser implantado em faixas
do GSM em 900 e 1.800 MHz, desde que haja
uma reorganização dessas faixas, assim como
nas faixas de TV de 700 MHz, que serão
liberadas no mercado americano.
1
Processamento em banda base
Neste
artigo
são
descritas
as
principais
tecnologias
empregadas
nas
camadas
física (PHY) e de controle (L2/L3) da interface
aérea do LTE. A camada física utiliza
tecnologias, como, por exemplo, OFDMA (ZOU;
WU, 1995; CIOCHINA, SARI, 2010), SC-FDMA
(MYUNG; LIM; GOODMAN, 2006), MIMO
(PAULRAJ et al., 2004) e codificação turbo
(WOODARD; HANZO, 2000). As camadas L2/L3,
por sua vez, empregam tecnologias, como, por
exemplo, enlace adaptativo, scheduling e HARQ2
(PEDERSEN et al., 2009; STERNAD, 2007).
A Figura 1 ilustra o sistema de malha fechada
para o enlace de descida. O esquema para o
enlace de subida é semelhante ao apresentado,
porém, não há múltiplas antenas de transmissão
e a informação de canal é estimada diretamente
pela eNodeB, sem a necessidade de
realimentação. O processo de codificação e de
transmissão é disponibilizado pela camada física
para a camada MAC na forma de serviços,
através de blocos de transporte. A cada intervalo
de transmissão (Transmission Time Interval –
TTI, sendo 1 TTI = 1 subframe = 1 ms), até dois
blocos de transporte são codificados, modulados
e mapeados para os recursos de rádio do
OFDMA. O processo de detecção de erro e
retransmissão de blocos de transporte é inerente
a esse processo e controlado pela MAC a partir
de algoritmos de HARQ. Durante o processo de
retransmissão do HARQ, é necessário que a
MAC informe ao rate matching qual versão da
redundância deverá ser empregada: RV0, RV1,
RV2 ou RV3.
A camada L2/L3 é responsável pelo acesso e
pelo controle dos recursos de rádio. Com base
em informações de status do canal (RI, PMI e
CQI), é possível configurar o nível de modulação,
a taxa de codificação e o esquema de
codificação MIMO. Algoritmos de scheduling e de
controle do enlace adaptativo operam em
conjunto nessa camada para otimizar a vazão
total da célula e do enlace de usuário. Nesse
processo de operação são consideradas as
condições do canal e os parâmetros predefinidos
de priorização e de QoS.
Os parâmetros de status do canal, essenciais
para os algoritmos de enlace adaptativo e
scheduling, não são descritos explicitamente pela
relação sinal por interferência mais ruído (Signal
to Interference plus Noise Ratio – SINR), que é
estimada pelos sinais de referência do OFDMA.
Essa informação tem de ser previamente
processada no UE (terminal de usuário). O que é
de fato informado pelo UE é um conjunto de
índices que apontam para o melhor conjunto e
_____________________________________________________________
1
2
8
Siglas da Tabela 1: DL (downlink), UL (uplink), QAM (Quadrature Amplitude Modulation), QPSK (Quadrature Phase-Shift
Keying), FDD (Frequency Division Duplex), TDD (Time Division Duplex), HSDPA (3GPP Release 6 – High Speed Downlink
Packet Access), HSUPA (3GPP Release 6 – High Speed Uplink Packet Access) e SC-FDMA (Single Carrier – Frequency
Division Multiple Access).
Mais detalhes sobre o HARQ serão apresentados na Seção 3.3.
eNodeB
Camadas L2/L3: Enlace Adaptativo e Scheduling
Versão da
Redundância (RV)
MAC: HARQ
Bloco de Transporte
Bloco de Transporte
L2/L3
CRC
CRC
PHY
Cod. Turbo
Cod. Turbo
RM + HARQ
RM + HARQ
Modulação
Modulação
Taxa cod.
Mapeamento para Antenas
………
Até quatro antenas
Mapeamento
Blocos de Recursos
………
………
OFDMA
OFDMA
Status do canal: RI, PMI e CQI
ACK / NACK
Mapeamento
Blocos de Recursos
OFDMA
OFDMA
………
………
Demapeamento
Blocos de Recursos
Demapeamento
Blocos de Recursos
Demap das Antenas
MAC: HARQ
Demodulação
Demodulação
Decodificação
Decodificação
CRC
CRC
PHY
Bloco de Transporte
Bloco de Transporte
L2/L3
Indicador de Erro
Terminal de usuário (UE)
Figura 1 Ilustração simplificada dos processamentos das camadas L1 (PHY), L2 e L3 para o enlace de descida
parâmetros do transmissor, tal que seja obtido o
melhor desempenho do enlace em termos de
taxa de bits e robustez. Os indicadores
informados pelo UE são os seguintes:
a) RI (Rank Indicator), que informa o modo
de multiplexação espacial suportado pelo
UE;
b) PMI (Precoder Matrix Indicator), que
informa o esquema de codificação
espacial a ser utilizado para o modo MIMO
de malha fechada (beamforming). Nesse
caso, o esquema de pré-codificação é
obtido a partir de uma tabela;
c) CQI (Channel Quality Indicator), que
informa os parâmetros preferíveis de
modulação e de taxa de codificação de
canal que podem ser utilizados pelo
transmissor como referência de melhor
desempenho para o enlace.
Nas Seções 2 e 3 são apresentadas as
tecnologias utilizadas nas camadas física (PHY)
e de controle (L2/L3) da interface aérea,
respectivamente.
2
Camada física
A camada física do LTE é construída sobre o
9
OFDM e agrega técnicas avançadas de
processamento que possibilitam que o sistema
alcance alta eficiência espectral, alta capacidade
e baixa latência. Exemplos de tais técnicas são:
múltiplo
acesso
OFDMA/SC-FDMA
(BERARDINELLI et al., 2008), codificação MIMO
(BÖLCSKEI, 2006), codificação turbo (SKLAR,
1997), entre outras.
12 subportadoras
= 180 kHz
freq
14 símbolos
OFDM = 1 ms
Usuário 1
Usuário 2
Usuário 3
2.1 Múltiplo acesso
O OFDM é o núcleo da tecnologia de camada
física do LTE e foi escolhido devido aos vários
benefícios que oferece enquanto técnica de
multiplexação. O uso de múltiplas portadoras, por
exemplo, possibilita organizar e configurar os
recursos de rádio a partir de um grid
tempo-frequência, conforme Figura 2, provendo
maior flexibilidade aos algoritmos de controle do
enlace e de alocação de recursos. Por utilizar
portadoras ortogonais, essa técnica permite que
haja sobreposição entre portadoras vizinhas sem
interferência mútua. Isso torna o uso do espectro
de frequências por múltiplas portadoras bem
mais eficiente. Outro benefício do OFDM é a
possibilidade de gerar um sinal banda larga de
alta taxa de dados a partir de múltiplos sinais
banda estreita de baixa taxa. Como o efeito do
canal de transmissão é plano em um sinal de
banda estreita, tal efeito pode ser compensado
em cada subportadora através de um ganho de
amplitude e uma rotação de fase. Essa
abordagem do OFDM provê grande robustez aos
múltiplos percursos do canal de transmissão e
reduz a complexidade da estimação e da
equalização de canal. Finalmente, o OFDM tem a
vantagem de poder ser implementado no
domínio digital a partir do algoritmo FFT (Fast
Fourier Transform), que é um algoritmo rápido,
de baixa complexidade e largamente difundido.
O termo OFDMA advém da possibilidade que
oferece de se realizar múltiplo acesso a partir
das portadoras no domínio da frequência. No
LTE, o termo é empregado para indicar o múltiplo
acesso de usuários a recursos não apenas na
frequência, mas também ao longo do tempo
(símbolos OFDM). Esse mecanismo do ODA é
bastante flexível e permite configurar a taxa de
codificação e o esquema de modulação por
usuário, bem como por recurso de rádio.
A Figura 3 ilustra o diagrama de blocos do
OFDMA e do SC-FDMA para comunicações com
uma única antena (SISO). O OFDMA é o
esquema de modulação utilizado no enlace de
descida, enquanto o SC-FDMA é o utilizado no
enlace de subida. O SC-FDMA pode ser visto
como uma versão pré-codificada do OFDMA, em
que cada símbolo é inicialmente espalhado na
frequência por meio de uma FFT antes de ser
enviado para o modulador OFDM. Trata-se de
uma solução híbrida que tenta conciliar os
benefícios do OFDM com a boa relação entre a
10
tempo
Figura 2 Grid de recursos de rádio para múltiplo
acesso
potência de pico e a potência média do sinal
(Peak-to-Average Power Ratio – PAPR) dos
sistemas de portadora única. Essa característica
é importante para se flexibilizar os requisitos de
faixa linear do amplificador de potência e de nível
de quantização dos conversores AD e DA. Uma
comparação de desempenho entre o OFDMA e o
SC-FDMA, assim como uma revisão dessas
técnicas, pode ser encontrada em Berardinelli e
outros. (2008).
Os
componentes
funcionais
do
OFDMA/SC-FDMA para o transmissor são
apresentados na Figura 3 e consistem nos
seguintes módulos:
a) módulo
de
pré-codificação
FFT,
empregado apenas no SC-FDMA: utilizado
para
espalhar
na
frequência
as
informações dos símbolos modulados em
portadora única;
b) módulo de conversão serial para paralelo
(Serial to Parallel – S/P): utilizado para
demultiplexar um fluxo de dados de alta
taxa em n fluxos de baixa taxa;
c) módulo
de
mapeamento
para
subportadoras: realiza o mapeamento dos
bits de dados para os recursos de rádio.
Os fluxos de baixa taxa de dados,
provenientes do conversor S/P, são
mapeados para subportadoras e símbolos
OFDM, de acordo com a regra de múltiplo
acesso. Nesse ponto, também são
adicionadas portadoras de referência que
são utilizadas pelos algoritmos de
estimação de canal, codificação MIMO e
equalização;
d) módulos IFFT (Inverse Fast Fourier
Transform), P/S (Parallel to Serial) e
PC (Prefixo Cíclico): responsáveis pela
geração dos símbolos OFDM no tempo.
Os sinais das múltiplas portadoras são
convertidos para o domínio do tempo para
transmissão. Por último, é adicionado um
intervalo de guarda baseado na extensão
cíclica do sinal no tempo (PC), com o
objetivo
de
evitar
interferência
intersimbólica.
Na recepção, ocorre a inversão das operações
realizadas durante a transmissão. Além disso,
N
Pontos
FFT
Mapeamento
para
Subportadoras
M
Pontos
IFFT
P/S
S/P
PC
DAC/
RF
Canal
N
Pontos
IFFT
Extrai
Subportadoras
de dados /
Equalização
M
Pontos
FFT
SC-FDMA
S/P
Detec
P/S
N<M
Remove
PC
ADC/
RF
+
OFDMA
Figura 3 Diagrama de blocos do OFDMA e do SC-FDMA
módulos adicionais são necessários para
compensar as degradações geradas pelo canal
de transmissão, como, por exemplo, o módulo de
equalização no domínio da frequência. Esses
módulos são tipicamente assistidos por
portadoras de referência que possibilitam estimar
o canal de transmissão nas portadoras OFDMA
ao longo do tempo.
Como qualquer outro sistema baseado em
OFDM, o OFDMA e o SC-FDMA também
perdem desempenho quando há desvios de
frequência
nas
subportadoras,
gerados
tipicamente por instabilidades do oscilador local
ou por efeito Doppler (MORELLI, 2004). Esses
efeitos destroem a ortogonalidade do OFDM,
gerando interferências entre portadoras e
interferências de múltiplo acesso. No enlace de
subida, o problema é agravado porque essas
interferências ocorrem diferentemente para cada
usuário, dificultando a sincronização (VAN DE
BEEK et al., 1999). Não há uma solução
padronizada para esse problema, sendo que se
trata de um campo em que as soluções de
compensação das degradações do canal podem
se diferenciar. Em Zhang e Ryu (2010), faz-se
uma revisão das técnicas de supressão de
interferências tipicamente utilizadas e propõe-se
uma solução para lidar com os múltiplos desvios
de frequência de usuários no uplink.
2.2 MIMO
Ao se utilizar MIMO (PAULRAJ et al., 2004;
BÖLCSKEI, 2006), ambas as cadeias de
transmissão e de recepção do OFDM podem ser
paralelizadas em mais de uma camada,
conforme mostrado na Figura 4 (transmissão) e
na Figura 5 (recepção), para o caso MIMO 2x2.
Com essa paralelização, uma possibilidade é
aumentar a vazão de dados por meio da
transmissão simultânea de diferentes fluxos.
Outra possibilidade é codificar tais fluxos de
forma a se obter uma transmissão mais robusta,
porém, sem aumentar a vazão de dados. O
OFDM é essencial nesse processo, porque para
cada subportadora o canal é plano. Isso facilita a
estimação dos canais de propagação MIMO e
sua subsequente decodificação para os
métodos de codificação por diversidade. Outro
benefício da codificação MIMO, aplicado ao
OFDM, é a possibilidade de se obter diferentes
formas de codificação, como, por exemplo:
espacial, que leva em conta apenas as antenas;
espaço-temporal, que leva em conta as antenas
e os diferentes símbolos OFDM; e espaçofrequência, que leva em conta as antenas e as
diferentes portadoras.
Em linhas gerais, as formas de processamento
MIMO suportadas pelo LTE podem ser
classificadas em:
a) pré-codificação ou formatação de feixe
(beamforming), que envolve apenas
processamento espacial;
b) codificação por diversidade, que envolve
codificação espaço-frequência sobre um
único fluxo de dados para se aumentar a
robustez da transmissão; e
c) multiplexação espacial, que envolve a
transmissão simultânea de fluxos distintos
em antenas distintas, de forma a se
aumentar a vazão do sistema.
Os métodos de pré-codificação e de diversidade
propiciam um aumento na robustez da
transmissão,
enquanto
os
métodos
de
multiplexação espacial possibilitam o aumento,
de fato, da eficiência espectral da transmissão.
11
Mapeamento
para
Subportadoras
M
Pontos
IFFT
P/S
M
Pontos
IFFT
PC
DAC/
RF
P/S
Mapeamento
para
Subportadoras
PC
DAC/
RF
S/P
Codificação MIMO
S/P
Demap
M
Pontos
FFT
S/P
M
Pontos
FFT
Remove
PC
ADC/
RF
S/P
Demap
Remove
PC
ADC/
RF
Equalização
P/S
Detec
MIMO
Detec
P/S
Figura 4 Esquema de transmissão OFDMA para MIMO 2x2
Figura 5 Esquema de recepção OFDMA para MIMO 2x2
Entre os trabalhos sobre esquemas de
codificação por diversidade, os principais são os
de Alamouti (1998), Tarokh, Seshadri e
Calderbank (1998) e Tarokh, Jafarkhani e
Calderbank (1999). O método de codificação de
Alamouti foi originalmente desenvolvido para
apenas duas antenas. Em virtude de sua
simplicidade e eficiência, essa talvez seja uma
das técnicas de codificação por diversidade mais
difundidas. A contribuição de Tarokh, Jafarkhani
e Calderbank (1999) foi a de generalizar a
técnica de Alamouti para um número arbitrário de
antenas, criando o conceito de códigos de bloco
espaço-tempo (Space-Time Block Code – STBC)
(TAROKH; SESHADRI; CALDERBANK, 1998).
Com a aplicação de MIMO em OFDM, surgiu
também a possibilidade de se derivar códigos de
bloco
espaço-frequência
(Space-Frequency
Block Code – SFBC) de forma semelhante ao
STBC (LI et al., 2002). Em geral, para que a
ortogonalidade dos códigos seja mantida, o canal
tem que ser invariante ao longo da palavracódigo. Isso implica um canal plano nas
subportadoras das palavras-código do SFBC e
em um canal invariante no tempo ao longo dos
símbolos das palavras-código do STBC. É
importante destacar que o LTE emprega o
12
esquema de codificação SFBC para possibilitar
maior robustez em cenários com alta mobilidade.
Por não envolverem um esquema de codificação
prévia,
transmissões
simultâneas
por
multiplexação espacial sofrem com problemas de
interferência entre os sinais multiplexados
(KETONEN; JUNTTI; CAVALLARO, 2010).
Esses problemas podem ser minimizados se, em
vez da detecção conjunta dos sinais, for utilizada
uma arquitetura de recepção em que os sinais
sejam detectados de forma sequencial,
iniciando-se pelo mais forte. Os trabalhos de
Foschini (1996), Wolniansky e outros. (1998) e
Foschini e Gans (1998) são pioneiros nessa área
em decorrência da utilização da arquitetura
V-BLAST. O princípio do V-BLAST consiste
primeiramente na detecção e regeneração do
sinal mais forte. O sinal regenerado é então
subtraído do sinal recebido, gerando-se um novo
sinal que será utilizado para a detecção do
segundo sinal mais forte. O processo é repetido
até que todos os sinais transmitidos sejam
detectados.
Outra linha de trabalho combina as abordagens
de diversidade e de multiplexação espacial
seguindo a lógica de que cada fluxo de
transmissão tenha um esquema de codificação
Identificador
de Grupo:
SS1
SS 2
Cell ID:
(SSm, PSn)
504 IDs
SS 168
……
Identificador
de Célula:
PS1
PS2
PS3
PS1
PS 2
PS3
PS1
PS2
PS3
Figura 6 Estrutura de sinal para identificação de células
1 frame = 10ms
SS
PS
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
1 slot = 0,5 ms
1 subframe = 1 ms
Figura 7 Localização dos sinais primários (PS) e secundários (SS) na estrutura de quadro do LTE, considerando-se prefixo cíclico de tamanho normal
por
diversidade
para
protegê-lo
(LEI;
HARADA, 2006). Nesse caso, em vez de uma
antena, cada fluxo possui um grupo de antenas
de transmissão. Os sinais são então detectados
iterativamente, por cancelamento de interferência
a partir do grupo mais forte. Uma vez detectados
os grupos de sinal, pode-se aplicar a
decodificação por diversidade. Há, ainda,
trabalhos
na
linha
do
TURBO-BLAST
(SELLATHURAI; HAYKIN, 2002), que utilizam
esquemas de decodificação de canal no loop de
cancelamento de interferência para melhorar o
desempenho
da
separação
dos
sinais
(KETONEN; JUNTTI; CAVALLARO, 2010).
Embora não haja multiplexação espacial, nem
mesmo codificação MIMO por diversidade no
enlace de subida, o SC-FDMA pode ser
potencializado a partir de técnicas de MIMO
multiusuário (MU-MIMO) (SPENCER et al.,
2004), que permitem o agendamento de mais de
um
usuário
para
o
mesmo
recurso
tempo-frequência. Essa técnica pode ser vista
como uma técnica de múltiplo acesso por divisão
espacial, em que antenas adaptativas na eNodeB
são capazes de rastrear os usuários na célula.3
primário (PS) e um secundário (SS) (3GPP,
2009a; KIM; HAN; CHUNG, 2010). Conforme a
Figura 6, cada célula pode ser identificada a
partir de 504 identificadores, obtidos da
combinação de 168 sinais secundários e 3 sinais
primários. A partir da detecção dos sinais
primários e secundários, é possível não apenas
realizar as sincronizações de tempo de símbolo e
de frequência da portadora, mas também prover
a identificação física da célula, o comprimento do
prefixo cíclico e o modo de duplexação FDD ou
TDD utilizado na célula. A sincronização inicial
por meio da detecção do sinal primário
possibilita, ainda, decodificar o canal físico de
broadcast (Physical Broadcast Channel – PBCH).
Esse canal transmite o MIB (Master Information
Block), que contém informações essenciais para
o acesso inicial da célula, como, por exemplo,
largura de banda do downlink, configuração do
canal do indicador do HARQ (Physical HARQ
Indicator Channel – PHICH) e número sistêmico
do quadro atual.
Os três sinais primários são gerados a partir de
sequências de Zadoff-Chu de comprimento 63 e
M = 25, 29 e 34, conforme a equação:
2.3 Sincronização
Os procedimentos de sincronização são
realizados a partir da definição de uma estrutura
de identificação com dois tipos de sinal: um
63
PS M n=exp− j
 M n n1

63
para n = 0, 1, 2, ..., 62.
_________________________________________________
3
Para saber mais, há trabalhos, como o de Prasad, Wang e Wang (2009), que propõem algoritmos mais eficientes no receptor
para lidar com MU-MIMO com o uso de pré-filtros e demodulação soft.
13
freq
1 frame = 10ms
…
1.08 MHz
= 6 RB
tempo
…
1 subframe
= 1ms = 2 RB
SS
PS
Figura 8 Localização dos sinais de sincronismo SS e PS no grid tempo x frequência4
Essas sequências apresentam uma propriedade
muito interessante: a função de autocorrelação
rkk(δ) é exatamente zero para δ ≠ 0, o que não
ocorre
com
as
sequências
pseudoaleatórias (PN). A posição do PS na
estrutura de quadro do LTE é mostrada na
Figura 7. Na frequência, conforme Figura 8, o PS
é transmitido nos 6 blocos de recursos (Resource
Block – RB) centrais, de modo que esse
mapeamento na frequência seja sempre o
mesmo, independentemente da largura de banda
utilizada, que pode variar de 6 RBs (1,08 MHz)
até 110 RBs (19,8 MHz). O PBCH é transmitido
da mesma forma, utilizando-se 6 RBs centrais,
porém, 4 slots em vez de 1 e com menor
Bloco de Transporte
Bloco de Transporte
CRC
CRC
Segmentação
Segmentação
periodicidade de atualização (40 ms).
Cada sequência secundária é gerada pela
intercalação de duas sequências de comprimento
31, moduladas em BPSK (Binary Phase Shift
Keying). Essas duas sequências, SSC1 e SSC2,
são versões deslocadas de uma sequência
básica de comprimento 31, e o deslocamento de
cada sequência é uma função do índice do
grupo. Cada sequência é então aleatorizada a
partir de um código de scrambling, que depende
do índice do PS e do índice do grupo. Há ainda
uma alternância entre essas sequências SSC1 e
SSC2 no quadro do LTE. Essa alternância é
realizada para que os instantes de quadro do
LTE possam ser identificados por meio de uma
Bloco de Transporte
CRC
Segmentação
Cod. Turbo
Cod. Turbo
Cod. Turbo
RM + HARQ
RM + HARQ
Scrambling
Scrambling
Modulação
Modulação
RM + HARQ
Scrambling
Modulação
Mapeamento para Antenas
………………
Mapeamento
Blocos de Recursos
Mapeamento
Blocos de Recursos
Até quatro antenas
………
Mapeamento
Blocos de Recursos
………
………
OFDMA
OFDMA
………
SC-FDMA
Figura 9 Cadeias de processamento de blocos de
transporte para o enlace de descida
Figura 10 Cadeia de processamento de blocos de
transporte para o enlace de subida
_______________________________________
4
Foi considerado o prefixo cíclico de tamanho normal e cada divisão do grid equivale a um conjunto de 6x2 blocos de recursos
(RBs) de rádio.
14
Bits Sistemáticos
Convolucional 1
Bits de Paridade P1
Bloco de Código
D
Entrelaçador
QPP
do Turbo
D
D
Convolucional 2
D
Bits de Paridade P2
D
D
Figura 11 Codificador turbo
simples observação das sequências secundárias.
O posicionamento das sequências secundárias
no tempo e na frequência é semelhante ao
posicionamento
das
primárias,
conforme
Figuras 7 e 8.
2.4 Codificação de canal
No enlace de descida, mostrado na Figura 9,
pode haver até duas cadeias de processamento
para se realizar a codificação de canal dos
blocos de transporte provenientes da camada
MAC (L2). Cada bloco de transporte é mapeado
para um bloco de recurso de rádio em um
subquadro, que é transmitido a cada 1
TTI (1 ms). O tamanho do bloco de transporte
depende da configuração do enlace que, por ser
adaptativo, irá definir a relação de compromisso
entre robustez e vazão. No caso de transmissões
com apenas uma antena, haverá um único bloco
de transporte de tamanho variável para cada
quadro do LTE. No entanto, no caso de
transmissões com múltiplas antenas, a segunda
cadeia é utilizada apenas quando há
multiplexação espacial. Além disso, mesmo que
se empreguem quatro antenas na multiplexação,
apenas duas cadeias de processamento serão
utilizadas. Isso não implica limitação de vazão,
uma vez que o tamanho do bloco de transporte é
variável. No enlace de subida, entretanto, não se
utiliza multiplexação espacial ou mesmo
transmissão por diversidade. Por esse motivo, há
apenas uma cadeia de processamento com
bloco de transporte de tamanho variável,
conforme Figura 10.
O primeiro passo na cadeia de processamento
de canal é a inserção de um código de 24 bits
em cada bloco de transporte, para detecção de
erros por meio de verificação de redundância
cíclica (Cyclic Redundancy Check – CRC). Essa
informação é utilizada pelo algoritmo de HARQ
que pode requisitar a retransmissão do bloco de
transporte, caso seja detectado algum erro na
recepção.
O passo seguinte consiste em segmentar o bloco
de transporte em blocos menores que casem
com os tamanhos predefinidos de blocos
suportados pelo interleaver do codificador turbo.
Nesse processo, pode ser necessário inserir bits
de preenchimento para se alcançar os tamanhos
de blocos predefinidos. Além disso, também é
necessário adicionar um CRC por bloco de
código. Esse recurso é utilizado para se detectar
com antecedência a existência de erros no bloco
de transporte, reduzindo-se, assim, o esforço
computacional e o consumo de potência do
receptor. É importante destacar que a
segmentação não é um modo de operação típico,
e é realizada apenas quando o bloco de
transporte supera o tamanho máximo do bloco
de código suportado pelo interleaver, que é de
6.144 bits.
No LTE, a codificação de canal dos blocos de
transporte é realizada apenas por codificação
turbo de taxa 1/3 (3GPP, 2009b). A estrutura do
codificador turbo empregada no LTE é mostrada
na Figura 11. Essa estrutura utiliza os mesmos
dois codificadores convolucionais de taxa 1/2 e
8 estados, que constituíam o codificador turbo do
WCDMA e do HSPA. Porém, o entrelaçador
utilizado no WCDMA e HSPA foi substituído no
LTE pelo entrelaçador QPP (Quadrature
Permutation
Polynomial).
A
função
de
mapeamento do entrelaçador QPP é dada por:
2
c i= f 1 i f 2 i mod K 
onde i é o índice do bit na saída do entrelaçador,
c(i) é o índice do mesmo bit na entrada e K é o
tamanho do bloco de codificação. O padrão que
especifica o LTE define uma lista de tamanhos
de blocos de código, que variam de 40 a
15
Bits
Sistemáticos
s1 s 2 … sK
p1( 1) p2(1) … pK( 1)
Entrelaçador
Sub-Bloco
p1( 2) p2(2) … pK( 2)
Escreve
no
Buffer
pK(2) s1
s2
…
Entrelaçador
Sub-Bloco
RV3
pK( 1)
Leitura
do
Buffer
sK
…
Bits Paridade
P2
Entrelaçador
Sub-Bloco
…
Bits Paridade
P1
RVi
RV0
p2(1) p1(2)
p1( 1)
Saída
RV1
RV2
Figura 12 Rate matching (RM) para ajustar a taxa de codificação e gerar retransmissão, de acordo com a
técnica de combinação do HARQ
6.144 bits, e de valores dos parâmetros f1 e f2.
A etapa seguinte ao processo de codificação
turbo consiste em ajustar a taxa de codificação.
Trata-se de um processo de puncionamento
realizado pelo rate matching (casador de taxa). A
função principal do rate matching é possibilitar o
descarte automático dos bits de paridade, de
forma que se obtenha a quantidade de bits exata
para se preencher um bloco de recurso de rádio
em um TTI. Esse processo pode ser controlado a
partir de um buffer circular (CHENG et al., 2008).
Conforme Figura 12, as saídas Bits Sistemáticos,
Bits de Paridade P1 e Bits de Paridade P2 são,
em um primeiro momento, entrelaçadas
separadamente. Em seguida, os bits são escritos
em um buffer circular a partir dos bits
sistemáticos, seguidos pelos bits de paridade P1
e P2 de forma alternada. A leitura do buffer é,
então, realizada de acordo com a versão de
redundância RV até que se preencha o recurso
de rádio. Supondo-se, por exemplo, que para
preencher um bloco de recurso de rádio seja
necessária uma codificação turbo de taxa 2/3, e
sabendo-se que a codificação turbo é de taxa 1/3
a , será necessária a leitura de apenas 50% dos
bits escritos do buffer para se obter a taxa de
codificação desejada de 2/3.
O
buffer
circular
possibilita,
ainda,
retransmissões com versões de redundância
diferentes (RV0, RV1, RV2 e RV3). As versões
de redundância se diferem simplesmente pelo
ponto de leitura inicial do buffer. Essa estratégia
possibilita o suporte das funcionalidades de
retransmissão requeridas pelo HARQ. Se, por
exemplo, for utilizado o esquema HARQ de
chase combining (CC), a retransmissão será feita
com a mesma versão de redundância RV0 da
transmissão original. Nesse caso, os blocos são
combinados
no
receptor
utilizando
o
MRC (Maximal
Ratio
Combining),
aumentando-se a relação sinal-ruído do sinal a
ser decodificado. Por outro lado, se for utilizado o
esquema HARQ de redundância incremental
(IR), as retransmissões serão feitas com versões
de redundância diferentes. Essa estratégia
16
permite que novos bits de paridade possam ser
adicionados ao bloco a ser decodificado pelo
receptor. O resultado é um bloco de bits com
taxa de codificação menor que a do bloco original
e, por conseguinte, com maior capacidade de
correção de erros.
É importante destacar que embora o rate
matching do HARQ possa ser utilizado com
ambos os esquemas CC e IR, o LTE emprega
apenas o esquema IR.
O último bloco de processamento da cadeia de
codificação de canal é um scrambler
(aleatorizador) (3GPP, 2009b), que é aplicado
em cada bloco de bits gerado pelo processo de
transmissão/retransmissão
HARQ.
Esse
processamento consiste em aleatorizar o bloco
de bits de entrada pela multiplicação (ou
exclusivo) bit a bit entre esse bloco de bits e uma
sequência de scrambling. Células vizinhas
utilizam sequências de aleatorização distintas,
possibilitando que o receptor garanta o ganho de
processamento da codificação de canal,
minimizando
a
interferência
de
sinais
provenientes de células adjacentes.
3
Camadas L2 e L3
3.1 Enlace adaptativo
A evolução das redes de terceira geração do
3GPP culminou no LTE com rede de tráfego
inteiramente por pacotes. Em versões anteriores
do sistema, baseadas na tecnologia WCDMA,
era necessário um controle rápido de potência
em malha fechada com taxa de atualização
aproximadamente constante para se suportar
serviços de comutação por circuito. No entanto,
na interface aérea do LTE, a otimização do
tráfego para pacotes reflete a capacidade de
canal de cada usuário. O processo de otimização
ajusta dinamicamente os esquemas de
modulação e de codificação de canal, de forma a
se obter a maior taxa de bit possível para cada
usuário, de acordo com as condições preditas de
canal. A Figura 13 ilustra esse processo.
O indicador de qualidade de canal (CQI) é uma
Dados
Codificador
CRC
Codificador
Turbo
PUCCH:
ACK/NACK
Dados
Check
CRC
Decodificador
Turbo
Modulação
OFDMA
CQI
Adaptação
do Enlace
Demodulação
DAC/
RF
Estima
Canal
OFDMA
Canal
DAC/
RF
Figura 13 Realimentação de informações para enlace adaptativo (CQI) e HARQ (ACK/NACK)
entrada importante e é informado pelo UE no
enlace de subida. O CQI é um indicador de taxa
de dados que pode ser suportado pelo canal,
levando-se em conta a relação do nível de sinal
por interferência mais ruído (SINR) e as
características do receptor do UE. A partir de
sinais de referência do downlink, o UE pode
estimar o canal e informar os parâmetros de
modulação e de codificação mais altos que
podem ser decodificados com probabilidade de
erro inferior a 10%. Na adaptação do enlace de
subida, não é necessário informar a eNodeB
sobre a condição de canal, uma vez que é
possível estimá-la diretamente através de sinais
de referência do uplink.
O trabalho de Kolehmainen e outros (2008)
apresentou um estudo sobre o compromisso
entre o overhead na transmissão do CQI e o
ganho de desempenho do sistema por haver
mais informações sobre o canal obtidas a partir
dos domínios do tempo e da frequência. De
acordo com os autores, o emprego conjunto de
enlace adaptativo e scheduling FDPS (Frequency
Domain Packet Scheduling) pode prover ganhos
de vazão e de cobertura no downlink da ordem
de 40%, sob o custo de se aumentar a taxa de
sinalização no uplink. O trabalho de Kolehmainen
investiga a melhor relação de compromisso entre
o desempenho do downlink e a sinalização no
uplink. Foram utilizados os seguintes esquemas
de informação do CQI, empregando enlace
adaptativo e FDPS:
a) Full Feedback CQI, que relata o CQI para
todos os blocos de recursos (RBs);
b) Wideband CQI, que relata o CQI médio
dos RBs;
c) Best-M Individual, que relata os M valores
individuais de CQI mais altos (3GPP,
2007);
d) Best-M Average, que relata os M maiores
valores em média (3GPP, 2007);
e) Threshold Based CQI (3GPP, 2007;
KOLDING; FREDRIKSEN; POKHARIYAL,
2006);
f) Discrete Cosine Transform Based CQI
(3GPP, 2006).
Não foram considerados esquemas de
scheduling e de enlace adaptativo para cenários
com MIMO. Estudos semelhantes também foram
conduzidos em Svedman e outros (2004),
Kolding, Fredriksen e Pokhariyal (2006), e Sun e
outros (2006) para sistemas OFDMA, em geral.
No estudo realizado por Kolehmainen e outros
(2008), concluiu-se que medidas de CQI
tomadas a cada 2 ms e com resolução de 2 RBs
são suficientes para capturar os comportamentos
de seletividade, na frequência, e de variação, no
tempo. Além disso, entre as técnicas testadas, o
Best-M Average e o Threshold Based CQI
apresentaram a melhor relação de desempenho
(vazão e cobertura) por taxa de sinalização no
uplink.
A especificação do LTE define a sinalização
disponível entre a eNodeB e o UE para a
adaptação do enlace (modulação e codificação
de canal) pela eNodeB. Os métodos de
otimização não são padronizados, o que provê
grande flexibilidade na forma de se explorar a
informação disponível para se realizar a
adaptação do enlace. É importante destacar,
porém, que a escolha dos parâmetros de
modulação e de taxa de codificação não depende
apenas das condições do canal. Essa escolha
depende, também, de uma série de outros
fatores, que inclui a qualidade de serviço
requerida e a vazão da célula. Ademais, os
métodos de adaptação de enlace devem operar
em conjunto com os métodos de scheduling,
para que os blocos de recurso de rádio possam
ser compartilhados eficientemente entre os
usuários à medida que a capacidade de canal
individual varie.
3.2 Scheduling
Em linhas gerais, a principal tarefa do scheduling
no OFDMA é alocar pares de blocos de recursos
17
de rádio (1 ms e 12 subportadoras)
inteligentemente para diferentes usuários, de
modo a alcançar a maior vazão possível na
célula (LUO et al., 2010). É importante lembrar
que pares de blocos de recurso no LTE são a
menor unidade de recurso de rádio alocável de
um
grid
símbolo-subportadora
(tempo-frequência),
e
correspondem
a
12 subportadoras para cada 14 símbolos
OFDMA (1 ms), conforme Figura 2. Esses blocos
podem ser independentemente modulados por
fluxos de mais baixa taxa de bits provenientes de
diferentes usuários.
Entre os algoritmos de scheduling, os mais
conhecidos são: o Maximum Carrier-toInterference (C/I), o Round-Robin e o
Proportional Fairness (PF). O Maximum C/I
basicamente classifica os usuários de acordo
com a relação instantânea de C/I, provendo mais
recursos de rádio para aqueles que possuem
melhor qualidade instantânea de canal. Esse
algoritmo possibilita, dessa forma, maximizar a
vazão total, mas limita a capacidade de usuários
no sistema.
O Round-Robin torna o scheduling mais justo, no
sentido que será atendido o usuário que estiver
esperando há mais tempo. Porém, essa técnica
não leva em conta a qualidade do canal e, devido
ao enlace adaptativo do sistema, pode-se levar
muito tempo para atender um usuário com
indicador ruim de canal, podendo degradar
significativamente a vazão total de dados.
O Proportional Fairness (KIM; HAN, 2005),
scheduling
mais
comumente
utilizado
(JUNGNICKEL et al., 2009), procura atender à
relação de compromisso entre maximizar a
vazão de dados do sistema e permitir um nível
mínimo de serviço para todos os usuários. Isso
geralmente é realizado por meio da adição de
alguma forma de priorização inversamente
proporcional à quantidade de recursos de rádio
estimada para um dado usuário. Entretanto, o
problema do Proportional Fairness está em não
garantir uma latência fixa para os usuários, o que
limita as aplicações baseadas em serviços
multimídia de tempo real. Quando o problema é
garantir uma latência fixa, pode ser mais
interessante utilizar alguma técnica que explore a
equidade instantânea (Instantaneous Fairness),
em vez da proporcional.
Melhorias no scheduling também têm sido
propostas para o LTE. Em Luo e outros (2010),
tendo por base os resultados de alocação de
recursos de rádio e a qualidade instantânea de
canal (CQI), é proposta uma otimização ao longo
de várias camadas (cross-layer). Esse esquema
possibilita
determinar
dinamicamente
os
parâmetros de modulação, de codificação e do
codec, de forma a maximizar a taxa de bit dos
usuários e melhorar perceptivelmente a
qualidade para aplicações de vídeo. Kwan, Leung
e Zhang (2008) propõem maximizar de forma
18
conjunta as taxas de bits de todos os usuários, a
partir de uma solução subótima obtida do
particionamento do modelo de otimização em
modelos single-user menores e paralelos. Em Xu
e outros (2006), a proposta de scheduling é
baseada em uma otimização por gradiente, com
restrições de taxas de bit mínima e máxima
sobre o canal de dados compartilhados do
downlink (Shared Data Channel – SDCH). Em
Bonald (2004) e Lei e outros (2007), são
propostas formas de priorização que exploram a
equidade instantânea e tornam o desempenho do
scheduler semelhante ao do PF para cenários
ideais, sem os problemas de perda de
desempenho que existem no PF para cenários
com desvanecimento muito rápido. Em
Jungnickel e outros (2009), o scheduling utiliza
realimentações do terminal de usuário para
possibilitar a caracterização do canal MIMO,
mesmo que de forma superficial. Nesse caso, o
CQI é utilizado para que a estação-radiobase
possa selecionar o melhor modo de transmissão
e, ao mesmo tempo, prover equidade
instantânea. De forma semelhante, o trabalho em
Wei e outros (2008) utiliza a informação de
seletividade em frequência baseada no CQI para
realizar o scheduling no domínio do tempo, da
frequência e do espaço.
3.3 HARQ
O HARQ é uma combinação de correção de
erros de canal (Forward Error Correction – FEC)
e solicitação automática de repetição (Automatic
Repeat Request – ARQ) baseada em código
CRC de detecção de erros (DAHLMAN, et al.,
2008). Conforme Figura 13, após a transmissão
de um bloco de transporte, o UE decodifica esse
bloco, verifica o CRC e informa a eNodeB por
meio
de
uma
mensagem
ACK
(acknowledgement)
ou
NACK
(negative
acknowledgement).
Essa
mensagem
é
transmitida no canal físico de controle do uplink
(PUCCH). No caso de um acknowledgement
negativo (NACK), a eNodeB retransmite o bloco.
O receptor (UE) combina, então, a retransmissão
com a transmissão original para executar
novamente o decodificador turbo. No LTE, esse
processo é executado de forma que o rate
matching (RM) pare de transmitir até receber
uma mensagem ACK do UE. Essa é a forma
mais simples de se realizar o HARQ, mas exige
que mais de um processo HARQ-RM seja
executado em paralelo, para possibilitar o fluxo
contínuo de dados. Enquanto um processo
HARQ-RM espera pelo ACK, outro processo
pode ser disparado pela eNodeB para transmitir
dados pelo canal. No LTE, o número máximo de
processos simultâneos por usuário é limitado em
oito, tanto para o uplink quanto para o downlink.
Há dois tipos de HARQ (DAHLMAN, et al., 2008),
CC e IR, que se diferenciam pela forma como o
bloco de transporte é retransmitido e combinado
no receptor. Ambos os métodos podem ser
considerados soft combining, porque o bloco
original não é descartado e, sim, combinado com
o bloco retransmitido. Entre os dois métodos de
recombinação, o LTE emprega apenas o IR. O
método CC retransmite o bloco com a mesma
configuração do bloco original, ou seja, com os
mesmos dados (bits sistemáticos) e com os
mesmos bits de paridade. No receptor, a
combinação com o bloco original é então feita
por MRC. Esse é um método de combinação por
diversidade que melhora a relação sinal-ruído do
pacote a ser decodificado cada vez que uma
nova retransmissão é realizada. No método de
redundância incremental (IR), são transmitidos
bits de paridade adicionais a partir da seleção
apropriada da versão de redundância do rate
matching. No receptor, os bits de paridade são
combinados e o bloco resultante passa a ter uma
taxa de codificação mais baixa, tornando-se mais
robusto para decodificação de canal. Dessa
forma, a cada transmissão adicional, mais bits de
paridade são adicionados ao receptor para o
mesmo bloco de dados, tornando a taxa de
codificação cada vez menor.
3.4 Controle de potência
O controle de potência tem o objetivo de
melhorar a capacidade do sistema, a cobertura e
o nível de sinal (maior taxa de dados e melhor
qualidade de voz), além de reduzir o consumo de
potência (DAHLMAN, et al., 2008).
Para alcançar esses objetivos, o mecanismo de
controle de potência normalmente tenta
maximizar a potência dos sinais recebidos pelo
UE, gerando o mínimo de interferência possível
nas células adjacentes. Geralmente, quanto mais
próximo um UE estiver da borda de uma célula
vizinha, maior será a interferência.
Conforme a necessidade de se compensar as
variações do canal, podem existir dois esquemas
de controle de potência: slow e fast. Há, ainda,
outros esquemas relacionados ao conteúdo das
informações que são enviadas ao UE para
configurar sua potência:
a) Open Loop Power Control: a potência do
UE é configurada com base apenas nas
informações provenientes da eNodeB.
Nenhum tipo de informação referente à
potência é enviada à eNodeB pelo UE;
b) Close Loop Power Control: a potência é
controlada através das informações da
eNodeB, assim como no open loop,
porém, neste esquema, o UE realimenta a
eNodeB com informações referentes à
potência.
Além dos esquemas apresentados, existe, ainda,
a possibilidade de obtenção de esquemas
híbridos através da combinação entre eles.
Como exemplo, pode-se citar o Fast Close Loop
Power Control, que gera um certo overhead no
sistema,
mas
permite
compensar
as
interferências e as condições do canal com mais
precisão. O oposto desse exemplo é o Slow
Open Loop Power Control, que não exige muita
banda do sistema, pois evita o overhead de
informação da eNodeB. Esse método é simples,
porém, não é apropriado para compensar
variações rápidas de canal que possam ser
ocasionadas pela alta mobilidade do usuário.
Conclusão
Este artigo apresentou as principais tecnologias
da interface de rádio do LTE, consideradas
estado da arte em comunicações digitais. O
emprego de tecnologias como, por exemplo,
OFDMA, MIMO, codificação turbo, HARQ,
modulação adaptativa, entre outras, possibilita
que o LTE alcance taxas de 300 Mbit/s em uma
banda de 20 MHz. A importância de tais
tecnologias se reflete na sua utilização na
especificação de sistemas de quarta geração,
como o LTE Advanced. Em tais sistemas,
pode-se alcançar taxas de bits superiores a
1 Gbit/s, o que representa um aumento da
eficiência espectral da ordem de 1,4 vezes,
quando comparado ao LTE. Essas tecnologias
são extremamente flexíveis e possibilitam que o
sistema de comunicação se autoajuste à
capacidade de canal do usuário, provendo
mobilidade e alto desempenho para velocidades
de até 120 km/h, sem perda de conexão. O grau
de sofisticação do sistema possibilita, ainda, que
haja balanceamento da carga de forma a obter a
maior vazão de dados possível por usuário,
considerando-se a qualidade de serviço
contratada e os mecanismos de priorização.
Agradecimentos
Os autores agradecem o apoio dado a este
trabalho, desenvolvido no âmbito do projeto
“Redes de Acesso Sem Fio Avançadas” que
contou com recursos do Fundo para o
Desenvolvimento
Tecnológico
das
Telecomunicações – FUNTTEL, do Ministério
das Comunicações, através do Convênio nº
01.09.0631.00 com a Financiadora de Estudos e
Projetos – FINEP.
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Abstract
3GPP Long Term Evolution (LTE) mobile cellular technology is one of the major steps towards 4G
broadband wireless networks, mainly due to its air interface solution. There is a lot of redundant
information spread throughout the literature which may cause the search experience to be hard and
unproductive. The objective of this article is to provide a state-of-the-art synthesis of the PHY and MAC
technologies which integrate the air interface solution, by organizing and presenting these technologies in
a compact form with focus on what is considered essential to the understanding of the LTE radio
technology.
Key words: LTE. OFDMA. SC-FDMA. MIMO. Scheduling.
21

Tecnologias de camada física e MAC para redes LTE

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