Interface R ´adio

No LTE as t ´ecnicas de acesso m ´ultiplo s ˜ao fundamentais pois s ˜ao elas que permitem n ˜ao s ´o a partilha de recursos entre utilizadores mas tamb ´em tornar o sistema flex´ıvel e eficiente. Em LTE, o acesso m ´ultiplo ´e no DL baseado em Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) enquanto no UL ´e baseado em Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA). A t ´ecnica Frequency Division Multiple Access (FDMA) permite o acesso ao sistema a diferentes utilizadores em simult ˆaneo usando diferentes bandas de frequ ˆencia, i.e., portadoras e sub-portadoras. Enquanto no OFDMA a informac¸ ˜ao ´e modulada numa s ´erie de sub-portadoras ortogonais entre si, no SC-FDMA ´e modulada numa portadora apenas. O principio de sub-portadoras ortogonais consiste na sobreposic¸ ˜ao das mes-mas em todas as frequ ˆencias excepto na sua pr ´opria frequ ˆencia central, tendo para esta valor nulo todas as outras frequ ˆencias, como se pode verificar na Figura 2.3. Este conceito permite eliminar o efeito chamado crosstalk. Cada sub-portadora tem uma largura de banda de 15 kHz.

Figura 2.3: Sub-portadoras ortogonais na frequ ˆencia [DPS14].

Devido ao problema do multipercurso sempre presente nas comunicac¸ ˜oes m ´oveis, e consequente Inter Symbol Interference (ISI), foi necess ´ario introduzir tanto em OFDMA como em SC-FDMA um tempo de guarda no in´ıcio de cada s´ımbolo denominado Cyclic Prefix (CP). Quando a desfasagem ´e muito elevada o s´ımbolo a ser descodificado pelo utilizador sofre interfer ˆencia de um s´ımbolo transmitido an-teriormente, tipicamente designado por eco, por este ter vindo por um percurso com um maior tempo de propagac¸ ˜ao. Este tempo de guarda foi ent ˜ao definido para o in´ıcio de cada s´ımbolo e pode tomar dois valores: Normal CP, durac¸ ˜ao aproximada de 5 µs e ´e utilizado em meios urbanos onde o efeito de multipercurso ´e menor, e Extended CP, durac¸ ˜ao aproximada de 17 µs e ´e utilizado em meios rurais onde o efeito de multipercurso ´e maior.

O elemento b ´asico da modulac¸ ˜ao OFDMA ´e o Resource Element (RE) que corresponde `a atribuic¸ ˜ao dum s´ımbolo OFDM a uma sub-portadora. O n ´umero de bits por s´ımbolo pode ser de 2, 4 ou 6 para um esquema de modulac¸ ˜ao Quadrature Phase-shift Keying (QPSK), 16-Quadrature Amplitude Modulation (QAM) ou 64-QAM respetivamente. Os RE est ˜ao agrupados em Resource Blocks (RBs), cada um dos quais com 12 REs, ou seja, 12 sub-portadoras de 15 kHz que resulta numa banda total de 180 kHz e no dom´ınio do tempo num intervalo de 0.5 ms. Estes slots de 0.5 ms cont ˆem 7 s´ımbolos OFDM para o Normal CP e 6 s´ımbolos para o Extended CP. Dois slots formam uma subframe de 1 ms, ou seja, um

LTE Transmission Time Interval (TTI). Cada RB equivale a 84 REs no caso de Normal CP e 72 REs para Extended CP o que permite que sejam reservados conjuntos de REs para diferentes objetivos, seja transmiss ˜ao de dados, sincronizac¸ ˜ao, etc. Esta divis ˜ao do espectro r ´adio usado no DL em LTE pode ser visualizado na Figura 2.4. Por fim se forem agrupadas 10 subframes obt ´em-se uma LTE radio frame com durac¸ ˜ao de 10 ms, que corresponde `a maior unidade de tempo presente em LTE.

Figura 2.4: Radio frame LTE usando FDD e normal CP [Com09].

No entanto o OFDMA n ˜ao ´e usada no UL pelo facto de necessitar duma elevada pot ˆencia de pico, o que n ˜ao ´e poss´ıvel obter nos UEs por limitac¸ ˜oes referentes `a bateria e consequente autonomia. A t ´ecnica SC-FDMA pelo contr ´ario n ˜ao requer uma elevada pot ˆencia de pico conseguindo ainda assim manter alguma flexibilidade no dom´ınio da frequ ˆencia.

O SC-FDMA, tal como o OFDMA, divide a banda dispon´ıvel em m ´ultiplas sub-portadoras ortogonais entre si e usa tamb ´em o tempo de guarda CP para eliminar o ISI. A grande diferenc¸a reside no facto do SC-FDMA usar sub-bandas maiores e menor durac¸ ˜ao de s´ımbolos, o que permite reduzir a pot ˆencia de pico necess ´aria no OFDMA. Cada s´ımbolo n ˜ao ´e atribu´ıdo directamente a cada sub-portadora mas sim a uma combinac¸ ˜ao linear destas. A Figura 2.5 compara o envio de 8 s´ımbolos QPSK usando OFDMA ou SC-FDMA. Como se pode verificar no OFDMA s ˜ao enviados os 4 s´ımbolos em paralelo com um tempo longo de s´ımbolo enquanto no SC-FDMA o envio de 1 s´ımbolo ocupa 60 kHz mas em contrapar-tida necessita de ¹₄ do tempo comparativamente com OFDMA para o envio desse mesmo s´ımbolo. Atrav ´es do uso das t ´ecnicas de acesso m ´ultiplas j ´a descritas, os eNBs conseguem distinguir trans-miss ˜oes de diferentes UEs dentro da c ´elula. No entanto ainda ´e preciso distinguir transtrans-miss ˜oes dos UEs das transmiss ˜oes dos pr ´oprios eNBs. Isto ´e conseguido recorrendo a Frequency Division Duplex (FDD) e Time Division Duplex (TDD). No FDD o eNB recebe e transmite ao mesmo tempo e ´e usada uma frequ ˆencia para o DL e outra para o UL, sendo este o mais indicado dos dois para servic¸os com tr ´afico sim ´etrico, como por exemplo voz. J ´a em TDD a frequ ˆencia usada ´e a mesma mas os slots de tempo s ˜ao divididos entre o DL e o UL e a durac¸ ˜ao dos mesmos slots pode depender do tr ´afego a ser enviado. Este ser ´a o mais indicado para servic¸os de dados visto a assimetria que tipicamente existe entre o DL e o UL. Nesta t ´ecnica ´e necess ´aria a utilizac¸ ˜ao dum maior tempo de guarda de forma a evitar interfer ˆencia entre slots adjacentes no tempo. Analogamente, na t ´ecnica FDD ´e necess ´aria uma

Figura 2.5: Comparac¸ ˜ao entre as t ´ecnicas de acesso m ´ultiplo OFDMA e SC-FDMA [Whi08].

banda de guarda. Em FDD a trama usada ´e a Frame Structure Type 1 enquanto em TDD ´e usada a Frame Structure Type 2. A que foi referida anteriormente trata-se da primeira visto FDD ser o m ´etodo mais implementado.

As larguras de bandas inicialmente suportadas em LTE encontravam-se entre 1.4 MHz e 20 MHz, mas com o LTE-A ´e poss´ıvel ir at ´e larguras de banda de 100 MHz usando CA com portadoras de 20 MHz. Esta agregac¸ ˜ao pode ser feita com portadoras da mesma banda, Intra-Band, ou de bandas diferentes, Inter-Band. Cada banda tem tamb ´em uma banda de guarda associada, uma banda que existe antes e depois da banda de transmiss ˜ao de forma a minimizar a interfer ˆencia das bandas adjacentes. A Tabela 2.1 mostra as larguras de banda dispon´ıveis em LTE assim como o respetivo n ´umero de RBs e sub-portadoras suportados nessas bandas. A banda ocupada equivale `a banda usada para transmiss ˜ao, sem as bandas de guarda.

Tabela 2.1: Larguras de banda suportadas em LTE [Cox12].

Largura de Banda [MHz] ^{N ´umero de RBs} N ´umero de sub-portadoras Banda Ocupada [MHz] Bandas de Guarda [MHz] 1.4 6 72 1.08 2 x 0.16 3 15 180 2.7 2 x 0.15 5 25 300 4.5 2 x 0.25 10 50 600 9 2 x 0.5 15 75 900 13.5 2 x 0.75 20 100 1200 18 2 x 1

O d ´ebito duma ligac¸ ˜ao num dado instante depende da qualidade do sinal recebido que por sua vez depende da interfer ˆencia de c ´elulas adjacentes, do desvanecimento, do ru´ıdo e das caracter´ısticas do recetor, etc. De forma a otimizar o d ´ebito duma dada ligac¸ ˜ao, o eNB necessita de ter a capacidade

de adaptar o sinal enviado tendo em conta as caracter´ısticas do canal sentidas pelo UE. A esta ca-pacidade de adaptac¸ ˜ao chama-se Adaptive Modulation and Coding (AMC) e consiste na alterac¸ ˜ao do esquema de modulac¸ ˜ao e da taxa de codificac¸ ˜ao, o que normalmente ´e referido como Modulation and Coding Scheme (MCS). Quanto ao esquema de modulac¸ ˜ao, e como j ´a foi referido, s ˜ao tr ˆes os utili-zados: QPSK, 16-QAM e 64-QAM. O esquema mais robusto a erros mas com menor d ´ebito bin ´ario ´e o QPSK, j ´a que apenas transporta 2 bits/s´ımbolo. Pelo contr ´ario o mais sens´ıvel a erros mas com maior d ´ebito bin ´ario ´e o 64-QAM por transportar 6 bits/s´ımbolo pelo que deve apenas ser utilizado em ligac¸ ˜oes com elevada qualidade de sinal. A taxa de codificac¸ ˜ao representa a relac¸ ˜ao entre o n ´umero de bits de informac¸ ˜ao e um n ´umero total de 1024 bits. Os bits restantes equivalem a bits usados para correc¸ ˜ao/prevenc¸ ˜ao de erros que ocorram no canal recorrendo a t ´ecnicas como Forward Error Correc-tion (FEC), Automatic Repeat Request (ARQ) ou Hybrid ARQ. A selec¸ ˜ao deste MCS a usar numa dada ligac¸ ˜ao pode ser definida tamb ´em pelo UE atrav ´es do Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) recebido, pois este consegue derivar um Channel Quality Indicator (CQI) que maximize o d ´ebito bin ´ario para um valor de BLER considerado (tipicamente 10 %), que seguidamente ´e enviado no UL ao eNB. A cada TTI o eNB gera um transport block (TB) para cada UE que corresponde `a quantidade de bits enviados. O tamanho de cada TB vai depender tanto do MCS usado como do n ´umero de RBs alocados ao respetivo UE. Na Tabela 2.2 encontram-se os valores poss´ıveis de CQI e os respetivos MCS. Um CQI igual a 0 corresponde a uma qualidade muito reduzida onde nenhum MCS ´e suportado.

Tabela 2.2: MCSs, CQIs e taxas de codificac¸ ˜ao usados em LTE [STB09].

CQI Modulac¸ ˜ao Taxa de Codificac¸ ˜ao Efici ˆencia [bits/s´ımbolo]

0 N ˜ao Aplic ´avel -

-1 QPSK 0.076 0.1523 2 QPSK 0.120 0.2344 3 QPSK 0.190 0.3770 4 QPSK 0.300 0.6016 5 QPSK 0.440 0.8770 6 QPSK 0.590 1.1758 7 16-QAM 0.370 1.4766 8 16-QAM 0.480 1.9141 9 16-QAM 0.600 2.4063 10 64-QAM 0.450 2.7305 11 64-QAM 0.550 3.3223 12 64-QAM 0.650 3.9023 13 64-QAM 0.750 4.5234 14 64-QAM 0.850 5.1152 15 64-QAM 0.930 5.5547

No dom´ınio do tempo, quanto menor for o intervalo no qual o CQI ´e reportado por parte do UE, mais preciso ser ´a o MCS usado numa determinada ligac¸ ˜ao tendo em conta as condic¸ ˜oes do canal. O eNB disp ˜oe do controlo sobre a periodicidade dos CQIs, podendo requisitar ao UE envios peri ´odicos de CQIs ditando tamb ´em o tempo de periodicidade dos mesmos. No dom´ınio da frequ ˆencia os CQIs podem ser atribu´ıdos a sub-bandas permitindo tamb ´em uma melhor adaptac¸ ˜ao. Os v ´arios modos de feedback suportados por parte do UE para o eNB no dom´ınio da frequ ˆencia s ˜ao os seguintes:

• wideband feedback, o UE envia apenas um valor de CQI para toda a largura de banda;

• eNodeB configured sub-band feedback, envia um valor de CQI para toda a largura de banda, assim como um valor de CQI para cada sub-banda definida pelo eNodeB;

• UE-selected sub-band feedback, para al ´em de enviar tamb ´em um valor de CQI para toda a largura de banda, s ˜ao selecionadas pelo UE um conjunto de sub-bandas sobre as quais este envia CQIs referentes `as mesmas assim como as suas posic¸ ˜oes.

A 3GPP definiu 11 bandas para TDD e 25 bandas para FDD, sendo que nem todas essas bandas est ˜ao dispon´ıveis em todas as regi ˜oes do mundo. Na Europa as bandas usadas incluem a de 800, 900, 1800, 2100 e 2600 MHz [3GP14a]. Em Portugal em Novembro de 2011, a Autoridade Nacional de Comunicac¸ ˜oes (ANACOM), leiloou estas bandas juntamente com uma banda extra nos 450 MHz [ANA11].