4G e o LTE

Alberto Boaventura

Gerência de Tecnologia e Integração 031 21 8875 4998

Academia de Tecnologia Dezembro-2011

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

Duração da Apresentação:

6 h e 30 min!!!

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

O que é o LTE?

3GPP LTE (Long Term Evolution) é um padrão para comunicação sem fio de alta velocidade de dados para telefones celulares e terminais de dados. É baseado nas redes GSM / EDGE e UMTS / HSPA, totalmente sobre IP, com a capacidade e velocidade aumentados através de novas técnicas de modulação, antenas inteligentes e sistemas de rede auto-organizáveis.

ITU-R M.2034

Eficiência Espectral

DL 15 bits/Hz

UL 6.75 bits/Hz

Latência

Plano do Usuário < 10 ms

Plano de Controle < 100 ms

Largura de Banda

ITU-R M.2034 40 MHz

ITU-R M.1645 100 MHz

ADVANCED

4G IEEE 802.11ac (<6 GHz)

IEEE 802.11ad (>60 GHz)

IEEE 802.16m

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

OFDM Flexibilidade Arquitetura Planificada

MIMO Self Organized Network

Evolução

O que é o LTE?

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)

Transmissão convencional: Uma única portadora/banda

Bp

s/H

z Freqüência(Hz)

OFDM: Diversas sub-bandas

Capacidade do Canal

Freqüência(Hz)

Bp

s/H

z

DMS

Bastante semelhante ao FDMA no que concerne a divisão em freqüências para transferência de informação;

Utiliza o processo de codificação modulação em sub-bandas com portadoras ortogonais;

As sub-bandas são faixas de freqüência extremamente pequenas;

Utilizado em diversos esquemas para transmissão de dados faixa larga: Wireless LAN; ADSL; DVB; WiMAX; Docsis; LTE

Foi usado pela primeira vez em 1957 para modem em HF;

Em 1966; Chang do Bell Labs patenteou e escreveu o primeiro paper sobre OFDM;

Somente na década de 90 que surgiram diversas aplicações;

Codif. IFFT Ik/Qk Ik/Qk

Subportadoras

f t Duração do

Símbolo

10

BPSK

10

BPSK kQ

kI

/4-QPSK

10 01

0011

kQ

kI

/4-QPSK

10 01

0011

kQ

kI

16-QAM

0101 010001110110

0001 000000110010

1101 110011111110

1001 100010111010

kQ

kI

16-QAM

0101 010001110110

0001 000000110010

1101 110011111110

1001 100010111010

Modulação e Bits por Símbolo

Taxa

Distância

64QAM

16QAM

QPSK

Esquema de Modulação e

Codificação em Função da

distância

Modulação Bits/Símb. FEC 20 MHz

100 RBs

QPSK 2 1/3 9,6 Mbps

QPSK 2 1/2 14,4 Mbps

QPSK 2 2/3 19,2 Mbps

16QAM 4 1/2 28,8 Mbps

16QAM 4 2/3 38,4 Mbps

16QAM 4 4/5 46,1 Mbps

64QAM 6 1/2 43,2 Mbps

64QAM 6 2/3 57,6 Mbps

64 QAM 6 1 86,4 Mbps

DA

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

Flexibilidade

Cobertura: < 1 GHz

Cobertura ou Capacidade: > 1 GHz & <2 GHz

Capacidade: >2 GHz

Uso combiando para o LTE Advanced Banda UL DL Largura WRC 3GPP (LTE) Anatel Status

700 MHz 37 MHz 2007 Bandas 12, 13 & 14

DD 2016

850 MHz 824 - 849 869 - 894 24 MHz 2000 Banda 5 Res 454/2006 Banda A, B

900 MHz 898,5 - 901; 943,5 - 946

907,5 - 915; 952,5 - 960

10 MHz 2000 Banda 8 Res 454/2006 SMP

1800 MHz 1.710-1785 1805-1880 150 MHz 1992/ 2000

Banda 2 Res 454/2006 SMP Lelião sobras

dez/2011 2100 MHz 1920-1975 2110-2165 110 MHz 2000 Banda 1 Res 454/2006 SMP

2300 MHz 2300-2400 (TDD) 100 MHz 2007 Banda 40 MMDS 2600 MHz 2500-2570 2620-2690 140 MHz 2007 Banda 7 Res 544/2010 Leilão em 2012 3500 MHz 3400-3600 (TDD) 200 MHz 2007 Banda 43 Res 537/2010 Leilão em 2013

0 Mbps

100 Mbps

200 Mbps

300 Mbps

400 Mbps

0,0 km 2,0 km 4,0 km 6,0 km 8,0 km 10,0 km

700 MHz

1800 MHz (5 MHz)

1800 MHz (10 MHz)

2.600 MHz

Taxa Média do eNB vs distância

20 MHz

15 MHz

10 MHz

5 MHz

3 MHz

1,4 MHz

Diferentes larguras de banda Esquemas TDD e FDD

UL DL

Freqüência

FDD

DL UL

Tempo

TDD

Diversas Faixas Suportadas

No Release 10, o 3GPP definiu

43 Bandas para o LTE

Faixas disponíveis no Brasil:

Uso racional de faixas: Faixas no Mundo:

Banda 3GPP (LTE) Status 700 MHz Bandas 12, 13 & 14 EUA, Colômbia e Peru 800 MHz Banda 20 (DD) Europa DD, Alemanha, Inglaterra, Suécia

850 MHz Banda 5 Korea

1800 MHz Banda 2 Europa

AWS Banda 4 EUA 2100 MHz Banda 1 Japão 2300 MHz Banda 40 Ásia 2600 MHz Banda 7 Europa

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

Cell_PCH

Arquitetura Planificada

S1-U

X2 S11

PCRF

HLR/HSS

OCS/ OFCS

Internet

S5 S-GW P-GW

MME

IMS

S1-AP

Gx

Rx S6a

SGi

Gy/Gz

Sy

Ro/Rf

Sh

Sp

Cell_DCH

Cell_PCH

Cell_FACH Idle

Mode

Máquina de Estado do 3G (3GPP TS 25.331)

E-UTRA Idle

E-UTRA Connected

Máquina de Estado do LTE (3GPP TS 36.331)

Arquitetura, protocolos, interfaces totalmente sobre IP

Não existe mais o elemento controlador da rede de acesso (BSC/RNC), com funções de gerência mobilidade realizadas pelo eNB.

Não existe mais o domínio CS (Circuit Switched) e o serviços legados serão emulados pelo IMS (SMS e Voz)

Perfeita integração com acessos não 3GPP (ex.: Wi-Fi/WLAN)

E-UTRAN Evolved Packet Core

SAE (System Architecture Evolution)

Latência em Diversos Sistemas

Fonte: 4G Americas

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

MIMO (Multiple Input, Multiple Output)

Diversidade: Mesmo Sinal Multiplexação: Sinais distintos Beamforming

SNR

BER

min(NTx , NRx) Antenas

Cap

acid

ade

SIN

R

Tempo

MCS, PMI, RI

CQI, PMI, RI

CRS

Closed loop, codebook precoding

MCS

CQI

CRS, DRS

Open loop, non-codebook precoding

TM Transmission scheme of PDSCH CQI mode

Mode 1 Single-antenna port CQI

Mode 2 Transmit diversity CQI

Mode 3 Open-loop spatial multiplexing CQI

Mode 4 Closed-loop spatial multiplexing CQI, RI, PMI

Mode 5 Multi-user MIMO CQI, PMI

Mode 6 Closed-loop Rank=1 precoding CQI, PMI

Mode 7 Beamforming Single-antenna port; port CQI

Mode 8 Dual layer beamforming CQI, RI, PMI

Mode 9 Switching SU & MU-MIMO till 8 CQI, RI

MIMO + SON = Coordenation Multi-Point (CoMP) Intra-cell CoMP Inter-cell CoMP

X2

Smallcells Ferramenta fundamental para aumento de cobertura e capacidade

Dois modos:

Coordinated scheduling & Beamforming

Joint processing/transmission

Quando o terminal se encontra na borda pode receber o sinal de múltiplas estações de maneira coordenada

Controle para eficaz para interferência entre céulas (inter-cell inerference)

Heterogeneous Network

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

Self-Planning & Dynamic Re-planning

Plug and Play

Configuração e setup automáticos

Auto Ajuste

Otimização da rede em tempo real

Auto Reparo

Mitigação de falhas de maneira

rápida e automática

Self Organized Network

Self-Configuration Self-Optimization Self-healing

Release 8 Automatic Inventory

Automatic Software Download

Automatic Neighbor Relations

Automatic PCI Assignment

Release 9 Coverage & Capacity Optimization

Mobility optimization

RACH optimization

Load balancing optimization

Inter-Cell Interference Coordination

Inspirado no forum NGMN (Next Generation Mobile Networks) e definido no 3GPP (TS 32.823) nos releases 8, 9 e 10.

Estabelece um conjunto de funcionalidades para automatização inteligente da rede para: configuração, otimização,

recuperação de falhas e planejamento; objetivando a melhora de performance e custos de operação.

X2

Automatic Inventory Automatic Neighbor Relations

Mobility Load Balancing RACH Optimization

Release 10 Coverage & Capacity Optimization

Enhanced Inter-Cell Interference Coordination

Cell Outage Detection and Compensation

Funções Seff Healing

Minimizatioon o Drive Testing

EnergySavings

Centralizada

Arquiteura

Distribuída

Híbrida

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

Evolução

DL:474 kbps UL:474 kbps

EDGE (Rel 7)

DL:1,89 Mbps UL: 947 kbps

E-EDGE (Rel 8)

DL: 300 Mbps UL: 45 Mbps BW: 20 MHz

LTE (Rel 8)

DL: 28 Mbps UL: 11,5 Mbps

BW: 5 MHz

HSPA+ (Rel 7)

DL: 42 Mbps UL: 11,5 Mbps

BW: 5 MHz

HSPA+ (Rel 8)

DL: 84 Mbps UL: 23 Mbps BW: 10 MHz

HSPA+ (Rel 9)

DL: 168 Mbps UL: 23 Mbps

BW: 20/10 MHz

HSPA+ (Rel 10)

2010- 2010 2011 2012 2013

DL: 1.2 Gbps UL: 568 Mbps BW: 40 MHz

LTE (Rel 10)

Otimização dos Recursos de

da Rede

LTE (Rel 9)

2013+

DL:> 1.2 Gbps BW: 100 MHz

LTE (Rel 11)

Intra-cell CoMP Inter-cell CoMP

X2

Coordenation Multi-Point (CoMP)

e Inter-Cell Interference Coordination (ICIC)

Self Organized Network Carrier Aggregation (até 100 MHz)

Banda (1)

Banda (2)

Banda (3)

Capacidade

Evolução da tecnologia e expectativa de introdução no mundo

2007 2008 2009 2010 2011 2012

Release 8

Release 9

Release 10

Release 11

4G

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

O que se espera do LTE?

Banda Larga Móvel

Redução de Custos

Novos Serviços M2M

Serviços Legados A Oi e o LTE

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

Banda Larga Móvel

384

130

67 39

238

29%

23%

14% 13%

4%

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

30,00%

35,00%

0 MM

100 MM

200 MM

300 MM

400 MM

500 MM

China India Brasil Russia USA

1.8 B Usuários Internet & Crescimento de +13% ano-a-ano

18.8T Minutos & Crescimento de +21% ano-a-ano

A Internet e a banda larga continuam crescendo

Ace

sso

s Fi

xos

e M

óve

is (

Milh

õe

s)

Ban

da

Larg

a Fi

xos

e M

óve

l (M

ilhõ

es)

0,0%

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

Local LD

18 a 24

25 a 34

35 a 44

45 a 54

55 a 64

65 ~ 0

100

200

0

500

1000

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

20

15

Fixed telephone lines Mobile cellular subscriptions Fixed broadband subscriptions Mobile broadband subscriptions

Substituição ou Convergência?

Fonte: Femtoforum

Os dispositivos móveis são preferenciais nas gerações mais jovens

para estabelecimento de serviços de

telecomunicações.

Na América Latina, espera-se que o número de acessos banda larga móvel supere ao da fixa

em 2012.

Fonte: ITU/ICT/MIS Crescimento da Banda Larga Móvel

0 Gbps

500 Gbps

1000 Gbps

1500 Gbps

2000 Gbps

20

11

20

12

20

13

20

14

20

15

20

16

20

17

20

18

20

19

20

20

HSPA LTE Fonte: Demanda Mkt Oi 2011

Com novos dispositivos (smartphones, tablets) e

M2M o número de acessos a banda larga

móvel vai decolar

Ao mesmo tempo, espera-se que a taxa média cresça

exponencialmente. No Brasil, o crescimento é de 82% ano-a-ano até 2015

segundo a Cisco

0 Mbps

1 Mbps

2 Mbps

3 Mbps

4 Mbps

5 Mbps

6 Mbps

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

América Latina

America do Norte

Europa Ocidental

Brazil

Fonte: Cisco VNI 2010

McKinsey estima que um aumento de 10% na penetração da banda larga proporciona um acréscimo para o PIB de 0,1 a 1,4 %.

Booz estima que a penetração de banda larga de 10% maior em um ano está relacionado a 1,5% de crescimento da produtividade do trabalho ao longo dos

próximos cinco anos.

A Banda larga , o bem estar das pessoas e o progresso

Quando uma pessoa é conectada, a sua vida muda!

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

Novos Serviços

5 tendências para convergência: MBB + Redes Sociais + Vídeo + VoIP + usabilidade em

dispositivos diferenciados

1960 1970 1980 1990 2020+

Mainframe Mini

Desktop

Internet

Internet Móvel

1 MM+ 10 MM+ 100 MM+

1 B+

10 B+

A expressiva projeção para o crescimento da Internet móvel é justificada pela integração de

funcionalidades (de uso pessoal) num único dispositivo, tornando-se, em alguns anos, o

principal dispositivo contra os desktops.

Mainframe-> Mini-> Desktop -> Smartphones/Tablets

Fonte: Morgan Stanley 2010

Aplicações

Vídeo

Fotos

Música

Clouds => Novo Datacenter

Armazena, processa os dados em ambientes que são acessados pelos smartphones e tablets. Provê

a infra-estrutura básica para a nova geração de aplicações móveis

Tablet/Smartphone => O Novo PC

Mimetizam as funções do PCs & desktop Internet

PC => O Servidor (DVD / CD Collection, TV, Address Book…)

PCs (junto com a Cloud) estão se tornando a home media servers: armazendando, realziando

backup e provendo conteúdo a tablets e smatphones.

Redes Sociais, Conteúdo, Tablets e Cloud

Estima-se que a demanda de Tablet pode superar a 100 milhões shipments até 2012

Os Smartphones e Tablets, em especial, catalisam a demanda para o mercado

empresarial, permitindo um casamento com o mundo de TI através da Cloud Computing

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

M2M

2010 2015 2020

1ªFase: Aplicações Verticais 2ªFase: Regulamentação 3ªFase: Internet das Coisas

Aplicações:

POS

Gerenciamento de Frota

Rastreio

Mobile Payment

Câmeras de Monitoração

Medidores de Energia

Pedágio

eCall

Manutenção Remota

Sincronização de Mídia

Health Monitoring

Aplicações:

POS

Gerenciamento de Frota

Rastreio

Mobile Payment

Câmeras de Monitoração

Medidores de Energia

Pedágio

Aplicações:

POS

Gerenciamento de Frota

Rastreio

Mobile Payment

50 Bilhões de dispositivos

conectados em 2020

Fases da M2M

Desafios para o M2M

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Volume Air time Sinalização

Utilização dos Recursos de Rede

Outros

eMail

POS

M2M

WAP

MMS

Para as comunicações M2M a utilização dos recursos de sinalização aumenta

significativamente quando comparado ao tráfego de dados.

Hoje a praticamente todas as Redes Móveis são projetadas para a

comunicação H2H.

Para M2M outros recursos são mais utilizados, como a sinalização.

Fonte: Dados de tráfego Oi Ago-2010

Baixo custo de rede para refletir o baixo ARPU

Diferenciação entre aplicações:

Aplicações diferentes Diferentes SLAs

Proteção contra sobrecarga e congestionamento na rede

de sinalização

Preparação dos endereços de rede para o grande número

de terminais

Telecom+ Transporte + Utilities + Saúde + Governo =

Cidades Inteligentes

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

Serviços Legados

Definido em 3GPP TS 23,272, representa uma solução de curto prazo para a voz eo legado serviços de apoio na rede LTE.

Consiste em redirecionar a partir da rede LTE qualquer serviço baseado em domínio CS (de voz ou SMS) para a rede 2G/3G SGs requer ativação de interface para terminar serviços

HLR HSS

SGSN MME/

GW

MSS MGCF MGW

PSTN

(Transp. IP)

BSC RNC

SGs S1

Abis

A/Iu-CS

Gr/S6a

Nb/E

C

HLR HSS

SGSN MME/

GW

MSS MGCF MGW

BSC RNC

Gi/SGi S1

Abis A/Iu-CS

Gr/S6a

Nb/E

IMS

C

Sh

I2/I3/Mg

Sv

E

PSTN

(Transp. IP)

VoLTE é uma iniciativa conjunto GSMA e 3GPP, apoiado no 3GPP IMS recomendação quadro, qual a arquitetura é definida com base em IR.92 3GPP TS 23,002 e 23,228 TS.

A continuidade de serviço e entrega são garantidos pela SR-VCC (Single Radio Voice Call Continuity), definida em 3GPP TS 23,216, utilizando uma interface especial entre MME e MSS, Sv, para achoring chamada.

Apesar da conslidação do MBB, serviços de voz e legados ainda

representam a parte mais importante de receitas...

Pontos Fortes Pontos Fracos

Não precisa de investimento em IMS É suportado no caso de roaming

Os dados podem ser interrompidos (requer DTM) O tempo de estabelecimento > 3 s

Pontos Fortes Pontos Fracos

Não precisa de investimento em CS Voz e dados na mesma rede Uso da eficiência espectral do LTE

Requer investimento no IMS

0

20

40

60

80

100

GSM

EFR

GSM

AM

R

UM

TS (

5.9

kb

ps)

HSP

A (

5.9

kb

ps)

LTE

(5.9

kb

ps)

Porém, o LTE não é só dados, e para os serviços de voz o LTE

apresenta uma eficência espectrial 10 vezes superior

ao GSM.

CSFB (Circuit Switch Fall Back)

VoLTE (VoIP Over LTE)

O LTE não é só dados Número de usuários ativos vs tecnologia

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

Redução de Custos

Domínio de Voz Domínio de Dados

Tráfego (Custo)

Receita

Serviço Taxa & Volume

Preço € Custo/ MByte

Preço / MByte

Preço Relativo

SMS 160 Bytes €0.15/ mensagem

€ X € 1.000 400.000

Voz 10 kbps 0.05 a € 0.5 o minuto

€ Y € 0.7 - € 7 300 - 3000

Dados (3 GBytes)

3 GBytes €20 / mês € Y/5 € 0.007 3

Mobile TV Unicast (50 hrs)

50 horas @ 100 kbps

€5 / mês € Y/5 € 0.0023 1

Dilema da Banda Larga: Desacoplamento da Receita e Tráfego

O preço relativo por Mbyte quando

comparado com a banda larga é:

400.000 vezes maior para o SMS e

300 a 3000 vezes maior para o serviço de voz.

$$$

$$$

$$$

$$$

$$$

$$$

$$$

3G (1) 3G (2) 3G (3) 3G (4)

3a. Portadora

2a. Portadora

NodeB

LTE (X)

Custos por Estação: LTE vs 3G

0,0000

1,0000

2,0000

3,0000

0 500 1000

1800 MHz (10) 2600 MHz (20)

HSPA+ HSPA+ (DC)

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0 20 40 60

1800 MHz (10) 2600 MHz (20)

HSPA+ HSPA+ (DC)

Gráficos das densidades: estações (eNB/km2 ) vs Usuários (users/km2)

Baixa densidade Alta densidade

Fonte: Planejamento/2011 Fonte: GTEC/2011

Fonte: Agilent (LTE Woorld Summit 2010)

CapEx

Self Organized Network

OpEx

Self-Planning & Dynamic Re-planning

Self-Configuration

Self-Optimization

Self-healing

Estima-se uma economia de OpEx da ordem de 40% segundo “Heavy Reading:

4G/LTE Insider 2010”

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

A Oi e o LTE

35 redes comerciais em 21 países.

63 trials em 21 países em andamento com lançamento planejandos para os próximos anos

Compromissios para lançamento de 185 novas redes comerciais em 66 países

Países com redes comerciais

Países com redes planejadas

Países com trial Fonte: GSA Novembro/2011

30 11

10

2 27 70

47

Módulos

Tablets

Notebooks

PC Cards

Smartphones

Routers

LTE FDD

700 MHz 106

800 MHz 42

1800 MHz 41

2600 MHz 52

800/1800/2600 MHz 36

AWS 35

Fonte: GSA Outubro/2011

São 197 dispositivos disponíveis em diversas freqüências 248 operadoras em 87 países investem em LTE

O Trial de LTE

S1-U

X2 S11

PCRF

HLR/HSS

OCS/OFCS

Internet

S5S-GW P-GW

MME

IMS

S1-AP

Gx

RxS6a

SGi

GyGz

Sy

Ro/Rf

Sh

Sp

Programa para realização de testes sistêmicos, de conformidade e performance para:

Internalização da tecnologia Avaliação da tecnologia, arquitetura, serviços fim-a-fim Antecipação e avaliação dos potenciais problemas na implementação futura Avaliação dos fornecedores

Objetivo

Fase 0 Fase 1 Fase 2

Testes de conformidade

Testes sistêmicos

Testes de funcionalidades especiais

Testes de Performance Outdoor

Arquiteura Genérica do Trial

Participantes do Trial

Ao todo são 9 empresas envolvidas com mais de 100 profissionais,

para realização do planejamento, instalação, configuração e execução

de mais de 50 testes nas redes de acesso, núcleo e IMS.

Cabo Frio (ALU)

Itaguaí (NSN)

Araruama (Huawei)

Macaé (ZTE)

Teresópolis (Ericsson)

Gerência de Tecnologia e Integração de Serviços

LTE não é 4G!!!

Mas não há caminho para o 4G sem o LTE!

Obrigado!