03 - LTE

1) Introdução

O LTE (Long Term Evolution) é uma tecnologia de rede sem fixo faixa larga desenvolvida pela 3GPP. A tecnologia foi chamada Long Term Evolution pelos engenheiros porque representa uma evolução para o próximo estágio (4G), em uma progressão a partir do GSM, um padrão 2G, através do UMTS (as tecnologias 3G baseadas sobre o GSM). O LTE fornece taxas de transmissão de dados significativamente levadas, com potencial para 100 Mbps no downstream e 30 Mbps no upstream, com latência reduzida, capacidade de banda elevada e compatibilidade com os sistemas GSM e UMTS já existentes. O LTE não atende aos requisitos do ITU-T para 4G. Isto deve ser alcançado com a evolução do LTE, o LTE Advanced.

- Conceitos Básicos

As camadas superiores do LTE são baseadas nos protocolos de internet TCP/IP, o que provavelmente resultará em uma rede full-IP similar ao atual estado da arte das comunicações cabeadas. Essa rede suportará dados misturados: voz, vídeo e tráfego de mensagens. A tecnologia usa modulação OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), o que, dentre outras vantagens, reduz a dispersão devido aos multipercursos, o que contribui para a disponibilidade de taxas de dados tão elevadas na interface aérea. Espera-se também que seja utilizada a tecnologia de antenas MIMO (Multiple Input Multiple Output), similar às usadas no padrão IEEE 802.11. Este tipo de antena possibilita uma relação sinal-ruído mais elevada no receptor, gerando uma cobertura mais ampla da rede, especialmente em áreas urbanas densamente povoadas.

- Fornecedores/Desenvolvedores

O 3GPP (Third Genereation Partneship Project) é uma colaboração entre grupos de associações de telecomunicações, conhecidos como os Parceiros Organizacionais. A meta inicial do 3GPP era produzir uma especificação de sistema de telefonia móvel de terceira geração aplicável globalmente baseado nas especificações evoluídas do GSM. Posteriormente, as metas foram ampliadas para desenvolvimento e manutenção de:
a) GSM, incluindo os serviços de dados GPRS e EDGE;
b) 3G e sua evolução;
c) IP Multimedia Subsystem (IMS).
A padronização produzida pelo 3GPP engloba interface de rádio, rede do núcleo e arquitetura de serviço. Os parceiros organizacionais são: European Telecommunications Standards Institute, Association of Radio Industries and Businesses/Telecommunication Technology Committee (ARIB/TTC - Japão), China Communications Standards Association, Alliance for Telecommunications Industry Solutions (América do Norte) e Telecommunications Technology Association (Coréia do Sul). O projeto foi estabelecido em dezembro de 1998.

- Pontos relevantes

1) Taxas de dados elevadas;
2) O LTE tem a vantagem de ser compatível com os recursos existentes nas redes HSPA e GSM, permitindo que os operadores móveis possam realizar a transição para a tecnologia LTE sem descontinuidade de serviço nas redes já existentes;
3) Latência considerávelmente menor, possibilitando novos serviços, como jogos online;
4) Menor custo por bit transportado.

- Cronologia

2004: NTT DoCoMo do Japão propóe LTE como padrão internacional
2006: Siemens Networks mostra as pŕimeiras emulações ao vivo de uma rede LTE
2007: Ericsson demonstra taxas acima de 144 MBits/s. Meses depois, NTT Docomo demonstra taxas acima de 200 Mbits/s
2008: En Fevereiro, demonstrações no Mobile World Congress em Barcelona de várias evoluções: Huawei, Ericsson, NXP, FreeScale, Motorola e outros
2008: Em Abril, Motorola demonstra o primeiro EV-DO LTE hand-off. LG apresentam soluções com taxas de 50 Mbits/s com aparelhos se movimentando a 110 Km/h
2009: Em Agosto, Nortel e LG demonstram primeiro handoff com sucesso entre CDMA e LTE
2010: Em Fevereiro, Nokia Siemens Networks e Movistar testam o LTE no Mobile World Congress 2010 de Barcelona, com demonstrações indoor e outdoor
2011: Em Março, congelado o Release 10 que especifica o LTE Advanced

2) Funcionamento

- Modulação e antenas

O LTE baseia-se no esquema de modulação OFDM.
Do inglês Orthogonal frequency-division multiplexing, também conhecido como discrete multitone modulation (DMT), é uma técnica de modulação baseada na idéia de multiplexação por divisão de frequência (FDM) onde múltiplos sinais são enviados em diferentes frequências. Muitos são familiarizados com FDM pelo uso de aparelhos de rádio e televisão: normalmente, cada estação é associada a uma determinada frequência (ou canal) e deve utilizá-la para realizar suas transmissões. OFDM parte deste conceito mas vai além, pois divide uma única transmissão em múltiplos sinais com menor ocupação espectral (dezenas ou milhares). Isto adicionado com o uso de técnicas avançadas de modulação em cada componente, resulta em um sinal com grande resistência à interferência.
OFDM é quase sempre utilizado juntamente com codificação de canal (técnica de correção de erro), resultando no chamado COFDM.
É uma tecnologia de alto grau de complexidade em sua implementação, mas é amplamente utilizada em telecomunicações, usando sistemas digitais para facilitar o processo de codificação e decodificação dos sinais. Sua aplicação é encontrada em tecnologias de broadcasting e também em algumas formas de redes de computadores. Sua principal característica quanto ao desempenho é o fato de apresentar boa imunidade a multi-percursos, geradores dos famosos "fantasmas" presenciados nas televisões analógicas.

A técnica das antenas MIMO nada mais é que o uso de múltiplas antenas no transmissor e no receptor, de forma a melhorar o desempenho da comunicação. O termo múltiplas antenas, no entanto, diz respeito ao canal de rádio carregando o sinal, e não a antenas de fato fisicamente nos dispositivos. É uma das várias formas de antena inteligente desenvolvidas atualmente.
Essa tecnologia atraiu a atenção das comunicações sem fio porque oferece aumento significativo na vazão de dados e no alcance do enlace, sem consumir uma largura de banda adicional, apesar de que uma potência extra é necessária, já que múltiplas antenas de tranmissão são empregadas ao invés de uma só, como no sistema SISO habitual. A tecnologia MIMO atinge essas qualidades através de uma maior eficiência espectral (mais bits por hertz de frequência) e confiabilidade do enlace. Devido a essas propriedades, a MIMO é uma parte importante dos padrões mais avançados de comunicação sem fio, como IEEE 802.11n, LTE, WiMAX e HSPA+.

- Topologia/Arquitetura

Como o LTE é uma tecnologia desenvolvida pelo mesmo grupo que desenvolveu o 3G e o GSM, naturalmente trata-se de uma evolução, como o proprio nome diz. Isto significa que a topologia da rede LTE se assemelha bastante às topologias das redes anteriores, com exceção da adição de alguns elementos distintos e um movimento de descentralização da inteligência da rede, a SAE.
A SAE (System Architecture Evolution) é a arquitetura do LTE baseada em comutação de pacotes em que as células se conectam diretamente ao núcleo da rede, o EPC (Evolved Packet Core) que é um núcleo distribuído na rede da operadora. Essa mudança em relação às antigas arquiteturas que consideravam muitos saltos entre as células e a gerência da rede resulta em latência mais baixa e maior capacidade de tráfego.

Os novos elementos da rede, conforme pode ser visto na figura, são:
1) eNB - Evolved-UTRAN NodeB - todas as funções referentes à interface de rádio; agrega parte da inteligência antes pertencente integralmente à BSC e posteriormente dividida em partes entre RNC e NodeB;
2) MME - Mobility Management Entity - gerencia funções de mobilidade, como handover e roaming, identificação do equipamento do usuário e parâmetros de segurança;
3) S-GW - Serving Gateway - Nó que termina a interface em direção à E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network);
4) P-GW - Packet Data Network Gateway - Nó que termina a interface em direção à PDN (Packet Data Network).

- Tipos de Acesso

No sistema LTE, o acesso pode ser feito de duas formas. No caso do downlink, ou seja, no sentido da eNB para a MS, isto é feito através de OFDMA; já no caso uplink, o acesso é realizado via SC-FDMA, de forma a conservar potência.
No caso do OFDMA, o acesso múltiplo é conseguido através da distribuição de subconjuntos de subportadoras para usuários individuais, conforme mostrado na figura.

As principais vantagens de utilizar esse tipo de acesso são que ele é flexível para ser utilizado em várias bandas de frequência, sem muita necessidade de modificação para a interface aérea, redução da interferência entre células adjacentes, através da alocação de subportadoras alternadas entre elas, e possibilidade de controle por canal ou subcanal.

A principal diferença entre o esquema SC-FDMA e o OFDMA é que o primeiro leva a um sinal trasmitido sobre uma única portadora, enquato o segundo é um esquema de transmissão de multi-portadoras. A grande vantagem obtida deste fator é que o sinal transmitido SC-FDMA tem uma relação potência de pico/potência média menor, isto porque enquanto no OFDMA os símbolos transmitidos modulam diretamente as múltiplas sub-portadoras, no SC-FDMA eles são primeiro processador por um bloco DFT.

- Fluxo de transmissão/recepção

Uma outra grande vantagem do LTE é que ele é compatível com sistemas duplex do tipo FDD (Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex) com a mesma tecnologia de acesso para a interface aérea. Desta forma, a comunicação pode ser feita através de dois formatos de quadro distintos, sendo que ambos têm duração de 10 ms.

3) Estágio atual

No ano de 2009, as especificações do LTE foram entregues pelo 3GPP, e as primeiras redes de teste começaram a ser implementadas. Neste ano de 2011, várias redes já estavam em teste, desenvolvimento, ou mesmo já implementadas em vários países do globo.

Além disso, alguns fabricantes já começam a desenvolver equipamentos, enquanto outros já até tem produtos comerciais que suportam a tecnologia LTE.

No Brasil, algumas redes já implementam o HSPA+ comercialmente, última fase anterior ao LTE. Existe uma esforço comum entre governo e operadoras para talvez disponibilizar serviço LTE no Brasil para os jogos olímpicos de 2016.

- Problemas

A tecnologia e as redes LTE propriamente ditas não apresentam grandes problemas para serem relatados: é uma rede que oferece taxas altas, preços mais baixos, baixa latência e um serviço de dados móvel faixa larga de qualidade.
No entanto, a implementação do LTE está sujeita a alguns problemas:

1) Crise econômica global; os países mais maduros não investirão pesado na tecnologia nos próximos anos e, por consequência, a replicação nos países pobreas ou em desenvolvimento levará mais tempo ainda;
2) Infra-estrutura; mesmo que a interface entre a central do serviço LTE e a MS ofereça as taxas de transmissão elevadas, conforme o projeto do sistema, as operadoras deverão investir pesado em substituição dos enlaces backhaul (comunicam a sub-rede com o núcleo da rede) por fibras ópticas, de forma a garantir o tráfego prometido. As grandes operadoras, como Verizon e AT&T americanas têm disponibilidade de recursos para investir neste sentido, o que já não é tão fácil para as operadoras brasileiras, por exemplo. 3) No Brasil, a última transmissão programada de TV analógica será em 2016. Até lá, a frequência de 700 MHz, necessária para a implementação do LTE, estará ocupada ainda pelo espectro regulamentado pela ANATEL para a televisão UHF.

4) Características técnicas

- Espectro Utilizado

O sistema LTE faz a utilização do espectro de forma bastante flexível. Células de 1.4, 3, 5, 10, 15 e 20 MHz são padronizadas. Podem ser utilizadas também diferentes bandas de frequência. Na América, 700 e 1700 MHz estão reservadas para este uso. 800, 1800 e 2600 MHz na Europa; 1800 e 2600 na Ásia; e 1800 e 2300 MHz na Austrália. Como resultado, telefones de um país podem não funcionar em outros países; usuários precisarão de um telefone multi-banda para roaming internacional.

- Cobertura

A tecnologia LTE apresenta ótima performance em um tamanho de célula de até 5 km, sendo possível demonstrar serviço eficaz em células com raio de até 30 km. Um desempenho limitado fica disponível em células com tamanho de raio de até 100 km e, acima desta distância, ainda não existe padronização.

5) Protocolos

Media Access Control ou MAC é um termo utilizado em redes de computadores para designar parte da camada de enlace, camada número 2 segundo o modelo OSI. É provedora de acesso a um canal de comunicação e o endereçamento neste canal possibilitando a conexão de diversos dispositivos numa rede. O endereçamento é realizado pelo endereço MAC ou também chamado endereço físico que consiste em um número único a cada dispositivo de rede possibilitando o envio de pacotes para um destino especificado mesmo que esteja em outra subrede. Atua como interface entre a LLC e a camada física provendo uma emulação de comunicação full duplex.
Radio Link Control ou RLC é um protocolo da cama de enlace responsável por correção de erro e controle de fluxo nas redes 3G e LTE. É um protocolo relativamente avançado e pode suportar diferentes requerimentos de QoS por parte dos usuários.
Packet Data Convergence Protocol ou PDCP é um dos subprotocolos da camada 2 do sistema LTE e UMTS e desempenha funções de compressão e descompressão do cabeçalho IP, transferência de dados de usuário e manutenção dos números de sequência utilizados para identificar os pacotes transferidos sobre a interface de rádio.
Radio Resource Control ou RRC é um protocolo que pertence à camada 3 do sistema LTE e também existe no sistema 3G; ele lida com a sinalização da camada 3 entre o equipamento do usuário e a rede de acesso; inclui funções de estabelecimento de conexão e liberação, broadcast de informação do sistema e configurações de mobilidade.

- Normatização e especificação dos protocolos

A normatização dos protocolos e do LTE é feita pelo 3GPP.

As especificações estão disponíveis para download gratuito no link: http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36-series.htm

6) Serviços

O fato de utilizar o protocolo IP cria a possibilidade de se intensificar a convergência entre serviços, viabilizando aplicações em tempo real. Com a presença de redes fixas, o LTE pode funcionar de modo complementar, onde o usuário pode transitar entre a rede móvel e a rede fixa.
Com a tecnologia LTE, a transmissão de vídeo High Definition (HD) será viável, bem como aplicações colaborativas por meio da Internet móvel. Sincronizações entre os dispositivos e computadores em tempo real tornarão a interconexão mais simples e criando novos modelos de negócios.

Aplicações futuras:
- Um dos objetivos do LTE é as novas células autónomas nas questões de instalação e configuração. Uma célula será capaz de perceber o meio em que está inserida e alterar as suas configurações de modo a maximizar a eficiência da rede com muito pouca interação humana. Este automatização irá tornar a implantação de novas células bem mais fácil e barata. São as chamadas Redes Auto-Organizadas.

7) Referências