Coordenao de Interferncia Multi-Celular em Sistemas LTE utilizando Tcnicas de Beamforming

Srgio Galveia Nunes

Dissertao para obteno do Grau de Mestre em Engenharia Electrotcnica e de Computadores

Jri

Presidente: Prof. Fernando Duarte Nunes

Orientador: Prof. Antnio Jos Castelo Branco Rodrigues

Co-Orientador: Prof. Nuno Antnio Fraga Juliano Cota

Vogal: Prof. Pedro Joaquim Sebastio

Outubro 2012

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Para os meus pais

Para a Marilyn

Para a minha famlia e amigos

Dreams may be impossible, yet still be dreamed.

(Isaac Asimov)

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Agradecimentos

Em primeiro lugar quero agradecer ao Professor Antnio Rodrigues (IST, Lisboa) e ao Professor Luc Vandendorpe (UCL, Blgica) por me terem introduzido no tema desta dissertao e tambm ao Professor Nuno Cota (ISEL, Lisboa) pela superviso e todo o apoio dado ao longo do desenvolvimento da tese.

Quero tambm agradecer ao meu pai pelas palavras de encorajamento e minha me pelo suporte dado mesmo nas alturas em que surgiam mais obstculos.

Quero agradecer minha famlia que sempre me apoiou e que sem os quais este trabalho teria sido uma tarefa muito mais difcil.

Quero agradecer Marilyn e aos meus amigos mais prximos pela pacincia, motivao e otimismo constante que me transmitiram ao longo destes anos de curso, sem os quais o meu percurso acadmico no seria o mesmo.

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Resumo

O principal objetivo desta tese foi apresentar a problemtica do efeito de interferncia numa rede LTE e propor uma soluo de Beamforming que, atravs de um incremento de complexidade de processamento, permite mitigar os efeitos de interferncia, aumentar a qualidade da cobertura da rede LTE e assim melhorar a equidade do servio prestado aos utilizadores da rede. So descritos vrios cenrios a fim de poder obter uma comparao entre um sistema com e sem Beamforming.

Inicialmente apresentado um cenrio monoutilizador numa clula sem interferentes. De seguida so introduzidos interferentes e avaliada a qualidade da cobertura da rede. Por fim so aplicadas tcnicas de Beamforming num modelo global com vrios interferentes e utilizadores em diferentes clulas.

Os resultados mostram que num cenrio com interferncia, a qualidade da cobertura de uma clula LTE bastante afetada. A utilizao de Beamforming permite aumentar at +11 dB o nvel de SINR na periferia da clula e isto reflete-se num aumento de at +54 Mbps de dbito de Download expectvel para um utilizador que se encontra na periferia. A eficincia espectral tambm bastante melhorada conseguindo-se um aumento significativo de +3 bps/Hz.

Estes resultados levam concluso que a utilizao de Beamforming aplicada tecnologia LTE tem um potencial enorme, principalmente em cenrios em que existe muita interferncia inter-celular, podendo assim ser considerado como alternativa vlida como mtodo de coordenao de interferncia inter-celular (ICIC).

Palavras-chave LTE, MIMO, ICIC, Beamforming, QoS

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Abstract

The main objective of this thesis was to present the problem of the effect of interference in a LTE network and propose a solution using Beamforming, mitigating the effects of interference, increasing the quality of network coverage and thus improving the fairness of service to network users. Various scenarios are described in order to obtain a comparison between a system with and without Beamforming.

Initially, a single-user, single-cell model with no interferents is presented. Another model including interferents is then introduced in order to evaluate the quality of the network coverage. Finally, we simulate a model where we apply Beamforming techniques in a global scenario with multiple interfering cells.

The results show that in the presence of strong interference, the quality of the coverage of a LTE cell is greatly affected. The use of Beamforming allows for an increase of SINR power in Cell-Edge of around +11 dB and this is reflected with an increase of up to +54 Mbps of Downlink throughput for the Cell-Edge user. Spectral efficiency is also greatly improved with results showing a significant increase of up to +3 bps/Hz.

These results lead to the conclusion that the use of Beamforming applied to LTE technology has enormous potential, especially in scenarios where there is a lot of inter-cell interference and therefore these techniques can be considered as a valid alternetive for Inter-cell Interference Coordination (ICIC).

Keywords LTE, MIMO, ICIC, Beamforming, QoS

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ndice Agradecimentos .............................................................................. v

Resumo ........................................................................................... vi

Abstract .......................................................................................... vii

ndice ............................................................................................. viii

Lista de Figuras ............................................................................... x

Lista de tabelas ............................................................................... xi

Lista de acrnimos ......................................................................... xii

Lista de Software ........................................................................... xiv

Captulo 1 Introduo ...................................................................... 1

1.1. Motivaes ..................................................................................................... 2

1.2. Estrutura da dissertao ................................................................................. 3

Captulo 2 Conceitos Fundamentais ................................................ 5

2.1 Espectro Electromagntico ............................................................................. 6

2.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM e OFDMA) ..................... 8

2.3 LTE ................................................................................................................. 9

2.3.1 Arquitetura de rede ................................................................................ 10

2.3.2 Interface Rdio ...................................................................................... 11

2.3.3 Link Budget ........................................................................................... 16

2.3.3.1 Capacidade ........................................................................................ 16

2.3.3.2 Cobertura ........................................................................................... 18

2.4 Modos de transmisso (MIMO) ..................................................................... 19

2.5 Modulao e Codificao Adaptativa (AMC) ................................................. 22

2.6 Tcnicas de Coordenao de Interferncia (ICIC) ........................................ 24

2.7 Beamforming ................................................................................................ 26

2.8 Qualidade de servio/qualidade de experincia ............................................ 31

2.9 Key performance Indicators (KPIs) ............................................................... 33

2.9.1 Reference Signal Received Power (RSRP) ........................................... 33

2.9.2 Reference Signal Received Quality (RSRQ) .......................................... 33

2.9.3 Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) ...................................... 35

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Captulo 3 Descrio do Modelo e Cenrios Simulados ................ 37

3.1 Estrutura Celular ........................................................................................... 38

3.2 Cenrio Mono-celular sem interferentes ....................................................... 39

3.3 Cenrio Multi-Celular com Interferentes ........................................................ 40

3.3.1 Sem Beamforming ................................................................................. 40

3.3.2 Com Beamforming ................................................................................. 40

3.3.3 Clculo do dbito de DL e eficincia espectral ....................................... 41

3.3.4 Funcionamento do simulador ................................................................. 43

Captulo 4 Apresentao e Anlise de Resultados ........................ 45

4.1 Modelo Sem Interferentes (Mono-Celular) .................................................... 46

4.2 Modelo Com Interferentes (Multi-Celular) ..................................................... 47

4.2.1 Com variao da posio do utilizador (D1)........................................... 47

4.2.1.1 Relao Sinal/Rudo - SINR ............................................................... 51

4.2.1.1.1 Ambiente Rural ............................................................................. 51

4.2.1.1.2 Ambiente Urbano .......................................................................... 52

4.2.1.2 Dbito ................................................................................................ 53

4.2.1.2.1 Ambiente Rural ............................................................................. 53

4.2.1.2.2 Ambiente Urbano .......................................................................... 54

4.2.1.3 Eficincia Espectral ............................................................................ 55

4.2.2 Com variao da distncia inter-celular (ISD) ........................................ 57

Captulo 5 Concluses e Trabalho Futuro ..................................... 59

Anexo A Link Budget ..................................................................... 63

Anexo B Mapeamento CQI/MCS ................................................... 67

Referncias ................................................................................... 71

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Lista de Figuras Figura 1 Evoluo das redes mveis [1] .................................................................................... 2 Figura 2 Esquema de diviso por frequncia-tempo ................................................................. 8 Figura 3 Crescimento anual do trfego e evoluo prevista do lucro em funo do trfego [4] 9 Figura 4 Estrutura da E-UTRAN [5] ......................................................................................... 10 Figura 5 Estrutura da EPC [5] .................................................................................................. 11 Figura 6 Estrutura de smbolo OFDM [6] ................................................................................. 12 Figura 7 Esquema de diviso tempo/frequncia por Resource Blocks ................................... 12 Figura 8 Estrutura de uma trama de DL [5] .............................................................................. 13 Figura 9 Diviso em Resource Blocks [5] ................................................................................ 14 Figura 10 Estrutura de uma trama de UL [7] ............................................................................ 15 Figura 11 Esquema de transmisso MIMO .............................................................................. 19 Figura 12 Classes de MIMO ..................................................................................................... 20 Figura 13 SINR vs eficincia spectral para vrios esquemas de modulao [9] ..................... 22 Figura 14 Diagrama de ICIC [10] ............................................................................................. 24 Figura 15 Comportamento terico do SINR em funo da distncia ao eNB (a) sem ICIC (b)

com ICIC ................................................................................................................. 25 Figura 16 Estrutura celular com FFR [11] ................................................................................ 25 Figura 17 Aumento do raio de cobertura da clula com Beamforming.................................... 26 Figura 18 Layout bsico de uma rede com Beamforming [5] .................................................. 27 Figura 19 Layout tpico de antenas de beamformers [5] ......................................................... 28 Figura 20 Array de elementos de antena uniformemente espaados [5] ................................ 29 Figura 21 Fluxo de sinal MMSE [5] .......................................................................................... 30 Figura 22 Mapeamento de parmetros de QoS e QoE [12] .................................................... 31 Figura 23 Comportamento de RSRP e RSRQ em diferentes situaes [13] .......................... 34 Figura 24 Estrutura celular proposta ........................................................................................ 38 Figura 25 Detalhe da estrutura de uma clula ......................................................................... 39 Figura 26 Estrutura celular do modelo multi-clula .................................................................. 40 Figura 27 Diagrama lgico de clculo de dbito e eficincia espectral ................................... 41 Figura 28 Diagrama lgico de clculo de dbito a partir de SINR ........................................... 41 Figura 29 Eficincia espectral para diferentes modulaes, em funo do SNR [15] ............. 42 Figura 30 Diagrama de funcionamento do simulador .............................................................. 43 Figura 31 Diagrama das simulaes realizadas. ..................................................................... 44 Figura 32 Resultados de simulaes para modelo mono-celular sem interferentes ............... 46 Figura 33 SINR em funo de D1 para ISD 3 Km ................................................................... 48 Figura 34 SINR em funo de D1 para ISD 10 Km ................................................................. 48 Figura 35 SINR em funo de D1 para ISD 20 Km ................................................................. 48 Figura 36 SINR em funo de D1 para ISD 1.5 Km ................................................................ 49 Figura 37 SINR em funo de D1 para ISD 3 Km ................................................................... 49 Figura 38 SINR em funo de D1 para ISD 10 Km ................................................................. 50 Figura 39 Variao de SINR em funo de ISD, Ambiente Rural, 8 Interferentes .................. 57 Figura 40 Variao de SINR em funo de ISD, Ambiente Rural, 0 Interferentes .................. 57 Figura 41 Variao de SINR em funo de ISD, Ambiente Urbano, 8 Interferentes ............... 58 Figura 42 Variao de SINR em funo de ISD, Ambiente Urbano, 0 Interferentes ............... 58 Figura 43 Interpolao para 64-QAM code rate e ETU 70 Hz no DL [7] ............................. 68

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Lista de tabelas Tabela 1 Resultados da fase de licitao do leilo multi-faixas [3]............................................ 7 Tabela 2 Nmero de RB em funo da BW [5] ........................................................................ 15 Tabela 3 Dbitos de pico da camada fsica para DL [7] .......................................................... 17 Tabela 4 Dbitos de pico da camada fsica para UL [7] .......................................................... 17 Tabela 5 Matriz de deciso na seleo do modo MIMO .......................................................... 21 Tabela 6 CQI e respetivas modulaes, code rates e eficincia espectral [8] ........................ 23 Tabela 7 Mapeamento de medicos de RSRP [13] ................................................................... 33 Tabela 8 Mapeamento de medicos de RSRQ [13] .................................................................. 34 Tabela 9 Cell-Edge SINR [dB] sem Beamforming, modelo mono-utilizador sem interferentes

................................................................................................................................ 47 Tabela 10 Cell-Edge SINR [dB] Sem Beamforming, Ambiente Rural ...................................... 51 Tabela 11 Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Rural ..... 51 Tabela 12 Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Rural ..... 51 Tabela 13 Cell-Edge SINR [dB] Sem Beamforming, Ambiente Urbano .................................. 52 Tabela 14 Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Urbano .. 52 Tabela 15 Cell-Edge SINR [dB] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Urbano .. 52 Tabela 16 Dbito por stream [Kbps] Sem Beamforming, Ambiente Rural .............................. 53 Tabela 17 Dbito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Rural

................................................................................................................................ 53 Tabela 18 Dbito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Rural

................................................................................................................................ 53 Tabela 19 Dbito por stream [Kbps] Sem Beamforming, Ambiente Urbano ........................... 54 Tabela 20 Dbito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 4 antenas, Ambiente Urbano

................................................................................................................................ 54 Tabela 21 Dbito por stream [Kbps] Com Beamforming, array de 8 antenas, Ambiente Urbano

................................................................................................................................ 54 Tabela 22 Eficincia Espectral [bits/Hz], Ambiente Rural ........................................................ 55 Tabela 23 Eficincia Espectral [bits/Hz], Ambiente Urbano ..................................................... 56 Tabela 24 ndice de CQI, MCS e Itbs com respetivos code rates e modulaes .................... 69 Tabela 25 Transport block size em funo do nmero de RB e Itbs ....................................... 70

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Lista de acrnimos 16-QAM 16 Quadrature Amplitude Modulation 3GPP Third Generation Partnership Project 64-QAM 64 Quadrature Amplitude Modulation ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AMC Adaptative Modulation Coding ANACOM Autoridade Nacional de Comunicaes AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Ratio BF Beamforming BS Base Station BW Bandwidth CL-SM Closed Loop Spatial Multiplexing CP Cyclic Prefix CSI Channel State Information D1 Distncia do utilizador Serving Cell DL Downlink DOA Destination of Arrival EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power eNB Evolved NodeB EPA Extended Pedestrian A EPC Evolved Packet Core ETU Extended Typical Urban EUTRAN Evolved UTRAN F Frequncia FDD Frequency Division Duplexing FFR Fraction Frequency Reuse FSU Flexible Spectrum Usage FTTH Fiber to the Home HARQ Hybrid ARQ HSDPA High-Speed Downlink Packet Access HSPA High-Speed Packet Access HSPA+ High-Speed Packet Access Evolutions ICIC Inter-Cell Interference Coordination IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISD Inter-Site Distance ISI Inter-symbol Interference KPI Key Performance Indicator M Nmero de Elementos de Antena MCS Modulation and Coding Scheme MIMO Multiple Input Multiple Output MME Mobile Management Entity MMSE Minimum Mean Square Error MU-MIMO Multi user MIMO OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access OL-SM Open Loop Spatial Multiplexing PAR Peak-to-average power Ratio PBCCH Physical Broadcast Control CH PBCH Physical Broadcast Channel PCFICH Physical Control Format Indicator Channel PDCCH Physical Downlink Control Channel PDCP Packet Data Convergence Protocol PDCP Packet Data Convergence Protocol P-GW Packet Data Network Gateway PMI Pre-coding Matrix Indicator

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P-SCH Primary Synchronization Channel QOE Quality of Experience QOS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Key RB Resource Block RE Resource Element RF Radio Frequency RLC Radio Link Control RRC Radio Resource Control RRM Radio Resource Management RS Reference Signal RSRP Reference Signal Received Power RSRQ Reference Signal Received Quality RSSI Received Signal Strenght Indicator RTT Round trip time RX Reception SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access SDMA Space-Division Multiple Access S-GW Serving Gateway SIMO Single-Input Multiple-Output SINR Signal to Noise plus Interference Ratio SISO Single-Input Single-Output SMI Simple Matrix Inversion S-SCH Secondary Synchronization Channel SU-MIMO Single user MIMO TB Transport Block Size TDD Time Division Duplexing TX Transmission UE User Equipment UL Uplink UMTS Universal Mobile Telecommunications System USIM UMTS Subscriber Identity Module WCDMA Wideband Code Division Multiple Access WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

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Lista de Software

MATLAB Ferramenta computacional de simulao e matemtica

Microsoft Excel Ferramenta de clculo

Microsoft Visio Ferramenta de design grfico

Microsoft Word Editor de texto

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Captulo 1 Introduo

Este captulo apresenta uma breve descrio do trabalho. So apresentadas as motivaes e a estrutura em que a dissertao se baseia.

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1.1. Motivaes

Nos ltimos anos tem sido evidente uma evoluo contnua das tecnologias de acesso mvel, sendo suportados cada vez mais servios que necessitam de uma performance e robustez, mesmo em ambientes de grande mobilidade. Na Figura 1 apresentada a evoluo das redes mveis nos ltimos anos.

Figura 1 Evoluo das redes mveis [1]

A fim de melhorar a capacidade da tecnologia LTE e LTE-Advanced, esto a ser consideradas opes de Multiple Input Multiple Output (MIMO), alcanando-se assim uma elevada eficincia espectral com uma alocao inteligente do espetro eletromagntico. Os sistemas MIMO permitem tambm criar vrios streams paralelos de informao, o que em teoria levaria a uma multiplicao de capacidade usando os mesmos recursos.

Para melhorar a capacidade e eficincia espectral, assume-se que vrios utilizadores da mesma clula possam utilizar as mesmas frequncias. Como tal necessrio considerar uma utilizao flexvel do espectro, oferecendo assim uma elevada escalabilidade do sistema comparando com a abordagem clssica de utilizao espectral. Considera-se assim o acesso mltiplo recorrendo a Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) com Space Division Multiple Access (SDMA) que permite uma partilha eficiente dos recursos da rede aumentando assim a eficincia espectral do sistema.

De forma a melhorar este sistema considerada a possibilidade de introduzir tcnicas de Beamforming (BF) na estao de base (eNodeB eNB) que atravs de um conhecimento total da localizao dos utilizadores, capaz de redireccionar o feixe emitido de forma a melhorar substancialmente a cobertura de um utilizador num dado momento. O Beamforming permitir tambm reduzir substancialmente a interferncia causada aos outros utilizadores do cluster, j que so criados lobos de baixa potncia nas direces dos User Equipments (UE) que no esto a ser focados nesse dado momento.

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1.2. Estrutura da dissertao

Esta dissertao composta por vrias seces. A primeira seco tem como objetivo fazer uma introduo terica do tema. Para tal comea-se por apresentar o problema da utilizao partilhada do espectro electromagntico. De seguida so explicadas as tcnicas de multiplexagem e acesso mltiplo utilizadas na tecnologia LTE.

So depois apresentadas as caractersticas principais da tecnologia LTE, nomeadamente a Arquitetura de Rede, a Interface Rdio e o Link Budget. Nesta ltima so apresentadas as principais preocupaes de um operador, nomeadamente Capacidade, Cobertura.

De seguida so apresentados os modos de transmisso Multiple Input Multiple Output e as respetivas configuraes e como so aplicadas no LTE.

O objetivo principal desta dissertao compreender como a interferncia pode prejudicar a performance da rede LTE e como tal so ento descritas vrias tcnicas de coordenao de interferncia inter-celular (Inter-celular Interference Coordination ICIC) aprofundando-se depois a soluo de Beamforming, onde se estuda a possibilidade de, atravs de algum processamento de sinal, se conseguem criar feixes direcionais, aumentando a potncia do sinal e reduzindo interferncia para utilizadores de outras clulas do cluster.

A seco seguinte dedicada descrio do modelo terico e dos parmetros utilizados para a simulao. Comea-se por descrever a estrutura celular da rede LTE e, atravs de vrios patamares de complexidade, so apresentados cenrios que combinam um nmero varivel de utilizadores com um nmero varivel de interferentes (cluster de clulas vizinhas).

ento analisado um novo cenrio que, utilizando as tcnicas de Beamforming descritas anteriormente, permitem criar um ganho da potncia do sinal til recebido pelo utilizador principal e ao mesmo tempo reduzir a potncia de interferncia para as outras clulas adjacentes. Com este modelo consegue-se assim aumentar o SINR do utilizador, sendo este efeito mais proponderante na periferia da clula.

Na seco seguinte so apresentados e analisados os resultados obtidos pelo simulador de acordo com os vrios cenrios propostos anteriormente, com especial foco em redes Urbanas onde atualmente se utiliza a banda de 2600 MHz com 20 MHz de bandwidth (BW), e redes Rurais, onde normalmente usada a banda de 800 MHz com 10 MHz de BW por ter um alcance superior.

Por fim so retiradas concluses e so propostas novas metodologias para o trabalho futuro.

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Captulo 2 Conceitos

Fundamentais

Neste captulo , inicialmente, apresentada uma descrio da problemtica da partilha do espectro electromagntico e apresentado o mais recente leilo de espectro electromagntico conduzido pela entidade reguladora das telecomunicaes em Portugal (ANACOM). De seguida abordada a tcnica de acesso OFDM, fundamental na tecnologia LTE.

Explica-se tambm o funcionamento do LTE, nomeadamente: Arquitetura de Rede (EUTRAN e EPC), Interface Radio (estrutura de tramas de Downlink e Uplink) e Link Budget (cobertura e capacidade). So introduzidos os conceitos de diversidade atravs dos modos de transmisso MIMO e coordenao de interferncia atravs de tcnicas de ICIC assim como o conceito de Beamforming.

Por fim foca-se a Qualidade de Servio e Qualidade de Rede de uma rede LTE, evidenciando-se os respetivos indicadores chave ( Key Perfomance Indicator - KPI).

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2.1 Espectro Electromagntico

Inicia-se este captulo com uma breve explicao do conceito de partilha de espectro electromagntico, funcionalidade fulcral nas novas redes de acesso mvel, que utilizam os recursos disponveis no espectro electromagntico, para transmitir informao.

A partilha de espectro acontece quando vrios sistemas rdio independentes (por exemplo rdios militares, redes mveis celulares, etc) ou utilizadores independentes utilizam as mesmas frequncias do espectro electromagntico cooperativamente (no tempo, espao, cdigo, etc) [2]. O processo de partilha de espectro baseia-se em cinco passos fundamentais:

1. Sensibilidade espectral: uma tecnologia pode apenas alocar uma poro do espectro que no esteja licenciada a outro utilizador.

2. Alocao espectral: de acordo com a disponibilidade do espectro, pode ser alocado um canal associado a uma banda de frequncias do espectro.

3. Acesso ao espectro: possvel que vrios utilizadores acedam s mesmas frequncias depois de alocadas, este acesso tem de ser coordenado para evitar interferncia.

4. Acordo entre transmissor e recetor: quando uma poro do espectro definido para comunicaes o recetor desta comunicao deve tambm ser informado sobre as frequncias escolhidas, a fim de ser possvel estabelecer o canal de ligao entre recetor e emissor.

5. Mobilidade de espectro: os utilizadores so considerados como visitantes das bandas de frequncia do espectro que utilizam.

A classificao da Partilha Espectral baseada na arquitetura de rede, comportamento de alocao espectral e tcnica de acesso espectral:

Arquitetura: o Centralizada, em que existe uma entidade centralizada que controla a alocao

e acesso. o Distribuda, em que cada n responsvel pela alocao espectral e o acesso

realizado de acordo com polticas e regras locais. Alocao espectral:

o Cooperativa, em que existe comunicao entre os ns da rede, que partilham indicadores de medidas de interferncia de cada n.

o No Cooperativa, em que cada n independente dos outros. Acesso espectral:

o Overlay, em que cada n utiliza uma parte do espectro que no foi licenciada por nenhum utilizador.

o Underlay, em que um n comea a sua transmisso numa poro do espectro que ento considerada como rudo para os outros ns.

Estas caractersticas permitem o desenvolvimento de uma rede com partilha espectral entre redes (Inter-Network Spectrum Sharing) e/ou dentro da mesma rede (Intra-Network Spectrum Sharing).

Numa rede LTE re-utilizado o espectro entre utilizadores (Intra-Network Spectrum Sharing) de clulas diferentes, o que vai provocar interferncia entre utilizadores.

Para reduzir este efeito so utilizadas tcnicas de Utilizao Flexvel do Espectro (Flexible Spectrum Usage), onde os utilizadores podem usar flexivelmente o espectr, permitindo assim uma maior escalabilidade espectral do sistema.

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Em Portugal, o regulador ICP-ANACOM lanou recentemente um leilo para os operadores em que foram atribuidos vrios espectros em diversas bandas sem especificar que tecnologia ser usada em cada banda.

Tabela 1 Resultados da fase de licitao do leilo multi-faixas [3]

A oferta da LTE em Portugal foi muito recentemente apresentada e utiliza principalmente as bandas de frequncias dos 2600 MHz e 800 MHz com diferentes larguras de banda.

A tecnologia LTE prev dois tipos de modos duplex: FDD e TDD. A FDD est optimizada para funcionar em simultneo com 384 Mcps UMTS enquanto que a TDD funciona a 128 Mcps UMTS TDD.

Aps o leilo da ANACOM ficou claro que o modo de duplexagem escolhido pelos operadores ser o FDD pelo que apenas consideraremos este modo no resto da tese j que permite uma optimizao da eficincia da utilizao espectral.

De seguida so apresentadas as tcnicas de multiplexagem e acesso mltiplo aplicadas na rede LTE para servir os utilizadores.

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2.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM e OFDMA)

A tecnologia LTE utiliza Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) no Downlink, que uma tcnica de acesso mltiplo apropriado para obter elevados dbitos de pico com grandes larguras espectrais de banda (bandwidth BW).

Para atingir picos de dbito de 100 Mbps necessria uma complexidade bastante elevada a nvel dos terminais, o que no prtico com a tecnologia da 3 gerao mvel, que se baseia no acesso multplo por Wide-band Code-division Multiple Access (WCDMA). aqui que o OFDM pode trazer vantagens.

A calendarizao (scheduling) no domnio da frequncia permite minimizar a interferncia, aumentando a eficincia espectral. A vertente OFDMA permite a criao de canais com dimenses espectrais flexiveis, podendo se criar canais com larguras de banda escalveis desde os 1.4 MHz at aos 20 MHz.

No Uplink no utilizado OFDMA puro, j que isso implicaria um Peak to Average Ratio (PAR) elevado, comprometendo a utilizao eficiente dos recursos energticos dos terminais e consequentemente diminuindo drasticamente a capacidade da bateria dos equipamentos. No LTE utiliza-se a tcnica de acesso mltiplo denominado de Single-carrier FDMA (SC-FDMA), que similar ao OFDMA, mas tem uma vantagem entre 2 a 6 dB de PAR em relao ao OFDMA tal como utilizado na tecnologia WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access).

Numa rede sem fios com elevada capacidade crucial escolher uma modulao que permita a maior eficincia espectral possvel.

Num sistema OFDM, o espectro disponvel dividido em sub-portadoras ortogonais. Cada uma das sub-portadoras modulada independentemente e pode transportar um stream (canal) diferente de informao. Na Figura seguinte apresentado o esquema de diviso por frequncia-tempo para um sistema com 5 MHz de largura de banda.

Figura 2 Esquema de diviso por frequncia-tempo

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2.3 LTE

Nesta seco descrita a tecnologia LTE, incluindo principais funcionalidades, arquitetura de rede, interface radio, cobertura e capacidade celular.

O crescimento acelerado do mercado de comunicaes mveis levou a um paradigma de constante procura de evoluo nos servios prestados pelos operadores.

Figura 3 Crescimento anual do trfego e evoluo prevista do lucro em funo do trfego [4]

A optimizao de servios orientados para a comutao de pacotes, a necessidade crescente de colmatar uma procura incessante de mais dbito, muito devido ao crescimento das redes sociais e de contedos multimdia de alta definio, levaram o 3GPP a criar os standards da evoluo da terceira gerao mvel.

Na tecnologia LTE apresentada uma arquitectura mais transversal que capaz de operar em simultneo com as anteriores geraes a nvel da camada de rede.

As principais funcionalidades da tecnologia LTE so:

Dbitos de Downlink de pico at 326 Mbps com 20 MHz de BW. Dbitos de Uplink de pico at 86.4 Mbps com 20 MHz de BW.

Operabilidade tanto no modo Time-Division Duplex (TDD) como no modo Frequency-Division Duplex (FDD).

Largura de banda escalvel at 20 MHz, incluindo 1.4, 3, 5, 10, 15 e 20 MHz.

Aumento da eficincia espectral em relao Release 6 HSPA (High Speed Packet Access) por um fator multiplicativo de dois ou quatro.

Reduo substancial da latncia, para 10 ms de RTT (round trip time) entre equipamento e o base station, assim como reduo para menos de 100 ms para o tempo de transio de inatividade para atividade.

Capacidade de auto-otimizao de acordo com o controlo e preferncias do operador, que dever automatizar o planeamento da rede, reduzindo o custos.

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2.3.1 Arquitetura de rede

A Arquitetura de rede LTE tenta centralizar todo o processamento mais complexo na interface de rdio das Base Stations (BS), tambm denominadas de Evolved-NodeB (eNB).

A estrutura da rede LTE simular da gerao anterior e baseada no conceito de rede orientada comutao de pacotes.

Figura 4 Estrutura da E-UTRAN [5]

Os elementos desta rede so os seguintes:

Evolved-NodeB (eNB), elemento representativo da E-UTRAN que contem todas as funes da interface Radio. No eNB podem ser identificadas as funes de Radio Link Control (RLC), Radio Resource Control (RRC) e Packet Data Convergence Protocol (PDCP). Assim todas as operaes anteriormente desempenhadas pelo Resource Radio Manager (RRM) tais como controlo de admisso, controlo de barreira de radio e alocao dinmica de recursos, so agora desempenhadas no eNB. tambm definida uma interface X2 que providencia a ligao entre eNBs. Esta interface bastante importante e permite a gesto de handovers entre clulas a nvel de eNB sem necessidade de interveno de controladores de um nvel mais elevado de hierarquia.

Acesso Radio e Core Network, representados pela Evolved Packet Core Network (EPC) Na rede Core encontramos os ns lgicos: o PDN Gateway (P-GW), Serving Gateway (S-GW) e a entidade de gesto de mobilidade (Mobility Management Entity MME). Garantindo a interoperabilidade com as geraes anteriores, os ns P-GW e S-GW fazem o processamento a nvel do plano de dados do utilizador, processam os pacotes IP e analisam as necessidades de QoS filtrando os pacotes a nvel de DL.

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A estrutura da EPC representada pela Figura 4.

Figura 5 Estrutura da EPC [5]

de salientar que a ligao entre a eUTRAN e a EPC realizada atravs da interface S1 e que a comunicao entre eNBs realizada atravs da interface X2.

2.3.2 Interface Rdio

A interface de rdio apresentada na tecnologia de 4 Gerao procura obter a eficincia mxima possvel na transmisso de pacotes na rede. Assim sendo, na camada fsica podemos encontrar canais que so partilhados, o que torna a gesto de recursos dinmica.

Esta interface tem ao mesmo tempo o desafio de co-existir com as tecnologias de geraes anteriores a fim de garantir uma passagem gradual e suave na evoluo da oferta de mercado.

A largura de banda definida em 6 valores: 1.4, 3.0, 5, 10, 15 e 20 MHz sendo de esperar que usando uma maior largura de banda obviamente teremos um maior dbito binrio.

O objetivo geral providenciar tecnologia de acesso rdio com uma elevada performance que permita uma grande mobilidade e com capacidade de coexistir com as redes de geraes anteriores.

A tecnologia LTE implementa OFDM no Downlink. O princpio bsico de dividir o stream de elevado dbito em vrios streams de dbito baixo, sendo cada um deles um sinal de banda estreita transportado por uma sub-portadora. Os streams de banda estreita so gerados no domnio da frequncia e depois combinados para criar um stream de banda larga usando Inverse Fast Fourier Transform (IFFT).

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As sub-portadoras tm 15 KHz de espaamento entre elas. Este espaamento mantido mesmo que se aumente a largura de banda global do sistema, simplificando-o. O nmero de sub-portadoras varia entre 72 para o sistema de 1.4 MHz de largura de banda at 1200 para 20 MHz de largura de banda.

O sinal ento obtido atravs de IFFT e extendido repetindo a parte inicial (denominado Cyclic Prefix CP). O sinal incluindo o CP denominado de smbolo OFDM, considerando-se o CP como um tempo de guarda entre sinais com o objetivo de mitigar os efeitos de interferncia inter-simblica (ISI) originada pelo multi-percurso. Assim, este sistema pode ser tratado como ortogonal, porque as sub-portadoras so geradas no domnio da frequncia (ortogonais) e essa caracterstica passada com IFFT.

Figura 6 Estrutura de smbolo OFDM [6]

Devido elevada mobilidade surgem efeitos de Doppler que fazem com que a ortogonalidade do sistema possa ser perdida e por isso o 3GPP decidiu normalizar o espaamento entre sub-portadoras em 15 KHz j que um sistema com estas caractersticas sofrer menos com o efeito do desvio de Doppler.

A funcionalidade principal da tcnica de acesso OFDMA vem da possibilidade de atribuir a vrios utilizadores vrias sub-portadoras ao longo do tempo. Para tal define-se a unidade mnima de um Resource Block (RB) que pode ser alocada a um utilizador. Um RB consiste em 12 sub-portadoras com 14 smbolos OFDM em 1ms. A Figura 6 mostra um diagrama exemplo de como esta atribuio pode ser realizada.

Figura 7 Esquema de diviso tempo/frequncia por Resource Blocks

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importante salientar que os recursos so ento distribuidos aos vrios utilizadores ao longo do tempo e da frequncia.

Ao controlar que sub-portadoras esto associadas a cada um dos setores de uma clula, o operador pode ento controlar a reutilizao de frequncias. Utilizando todas as sub-portadoras em cada setor a rede funciona com um fator de reutilizao de frequncias 1, mas utilizando um tero da capacidade em cada setor, o sistema atinge um fator de reutilizao de 1/3 que implica reduzir a eficincia espectral mas permite aos utilizadores que estejam localizados na fronteira da clula obter dbitos mais elevados.

Para a tecnologia LTE so tambm definidas vrias configuraes de MIMO (Multiple Input Multiple Output). No Downlink so previstas as opes de 2x2, 4x2 (quatro antenas na base station) e 4x4. No Uplink est prevista a abordagem de Single-user MIMO (SU-MIMO) e multi-user MIMO (MU-MIMO). A configurao single-user mais difcil de implementar pois necessita de dois canais de transmisso paralelos no equipamento mvel enquanto que na conFigurao multi-user no necessrio aumentar a complexidade do equipamento.

Uma trama em LTE segue o seguinte formato (Figura 8):

Figura 8 Estrutura de uma trama de DL [5]

A transmisso de uma trama de tipo 1 implica o mapeamento de:

Sinal de referncia (Reference Signal RS), usado para a estimao de canal, baseado no smbolo OFDM 0 a 4 de cada slot, tambm denominado de piloto

Canal primrio de sincronismo (Primary-Synchronisation Channel P-SCH) e canal secundrio de sincronismo (S-SCH), usados para procura de clula e sincronizao da UE na rede celular

Canal fsico de broadcast (Physical Broadcast Channel PBCH)

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Canal fsico de controlo de DL (Physical Downlink Control Channel PDCCH), que promove o scheduling e deteco de erros e retransmisso

Na tecnologia LTE a camada fsica projectada para garantir a eficincia mxima de transmisso de pacotes. As interfaces de DL e UL so compostas por canais fsicos e sinais fsicos. Os canais fsicos tm a responsabilidade de transmitir informao das camadas superiores e transportam a informao dos utilizadores (foram eliminados os canais de transporte dedicados).

Independentemente da frequncia e largura de banda, a estrutura de trama apresenta sempre 10 ms. Dentro dessa time-frame so definidos 20 slots com 0.5 ms cada e a juno de duas slots constituem uma sub-trama (com 1 ms de durao) equivalente ao TTI do L2.

Comparativamente com a tecnologia HSPA isto representa uma reduo para metade da TTI.

No domnio tempo-frequncia so definidas unidades denominadas de Resource Elements. Cada resource element tem um smbolo OFDM por sub-portadora.

A cada utilizador so atribuidos conjuntos de resource elements, cujo agrupamento se denomina Resource Block (RB). Cada RB possui na sua estrutura (apresentada na Figura 9) 84 Resource Elements (12 sub-portadoras x 7 smbolos).

Figura 9 Diviso em Resource Blocks [5]

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Esta unidade equivalente a 1 slot no domnio do tempo ou 180 KHz (12 Sub-portadoras x 15 KHz de espaamento) no domnio da frequncia. Um RB pode corresponder a 7 ou 6 smbolos OFDM consoante se considere CP normal ou estendido, respectivamente.

Consoante a largura de banda pretendida, podemos projectar o nmero de RBs fsicos, sendo apresentados os valores tericos mximos do nmero de RB sem funo da largura de banda, na tabela seguinte.

Tabela 2 Nmero de RB em funo da BW [5]

A estrutura da trama UL mantm a estrutura de slots, sub-tramas e tramas de radio do DL. Suportando diversas modulaes, os canais de controlo a nvel de UL tem de garantir alocao dinmica de recursos assim como a estimao de canais para se conseguir melhorar dbitos de pico e maximizar a eficincia espectral.

Existe um mapeamento em Resource Blocks (RB) que representa o canal de controlo fsico de UL. Analisando a estrutura da trama UL (apresentada na Figura 10) podemos observar que no terceiro smbolo do slot se encontra um sinal de referncia que utilizado para a estimao de canal e desmodelao coerente.

Figura 10 Estrutura de uma trama de UL [7]

Por fim importante referir que as bandas de frequncias utilizadas comercialmente em Portugal para esta tecnologia so as 800 MHz em ambiente rural e 2600 MHz em ambiente urbano, pelo que sero estas as bandas analisadas nesta tese.

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2.3.3 Link Budget

Para compreender o funcionamento desta tecnologia temos de analisar o seu Link Budget.

O Link Budget usado num sistema de telecomunicaes para o clculo de todos os ganhos e perdas desde o emissor, atravs do meio de propagao (espao livre, cabo, fibra, etc) at ao recetor. Este clculo tem em conta a atenuao devido a propagao, assim como os ganhos de antena e margens de desvancecimento (fading), antecipando os seus efeitos nocivos no sistema.

De seguida sero apresentados clculos para os trs fatores chaves da tecnologia LTE, nomeadamente Capacidade, Cobertura e Performance.

2.3.3.1 Capacidade

Nesta seco so apresentados os clculos relativos capacidade de um sistema celular LTE.

Tendo em conta que o dbito de cada utilizador depende do nmero de RB que lhe so atribuidos e que o nmero de RB disponveis depende de factores como a largura de banda escolhida, tipo de modulao, code rate, SNR e configurao MIMO, devemos ter tudo isto em conta quando se projeta a capacidade de uma clula LTE.

O nmero de RB por utilizador depende assim de [5]:

(2.1)

Onde:

NRB o nmero de RB.

Nu o nmero de utilizadores.

NRB/user o nmero de RB por utilizador.

Estima-se ento que o dbito oferecido a cada utilizador ser de [5]:

(2.2)

Onde:

Rb/u o dbito binrio requerido por cada utilizador (nvel de camada fsica da rede).

Nsymbols/sub-frame o nmero de smbolos OFDM por sub-trama (dependente do tamanho de CP, sendo 14 para o CP normal e 12 para o CP estendido).

M a ordem de modulao (QPSK, 16-QAM, 64-QAM).

Nstreams o nmero de fluxos no caso de se considerar MIMO.

TTTI 1 ms no caso do LTE.

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Os dbitos de pico so calculados atravs da frmula [7]:

(2.3)

Em que:

Nbits o nmero de bits em funo da modulao.

LB a largura de banda (BW).

Nsubcarrier o nmero de sub-portadoras.

NOFDM symbols per sub-frame o nmero de smbolos OFDM por sub-trama.

Tf o tempo de trama, 1ms.

Seguidamente apresentam-se nas Tabelas 3 e 4, alguns valores tericos para os dbitos de pico em vrios cenrios de largura de banda e modulaes [7].

Tabela 3 Dbitos de pico da camada fsica para DL [7]

Tabela 4 Dbitos de pico da camada fsica para UL [7]

Mostra-se assim a grande adaptabilidade da tecnologia LTE, sendo possvel atingir dbitos bastante elevados, equiparados rede de acesso por ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) ou fibra tica (Fiber to the Home - FTTH).

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2.3.3.2 Cobertura

Para melhorar o servio prestado ao utilizador final so aplicados vrios algoritmos de scheduling dinmico na eNB. Esses algoritmos so aplicados procurando criar uma equidade entre utilizadores da clula cumprindo tambm as necessidades de QoS (Quality of Service) de cada utilizador com a criao de vrias classes de trfego.

importante referir que, devido reutilizao de frequncias em clulas adjacentes, se devem analisar os casos em que os utilizadores se encontram na fronteira entre duas clulas. A interferncia inter-celular um factor bastante limitativo pois influencia a relao sinal rudo (SINR) no UE.

Mesmo assumindo um conhecimento perfeito do estado de canal (Channel State Information CSI) so necessrios algoritmos de coordenao de interferncia multi-celular, alguns dos quais sero apresentados posteriormente.

A potncia disponvel para emisso no eNB influencia fortemente o clculo do Link Budget.

A rea de cobertura da clula ento limitada potncia mnima necessria para garantir um sinal coerente no UE, assim como temos de ter em conta as condies de fading e os limites aceitveis para o Bit Error Rate (BER).

Adaptando o modelo de propagao ao cenrio escolhido podemos assim calcular o raio da clula [5]:

(2.4)

Onde:

PTX-subcarrier[dBm] a potncia transmitida em cada sub-portadora.

Pr-subcarrier[dBm] a sensibilidade mnima necessria para atingir determinado dbito.

A potncia mnima recebida calculada atravs da seguinte expresso [5]:

(2.5)

A largura de sub-banda de f = 15 KHz e Eb / N0 depende da modulao usada e das caractersticas do canal.

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2.4 Modos de transmisso (MIMO)

Com o desenvolvimento de tcnicas MIMO, modulao adaptativa e outras inovaes introduzidas em redes sem fio, o projeto de redes 4G de banda larga ser mais desafiante do que das redes 2G e 3G atuais.

Vrios fatores influenciam o seu impacto na rede e torna-se importante definir as aplicaes, servios e outras ofertas para que os operadores possam fazer um planeamento eficiente da rede. Essa complexidade permite a diferenciao de produtos tanto de fornecedores de equipamentos como service providers.

Com o objetivo de superar a performance obtida com as tecnologias anterior foram propostas vrias solues de MIMO (Multiple Input Multiple Output), que exploram as caractersticas de mltiplo percurso da transmisso rdio. Estas tcnicas envolvem a utilizao de vrias antenas para transmitir e receber sinais que atravs da diversidade espacial.

O fator chave da performance do MIMO o nmero de camadas do canal que determina a abilidade de melhorar a eficincia espectral. O ambiente de transmisso propcio a fenmenos de multi-percurso e isso permite estabelecer mltiplos canais de comunicao entre emissor e recetor.

O aumento de dbito num sistema MIMO linearmente proporcional com o nmero de antenas de emisso e recepo, estando limitado pelo nmero de camadas espaciais distintas. Assim, com 4 antenas de transmisso (Tx) e 2 antenas de recepo (Rx), o sistema MIMO permite obter at duas vezes o dbito binrio do sistema com apenas uma antena de recepo.

Em condies de linha de vista, a matriz de canal apenas uma, o que faz com que mesmo com 4 antenas, no seja possvel aumentar a eficincia espectral de um canal.

Figura 11 Esquema de transmisso MIMO

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So definidos sete modos MIMO para o Downlink:

Figura 12 Classes de MIMO

Modo 1 Single-stream (Single-antenna port; Port 0): Este modo anlogo ao sistema com apenas um stream transmitido por uma antena e recebido por uma (SISO) ou mais que uma antena (SIMO, diversidade de recepo).

Modo 2 Diversidade de Transmisso: Este modo envolve a transmisso da mesma informao atravs de mltiplas antenas (em LTE esse nmero pode ir at 4). A informao codificada diferentemente em cada uma das antenas recorrendo-se a blocos de sinalizao denominados de Space-Frequency Block Codes. Este o modo de transmisso mais habitual nos sistemas LTE. Como a mesma informao transmitida e recebida em vrias antenas o dbito de pico no incrementado, no entanto a qualidade do sinal substancialmente melhorada (SINR).

Modo 3 Open loop spatial multiplexing (OL-SM): Neste modo so utilizadas vrias antenas que transmitem streams diferentes de informao. Os streams so codificados e descodificados de acordo com code words. O nmero de camadas espaciais comunicado atravs do Transmit Rank Indicator. Como possvel transmitir informao diferente em vrios canais ou streams, consegue-se obter um dbito de pico substancialmente superior ao modo anterior. considerado um dos modos fundamentais do MIMO em LTE.

Mode 4 Closed loop spatial multiplexing (CL-SM): Semelhante ao modo 3, so enviados dois streams independentes com code words distintos atravs de vrias antenas (at 4). A diferena que neste modo existe uma Pre-coding Matrix Indicator que transmitida do UE para o eNB. Este mecanismo de feedback permite ao transmissor pre-codificar a informao, otimizando a transmisso no canal rdio para que os vrios streams sejam fcilmente descodificados. Este modo permite obter o maior dbito de pico entre os modos MIMO em LTE.

Modo 5 Multi-User MIMO: Este modo semelhante ao anterior mas a informao transmitida nos vrios streams enviada para diferentes destinatrios que partilham os mesmos recursos espectrais. Cada utilizador obtem o mesmo dbito binrio, aumentando assim o dbito binrio mdio da rede. O nmero de utilizadores servidos com este modo est limitado pelo nmero de camadas espaciais disponveis. Cada utilizador separado no domnio espacial e os seus sinais so totalmente incorrelacionados devido formao de feixes direcionais. Caso no seja possvel direcionar um feixe apenas para um utilizador, os restantes utilizadores iro sofrer interferncia e a qualidade do seu sinal ser degradado visto que estaro a utilizar os mesmos recursos.

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Modo 6 Closed loop rank 1 with pre-coding: Neste modo apenas uma code word transmitida atravs de uma camada espacial. Este modo considerado para o cenrio de fall-back do modo 4 e est tambm associado a Beamforming.

Modo 7 Single-antenna port; Port 5: Este um modo que utiliza Beamforming com uma code word que transmitida atravs de um canal. Um sinal de referncia dedicado forma um porto de antena adicional (porto 5) e permite a transmisso de mais de 4 antenas. O terminal deve ento estimar a qualidade do canal tendo em conta os canais de referncia comuns das transmisses das antenas 1 a 4.

Uma caracterstica fundamental do MIMO que o seu desempenho depende de vrios factores tais como: o estado do canal, a qualidade do sinal (medido pela SINR), a velocidade do terminal mvel, e a correlao dos sinais recebidos nas antenas de recepo. Por conseguinte, alguns modos MIMO so mais eficazes do que outros, dependendo desses factores crticos.

Os benefcios OL e CL-SM so evidentes quando a qualidade do sinal recebido (SINR) mais elevado. Na periferia da clula, um SINR baixo reduz os benefcios inerentes utilizao de MIMO. Circuito fechado rank 1 ou transmitir a diversidade tornar-se mais atraente.

O modo de transmisso 2 (diversidade de transmisso) tambm mais eficiente do que CL-SM e OL-SM num ambiente onde o scattering do sinal baixo (por exemplo, reas rurais). A comutao entre estes modos, uma forma de otimizar o desempenho do sistema.

A correlao de sinal depende do posicionamento das antenas. Quanto maior for a distncia entre as antenas de cada emissor, menor ser correlao dos sinais transmitidos pelas antenas. Isto coloca certas restries na implementao de uma rede com capacidade MIMO j que o espao no eNB e no UE limitado. As tcnicas de Beamforming so uma alternativa eficaz em ambientes de correlao elevados.

A tabela 5 sumariza a matriz de deciso utilizada para selecionar o modo MIMO mais adequado ao cenrio respetivo. Nesse sentido possvel adaptar dinmicamente o modo consoante o SINR, o scattering e a velocidade de deslocao do UE.

Tabela 5 Matriz de deciso na seleo do modo MIMO

Modo Qualidade do

Sinal (SINR) Disperso Velocidade

Adaptao

Dinmica

Diversidade de

Transmisso Baixa Baixa Alta Inexistente

Open-Loop Spatial

Multiplexing Alta Alta Alta

Diversidade de

Transmisso

Closed-Loop

Spatial

Multiplexing

Alta Alta Baixa

Diversidade de

Transmisso ou CL

Rank = 1

Closed-Loop

Rank=1 Precoding Baixa Baixa Baixa

Diversidade de

Transmisso

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2.5 Modulao e Codificao Adaptativa (AMC)

Em comunicaes celulares, a qualidade do sinal recebido pelo UE depende da qualidade do canal da Serving Cell, do nvel de interferncia de outras clulas e do nvel de rudo [8]. Para otimizar a capacidade e cobertura do sistema LTE para uma dada potncia de transmisso, o transmissor deve ter em conta as variaes de qualidade de sinal (SINR) do recetor e adaptar a distribuio de recursos de acordo com essa qualidade. Esta adaptao normalmente baseada em Adaptive Modulation and Coding (AMC), que permite modificar a modulao e codificao de uma transmisso em de forma rpida e eficiente.

Figura 13 SINR vs eficincia spectral para vrios esquemas de modulao [9]

Esquema de modulao: uma modulao de baixa ordem (por exemplo QPSK) permite uma transmisso mais robusta e tolera maiores nveis de interferncia, mas com um dbito baixo. Por sua vez, uma modulao de alta ordem (por exemplo QAM) permite um dbito binrio muito superior mas mais sensvel a erros porque bastante mais sensvel aos fenmenos de interferncia, rudo e erros de estimao de canal, apenas devendo ser aplicado quando a qualidade (SINR) do canal suficientemente elevada.

Code rate: para uma dada modulao podem ser definidos vrios code rates. O code rate pode ser definido de acordo com as condies rdio, sendo de esperar que um SINR elevado traduz-se num code rate mais prximo de 1.

Numa transmisso LTE o eNB seleciona uma Modulation Coding Scheme (MCS) de acordo com um Channel Quality Indicator (CQI). Na tabela 6 apresenta-se um resumo dos valores de CQI e respetivos code rates e eficincias espectrais.

O CQI calculado a partir do SINR medido pelo UE e reportado ao eNB atravs de canais de sinalizao Uplink. O eNB procede ento a um mapeamento de CQI em MCS, resultando num dbito mximo suportado pelo canal, de acordo com o SINR e caractersticas do recetor do UE. As modulaes escolhidas so de um modo geral QPSK, 16-QAM e 64-QAM, dependendo da cobertura rdio do UE ser razovel, aceitvel ou boa, respetivamente. Cada uma destas modulaes permite escolher mltiplos code rates, que vo influenciar diretamente o dbito til.

No Uplink tambm ocorre um processo de adaptao similar com o do Downlink, sendo a seleo do MCS tambm da responsabilidade do eNB. O eNB faz uma avaliao aos canais disponveis para transmisso e utiliza maioritariamente as modulaes QPSK e 16-QAM.

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O clculo do CQI por parte do UE pode ser realizado a partir da avaliao do Block Error Rate (BLER), reportando-se um CQI que permite obter um BLER 10%.

Tabela 6 CQI e respetivas modulaes, code rates e eficincia espectral [8]

No Anexo B apresentado um mtodo de classificao por CQI e MCS em funo do SINR.

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2.6 Tcnicas de Coordenao de Interferncia (ICIC)

A tecnologia LTE foi projetada para uma reutilizao de frequncias tipo 1, ou seja, todas as clulas utilizam toda a largura de banda disponvel para transmisso, no havendo portanto planeamento para evitar a alocao de frequncias entre clulas. Isto implica o aparecimento de interferncia na periferia da clula, reduzindo substancialmente o nvel de sinal (SINR).

Um elevado desempenho a nvel de dbito e um baixo consumo de energia so fatores essenciais nas clulas da rede LTE. Por esse motivo, o eNodeB tem de ser capaz de aplicar tcnicas de controlo de interferncia e aumentar a sua eficincia energtica [10].

A coordenao inter-celular de interferncia (Inter-cell Interference Coordination ICIC) uma funcionalidade chave do LTE, em que clulas vizinhas alocam recursos aos seus utilizadores de forma autnoma, tentando evitar situaes de conflito de utilizao dos mesmos RBs. A interferncia inter-celular gerada quando dois sinais rdio so transmitidos na mesma frequncia em clulas adjacentes, sendo o seu efeito mais observvel na periferia entre clulas (Cell Edge). A utilizao de ICIC permite melhorar a cobertura rdio e consequentemente o dbito dos terminais localizados na fronteira entre clulas.

Figura 14 Diagrama de ICIC [10]

Ao utilizar ICIC, um operador consegue melhorar a equidade de cobertura de uma clula. Os utilizadores que estejam prximos do eNB no devero sentir nenhum benefcio prtico, no entanto os utilizadores que estejam na periferia devem observar um aumento substancial da sua cobertura (SINR) e consequentemente obter dbitos superiores[11].

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Figura 15 Comportamento terico do SINR em funo da distncia ao eNB (a) sem ICIC (b) com ICIC

Na Figura 15 representado a progresso do nvel de sinal (SINR) de um utilizador ao deslocar-se desde o centro da clula at periferia num sistema sem ICIC (a) e com ICIC (b).

Existem vrias abordagens de implementao de ICIC, sendo uma delas a Reutilizao Fracional de Frequncia (Fractional Frequency Reuse FFR).

FFR uma tcnica que oferece a separao de recursos espectrais dentro de um setor. O setor particionado em diferentes reas geogrficas, cada uma utilizando uma banda especfica de frequncias, permitindo que nos setores que esto fsicamente mais prximos, sejam alocadas larguras de banda diferentes. Em clulas que esto suficientemente longe essas bandas podem ser reutilizadas. Esta tcnica implica uma reduo da eficincia espectral.

Na Figura 16 apresentado um diagrama com uma estrutura celular que utiliza FFR para minimzar os efeitos de interferncia. No interior das clulas utilizada sempre a mesma largura de banda e periferia de cada clula associada uma largura de banda diferente, representada pelas diferentes cores.

Figura 16 Estrutura celular com FFR [11]

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2.7 Beamforming

Beamforming uma tcnica de combinao de sinais rdio emitidos por pequenas antenas no direcionais para simular uma antena direcional de grandes dimenses. A antena virtual pode ser direcionada recorrendo a processamento de sinal adicional e no necessita de se mover. Em telecomunicaes Beamforming usado principalmente para reduzir interferncia e melhorar a qualidade de comunicao.

Uma antena direcional uma antena adaptativa desenhada para ter um mximo numa direo e elevada atenuao para todas as outras direes. Para criar um feixe de Beamforming necessrio recorrer a um conjunto de antenas (antenna array) em que, ao variar eletronicamente a fase e potncia emitida, consegue-se direcionar uma grande parte da potncia emitida para uma regio de cobertura.

Num sistema de Beamforming adaptativo, o lobo principal pode ser apontado virtualmente para qualquer direo, sendo necessria informao adicional de forma a compreender a posio do utilizador. Ao apontar o lobo para o utilizador expectvel um aumento considervel da qualidade do sinal recebido assim como uma reduo da interferncia para os outros utilizadores, atravs do controlo de diretividade dos nulos criados pelo array.

Os principais benefcios do Beamforming so:

Expanso da rea de cobertura da clula, j que se consegue aumentar a potncia isotrpica de radiao (EIRP), obtendo-se assim um SINR equivalente a uma distncia maior ao centro da clula.

Figura 17 Aumento do raio de cobertura da clula com Beamforming

Reduo da energia consumida na clula, devido introduo de um ganho de Beamforming que vai permitir obter um SINR equivalente reduzindo a potncia emitida na clula.

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Melhoria substancial da qualidade e fiabilidade do link rdio, atravs do benefcio que advm da utilizao de vrios canais MIMO paralelos, obtendo-se assim diversidade espacial.

Melhoria da equidade de cobertura na clula, tendo em conta que os utilizadores que se encontrem na periferia da clula tm acesso a um sinal de qualidade superior e os efeitos de interferncia evidenciados anteriormente so atenuados.

Incremento da eficincia espectral, j que atravs de um SINR superior e de uma modulao e codificao adaptativa (Adaptative Modulation and Coding AMC) mais eficiente, a eficincia espectral mdia da clula ser melhorada.

Para que a potncia radiada possa ser concentrada numa direo especfica, o beamformer tem de ter em conta a posio espacial do utilizador que deve ser servido.

Uma antena singular produz um diagrama de radiao setorial, irradiando de igual forma para todas as direes dentro desse setor.

Numa rede com Beamforming utilizam-se vrias antenas que formam um array com capacidade para controlar a direo e potncia do feixe criando-se lobos de radiao mxima e nula nas direes de interesse. A potncia emitida na direo de interesse melhorada atravs dum ganho de Beamforming e ao conhecer a localizao dos utilizadores localizados nas clulas vizinhas, o beamformer tem de ser capaz de reduzir a potncia emitida na direo destes utilizadores, mitigando assim os efeitos de interferncia inter-celular.

Esta tese foca-se na melhoria da cobertura da rede LTE do ponto de vista do utilizador na periferia da clula, apresentando-se os benefcios inerentes utilizao de Beamforming como mtodo eficaz na reduo da interferncia intercelular.

Numa rede com Beamforming, o sinal recebido em cada elemento de antena quantificado, formando um feixe na direo de interesse. O processo de quantificao aplicado tanto na amplitude como na fase do sinal recebido. Os sinais recebidos em todos os elementos do array so ento combinados de forma a criar um nico sinal que capturado pelo recetor.

Figura 18 Layout bsico de uma rede com Beamforming [5]

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Apesar do elevado desempenho de uma rede Beamforming bsica como aquela apresentada na Figura 18. O processamento realizado ao nvel de propagao e por este motivo, esta forma de quantificao denominada de Beamforming analgico, o que implica que apenas um nmero limitado de feixes pode ser criado simultneamente. A soluo para criar um maior nmero de feixes na mesma antena a introduo de processamento digital entre os elementos de antena e o receptor.

No Beamforming digital a quantificao feita no domnio digital, dentro de um computador. A sua principal vantagem baseia-se no facto de que o sinal que chega a cada elemento da antena capturado num stream digital. O processo de quantificao efectuado localmente em cada antena e seguidamente os streams so digitalmente combinados num nico sinal para o receptor. Na emisso, o sinal decomposto em vrias componentes, sendo cada uma quantificada de acordo com a direcionalidade pretendida e em seguida convertida num sinal analgico para ser transmitido pela antena.

Uma rede Beamforming pode ser categorizada de acordo com a diviso por elementos de antena ou por feixes (beams). Na Figura 19 so apresentadas as duas categorias de beamformers. Numa rede categorizada por vrios elementos de antena o beamformer quantifica um componente de sinal de cada um dos elementos de antena. Por outro lado uma rede Beamforming por feixes requer um conjunto de combinadores de feixes para quantificar os pesos associados a cada sinal. Em vez de considerar os sinais recebidos por cada elemento de antena, existem vrios grupos de elementos de antena, que formam os lobos fixos. Preferencialmente, todos os lobos so ortogonais.

Figura 19 Layout tpico de antenas de beamformers [5]

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Os algoritmos adaptativos podem ser agrupados em dois grupos principais: Switched Beamforming e Direction Finding Beamforming.

Switched Beamforming resume-se numa anlise do SINR dos vrios feixes, escolhendo-se o mximo, mas no permite mitigar eficientemente a interferncia.

Por outro lado o mtodo de Direction Finding foca-se na compreenso comportamental do utilizador. Os movimentos do utilizador so registados e tenta-se prever o seu futuro a fim de estimar a configurao de antenas mais eficiente para garantir uma boa cobertura. Isto envolve um maior esforo computacional mas permite obter um sistema mais robusto e eficiente na mitigao da interferncia.

De seguida apresentada a metodologia para o clculo da quantificao necessria para aplicar Beamforming a um sistema com vrios utilizadores em vrias clulas.

Existem vrios algoritmos que permitem implementar um sistema de Beamforming otimal, diferindo fundamentalmente na sua velocidade de convergncia para uma soluo. O algoritmo utilizado baseia-se no clculo do Menor Erro Quadrtico Mdio (Minimum Mean-Square Error MMSE).

Considere-se um array linear de antenas uniformemente espaadas com Na elementos.

Figura 20 Array de elementos de antena uniformemente espaados [5]

O sinal u1(t) chega ao array com um ngulo . Simultneamente, existem Nu-1 sinais interferentes ui(t), com i=2, sendo que cada um chega ao array com o mesmo ngulo . Obtm-se assim sada do array:

(2.6)

Onde vi representa o vetor de propagao para cada um dos sinais interferentes Nu-1 e representado por:

(2.7)

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O sinal x(t) ento multiplicado por um vector que quantifica o beamformer e que escolhido especificamente para minimizar o erro quadrtico mdio entre o sinal composto por Hx(t) e o sinal de referncia u*(t), que conhecido por ambos os intervenientes na comunicao (emissor e recetor). O ndice H denota a conjugada transporta e utilizada para obter compatibilidade matricial. O erro quadrtico mdio calculado a partir de:

(2.8)

Atravs de manipulao algbrica obtm-se o valor expectvel do erro quadrtico mdio:

(2.9)

Define-se ento E{x(t)xH(t)} como a matriz de covarincia R e representando-se E{u*(t)x(t)} como r, o erro quadrtico mdio entre o sinal do beamformer e o sinal de referncia calculado a partir do nulo do vector gradiente 2.9 em relao a w, ou seja:

(2.10)

Obtm-se ento o peso que otimiza e minimiza o MSE atravs da frmula:

(2.11)

Na Figura 21 representado o critrio de escolha do erro quadrtico mdio mnimo aplicado ao beamformer.

Figura 21 Fluxo de sinal MMSE [5]

Este algoritmo permite assim, atravs de informao que pode ser obtida analisando os sinais de referncia de UL, calcular a localizao do utilizador principal, para o qual ser direcionado um feixe com um ganho de potncia, assim como a localizao dos utilizadores localizados em clulas vizinhas, para os quais ser criado um feixe nulo, minimizando assim a interferncia causada.

importante realar que a comunicao entre eNBs crucial para coordenar a atribuio de utilizadores entre clulas e que no caso de haver um grande nmero de utilizadores espalhados uniformemente na mesma clula, os efeitos benficos do beamformer so anulados.

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2.8 Qualidade de servio/qualidade de experincia

A Qualidade de Servio (QoS) diz respeito capacidade (ou probabilidade) de uma rede fornecer um nvel de servio desejado para um tipo de trfego especfico numa rede.

A QoS de uma rede caracteriza-se da seguinte forma:

Indicadores de nvel de servio: dbito, latncia, variao de atraso e perda de pacotes.

Nveis de servio consoante o tipo de trfego.

Para fornecer QoS a rede identifica ou classifica diferentes tipos de trfego, tentando garantir um determinado nvel de QoS para cada tipo.

A eficincia de uma medida de QoS baseia-se na capacidade de atingir um determinado nvel de servio, de acordo com uma classe de trfego.

A Qualidade de Experincia (QoE) determinada pela forma como um utilizador percepciona a usabilidade de um servio, ou seja, quo satisfeito fica com os termos de servio, por exemplo: usabilidade, acessibilidade, integridade, etc. aqui que entram fatores como o dbito, o atraso, variao de atraso, perda de pacotes, indisponibilidade, segurana, perdas de conetividade, etc.

Na Figura 22 apresenta-se um diagrama que conjuga fatores de avaliao de QoE e QoS.

Figura 22 Mapeamento de parmetros de QoS e QoE [12]

A QoE refere-se percepo do usurio sobre a qualidade de um determinado servio ou rede. Ela classificada em "bom", "excelente", "fraco", etc. Por outro lado, QoS intrinsecamente um conceito tcnico. Ele medido, expresso e compreendido em termos de redes e elementos de rede, que geralmente tem pouco significado para um utilizador.

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Se bem que uma rede classifcada com QoS excelente, normalmente tenha um resultado de QoE tambm excelente, tal pode no se verificar em alguns casos, dado que a QoE depende da percepo do utilizador e no dos nmeros indicativos de QoS. Cumprir todos os parmetros de trfego de QoS no garante sempre um utilizador satisfeito.

Um dbito excelente numa localizao da rede pode no ser suficiente para melhorar a percepo de QoE de um utilizador, se este verificar que h falta de cobertura a poucos metros desse local.

Deve haver uma abordagem estatstica dos indicadores da rede, de forma a se poder construir uma anlise correta da satisfao dos utilizadores.

Atravs da compreenso dos fatores que melhor contribuem para a perceo do utilizador e aplicando esse conhecimento para definir os requisitos operacionais do sistema, um operador conseguir garantir uma QoE de nvel superior.

Esta abordagem top-down permite reduzir os custos de desenvolvimento, riscos de rejeio e reclamaes dos clientes, garantindo que o equipamento e rede vo de encontro com as necessidades do mercado.

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2.9 Key performance Indicators (KPIs)

2.9.1 Reference Signal Received Power (RSRP)

O Reference Signal Received Power (RSRP) a mdia linear da potncia dos sinais de referncia (em watts) da largura de banda utilizada.

RSRP usado para medir a cobertura de uma clula LTE no DL. O UE envia relatrios de medidas RRC que incluem os valores medidos de RSRP dentro do range [-140,-44] dBm.

A principal funcionalidade do RSRP determinar qual a clula com melhor cobertura e selecionar essa clula como Serving Cell.

Existe uma correlao entre o RSRP e o QoS do utilizador, sendo definidas as seguintes categorias:

Tabela 7 Mapeamento de medicos de RSRP [13]

RSRP > -75 dBm QoS excelente, desde que no existam muitos utilizadores ativos.

-95 < RSRP < -75 dBm QoS com ligeira degradao, sendo de esperar uma reduo de dbito da ordem dos 30-50%.

RSRP < -95 dBm QoS inaceitvel, com o dbito a decair para 0 quando RSRP se aproxima de -100 dBm.

2.9.2 Reference Signal Received Quality (RSRQ)

Tal como o RSRP, o Reference Signal Received Quality (RSRQ) usado para determinar a clula com melhor cobertura LTE numa determinada localizao geogrfica. No entanto o RSRQ indica um rtio entre a potncia til (RSRP) e toda a potncia recebida (RSSI), funcionando como um SNR. Tal como para o RSRP, o RSRQ pode ser usado como critrio para seleo inicial da clula ou para handover.

A expresso que permite o clculo do RSRQ a seguinte:

(2.12)

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Figura 23 Comportamento de RSRP e RSRQ em diferentes situaes [13]

O RSRQ definido dentro da gama [-19.5,-3] dB com uma resoluo de 0.5 dB.

Quando so comparados indicadores de RSRQ e RSRP registados na mesma localizao geogrfica (definida pelo mesmo timestamp), possvel determinar se existem problemas de cobertura ou de interferncia nessa localizao. Isto ilustrado na Figura 23.

Se um utilizador muda de localiazo ou se as condies rdio se alteram devido a outras razes e o RSRP permanece estvel (ou at melhor) quando o RSRQ se deteriora, sinnimo que houve um aumento de interferncia naquele local. Se por outro lado o RSRP e o RSRQ decrescem ao mesmo tempo, um claro indicador que existem problemas de cobertura na localizao. Esta informao bastante preciosa no troubleshooting de situaes anmalas da rede.

Tabela 8 Mapeamento de medicos de RSRQ [13]

De um modo geral, quando so reportados valores de RSRQ superiores a -9 dB expectvel que o UE esteja nas melhores condies de qualidade de cobertura. Entre -9 e -12 dB observa-se uma ligeira degradao de QoS e a partir dos -13 dB expectvel que o dbito decresa rapidamente.

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2.9.3 Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR)

Provavelmente o indicador mais til para o planeamento de rede o SINR mdio, definido como [14]:

(2.13)

Em que S a potncia mdia do sinal recebido, I a potncia mdia de interferncia e N a potncia de rudo.

A potncia mdia de interferncia pode ser decomposta em:

(2.14)

Em que Iown e Iother so as potncias mdias de interferncia intra-celular e inter-celular, respetivamente. Devido ortogonalidade em LTE a interferncia intra-celular considerada nula.

Na periferia da clula (cell edge) a interferncia originada por K clulas vizinhas mxima e calculada pela frmula:

(2.15)

Em que a potncia mxima de interferncia na periferia da clula e

um fator de atividade de sub-portadoras. Nesta tese assume-se que todas as clulas esto com utilizao mxima de sub-portadoras, ou seja, com cell load = 100%.

Assim sendo a expresso de SINR pode ser re-escrita:

(2.16)

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Captulo 3 Descrio do Modelo e Cenrios Simulados

Neste captulo so apresentados os modelos mono-utilizador mono-celular e multi-celular desenvolvidos no mbito desta tese. O principal objetivo compreender e quantificar o benefcio de utilizar Beamforming como tcnica de coordenao de interferncia inter-celular.

Comea-se por apresentar a estrutura celular que, semelhante estrutura das redes de geraes passadas, apresenta uma estrutura lveolar produzindo um cluster de clulas hexagonais. Posteriormente melhorado este modelo, considerando um nmero varivel de clulas vizinhas interferentes e so explicadas as caractersticas principais deste modelo com e sem Beamforming.

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3.1 Estrutura C

De forma a compreender a influncia do fenmeno de interferncia na performance da rede LTE necessrio definir alguns conceitos

A rede simulada tem uma topologia semelhante utilizada nas geraes anteriores de redes mveis, nomeadamente uma estrutura dimenses, sendo a Figura 24

Assume-se que cada hexgonoPor sua vez cada eNB compostode mximos de antenas de 120

Nesta estrutura existem trs clula principal, seguindo o esquema de cores de acordo com a legenda apresentada na 24.

Na clula principal (Serving Celldentro dos limites definidos por

Uma vez que no Downlink a distribuio de recursos que o mesmo recurso de rede (mesma clula, o que significa que a interferncia

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Estrutura Celular

De forma a compreender a influncia do fenmeno de interferncia na performance da rede alguns conceitos.

uma topologia semelhante utilizada nas geraes anteriores de redes eadamente uma estrutura celular, representada por hexgonos de iguais

24 uma representao grfica da estrutura proposta.

Figura 24 Estrutura celular proposta

se que cada hexgono representa uma clula que composta por um eNB no centro.composto por trs antenas com uma distncia angular

de antenas de 120 formando assim um setor cada uma.

trs nveis possveis de classificao consoante a sua distncia seguindo o esquema de cores de acordo com a legenda apresentada na

Serving Cell ou Home Cell) introduzido um utilizador que se dentro dos limites definidos por esta clula.

a distribuio de recursos segue os princpios de OFDM, assumeque o mesmo recurso de rede (Resource Block) no ser partilhado por vrios

, o que significa que a interferncia intra-celular nula.

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De forma a compreender a influncia do fenmeno de interferncia na performance da rede

uma topologia semelhante utilizada nas geraes anteriores de redes por hexgonos de iguais

uma representao grfica da estrutura proposta.

posta por um eNB no centro. angular entre direes

ificao consoante a sua distncia seguindo o esquema de cores de acordo com a legenda apresentada na Figura

do um utilizador que se desloca

de OFDM, assume-se por vrios utilizadores da

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No entanto, como um dos objetivos da tecnologia LTE garantir a mxima eficincia espectralas clulas adjacentes re-utilizpodendo os mesmos RB serem alocados a uma elevada interferncia inter

As clulas imediatamente adjacentes (clulas vizinhas prximas) e devero ser esta

As clulas mais afastadas (Far Neighbodevido sua maior distncia na qualidade da cobertura rd

As clulas adjacentes s Far Neighboor Cellsno so consideradas neste modelo porque a potncia recebida vinda destas clulas muito atenuada devido s perdas de p

A propagao em espao livre segue o modelo assume-se que todos os recursos disponveis so alocados ao utilizador da clula principal (load).

De seguida so apresentados os mono-celular com e sem interferentes.

3.2 Cenrio Mono

De forma a ter uma base de atravs de uma abordagem simplista, permite obuma clula LTE.

Assim, define-se uma clula composta por trs antenas que emitem omnidireccionalmente para cada um dos trs setores definidos na estrutura apresentada anteriormente.

Figura

Neste cenrio so considerados nulos os efeitos de interferncia intraefeitos de interferncia inter-celular, visto que no se consideram clulas vizinhas interferentes.

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No entanto, como um dos objetivos da tecnologia LTE garantir a mxima eficincia espectralutilizam os mesmos recursos espectrais (Frequency R

podendo os mesmos RB serem alocados a um utilizador de uma clula vizinhainter-celular, principalmente na fronteira entre clulas (

s clulas imediatamente adjacentes Serving Cell so denominadas Close Neighbou) e devero ser estas as principais fontes de interferncia.

(Far Neighbour Cells) podem gerar interferncia interdistncia Serving Cell espera-se que este efeito tenha um menor impacto

na qualidade da cobertura rdio de um utilizador da clula principal.

Far Neighboor Cells, que esto ainda mais afastadas da no so consideradas neste modelo porque a potncia recebida vinda destas clulas muito

devido s perdas de propagao no espao livre.

A propagao em espao livre segue o modelo Cost 231 Walfisch-Ikegami (anexo A)se que todos os recursos disponveis so alocados ao utilizador da clula principal (

De seguida so apresentados os cenrios que sero simulados, nomeadamentecelular com e sem interferentes.

Mono-celular sem interferentes

De forma a ter uma base de referncia, foi definido um primeiro cenrio de simulao que, atravs de uma abordagem simplista, permite obter uma ideia da cobertura rdio dentro de

se uma clula composta por trs antenas que emitem omnidireccionalmente para cada um dos trs setores definidos na estrutura apresentada anteriormente.

Figura 25 Detalhe da estrutura de uma clula

Neste cenrio so considerados nulos os efeitos de interferncia intra-celular assim como os celular, visto que no se consideram clulas vizinhas interferentes.

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No entanto, como um dos objetivos da tecnologia LTE garantir a mxima eficincia espectral, Frequency Re-use 1),

la vizinha gerando assim , principalmente na fronteira entre clulas (Cell edge).

Close Neighbour Cells

interferncia.

podem gerar interferncia inter-celular mas enha um menor impacto

que esto ainda mais afastadas da Serving Cell, no so consideradas neste modelo porque a potncia recebida vinda destas clulas muito

Ikegami (anexo A) e se que todos os recursos disponveis so alocados ao utilizador da clula principal (full

sero simulados, nomeadamente o cenrio

, foi definido um primeiro cenrio de simulao que, ter uma ideia da cobertura rdio dentro de

se uma clula composta por trs antenas que emitem omnidireccionalmente para

celular assim como os celular, visto que no se consideram clulas vizinhas interferentes.

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Com este cenrio so feitas vrias simulaes variando-se a posio do utilizador dentro do mesmo setor, registando-se assim o comportamento da cobertura do sinal rdio, nomeadamente o SINR, dentro de uma clula LTE.

O SINR calculado de acordo com a frmula apresentada em (2.16).

3.3 Cenrio Multi-Celular com Interferentes

3.3.1 Sem Beamforming

Tal como no cenrio anterior, neste cenrio simulado um utilizador na Serving Cell que se desloca desde o centro da clula at periferia do seu setor.

Ao deslocar-se, a potncia do sinal vindo do eNB que o est a servir vai ser atenuado de acordo com o modelo de propagao escolhido, e a potncia interferente (vinda dos eNB de clulas vizinhas) vai aumentando.

Figura 26 Estrutura celular do modelo multi-clula

Conforme aumentamos o nmero de clulas vizinhas neste cenrio, tambm aumenta a potncia de sinal interferente do ponto de vista do utilizador principal, j que cada eNB vizinho utiliza a mesma frequncia e largura de banda que o eNB da Serving Cell.

3.3.2 Com Beamforming

Neste cenrio considerou-se a mesma estrutura celular que anteriormente.

A partir do conhecimento exato da localizao do utilizador na Serving Cell, o algoritmo de Beamforming projeta o diagrama de radiao gerado pelo array de antenas (de 4 ou 8 elementos), permitindo a criao de um feixe com mxima potncia na direo do utilizador.

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Simultneamente, o eNB deve ter capacidade para comunicar atravs da interface X2 com as clulas vizinhas de forma a obter a localizao dos utilizadores que se encontram localizados nas Neighbour Cells. Com esta informao o beamformer capa