Melhoria da eficiência energética em redes celulares utilizando cooperação multi-célula

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Melhoria da eficiência energética em redes celulares

utilizando cooperação multi-célula

Bruno Miguel Vieira Roque

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientador: Prof. António José Castelo Branco Rodrigues

Júri

Presidente: Prof. José Eduardo Charters Ribeiro da Cunha Sanguino

Orientador: Prof. António José Castelo Branco Rodrigues

Vogais: Prof. Luís Eduardo de Pinho Ducla Soares

Janeiro 2015

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Para a minha fam´ılia e amigos

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Agradecimentos

Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao Professor Ant ónio Rodrigues por todo o apoio e supervis ão prestados durante a elaboraç ão desta dissertaç ão.

Gostaria tamb ´em de agradecer a todos os meus amigos, e em particular aos que me acompanharam durante o meu percurso universit ´ario.

Agradeço ainda à minha namorada e à sua fam´ılia todo o apoio dado nestes últimos anos.

Finalmente quero prestar o meu mais sincero agradecimento `a minha fam´ılia pelo apoio que sempre me deram ao longo da vida.

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Resumo

O objetivo principal desta dissertaç ão foi o estudo do impacto da t écnica Coordinated Multipoint (CoMP) Joint Transmission (JT) em redes Long Term Evolution (LTE), tanto em quest ões de capacidade como de fairness. Foram desenvolvidos dois modelos e estes foram implementados num simulador LTE j á existente. Um dos modelos toma a decis ão sobre quais os UEs que usam a t écnica JT enquanto o outro se encarrega do agendamento dos recursos r ádio da rede. Foi estudado o impacto nos resultados introduzidos pela t écnica JT e pelos modelos desenvolvidos e para cada um deles foram estimados quais os par âmetros de entrada que garantem o maior ganho de fairness para a menor perda de d ébito bin ário da rede. Foi simulado um cen ário de refer ência que consiste na mesma rede LTE mas sem o uso da t écnica JT. Usando JT, os melhores ganhos obtidos em relaç ão a este cen ário de refer ência foram de 11.4 % para a fairness e de perdas de d ébito bin ário por sector de 6 %. Foram conseguidos maiores ganhos de fairness mas ao custo de maiores perdas de d ébito.

Palavras-chave:

LTE, CoMP, JT, Fairness, D ´ebito Bin ´ario

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Abstract

The main objective of this thesis was to study the impact of Coordinated Multipoint’s (CoMP) technique Joint Transmission (JT) in Long Term Evolution (LTE) networks, concerning both capacity and fairness. Two models were developed and implemented in an existing LTE simulator. One of the models makes the decision on which UEs use JT while the other does the scheduling of the radio resources. The impact of both this technique and these models were studied and the input parameters that guarantee the highest gain in fairness and the lowest loss in throughput were estimated. A reference scenario was simulated that consists in the same LTE network but not using the technique JT. Using JT, the best result obtained compared to the reference scenario was a gain of 11.4 % in fairness and a loss of 6 % in throughput. Higher gains in fairness were achieved but at the cost of higher losses in throughput.

Keywords:

LTE, CoMP, JT, Fairness, Throughput

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Conte ´ udo

Agradecimentos . . . v

Resumo . . . vii

Abstract . . . ix

Lista de Tabelas . . . xiii

Lista de Figuras . . . xvi

Lista de Acr ´onimos . . . xix

Lista de S´ımbolos . . . xxii

1 Introduç ão 1 1.1 Motivaç ão . . . 2

1.2 Estrutura da Dissertac¸ ˜ao . . . 5

2 Conceitos Fundamentais 7 2.1 Arquitetura da Rede . . . 8

2.2 Interface R ´adio . . . 10

2.3 Multiple Input Multiple Output . . . 14

2.4 Coordinated Multipoint . . . 17

2.5 Estado da Arte . . . 20

3 Simulador e Modelos Desenvolvidos 23 3.1 Descric¸ ˜ao do Simulador . . . 24

3.2 Modelos Desenvolvidos . . . 28

3.2.1 Uso de Joint Transmission . . . 28

3.2.2 Agendamento dos Recursos R ´adio . . . 30

3.3 Par ˆametros Constantes . . . 33

3.4 Avaliac¸ ˜ao do Simulador . . . 35

4 An álise de Resultados 39 4.1 Cen ário de Refer ência . . . 40

4.2 Scheduler 1 . . . 42

4.2.1 Diferenc¸a de Macroscopic Pathloss . . . 42

4.2.2 Raio M´ınimo Orla . . . 46

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4.2.3 Macroscopic Pathloss M ´aximo . . . 48

4.2.4 N ´umero M ´aximo de Sectores . . . 50

4.2.5 Cluster CoMP . . . 52

4.3 Scheduler 2 . . . 54

5 Conclus ˜ao 57

Anexo A Manual de Utilizador 63

Anexo B Clusters 67

Anexo C Wireless World Initiative New Radio 71

Refer ˆencias 77

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Lista de Tabelas

2.1 Larguras de banda suportadas em LTE [Cox12]. . . 12

2.2 MCSs, CQIs e taxas de codificac¸ ˜ao usados em LTE [STB09]. . . 13

2.3 Modos de Transmiss ˜ao suportados no DL em LTE [Cox12]. . . 17

3.1 Par âmetros constantes referentes à criaç ão da rede. . . 34

3.2 Par ˆametros constantes referentes aos eNBs. . . 35

3.3 Par ˆametros constantes referentes aos UEs. . . 35

3.4 Par âmetros constantes referentes à interface r ádio. . . 36

4.1 Par ˆametros do cen ´ario de referencia. . . 40

4.2 Par âmetros de entrada para a avaliaç ão do par âmetro ∆PL_max. . . 43

4.3 Par âmetros de entrada para a avaliaç ão do par âmetro R_min. . . 46

4.4 Par âmetros de entrada para a avaliaç ão do par âmetro PL_max. . . 49

4.5 Par âmetros de entrada para a avaliaç ão do par âmetro eNBmax. . . 51

4.6 Par âmetros de entrada para a avaliaç ão do par âmetro Cluster_CoMP. . . 52

4.7 Par âmetros de entrada para a avaliaç ão do par âmetro RBGJT. . . 54

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Lista de Figuras

1.1 Evoluç ão global do tr áfego m óvel de voz e de dados desde 2010 at é 2014 [Eri14]. . . 2

1.2 Evoluç ão do d ébito bin ário de pico das tecnologias 3GPP [HT11]. . . 3

1.3 Datas da aprovaç ão das especificaç ões de cada tecnologia pela 3GPP e da sua respetiva implementaç ão comercial [HT11]. . . 4

1.4 Subscriç ões m óveis por tecnologia entre o ano 2010 e 2020 [Eri14]. . . 5

2.1 Arquitetura, elementos e interfaces do sistema EPS [Kha09]. . . 8

2.2 Elementos e ligac¸ ˜oes da rede EPC [Ols+09]. . . 9

2.3 Sub-portadoras ortogonais na frequ ˆencia [DPS14]. . . 10

2.4 Radio frame LTE usando FDD e normal CP [Com09]. . . 11

2.5 Comparaç ão entre as t écnicas de acesso m últiplo OFDMA e SC-FDMA [Whi08]. . . 12

2.6 Rede LTE tri-sectorizada [MF11]. . . 18

2.7 Inter-eNB e Intra-eNB CoMP [Ahm13]. . . 19

2.8 T ´ecnicas usadas no DL em CoMP [Ahm13]. . . 20

3.1 Diagrama de blocos do simulador LTE Downlink System Level Simulator v1.7r1119 [IWR10]. 24 3.2 Mapeamento do SNR e BLER para v árias curvas de CQI do lado esquerdo e do lado direito curva de relaç ão entre SNR e CQI para um BLER de 10 % [Ins13]. . . 27

3.3 Diagrama de blocos do Scheduler 1, executado para todos os UEs da RDI. . . 31

3.4 Diagrama de blocos do Scheduler 2, executado para todos os sectores. . . 32

3.5 Representaç ão da rede LTE e da RDI usada em todas as simulaç ões. . . 34

3.6 Evoluç ão da m édia e do desvio padr ão de v ários par âmetros para diferentes conjuntos de simulaç ões. . . 37

3.7 Coeficiente de variaç ão de v ários par âmetros para v ários conjuntos de simulaç ões. . . . 38

4.1 D ébito m édio por UE da orla e do centro no cen ário de refer ência para v ários valores do par âmetro R_min. . . 41

4.2 N úmero de UEs na orla e no centro no cen ário de refer ência para v ários valores do par âmetro R_min. . . 41

4.3 D ébito m édio por sector no cen ário de refer ência para v ários valores do par âmetro Rmin. 42 4.4 D ébito m édio por UE ligado a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para v ários valores do par âmetro ∆PLmax. . . 43

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4.5 N ´umero de UEs ligados a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para v ´arios valores

do par ˆametro ∆PLmax. . . 44

4.6 N úmero m édio de RBs alocados por UE ligados a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para v ários valores do par âmetro ∆PL_max. . . 45

4.7 Fairness e d ébito m édio por sector usando o Scheduler 1 para v ários valores do par âmetro ∆PL_max. . . 45

4.8 N úmero de UEs ligados a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para v ários valores do par âmetro Rmin. . . 47

4.9 D ébito m édio por UE da orla, do centro e ligado a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para v ários valores do par âmetro Rmin. . . 47

4.10 Fairness e d ébito m édio por sector usando o Scheduler 1 para v ários valores de Rmin. . . 48

4.11 N úmero de UEs ligados a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para v ários valores do par âmetro PL_max. . . 49

4.12 Fairness e d ébito m édio por sector usando o Scheduler 1 para v ários valores do par âmetro PL_max. . . 50

4.13 D ébito e n úmero de RBs m édio por UE ligado a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para v ários valores do par âmetro eNBmax. . . 51

4.14 Fairness e d ébito m édio por sector usando o Scheduler 1 para v ários valores do par âmetro eNBmax. . . 52

4.15 N úmero de UEs ligados a 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 1 para v ários valores do par âmetro ClusterCoMP. . . 53

4.16 Fairness e d ébito m édio por sector usando o Scheduler 1 para v ários valores do par âmetro Cluster_CoMP. . . 54

4.17 D ébito m édio por UE ligado a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 2 para v ários valores do par âmetro RBG_JT. . . 55

4.18 N úmero m édio de RBs alocados por UE ligados a 1, 2 ou 3 sectores usando o Scheduler 2 para v ários valores do par âmetro RBG_JT. . . 55

4.19 Fairness e d ébito m édio por sector usando o Scheduler 2 para v ários valores do par âmetro RBGJT. . . 56

B.1 Representac¸ ˜ao dos clusters de tamanho 2 para uma rede de 19 eNBs. . . 68

B.2 Representac¸ ˜ao dos clusters de tamanho 3 para uma rede de 19 eNBs. . . 69

C.1 Representaç ão dum sistema, com v ários segmentos [Nar+07b]. . . 72

C.2 Representaç ão duma ligaç ão [Nar+07b]. . . 73

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Lista de Acr ´ onimos

3GPP 3rd Generation Partnership Project.

ACK Acknowledgement.

AMC Adaptive Modulation and Coding. ANACOM Autoridade Nacional de Comunicac¸ ˜oes. ARQ Automatic Repeat Request.

BLER Block Error Rate.

CA Carrier Aggregation. CB Coordinated Beamforming. CDL Clustered Delay Line.

CDMA Code Division Multiple Access. CLSM Closed Loop Spatial Multiplexing. CLTD Closed Loop Transmit Diversity. CoMP Coordinated Multipoint.

CP Cyclic Prefix.

CQI Channel Quality Indicator. CS Coordinated Scheduling. CSI Channel State Information. CV Coeficiente de Variac¸ ˜ao.

DL Downlink.

DPS Dynamic Point Selection.

E-UTRAN Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network.

EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution. EESM Exponential Effective Signal to Interference and

Noise Ratio Mapping.

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eNB Evolved NodeB. EPC Evolved Packet Core.

FDD Frequency Division Duplex.

FDMA Frequency Division Multiple Access. FEC Forward Error Correction.

GPRS General Packet Radio Service.

GSM Global System for Mobile Communications.

HSDPA High Speed Downlink Packet Access. HSPA High Speed Packet Access.

HSS Home Subscriber Service.

HSUPA High Speed Uplink Packet Access.

ID Identificador. IP Internet Protocol.

ISI Inter Symbol Interference.

JP Joint Processing. JR Joint Reception. JT Joint Transmission.

LTE Long Term Evolution.

LTE-A Long Term Evolution-Advance.

MCS Modulation and Coding Scheme.

MIESM Mutual Information Effective Signal to Interfe- rence and Noise Ratio Mapping.

MIMO Multiple Input Multiple Output. MISO Multiple Input Single Output. MM Mobility Management. MME Mobility Management Entity.

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Ac- cess.

OLSM Open Loop Spatial Multiplexing. OLTD Open Loop Transmit Diversity.

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P-GW Packet Data Network Gateway. PCRF Policy and Charging Rules Function. PDN Packet Data Network.

PMI Precoding Matrix Indicator.

QAM Quadrature Amplitude Modulation. QoS Quality of Service.

QPSK Quadrature Phase-shift Keying.

RB Resource Block.

RBG Resource Block Grid. RDI Regi ˜ao de Interesse.

RE Resource Element.

RI Rank Indication.

RRM Radio Resource Management.

S-GW Serving Gateway.

SAE System Architecture Evolution.

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Ac- cess.

SIMO Single Input Multiple Output.

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio.

TB Transport Block. TDD Time Division Duplex. TTI Transmission Time Interval.

UE User Equipment.

UL Uplink.

UMTS Universal Mobile Telecommunication System.

UP User Plane.

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access. WCI Worst Companion Indicator.

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Ac- cess.

WINNER II Wireless World Initiative New Radio.

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Lista de S´ımbolos

Cd Constante de desigualdade.

ClusterCoMP Tipo de cooperaç ão usado entre eNBs. DeNB Dist ância entre eNBs.

Dhb Altura da antena da estaç ão base medida a partir da altura m édia dos telhados.

N_X N úmero de amostras da vari ável X . N_i N úmero de UEs ligados a i sectores. N_RB/RBG N úmero total de RBs em cada RBG. N_RB N úmero de RBs do UE.

NUEs N ´umero de UEs ligados ao sector.

PLmax Valor de macroscopic pathloss m ´aximo para o sector principal que justifique a procura de outro sector.

PL_pri Valor de macroscopic pathloss para o sector principal.

PL_sec Valor de macroscopic pathloss para o sector secund ´ario.

R Dist ˆancia entre o eNB e o UE.

RBG_JT Relaç ão entre o n úmero de RBs dedicados a UEs a usar JT e o n úmero total de RBs na RBG.

RBi M ´edia de RBs alocados a UEs ligados a i sectores.

R_min Relaç ão entre o raio a partir do qual é considerado orla e o raio do eNB.

X_i Valor da amostra i da vari ´avel X .

∆PL_max Diferença m áxima entre o valor de macroscopic pathloss do sector principal para os secund ários.

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e^−α Coeficiente de correlac¸ ˜ao entre dois pontos distanciados de x = 1.

X Valor m ´edio da vari ´avel µ_X.

d_x Componente x da dist ância do UE ao eNB. d_y Componente y da dist ância do UE ao eNB. eNBmax M áximo n úmero de sectores a que os UEs se

podem ligar.

f Frequ ˆencia da portadora.

n N ´umero de UEs.

x Dist ância entre dois pontos. x_i D ébito da ligaç ão n úmero i.

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Cap´ıtulo 1

Introduc¸ ˜ao

Neste cap´ıtulo é apresentada uma breve descriç ão da evoluç ão dos sistemas de comunicaç ões m óveis, assim como a motivaç ão para a realizaç ão deste trabalho. No fim do cap´ıtulo é abordada a estrutura desta dissertaç ão.

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1.1 Motivac¸ ˜ao

Nos últimos anos foram v árias as tecnologias de sistemas de comunicaç ões m óveis introduzidas de forma a garantir às redes acompanhar as exig ências do mercado. Se no in´ıcio das comunicaç ões m óveis existia um claro dom´ınio do tr áfego de voz, tal j á n ão acontece. O tr áfego de voz nos últimos anos manteve-se sensivelmente constante enquanto o tr áfego de dados apresentou um crescimento exponencial tal como mostra a Figura 1.1.

Figura 1.1: Evoluç ão global do tr áfego m óvel de voz e de dados desde 2010 at é 2014 [Eri14].

O crescimento do n úmero de utilizadores aliado ao aparecimento dos smartphones foi o grande impul- sionador deste crescimento. É essencial às redes m óveis manter uma constante evoluç ão a todos os n´ıveis.

Os sistemas de comunicaç ões m óveis dividem-se normalmente em geraç ões. A primeira geraç ão surgiu na d écada de 80 e utilizava sinais anal ógicos. A segunda geraç ão (2G) surgiu depois introduzindo sinais digitais nas comunicaç ões m óveis. É exemplo desta geraç ão o sistema Global System for Mobile Communications (GSM). Foi mais tarde introduzido tr áfego de dados em redes 2G, sendo que o volume de tr áfego de voz continuou a ser o dominante. A introduç ão dos sistemas 3G, como por exemplo Uni- versal Mobile Telecommunications System (UMTS), veio aumentar significativamente o uso de dados, tendo este superado nesta geraç ão o tr áfego de voz. Esta geraç ão foi a primeira a introduzir a banda larga m óvel. Finalmente o sistema LTE é o respons ável pela introduç ão do 4G, embora seja defendido que o sistema Long Term Evolution-Advance (LTE-A), que equivale ao LTE Release 10, é o verdadeiro 4G.

Entre as metas estabelecidas para o LTE por parte do organismo de padronizac¸ ˜ao 3rd Generation Part-

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nership Project (3GPP) est ão as seguintes: o d ébito de pico para um utilizador de no m´ınimo 100 Mbit/s no downlink (DL) e 50 Mbit/s no uplink (UL), a lat ência reduzida para melhor desempenho para o utilizador final, e o consumo de energia por parte do terminal m óvel minimizado de forma a permitir uma utilizaç ão longa sem a necessidade de recarregamento da bateria. Tamb ém era exigida flexibilidade na frequ ência permitindo a alocaç ão de bandas desde 1.4 MHz at é 20 MHz.

As especificaç ões referentes ao LTE-A [3GP14b] foram as seguintes: d ébito de pico no DL de no m´ınimo 1 Gbit/s e no UL de 500 Mbit/s, largura de banda m áxima de 100 MHz, reduzida lat ência em relaç ão ao LTE Release 8 e 9, e compatibilidade com uma maior mobilidade por parte dos utilizadores. Foi tamb ém nesta release introduzida a t écnica Carrier Aggregation (CA) e os relay nodes. CA é uma t écnica de agregaç ão de portadoras que permite aumentar a largura de banda. Os relay nodes podem ser usados para aumentar a cobertura e melhorar os d ébitos, em particular na orla das c élulas.

Cada geraç ão elevou o d ébito bin ário de pico da geraç ão anterior como est á ilustrado na Figura 1.2.

Figura 1.2: Evoluç ão do d ébito bin ário de pico das tecnologias 3GPP [HT11].

Num espaço de 10 anos este valor aumentou em mais de 2000 vezes, desde a tecnologia Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) at é ao LTE-A. EDGE é uma extens ão do sistema GSM que permite d ébitos mais elevados. Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) é uma interface r ádio usada em redes UMTS que veio tamb ém aumentar o d ébito destas. A tecnologia High Speed Packet Access (HSPA), que inclui High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) e High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), por sua vez veio melhorar o d ébito de redes UMTS baseadas em WCDMA. Final- mente a tecnologia Evolved High Speed Packet Access (HSDPA+) trouxe d ébitos às redes WCDMA compar áveis ao 4G.

Na Figura 1.3 encontram-se apresentadas as datas nas quais foi aprovada cada tecnologia pela 3GPP e as datas da sua implementac¸ ˜ao comercial.

As tecnologias 3GPP foram concebidas para que seja poss´ıvel a coexist ência e interoperabilidade entre todas elas. O LTE suporta handovers bidirecionais entre as tecnologias GSM e UMTS. GSM, UMTS e LTE podem partilhar v ários elementos da rede, incluindo elementos pertencendo à rede n úcleo. Tamb ém alguns elementos da rede 3G podem ser atualizados para suportar LTE, permitindo assim

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Figura 1.3: Datas da aprovaç ão das especificaç ões de cada tecnologia pela 3GPP e da sua respetiva implementaç ão comercial [HT11].

a exist ˆencia de uma ´unica plataforma de rede a suportar HSPA e LTE.

Quanto à adoç ão de tecnologias e aparelhos, de acordo com [Eri14] os smartphones contabilizaram entre 65 % e 70 % de todas as vendas de telem óveis em Q3 2014, comparado com cerca de 55 % durante Q3 2013. Este valor deve manter a tend ência j á que de todas as subscriç ões de telem óveis a n´ıvel global apenas 37 % est ão associadas a smartphones.

O n úmero de subscriç ões de banda larga m óvel est á a crescer cerca de 30 % em todos os anos, tendo atingido 2.5 mil milh ões em Q3 2014. O LTE continua a crescer e atingiu 350 milh ões de subscriç ões em Q3 2014, tendo conseguido um aumento de 50 milh ões durante o mesmo per´ıodo. Mas foi o n úmero de subscriç ões da tecnologia WCDMA/HSPA que mais cresceu no mesmo trimestre, com 85 milh ões. A maior parte destas subscriç ões de 3G e 4G t êm acesso à tecnologia GSM/EDGE. O n úmero de subscriç ões apenas à tecnologia GSM/EDGE desceu 10 milh ões (0.2 %).

Uma das raz ões para o r ápido aumento do n úmero de subscriç ões de smartphones tem que ver com o facto dos assinantes na Ásia, M édio Oriente e África estarem a trocar os seus telem óveis por smartphones. O f ácil acesso e o baixo custo dos mesmos s ão os principais respons áveis. Em 2020 é esperado que o n úmero de subscriç ões de smartphones na Europa em relaç ão à sua populaç ão seja de 95 %, enquanto no M édio Oriente seja de 55 %.

Em 2020 a tecnologia WCDMA/HSPA representar á a maioria das subscriç ões m óveis com 4.4 mil milh ões, enquanto o LTE ter á 3.5 mil milh ões. A Figura 1.4 apresenta o n úmero de subscriç ões m óveis por tecnologia entre o ano 2010 e 2020. Por enquanto a tecnologia GSM/EDGE representa a maior quota de subscriç ões. Nos mercados em desenvolvimento tem-se verificado uma migraç ão para tecnologias mais avançadas, o que leva a n´ıvel global ao decl´ınio do n úmero de subscriç ões GSM/EDGE. É estimado que pelo ano 2020, 90 % das subscriç ões m óveis sejam de banda larga m óvel.

O aumento do tr áfego originado pelo crescente n úmero de utilizadores obriga as operadoras de redes m óveis a aumentar a capacidade das mesmas. No entanto o espectro dispon´ıvel é escasso. De entre as poss´ıveis formas de aumentar a capacidade de uma rede m óvel destacam-se as seguintes: aumento da efici ência espectral, reutilizaç ão da mesma frequ ência em todas as c élulas, e diminuiç ão do tama-

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Figura 1.4: Subscriç ões m óveis por tecnologia entre o ano 2010 e 2020 [Eri14].

nho das c ´elulas garantindo assim uma alta capacidade para uma pequena ´area de cobertura.

O objectivo desta dissertaç ão é o estudo do impacto da t écnica JT em redes LTE-A. Para isso foram desenvolvidos e implementados modelos num simulador LTE. S ão tidas como m étricas principais os d ébitos das c élulas, dos utilizadores e o ´ındice de fairness.

1.2 Estrutura da Dissertac¸ ˜ao

Esta dissertaç ão é composta por 5 cap´ıtulos. O presente cap´ıtulo apresenta a evoluç ão dos sistemas de comunicaç ões m óveis at é à tecnologia LTE-A.

No Cap´ıtulo 2 s ão descritas as tecnologias LTE e LTE-A, ambas pertencentes ao 4G. É primeiro apresentada a arquitetura da rede, referindo os seus elementos principais e quais as suas funç ões. É depois analisada a interface r ádio descrevendo as t écnicas de acesso m últiplo, a constituiç ão das tramas, as diferenças entre o DL e o UL e as modulaç ões dispon´ıveis. De seguida é apresentada a t écnica Multi- ple Input Multiple Output (MIMO), assim como os seus modos de transmiss ão. A t écnica JT estudada nesta dissertaç ão é descrita na Secç ão 2.4, CoMP. Para al ém de JT s ão tamb ém apresentadas as outras t écnicas CoMP. No fim do cap´ıtulo encontra-se o actual estado da arte.

O Cap´ıtulo 3 começa com a descriç ão do simulador usado e sobre o qual foram implementados os modelos desenvolvidos. S ão de seguida descritos os modelos desenvolvidos, tanto para o uso de JT como para a alocaç ão de recursos r ádio. Os par âmetros de entrada para o simulador, que n ão sofrem alteraç ões durante todas as simulaç ões apresentadas nesta dissertaç ão, s ão depois apresentados. No final do cap´ıtulo é feita a avaliaç ão do simulador de forma a garantir que os resultados apresentados s ão relevantes.

No Cap´ıtulo 4 s ão apresentados e analisados os resultados das simulaç ões efetuadas. Começa por ser definido um cen ário de refer ência que serve de comparaç ão a todos os outros. Ao longo do cap´ıtulo s ão estimados quais os melhores valores para os v ários par âmetros de entrada do simulador, introduzidos pelos modelos desenvolvidos, que maximizem a fairness sem comprometer demasiado o d ébito

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do sistema.

No Cap´ıtulo 5 s ão compiladas as principais conclus ões dos resultados obtidos nesta dissertaç ão. É feita uma an álise cr´ıtica do trabalho realizado, incluindo sugest ões para trabalhos futuros. No fim da dissertaç ão encontra-se um conjunto de anexos que fornecem informaç ão adicional sobre o simulador utilizado.

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Cap´ıtulo 2

Conceitos Fundamentais

Neste cap´ıtulo s ão descritas as geraç ões de redes m óveis Long Term Evolution (LTE) e Long Term Evolution-Advance (LTE-A). Inicialmente é apresentada a arquitetura da rede, seguida dos principais aspetos t écnicos da interface r ádio. S ão depois apresentadas as t écnicas Multiple Input Multiple Output (MIMO) e Coordinated Multipoint (CoMP). No fim do cap´ıtulo é abordado o estado da arte.

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2.1 Arquitetura da Rede

A evoluç ão da arquitetura da rede das primeiras tecnologias (e.g., GSM, UMTS) para LTE e LTE-A é denominada System Architecture Evolution (SAE). O seu principal objetivo foi garantir ligaç ão Internet Protocol (IP) entre os User Equipment (UE) e a Packet Data Network (PDN) atrav és duma rede simples, n ão hier árquica, com reduzida lat ência e otimizada para serviços de troca de pacotes. Isto resultou no Evolved Packet System (EPS) que est á representado na Figura 2.1.

Figura 2.1: Arquitetura, elementos e interfaces do sistema EPS [Kha09].

A arquitetura do sistema EPS consiste em tr ês elementos: o UE, o Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) e o Evolved Packet Core (EPC). O elemento respons ável pelo acesso e comunicaç ões r ádio entre o UE e o EPC é a E-UTRAN. Este é apenas constitu´ıdo por Evolved NodeBs (eNBs), n ão dispondo de qualquer tipo de n ó respons ável pelo controlo da E-UTRAN. Por sua vez os eNBs usam a interface X2 para comunicar com outros eNBs e a interface S1 para comunicar com o EPC. O facto da comunicaç ão entre os UEs e a rede ser feita atrav és de eNBs contribui para uma reduzida lat ência e uma maior flexibilidade e velocidade durantes os handovers.

As principais funç ões do eNB s ão as seguintes:

• Compress ão do cabeçalho IP para melhorar a efici ência da interface r ádio;

• Coordenaç ão dos handovers entre os UEs e os eNBs de forma a evitar perda de dados na transiç ão de um eNB para outro usando a interface X2;

• Ligaç ão ao EPC atrav és da interface S1;

• Radio Resource Management (RRM), controlo do uso da interface r ádio alocando recursos de forma a garantir a necess ária Quality of Service (QoS) assim como a constante monitorizaç ão dos recursos da rede;

• Encriptaç ão da informaç ão proveniente do User Plane (UP) garantindo assim segurança.

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A rede de n úcleo, EPC, é um sistema IP desenhado para obter d ébitos elevados, lat ências reduzidas e garantir interoperabilidade entre tecnologias. Este é constitu´ıdo por tr ês elementos como se verifica na Figura 2.2: Mobility Management Entity (MME), Serving Gateway (S-GW) e Packet Data Network Gateway (P-GW).

Figura 2.2: Elementos e ligac¸ ˜oes da rede EPC [Ols+09].

O MME é respons ável pelo estabelecimento e controlo dos bearers, que s ão fluxos de pacotes entre dois elementos da rede, assim como garantir a segurança dos mesmos e assegurar para estes fluxos uma determinada Block Error Rate (BLER). BLER é a relaç ão entre o n úmero de blocos errados recebidos e o n úmero total de blocos enviados.

O S-GW é o n ó respons ável pela ligaç ão entre o EPC e a E-UTRAN, por encaminhar a informaç ão entre o eNB e o P-GW, por atuar como âncora de mobilidade para os bearers quando o UE transita dum eNB para outro e pela interoperabilidade entre outras tecnologias de dados da 3GPP, nomeadamente HSPA e General Packet Radio Service (GPRS).

O P-GW é o elemento que faz a ligaç ão entre o EPC e as redes externas, e é respons ável pela alocaç ão dum endereço IP aos UEs. Faz tamb ém a interoperabilidade entre outras tecnologias de dados que n ão sejam da 3GPP, nomeadamente o Code Division Multiple Access (CDMA) 2000 e o Worldwide Intero- perability for Microwave Access (WiMAX). Tamb ém inclu´ıdo no P-GW est á o Policy and Charging Rules Function (PCRF), respons ável pelo controlo e classificaç ão da qualidade de serviço, decidindo qual dever á ser o d ébito bin ário m´ınimo associado a cada fluxo de dados.

Por fim existe tamb ém o Home Subscriber Service (HSS) que é uma base de dados com a informaç ão dos assinantes, das redes p úblicas de dados que podem ser acedidas pelos UEs, dos diversos perfis de qualidade de serviço, entre outros.

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2.2 Interface R ´adio

No LTE as t écnicas de acesso m últiplo s ão fundamentais pois s ão elas que permitem n ão s ó a partilha de recursos entre utilizadores mas tamb ém tornar o sistema flex´ıvel e eficiente. Em LTE, o acesso m últiplo é no DL baseado em Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) enquanto no UL é baseado em Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA). A t écnica Frequency Division Multiple Access (FDMA) permite o acesso ao sistema a diferentes utilizadores em simult âneo usando diferentes bandas de frequ ência, i.e., portadoras e sub-portadoras. Enquanto no OFDMA a informaç ão é modulada numa s érie de sub-portadoras ortogonais entre si, no SC-FDMA é modulada numa portadora apenas. O principio de sub-portadoras ortogonais consiste na sobreposiç ão das mesmas em todas as frequ ências excepto na sua pr ópria frequ ência central, tendo para esta valor nulo todas as outras frequ ências, 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 comunicaç ões m óveis, e consequente Inter Symbol Interference (ISI), foi necess ário 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 é muito elevada o s´ımbolo a ser descodificado pelo utilizador sofre interfer ência de um s´ımbolo transmitido anteriormente, tipicamente designado por eco, por este ter vindo por um percurso com um maior tempo de propagaç ão. Este tempo de guarda foi ent ão definido para o in´ıcio de cada s´ımbolo e pode tomar dois valores: Normal CP, duraç ão aproximada de 5 µs e é utilizado em meios urbanos onde o efeito de multipercurso é menor, e Extended CP, duraç ão aproximada de 17 µs e é utilizado em meios rurais onde o efeito de multipercurso é maior.

O elemento b ásico da modulaç ão OFDMA é o Resource Element (RE) que corresponde à atribuiç ão dum s´ımbolo OFDM a uma sub-portadora. O n úmero de bits por s´ımbolo pode ser de 2, 4 ou 6 para um esquema de modulaç ão Quadrature Phase-shift Keying (QPSK), 16-Quadrature Amplitude Modulation (QAM) ou 64-QAM respetivamente. Os RE est ão 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 êm 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

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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 ão de dados, sincronizaç ão, etc. Esta divis ão do espectro r ádio usado no DL em LTE pode ser visualizado na Figura 2.4. Por fim se forem agrupadas 10 subframes obt ém-se uma LTE radio frame com duraç ão de 10 ms, que corresponde à maior unidade de tempo presente em LTE.

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

No entanto o OFDMA n ão é usada no UL pelo facto de necessitar duma elevada pot ência de pico, o que n ão é poss´ıvel obter nos UEs por limitaç ões referentes à bateria e consequente autonomia. A t écnica SC-FDMA pelo contr ário n ão requer uma elevada pot ência de pico conseguindo ainda assim manter alguma flexibilidade no dom´ınio da frequ ência.

O SC-FDMA, tal como o OFDMA, divide a banda dispon´ıvel em m últiplas sub-portadoras ortogonais entre si e usa tamb ém o tempo de guarda CP para eliminar o ISI. A grande diferença reside no facto do SC-FDMA usar sub-bandas maiores e menor duraç ão de s´ımbolos, o que permite reduzir a pot ência de pico necess ária no OFDMA. Cada s´ımbolo n ão é atribu´ıdo directamente a cada sub-portadora mas sim a uma combinaç ão 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 ão 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 és do uso das t écnicas de acesso m últiplas j á descritas, os eNBs conseguem distinguir transmiss ões de diferentes UEs dentro da c élula. No entanto ainda é preciso distinguir transmiss ões dos UEs das transmiss ões dos pr óprios eNBs. Isto é conseguido recorrendo a Frequency Division Duplex (FDD) e Time Division Duplex (TDD). No FDD o eNB recebe e transmite ao mesmo tempo e é usada uma frequ ência para o DL e outra para o UL, sendo este o mais indicado dos dois para serviços com tr áfico sim étrico, como por exemplo voz. J á em TDD a frequ ência usada é a mesma mas os slots de tempo s ão divididos entre o DL e o UL e a duraç ão dos mesmos slots pode depender do tr áfego a ser enviado. Este ser á o mais indicado para serviços de dados visto a assimetria que tipicamente existe entre o DL e o UL. Nesta t écnica é necess ária a utilizaç ão dum maior tempo de guarda de forma a evitar interfer ência entre slots adjacentes no tempo. Analogamente, na t écnica FDD é necess ária uma

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Figura 2.5: Comparaç ão entre as t écnicas de acesso m últiplo OFDMA e SC-FDMA [Whi08].

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

As larguras de bandas inicialmente suportadas em LTE encontravam-se entre 1.4 MHz e 20 MHz, mas com o LTE-A é poss´ıvel ir at é larguras de banda de 100 MHz usando CA com portadoras de 20 MHz. Esta agregaç ão pode ser feita com portadoras da mesma banda, Intra-Band, ou de bandas diferentes, Inter-Band. Cada banda tem tamb ém uma banda de guarda associada, uma banda que existe antes e depois da banda de transmiss ão de forma a minimizar a interfer ência das bandas adjacentes. A Tabela 2.1 mostra as larguras de banda dispon´ıveis em LTE assim como o respetivo n úmero de RBs e sub- portadoras suportados nessas bandas. A banda ocupada equivale à banda usada para transmiss ão, 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 ébito duma ligaç ão num dado instante depende da qualidade do sinal recebido que por sua vez depende da interfer ência de c élulas adjacentes, do desvanecimento, do ru´ıdo e das caracter´ısticas do recetor, etc. De forma a otimizar o d ébito duma dada ligaç ão, o eNB necessita de ter a capacidade

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de adaptar o sinal enviado tendo em conta as caracter´ısticas do canal sentidas pelo UE. A esta capacidade de adaptaç ão chama-se Adaptive Modulation and Coding (AMC) e consiste na alteraç ão do esquema de modulaç ão e da taxa de codificaç ão, o que normalmente é referido como Modulation and Coding Scheme (MCS). Quanto ao esquema de modulaç ão, e como j á foi referido, s ão tr ês os utili- zados: QPSK, 16-QAM e 64-QAM. O esquema mais robusto a erros mas com menor d ébito bin ário

é o QPSK, j á que apenas transporta 2 bits/s´ımbolo. Pelo contr ário o mais sens´ıvel a erros mas com maior d ébito bin ário é o 64-QAM por transportar 6 bits/s´ımbolo pelo que deve apenas ser utilizado em ligaç ões com elevada qualidade de sinal. A taxa de codificaç ão representa a relaç ão entre o n úmero de bits de informaç ão e um n úmero total de 1024 bits. Os bits restantes equivalem a bits usados para correç ão/prevenç ão de erros que ocorram no canal recorrendo a t écnicas como Forward Error Correc- tion (FEC), Automatic Repeat Request (ARQ) ou Hybrid ARQ. A seleç ão deste MCS a usar numa dada ligaç ão pode ser definida tamb ém pelo UE atrav és do Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) recebido, pois este consegue derivar um Channel Quality Indicator (CQI) que maximize o d ébito bin ário para um valor de BLER considerado (tipicamente 10 %), que seguidamente é enviado no UL ao eNB. A cada TTI o eNB gera um transport block (TB) para cada UE que corresponde à quantidade de bits enviados. O tamanho de cada TB vai depender tanto do MCS usado como do n úmero 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 é suportado.

Tabela 2.2: MCSs, CQIs e taxas de codificaç ão usados em LTE [STB09]. CQI Modulaç ão Taxa de Codificaç ão Efici ência [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 é reportado por parte do UE, mais preciso ser á o MCS usado numa determinada ligaç ão tendo em conta as condiç ões do canal. O eNB disp õe do controlo sobre a periodicidade dos CQIs, podendo requisitar ao UE envios peri ódicos de CQIs ditando tamb ém o tempo de periodicidade dos mesmos. No dom´ınio da frequ ência os CQIs podem ser atribu´ıdos a sub-bandas permitindo tamb ém uma melhor adaptaç ão. Os v ários modos de feedback suportados por parte do UE para o eNB no dom´ınio da frequ ência s ão os seguintes:

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• 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 ém de enviar tamb ém um valor de CQI para toda a largura de banda, s ão selecionadas pelo UE um conjunto de sub-bandas sobre as quais este envia CQIs referentes às mesmas assim como as suas posiç ões.

A 3GPP definiu 11 bandas para TDD e 25 bandas para FDD, sendo que nem todas essas bandas est ão dispon´ıveis em todas as regi ões 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 Comunicaç ões (ANACOM), leiloou estas bandas juntamente com uma banda extra nos 450 MHz [ANA11].

2.3 Multiple Input Multiple Output

A t écnica MIMO, LTE Release 8 [3GP08], consiste no uso de m últiplas antenas tanto para o envio como para a receç ão, o que permite aumentar a capacidade do sistema e a dist ância de cobertura sem a necessidade de largura de banda adicional nem aumento de pot ência transmitida. S ão tr ês as t écnicas usadas recorrendo a MIMO: diversidade espacial, multiplexagem espacial e beamforming. Com a introduç ão de MIMO nas comunicaç ões m óveis tornou-se poss´ıvel explorar uma terceira dimens ão para al ém do tempo e da frequ ência: o espaço.

O efeito desvanecimento nas comunicaç ões m óveis pode ser causado pelos fen ómenos de multipercurso e efeito sombra. O multipercurso acontece devido aos v ários caminhos que o sinal pode tomar, chegando ao recetor com fases diferentes, o que vai causar interfer ência construtiva ou destrutiva na receç ão. Na primeira os sinais est ão em fase e portanto aumentam em amplitude enquanto na segunda os sinais subtraem-se podendo mesmo anularem-se mutuamente. Este fen ómeno é conhecido por desvanecimento r ápido. O efeito sombra, ou desvanecimento lento, é causado pela atenuaç ão dos v ários obst áculos que o sinal encontra at é chegar ao recetor, e.g., edif´ıcios, vegetaç ão, carros. Este efeito acontece quando n ão existe linha de vista do recetor com o emissor.

O uso do ganho de diversidade leva a um aumento da qualidade do sinal recebido e à reduç ão do desvanecimento recorrendo a m últiplas antenas na emiss ão, na receç ão ou em ambos. Quanto maior a dist ância em comprimentos de onda entre as antenas, menor ser á a correlaç ão entre o desvanecimento sentido pelos sinais e maior ser á o ganho de diversidade. Esta t écnica é mais usada no UL pela dificul- dade existente em colocar m últiplas antenas suficientemente espaçadas nos UEs. Outra possibilidade para criar diversidade é o uso de polarizaç ões ortogonais j á que o desvanecimento sentido por estas é pouco correlacionado.

A diversidade de receç ão usa duas ou mais antenas na receç ão para criar diversidade espacial, designado por Single Input Multiple Output (SIMO). Na receç ão s ão usadas duas formas de combining dos sinais recebidos: selection combining e gain combining. No selection combining é escolhido a cada

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instante o sinal com maior SINR enquanto no gain combining é feita a combinaç ão linear de todos os sinais recebidos. Pelo contr ário, a diversidade de transmiss ão usa duas ou mais antenas na emiss ão, Multiple Input Single Output (MISO). O maior problema desta alternativa é a possibilidade da ocorr ência de interfer ência destrutiva na receç ão j á que existe apenas uma antena. Existem duas soluç ões para este problema: Closed Loop Transmit Diversity (CLTD) e Open Loop Transmit Diversity (OLTD). No CLTD o emissor envia duas c ópias do sinal a partir de duas antenas mas aplica uma desfasagem a um ou a ambos os sinais. A desfasagem necess ária é determinada no recetor e enviada para o emissor sob a forma dum precoding matrix indicator (PMI). Um PMI simples pode indicar uma de duas opç ões: transmitir os dois sinais sem desfasagem ou transmitir o segundo com uma desfasagem de 180^◦. Se a primeira opç ão der origem a interfer ência destrutiva a segunda n ão d á certamente. As desfasagens sentidas no canal dependem do comprimento de onda, e portanto da frequ ência. A melhor escolha de PMI vai ent ão depender da frequ ência pelo que o UE pode enviar PMIs diferentes para conjuntos de sub-portadoras diferentes. A posiç ão do UE vai tamb ém influenciar a escolha do PMI, o que leva a uma necessidade de constante atualizaç ão deste no caso de UEs em movimento. O problema que surge é o uso de PMIs, por parte do emissor, que j á n ão est ão atuais devido ao atraso introduzido pelo feedback loop. Por esta raz ão, CLTD é apenas adequado a UEs que estejam est áticos ou a mover-se com uma velocidade baixa. Para UEs com elevada velocidade existe o OLTD.

No OLTD o emissor envia dois s´ımbolos, s1e s2, em dois intervalos de tempo consecutivos. No primeiro intervalo envia s1 da primeira antena e s2 da segunda, enquanto no segundo intervalo envia −s₂^∗ da primeira antena e s₁^∗da segunda. O s´ımbolo^∗ representa o conjugado. O recetor pode agora resolver as equaç ões resultantes e recuperar os s´ımbolos transmitidos. Para que este m étodo resulte h á dois requisitos necess ários: o desvanecimento se mantenha praticamente o mesmo no primeiro e no segundo intervalo de tempo e os dois sinais n ão podem ser perdidos ao mesmo tempo devido a desvanecimento. Esta t écnica pode ser usada para quatro antenas em LTE e é poss´ıvel combinar Open e Closed Loop Transmit Diversity com diversidade de receç ão.

Na multiplexagem espacial, ao contr ário da diversidade anteriormente abordada, é poss´ıvel aumentar o d ébito bin ário usando as v árias antenas dispon´ıveis para estabelecer fluxos de informaç ão paralelos. Num sistema com Nt antenas de emiss ão e Nr antenas de receç ão, Nt^{× N}r, o d ébito bin ário m áximo alcanç ável é proporcional ao min(Nt, Nr). Num caso simples de 2 × 2 o que acontece é que o emissor retira do modulador 2 s´ımbolos a cada instante, para depois serem ambos enviados, 1 s´ımbolo por antena. Neste caso o d ébito est á a ser duplicado. Os s´ımbolos viajam at é ao recetor por 4 caminhos diferentes experienciando diferentes atenuaç ões e alteraç ões de fase. O recetor de seguida usa os 2 sinais recebidos para recuperar os 2 s´ımbolos enviados. Esta separaç ão s ó é poss´ıvel recorrendo previamente a uma t écnica denominada Channel Estimation que consiste no envio de s´ımbolos de refer ência por parte do emissor com uma predefinida amplitude e fase. No recetor é calculado a atenuaç ão e o atraso de fase que foi introduzido pelo canal e torna-se assim poss´ıvel remover o mesmo para s´ımbolos de informaç ão. Visto neste exemplo se usarem 2 antenas para o envio, cada antena envia o seu s´ımbolo de refer ência à vez, o qual vai permitir ao recetor saber a atenuaç ão e o atraso de fase de cada antena no recetor para cada antena no emissor. No entanto existe um problema com

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esta t écnica e com os valores retirados do canal, depois de ser feito o Channel Estimation, que provoca no recetor uma divis ão por 0, [Cox12], impossibilitando assim a recuperaç ão dos s´ımbolos enviados. Tamb ém este mesmo valor n ão sendo 0 mas sendo bastante baixo indica que os sinais est ão extremamente afetados por ru´ıdo e que a recuperaç ão dos s´ımbolos n ão é poss´ıvel. Para resolver este problema existe o Open Loop Spatial Multiplexing (OLSM).

No OLSM é enviado apenas um s´ımbolo num dado instante, i.e. o uso apenas de diversidade, quando o canal n ão permite que se use multiplexagem. Nesta t écnica o recetor estima os elementos do canal e calcula um rank indication (RI), que indica o n úmero de s´ımbolos que o recetor consegue receber. Este RI é ent ão enviado ao emissor e equivale ao n úmero de fluxos de informaç ão independentes suportados naquele instante, tamb ém denominado de layers. Quando est á a ser usada diversidade, pode ocorrer interfer ência destrutiva dos sinais nas antenas de receç ão, [Cox12], o que n ão permite a recuperaç ão dos s´ımbolos. A t écnica Closed Loop Spatial Multiplexing (CLSM) vem corrigir esse problema.

Quando est á a ser enviado apenas um s´ımbolo, o que foi introduzido em CLSM é a possibilidade de alteraç ão do sinal/fase numa das antenas de emiss ão. Por exemplo para o envio do s´ımbolo s₁, uma das antenas enviaria s₁enquanto que a outra enviaria −s₁. Caso o RI seja igual a 1, é usada diversidade, enquanto que para um RI igual a 2 continua a ser usada multiplexagem espacial. Nesta t écnica o recetor necessita de enviar n ão s ó um RI mas tamb ém um PMI que maximize o d ébito bin ário da ligaç ão.

E tamb ém poss´ıvel usar multiplexagem espacial para mais do que um UE ao mesmo tempo, ou seja,´ multiple user MIMO (MU-MIMO). Nos casos anteriormente referidos, as t écnicas de multiplexagem espacial eram apenas entre um UE e um eNB, single user MIMO (SU-MIMO). Diferentes UEs podem transmitir no UL na mesma portadora e no mesmo instante sem saberem que est ão a usar multiplexagem espacial. S ão dois os factores que tornam esta t écnica poss´ıvel no UL: os UEs estarem normalmente bastante afastados uns dos outros e os eNBs poderem escolher quais os UEs com quem usar esta t écnica. Apesar de n ão aumentar o d ébito dos UEs em quest ão, o d ébito m édio da c élula aumenta. No DL esta t écnica j á n ão é poss´ıvel sem o uso de beamforming.

O beamforming usa m últiplas antenas no eNB de forma a aumentar a cobertura da c élula. Esta t écnica usa agregados de antenas na emiss ão do eNB para criar interfer ência construtiva no UE para o qual est á a enviar o sinal, e interfer ência destrutiva nos UEs que est ão a sofrer interfer ência. A largura do feixe para o UE principal é menor do que seria caso se usasse apenas uma antena de emiss ão, o que, para a mesma pot ência de emiss ão faz com que a cobertura aumente. O l óbulo principal do agregado pode ser direcionado para qualquer ponto da c élula, sendo este apenas influenciado pela amplitude e fase do sinal de cada antena do agregado. Num sistema com N antenas, é poss´ıvel ter at é N − 2 nulos ou l óbulos secund ários. Esta t écnica pode ser usada no UL e assim torna tamb ém poss´ıvel o aumento de cobertura. Beamforming funciona melhor se as antenas estiverem perto umas das outras, com dist âncias da ordem do comprimento de onda, e se os sinais forem correlacionados ao contr ário da diversidade e multiplexagem espacial.

Com a introduç ão de multiplexagem espacial surge o Dual Layer Beamforming. Nesta t écnica o eNB envia ao agregado de antenas dois fluxos de informaç ão em vez de um. De seguida estes fluxos s ão

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afetados por dois conjuntos de ganhos e alteraç ões de fase e s ão somados antes da emiss ão. Desta forma s ão criados dois feixes independentes que usam a mesma portadora mas transportam diferente informaç ão para dois UEs. O eNB pode ent ão ajustar as amplitudes e fases para apontar os fluxos para os dois UEs diferentes, para que um UE receba interfer ência construtiva para a seu fluxo e interfer ência destrutiva para o outro fluxo e vice-versa. O d ébito bin ário est á ent ão a ser duplicado na c élula. É tamb ém poss´ıvel direcionar dois feixes para duas antenas diferentes dum dado UE, duplicando assim o d ébito para esse UE.

As t écnicas anteriormente descritas correspondem a modos de transmiss ão em LTE e est ão na Tabela 2.3. Para cada t écnica est á indicado quais os par âmetros que o eNB espera receber no feedback por parte do UE.

Tabela 2.3: Modos de Transmiss ˜ao suportados no DL em LTE [Cox12]. UL feedback

Modo Descric¸ ˜ao CQI RI PMI

1 Single Antenna Transmission x - -

2 Open Loop Transmit Diversity x - -

3 Open Loop Spatial Multiplexing x x - 4 Closed Loop Spatial Multiplexing x x x

5 Multiple User MIMO x - x

6 Closed Loop Transmit Diversity x - x

7 Beamforming x - -

8 Dual Layer Beamforming x Configur ´avel 9 Eight layer spatial multiplexing x Configur ´avel

Num dado TTI o modo de transmiss ão a ser usado numa ligaç ão é definido pelo eNB. Tipicamente os eNB disp õem dum conjunto de antenas usadas para diversidade e multiplexagem espacial, com dist âncias elevadas entre as antenas, e um agregado de antenas usado para t écnicas de beamforming, com menor dist ância entre as mesmas.

2.4 Coordinated Multipoint

Cada vez mais nas redes m óveis é essencial garantir um elevado d ébito bin ário e elevada efici ência espectral a todos os utilizadores dentro da c élula, independentemente da posiç ão do mesmo. Quando um UE se encontra na orla duma c élula, para al ém da atenuaç ão de espaço livre ser elevada, este recebe sinais de eNBs adjacentes ao seu e a sua pr ópria transmiss ão vai chegar a v ários eNB que n ão ao qual est á ligado. Se estas transmiss ões de m últiplos eNBs forem coordenadas o desempenho das ligaç ões pode melhorar significativamente. A esta coordenaç ão entre eNBs chama-se CoMP e foi especificada na LTE Release 11, [Ahm13]. Esta especificaç ão suporta transmiss ão coordenada no DL e receç ão coordenada no UL e inclui tanto redes homog éneas como redes heterog éneas, onde poder ão existir n ós de baixa pot ência (e.g., relay nodes, pico- ou femto-cells) para servir áreas espec´ıficas de c élulas. Na transmiss ão referente ao DL, os sinais transmitidos de m últiplos eNBs s ão coordenados de forma a aumentar a pot ência do sinal recebido ou reduzir a interfer ência co-canal. J á no UL é poss´ıvel limitar a interfer ência e garantir que a informaç ão é recebida, tirando partido dos m últiplos pontos para

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receç ão dispon´ıveis. Uma m étrica tipicamente utilizada em comunicaç ões m óveis para averiguar o poss´ıvel desequil´ıbrio na divis ão dos recursos de entre os UEs num eNB designa-se por fairness. Existem v árias formas de calcular este indicador, a utilizada nesta tese ser á descrita no Cap´ıtulo 3. Em CoMP torna-se ent ão necess ário formar grupos de eNBs, os chamados clusters. No entanto, quanto maior o n úmero de eNBs e UEs agrupados maior se torna o overhead de sinalizaç ão e o feedback necess ário por parte dos UEs. Portanto este agrupamento dever á ser limitado a um n úmero reduzido de eNBs e UEs. A formaç ão de clusters pode ser feita de forma est ática, se estes n ão se alterarem ao longo do tempo, ou din âmica. A Figura 2.6 mostra uma rede t´ıpica de LTE e um exemplo de um cluster nessa mesma rede. Em LTE normalmente um eNB é dividido em 3 sectores, ou c élulas, em que cada um dos quais cobre 120^◦da área desse eNB. Desta forma é garantido um melhor aproveitamento do espectro dispon´ıvel. Por outro lado vai provocar interfer ência intra-eNB, entre sectores do mesmo eNB. Interfer ência entre dois eNBs distintos designa-se inter-eNB.

Figura 2.6: Rede LTE tri-sectorizada [MF11].

Apesar dos eNBs num sistema real apresentarem uma zona de cobertura com a forma dum c´ırculo, na Figura 2.6 estes apresentam uma forma hexagonal. Isto acontece pela maior facilidade na modelaç ão dum sistema desta forma. Assim n ão h á zonas sem cobertura nem zonas com muita interfer ência. As t écnicas de emiss ão/receç ão CoMP podem ser classificadas em duas categorias, as quais est ão representadas na Figura 2.7:

• Inter-eNB CoMP, onde a coordenaç ão entre eNB é feita atrav és da interface X2 com um atraso de feedback t´ıpico de 5-30 ms;

• Intra-eNB CoMP, onde os pontos de transmiss ão est ão normalmente ligados atrav és de fibra

´optica o que possibilita um atraso de feedback na ordem de 5 ms, sem recurso `a interface X2.

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A arquitetura da rede, de forma a ser poss´ıvel o uso de CoMP, tem de garantir a coordenaç ão e sincronizaç ão entre os v ários pontos de transmiss ão. No caso de inter-eNB CoMP, é necess ária a troca de informaç ão sobre os UEs e os respetivos Channel State Information (CSI) entre os v ários eNBs, ou pontos de transmiss ão no caso de redes heterog éneas, o que requer uma baixa lat ência e uma elevada capacidade entre os mesmos. O CSI corresponde à agregaç ão dos par âmetros RI, PMI e CQI.

Figura 2.7: Inter-eNB e Intra-eNB CoMP [Ahm13].

As duas t écnicas CoMP usadas no DL s ão Joint Processing (JP) e Coordinated Scheduling/Beamforming (CS/CB). Estas t écnicas aplicam-se tanto aos modos de operaç ão FDD como TDD e est ão representadas na Figura 2.8.

Em JP a informaç ão a enviar est á em mais do que um ponto de transmiss ão, ou sectores em redes homog éneas. JT é uma subcategoria desta t écnica e consiste no envio da mesma informaç ão, por parte de pontos de transmiss ão diferentes para o mesmo UE utilizando o mesmo recurso r ádio. Desta forma é poss´ıvel melhorar a qualidade do sinal recebido e reduzir a interfer ência na ligaç ão j á que os pontos escolhidos para emiss ão, para al ém do pr óprio eNB, eram anteriormente as maiores fontes de interfer ência para o UE. Outra subcategoria de JP é a Dynamic Point Selection (DPS) e muting, na qual a informaç ão é transmitida pelo ponto que garantir melhor qualidade do sinal num dado instante enquanto é eliminada a maior fonte de interfer ência para essa ligaç ão, muting. O ponto que garante melhor qualidade de sinal varia principalmente pelas constantes alteraç ões do desvanecimento do canal. Esta t écnica garante um equilibro entre complexidade, overhead e d ébito em relaç ão ao JT. É tamb ém poss´ıvel usar JT e DPS em simult âneo.

Por outro lado para CS/CB a informaç ão para um determinado UE encontra-se apenas num ponto de transmiss ão. A emiss ão é feita apenas de um ponto mas o agendamento de recursos e a t écnica de beamforming é coordenada entre os v ários pontos de transmiss ão do cluster. Tamb ém aqui pode ser usada a t écnica muting para reduzir a interfer ência. Nesta t écnica o UE calcula n ão s ó os PMIs que o eNB deve usar de forma a maximizar a qualidade da transmiss ão mas tamb ém poss´ıveis PMIs causa- dores de forte interfer ência na ligaç ão se usados por eNBs adjacentes, os chamados Worst Companion Indicators (WCIs).

No UL as duas t ´ecnicas CoMP usadas s ˜ao Joint Reception (JR) e CS/CB. Em JR, e de forma seme-

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Figura 2.8: T ´ecnicas usadas no DL em CoMP [Ahm13].

lhante ao DL, a informaç ão é recebida por v ários pontos de forma a melhorar a qualidade do sinal. O agendamento de recursos e as decis ões de pr é-codificaç ão em CS/CB s ão feitas de forma coordenada pelo cluster e a informaç ão proveniente do UE é apenas recebida por um ponto.

Os UEs necessitam agora de calcular o CSI n ão s ó para o ponto ao qual est ão ligados mas tamb ém para um conjunto de pontos de transmiss ão adjacentes. Este conjunto de pontos equivale a uma parte do cluster e pode variar com a mobilidade do UE. Na LTE Release 11 foi definida um procedimento de gest ão de recursos CoMP para cada UE de forma a ajudar a rede a definir estes conjuntos sobre os quais s ão calculados os CSIs [Ahm13].

Para a t écnica CS/CB s ão necess ários pelo menos dois CSIs para dois pontos de transmiss ão distintos, onde um deles é referente ao ponto de transmiss ão que est á a servir o UE em quest ão e o outro, ou outros, é referente ao ponto de transmiss ão que est á a interferir na ligaç ão. Tamb ém na t écnica DPS s ão necess ários os CSIs referentes a v ários pontos de transmiss ão para ser poss´ıvel à rede trocar para o melhor num dado instante. Em JT a pr é-codificaç ão é aplicada de forma individual entre os pontos de transmiss ão e portanto torna tamb ém necess ário o c álculo do PMI para diferentes pontos de transmiss ão.

2.5 Estado da Arte

O desempenho das t écnicas CoMP JP e CS/CB é analisado em [Ahm13]. Foi conclu´ıdo que h á melhoria de desempenho usando CoMP, tanto para redes homog éneas como heterog éneas. Esta melhoria acontece nos UEs que s ão bastante afectados por interfer ência, que se encontram normalmente na orla da c élula. No DL em redes homog éneas, usando JT MU-MIMO 4 × 2, os ganhos de efici ência espectral m édios por c élula s ão de 10 % enquanto os ganhos na orla s ão de 30 % aproximadamente. Quando usado CS/CB SU-MIMO 4 × 2, observam-se perdas de 25 % na efici ência espectral m édia por c élula comparativamente com MU-MIMO 4 × 2 enquanto na orla se verificam perdas de 4.5 %. Em geral a t écnica JT obtem maior ganho comparativamente a CS/CB, à custa dum maior aumento de

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complexidade nas ligaç ões entre os v ários pontos de transmiss ão. No UL quando usado JR MU-MIMO 1 × 4, os ganhos de efici ência espectral m édios por c élula s ão de 3 % e os ganhos de orla de 2.5 %. O desempenho destas t écnicas foi tamb ém testado para diferentes atrasos da rede na comunicaç ão entre pontos de transmiss ão. Assumiu-se um atraso inicial da comunicaç ão dos CSIs entre pontos de transmiss ão de 5 ms e foi-se incrementando esse valor por 5 ms at é um valor final de 20 ms. Por cada salto, a perda de d ébito bin ário por UE é aproximadamente de 7 % para CS/CB SU-MIMO e 10 % para JT MU-MIMO, pelo que a t écnica CS/CB se mostrou mais resistente a atrasos que JT.

No artigo [Saw+10] s ão analisados os desempenhos das t écnicas CoMP JT e CS. Os resultados apresentados s ão referentes aos UEs que se encontram na orla, o que neste artigo equivale a 5 % da funç ão de distribuiç ão cumulativa do d ébito da c élula, assumindo 10 UEs por c élula em modo full-buffer. A largura de banda do sistema é de 9 MHz, o que corresponde a 50 RBs, e a portadora encontra-se nos 2 GHz. A atenuaç ão em espaço livre decai com um factor de 3.76, enquanto que o efeito sombra segue a distribuiç ão log-normal com um desvio padr ão de 8 dB. O scheduler usado foi o proportional fair, e foi tamb ém usado AMC. Os UEs que usaram CoMP, e assim considerados estar na orla da c élula, foram os que entre o eNB principal que os servia e o segundo melhor eNB tinham apenas 3 dB de diferença no valor da atenuaç ão de espaço livre. No primeiro cen ário, 2 × 2, os ganhos de d ébito para UEs na orla usando JT e CS s ão de respetivamente 58 % e 43 % em relaç ão ao caso em que n ão é usado CoMP e se obt ém um d ébito na c élula de 12 Mbit/s. Os valores s ão obtidos por maior ou menor atribuiç ão de recursos da rede à orla. JT consegue maiores ganhos que CS por ter dispon´ıvel uma maior pot ência, de v ários eNBs, na receç ão nos UEs. Os ganhos, quando é usado 4 × 2, s ão aumentados em mais 34 % e 30 % para JT e CS respetivamente.

No livro [MF11] s ão comparados os ganhos de JT e CB/CS no DL numa rede LTE, assim como os requisitos de capacidade entres os v ários pontos de transmiss ão da rede para suportar o uso de CoMP. O sistema é constitu´ıdo por 19 eNBs colocados numa rede hexagonal e distanciados de 500 m entre si. Os UEs encontram-se uniformemente distribu´ıdos pelas c élulas, 10 UEs/c élula, e é usado full-buffer quanto ao tr áfego. A frequ ência da portadora é de 2 GHz com uma largura de banda de 10 MHz. Os MCSs s ão atualizados com um intervalo de 1 ms. Os clusters usados em JT nesta simulaç ão s ão constitu´ıdos por 2 ou 3 eNBs, n ão havendo cooperaç ão de nenhum tipo fora dos mesmos. Usando CS/CB 4 × 2 SU-MIMO os ganhos de d ébito observados na orla da c élula s ão de 11 % e o ganho m édio por c élula de 5 %. Por outro lado para CS/CB 4 × 2 MU-MIMO houve ganhos de d ébito de 5 % na orla da c élula mas n ão houve ganho no d ébito m édio. O que acontece usando MU-MIMO é que as restriç ões dos WCIs s ão tantas que muitos recursos operam em SU-MIMO. Visto que o ganho de efici ência espectral de MU-MIMO em relaç ão a SU-MIMO é de apenas ¹₃, n ão s ão compensadas estas restriç ões com o aumento do SINR. J á em JT 2 × 2 MU-MIMO os ganhos m édios de d ébito por c élula foram de 20 % e 42 % para clusters de tamanho 2 e 3 respetivamente. O aumento de tr áfego entre eNBs que a rede necessitaria para suportar CS/CB seria de 1.8 Mbit/s/c élula, para cada lado, quando o UE re- porta 4 WCIs dos 6 poss´ıveis, dos eNBs adjacentes ao seu. Para suportar JT a rede necessitaria de 80 Mbit/s/eNB e 168 Mbit/s/eNB para clusters de tamanho 2 e 3 respetivamente. Foi assumido que para clusters de tamanho 2 e para 2 c élulas arbitr árias a realizar JT, a probabilidade de pertencerem

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ao mesmo eNB é de ¹₃. Para clusters de tamanho 3 a probabilidade das 3 c élulas em cooperaç ão pertencerem ao mesmo eNB é de ¹₆, de 2 pertencerem é ¹₂ e finalmente ¹₃ quando apenas uma c élula pertence ao eNB principal.

Em [Zha+09] é analisado o desempenho de JT 4 × 2 no DL numa rede LTE. A rede é constitu´ıda por 7 eNBs, 10 UEs/c élula. A banda utilizada s ão 10 MHz, a pot ência de emiss ão dos eNBs é 46 dBm e atuam em modo full-buffer. O d ébito m édio da c élula é aumentado em 3.67 % enquanto o da orla é aumentado em 2.89 % quando é usado JT apenas nos UEs com pior SINR. Os valores de refer ência correspondem ao caso SU-MIMO sem JT. Quando usado MU-MIMO com JT o aumento é de 18.43 % para o d ébito m édio e 32.53 % para o d ébito da orla. Pelo contr ário quando é usado SU-MIMO com JT em toda a c élula o d ébito m édio cai 54.41 % e o da orla cai 24.58 %.

S ão propostos dois algoritmos iterativos para a alocaç ão de recursos r ádio para um cluster de eNBs a usar JT numa rede operando em OFDMA em [Li+12b]. É estudada a alocaç ão de pot ência e o agendamento de UEs sobre m últiplos eNBs. Os resultados da simulaç ão mostram que estes algoritmos obt êm uma soluç ão muito pr óxima da ótima, com baixa complexidade computacional.

E desenvolvido no artigo [Li+12a] um esquema de alocaç ão de pot ência num sistema, com dois eNB e´ dois UEs, a usar JT no DL. É estudado o pior caso em que as fases das portadoras n ão est ão sincroni- zadas entre os eNBs o que impossibilita o uso de precoding. A alocaç ão de pot ência é extremamente simples, cada c élula transmite com a pot ência m áxima para apenas um UE. Os resultados demonstram que h á ganhos na soma dos d ébitos bin ários em relaç ão aos esquemas power allocation, binary power control, greedy power allocation e joint water-filling.

A transmiss ão de informaç ão em redes a usar CoMP na presença de limitaç ões no feedback de CSIs, e a usar quantizaç ão dos mesmos, é estudado em [Mak+12]. Os resultados mostram que h á melho- rias no desempenho em redes com limitado n úmero de bits para feedback por eNB, particularmente quando o desvanecimento n ão é muito sentido. A alocaç ão ótima de bits torna-se mais importante para UEs que estejam na orla. Na maior parte dos casos o esquema Zonal-sampling consegue a melhor alocaç ão de bits e consequentemente a maximizaç ão do d ébito do sistema.

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Cap´ıtulo 3

Simulador e Modelos Desenvolvidos

Inicialmente é introduzido o simulador LTE usado nesta tese, assim como o seu funcionamento. De seguida s ão apresentados os modelos desenvolvidos e os par âmetros de simulaç ão constantes em todos os cen ários apresentados no Cap´ıtulo 4. No fim do cap´ıtulo encontra-se a avaliaç ão do simulador de forma a validar os resultados obtidos.

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3.1 Descric¸ ˜ao do Simulador

O simulador usado nesta tese, e sobre o qual foram implementados os modelos descritos na Secç ão 3.2, designa-se LTE Downlink System Level Simulator v1.7 r1119 [IWR10] e foi desenvolvido pelo Ins- titute of Communications and Radio-Frequency Engineering da Vienna University of Technology. O funcionamento do referido simulador est á ilustrado no diagrama de blocos da Figura 3.1.

Leitura dos Par ˆametros

Definiç ão do Cen ário

Criac¸ ˜ao da Rede

Fim da Simulac¸ ˜ao?

C ´alculo do SINR/CQI pelos UEs eNB recebe

feedback e agenda RBs

Envio de TBs Apresentac¸ ˜ao

dos Resultados

N ˜ao

Sim

Figura 3.1: Diagrama de blocos do simulador LTE Downlink System Level Simulator v1.7r1119 [IWR10].

No primeiro bloco “Leitura dos Par âmetros”, o simulador guarda todos os valores introduzidos no ficheiro de entrada. Estes par âmetros definem a simulaç ão e n ão s ão alterados ao longo da mesma, e ser ão apresentados posteriormente na Secç ão 3.3.

Em seguida, na “Definiç ão do Cen ário” o simulador carrega um dos v ários ficheiros de configuraç ão da rede que se encontram dispon´ıveis, os quais cont êm os valores necess ários para definir um cen ário. Pelo facto de haver muitas vari áveis a definir, estes cen ários predefinidos facilitam a simulaç ão por parte do utilizador.

Na “Criaç ão da Rede” s ão colocados sobre um mapa de coordenadas, de 2 dimens ões, um n úmero de estaç ões base, ou eNBs, previamente definido. Estas podem-se encontrar equidistantes ou n ão. No caso de n ão o estarem, a sua posiç ão tem de ser definida no ficheiro de entrada. S ão tamb ém definidos quais os eNBs para os quais ser á calculado o d ébito bin ário, e s ão estes os definem a regi ão