Mecanismos de Identificação de Proximidade e Alocação de Recursos para uma Comunicação D2D Energeticamente Eficiente em Redes LTE-A

Mecanismos de Identificação de Proximidade e

Alocação de Recursos para uma Comunicação

D2D Energeticamente Eficiente em Redes LTE-A

Por

Marcos Graciano Santos

Dissertação de Mestrado

Universidade Federal de Pernambuco posgraduacao@cin.ufpe.br www.cin.ufpe.br/~posgraduacao

RECIFE, PE 2014

Universidade Federal de Pernambuco

Centro de Informática

Pós-graduação em Ciência da Computação

Marcos Graciano Santos

Mecanismos de Identificação de Proximidade e Alocação de

Recursos para uma Comunicação D2D Energeticamente Eficiente

em Redes LTE-A

Trabalho apresentado ao Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação do Centro de Informática da Universidade Federal de Pernambuco como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência da Computação.

Orientador: Prof. Kelvin Lopes Dias

RECIFE, PE 2014

Catalogação na fonte

Bibliotecária Jane Souto Maior, CRB4 - 571

S237m Santos, Marcos Graciano.

Mecanismos de identificação de proximidade e alocação de recursos para uma comunicação D2D energicamente eficiente em redes LTE-A / Marcos Graciano Santos. – Recife: O Autor, 2014.

124 f.: il., fig., tab.

Orientador: Kelvin Lopes Dias.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CIN. Ciência da Computação, 2014.

Inclui referências e apêndice.

1. Sistemas distribuídos. 2. Redes sem fio. I. Dias, Kelvin Lopes (orientador). I. Título.

004.36 CDD (22. ed.) UFPE- MEI 2014-150

Dissertação de Mestrado apresentada por Marcos Graciano Santos à Pós-Graduação em Ciência da Computação do Centro de Informática da Universidade Federal de Pernambuco, sob o título “Mecanismos de Identificação de

Proximidade e Alocação de Recursos para uma Comunicação D2D Energeticamente Eficiente em Redes LTE-A” orientada pelo Prof. Kelvin Lopes Dias e aprovada pela Banca Examinadora formada pelos professores:

______________________________________________ Prof. Ricardo Martins de Abreu Silva

Centro de Informática / UFPE

______________________________________________ Prof. Marco Antonio de Oliveira Domingues

Departamento Acadêmico de Sistemas Eletro-Eletrônico/IFPE

_______________________________________________ Prof. Kelvin Lopes Dias

Centro de Informática / UFPE

Visto e permitida a impressão. Recife, 11 de agosto de 2014.

___________________________________________________

Profa. Edna Natividade da Silva Barros

Coordenadora da Pós-Graduação em Ciência da Computação do Centro de Informática da Universidade Federal de Pernambuco.

Dedico esta dissertação a José dos Santos Filho e Lindalva Graciano dos Santos, meus pais, que não mediram esforços para formar todos os filhos, academicamente e pelos exemplos de dignidade e honestidade, mesmo tendo origem em sítios onde nem luz elétrica havia. A eles toda minha gratidão, respeito e amor.

Agradecimentos

Primeiramente a Deus toda minha gratidão por fortalecer-me a cada dia nesta jornada. Em seguida, aos meus pais e irmãos Nilton, Nilvan, José Carlos, Nilson, Paulo e em especial a minha irmã Neide, que deram todo o suporte para que eu pudesse me dedicar nos meus estudos e chegar a este momento.

Ao Professor Kelvin Lopes Dias, que confiou em mim desde o primeiro momento, dando-me total tranquilidade para o desenvolvimento das atividades.

A Auristela que me abriu as portas para que iniciasse esta jornada e à Professora Renata Cardoso pela sua maneira de ser. Aos amigos que fiz no mestrado, Andson Marreiros, Eduardo Vasconcelos, Ygor Amaral, Grace Albuquerque, Danilo Mendonça, Warley Valente e Bruno Almeida, que sempre se prontificaram a compartilhar seus conhecimentos dando-me uma ajuda sem a qual não estaria concluindo esta dissertação.

Aos amigos Bruno e Nívea, que abriram as portas de sua casa durante várias tardes para que eu pudesse realizar meus testes e medições. Aos amigos das operadoras TIM e Oi, que se dispuseram a fornecer informações da rede em operação enriquecendo esta dissertação. A Francilda Araújo, pela cooperação essencial e gratuita na etapa final e a Riley, que me disponibilizou equipamento de medição.

Aos companheiros do SENAI, Julyana, Jaislan, Rafael, Rosiane, Erika e Carolina, que entenderam e supriram minha ausência sempre com alegria e bom humor, assim como à instituição que me disponibilizou horários para dedicar-me ao mestrado.

A tantos outros amigos que estiveram no apoio, torcida e nas orações em especial meu sobrinho McRiley e minhas cunhadas, Luzenilda, Benvinda, Isabela, Lucia e Betânia e a Adenildo Santos, Francisco Cardoso com seus conselhos sempre me conduzindo à direção certa.

Resumo

Atualmente, mais de 200 milhões de usuários utilizam as redes 3G/LTE (Long Term Evolution). Com este aumento crescente de usuários com acesso sem fio, muitas pesquisas se concentram no esforço de desenvolvimento de soluções que permitam atender às demandas de redes com alta disponibilidade e altas taxas de transmissão sem considerar, em geral, as limitações de bateria dos dispositivos. Como requisito do LTE Advanced (especificações para a Quarta Geração de comunicações móveis) incluem-se os Serviços de Proximidade, comunicação denominada de dispositivo a dispositivo (D2D, do inglês: device-to-device) para atender ao desenvolvimento de novas demandas de serviços, como jogos e vídeos on-line ou transferência de conteúdos, aplicações que, a cada dia, requerem maiores consumos de energia.

Neste trabalho, realizamos medições que avaliam o consumo da comunicação dispositivo-estação base e propomos primeiramente um algoritmo de identificação de pares de dispositivos e definição de limiares de referência, diferentemente de outros trabalhos, com base nas características de consumo dos dispositivos, que viabilize comunicação direta D2D energeticamente mais eficiente que a comunicação convencional via estação rádio base. Em seguida, para cenários de grande aglomeração de pessoas, uma alternativa de serviço de disponibilização de conteúdos ou transferência de arquivos através de um novo padrão de alocação de recursos, utilizando o modo duplex por divisão no tempo (TDD – Time Duplex Division). Foram considerados cinco modelos de propagação distintos para comparação do desempenho, tomando como base uma situação real num parque do Recife considerando a transmissão de um vídeo em alta definição. Por fim, tratamos a questão da segurança com uma criptografia específica entre os dispositivos próximos. Os resultados são avaliados via simulação utilizando-se o Matlab, demonstrando a eficácia da solução com reduções de até 43% no consumo de energia da bateria do dispositivo.

Palavras-chave: Consumo eficiente de energia. Device-to-device. LTE. Quarta geração de redes celulares. LTE-Advanced. Redução de consumo. Duplex por divisão de tempo (TDD). Serviços de proximidade.

Abstract

Nowadays, more than 200 million users use 3G/LTE (Long Term Evolution) networks. With a growing number of users with wireless access, a vast number of research work concentrates efforts on the development of solutions to meet networks demands as higher availability and higher transmission rates without considering, however, energy consumption. As a requirement for LTE Advanced (specification for the Fourth Generation Mobile Communications), Proximity Services, called device-to-device communication (D2D), enables the development of new service demands, like gaming and online video or content transfer, which require an increasing amount of energy. In this work we present measurements to evaluate the energy consumption of the device-base station communication and propose an algorithm to identify device pairs and a definition of reference thresholds, differently of other works, considering energy consumption characteristics to enable a more energetically efficient D2D direct communication than the conventional base station communication. We propose for crowd scenarios an alternative for a content service or file transfer, using a new resource allocation method, using Time Duplex Division (TDD). We considered five propagation models for performance comparison, taking as base a real situation in a park in Recife for a HD video transmission. Furthermore, we also treated security with a specific encryption between nearby devices. The results were evaluated using Matlab, demonstrating the efficacy of the solution with reduction of up to 43 % energy consumption.

Keywords: Efficient energy consumption. Device-to-device. LTE. The fourth generation of cellular networks. LTE-advanced. Consumption reduction. Time Division Duplex (TDD). Proximity Services.

Lista de Figuras

Figura 1.1 Áreas externas para eventos ... 20

Figura 1.2 Topologia da transmissão de dados entre usuários na rede LTE ... 22

Figura 2.1 Evolução do desenvolvimento UMTS/3GPP ... 25

Figura 2.2 Topologia do EPS (LTE/SAE) ... 27

Figura 2.3 Arquitetura LTE e suas interfaces ... 27

Figura 2.4 Representação dos elementos do LTE/SAE e suas interfaces ... 29

Figura 2.5 Modos Duplex [1] ... 31

Figura 2.6 Estrutura do subquadro OFDMA ... 32

Figura 2.7 Comparação entre OFDMA e SC-FDMA transmitindo uma serie de dados QPSK ... 32

Figura 2.8 Estrutura do quadro FDD [11] ... 34

Figura 2.9 Estrutura do quadro TDD [11] ... 34

Figura 2.10 Pilha de protocolos do plano do usuário [12] ... 36

Figura 2.11 Pilha de protocolos do plano de Controle [12] ... 36

Figura 2.12 Interfaces LTE/SAE [11] ... 37

Figura 2.13 Canais DL (Fonte TS 36.321) ... 39

Figura 2.14 Canais de UL ... 42

Figura 2.15 Recursos de Segurança na arquitetura 3GPP ... 48

Figura 2.16 Hierarquia das chaves de segurança no LTE ... 49

Figura 2.17 Arquitetura do IMS (Fonte: 3GPP TS 23.228) ... 50

Figura 3.1 Relação de Consumo de Potencia versus potência de transmissão [5] 58 Figura 4.1 Portador padrão estabelecido entre o dispositivo e o P-GW ... 61

Figura 4.2 Algoritmo de configuração dos dispositivos para avaliação dos critérios D2D ... 63

Figura 4.3 Elemento de Informação TDDConfig ... 64

Figura 4.4 Designação da configuração duplex TDD para o par dos dispositivos D2D ... 65

Figura 4.5 Diferença na arquitetura de recepção OFDMA e SC-FDMA [5] ... 66

Figura 4.6 Diagrama dos portadores de sinalização e tráfego no D2D ... 66

Figura 4.8 Fluxo de tomada de decisão do Modo de comunicação ... 68

Figura 4.9 Elementos de informação que compõem a mensagem de reconfiguração do SRS ... 69

Figura 4.10 Alocação SRSD2D no ultimo símbolo do sub quadro ... 69

Figura 4.11 Diagrama de Geração do SRS para D2D ... 70

Figura 4.12 Arquitetura proposta para a criptografia entre os dispositivos D2D ... 72

Figura 4.13 Fluxo de sinalização para estabelecimento do portador dedicado D2D 74 Figura 4.14 Medidor de Consumo ... 76

Figura 4.15 Representação da perda de percurso simétrica entre origem e destino. a ... 78

Figura 4.16 Vista do cenário extraída do aplicativo GMON ... 81

Figura 4.17 Representação da distribuição uniforme dos dispositivos na área de eventos ... 81

Figura 4.18 Diagrama em blocos da implementação no MatLab ... 86

Figura 4.19 Algoritmo de Medição e apresentação de resultados ... 89

Figura 5.1 Relação entre Potência de transmissão e a distância ... 91

Figura 5.2 Relação entre a Perda de Percurso e a distância ... 92

Figura 5.3 Perda de Percurso referenciada em função da distância ... 93

Figura 5.4 Visualização das áreas de decisão do modo de comunicação ... 93

Figura 5.5 Função de distribuição acumulativa das perdas ... 94

Figura 5.6 Comparação de consumo entre o Modo D2D WINNER II B3 e os modos Celulares ... 95

Figura 5.7 Comparação de consumo entre o Modo D2D WINNER + B1 e os modos Celulares ... 96

Figura 5.8 Gráficos dos testes de aderência Kolmogorov-Smirnov para os cenários simulados ... 99

Figura 5.9 Intervalo de confiança da diferença entre as médias para distância de 299m ... 100

Figura 5.10 Variação da distância da estação base a área do evento. ... 101

Figura 5.11 Intervalo de confiança da diferença entre as médias para distância de 189m ... 102

Lista de Tabelas

Tabela 2-1 Configurações do quadro TDD [12] ... 35

Tabela 2-2 Mínima potência de saída ... 46

Tabela 4-1 Índices do CQI associados ao MCS [16] ... 79

Tabela 4-2 Parâmetros coletados referente aos consumos dos dispositivos [26] ... 80

Tabela 4-3 Modelos de propagação aplicados nos cenários avaliados ... 82

Tabela 4-4 Expressões para cálculo das distâncias que atendem a perda máxima para cada Modo de Propagação, D2D e Celular ... 83

Tabela 4-5 Parâmetros de referência aplicados ao Modo e código de modulação [7] ... 85

Tabela 5-1 Parâmetros dos cenários avaliados ... 90

Tabela 5-2 Redução de potência do D2D WINNER II B3 ... 95

Tabela 5-3 Redução de Consumo do D2D Winner + B1 ... 96

Tabela 5-4 Consumo do dispositivo em Wattsxs e Wattxh... 97

Lista de Acrô nimôs

3GPP Third Generation Partnership Project

ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações

AS Access Stratum

AS IMS Application Server IP Multimedia Core Network Subsystem

CAPEX Capital Expenditures

D2D Device-to-Device

DL Downlink

eNodeB enhanced Node B

EPC Evolved Packet

EPS Evolved Packet System

E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Network Access

FDD Frequency Division Duplex

GTP GPRS Tunneling Protocol

HSPA High Speed Packet Access

HSS Home Subscriber Server

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

IMS IP Multimedia Subsystem

IMT-A International Mobile Telecommunications-Advanced

IP Internet Protocol

KPI Key Performance Indicator

LTE Long Term Evolution

LTE-A Long Term Evolution Advanced

MCS Modulation and Coding Scheme

MIMO Multiple imput, multiple output

MME Mobility Management Entity

NAS Non Access Stratum

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

OPEX Operational Expenditures

PAPR Peak to Average Power Ratio

PCRF Policy and Charging Rules Function

PDN Packet Data Network

P-GW Gateway Packet Data Network

ProSe Proximity Service

S – GW Serving Gateway

SAE System Architecture Evolution

SC-FDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

SDF Service Data Flow

SINR Signal to Interference and Noise Ratio

SON Self-organising Networks

TDD Time Division Duplex

TFT Traffic Flow Template

UE User Equipament

UL Uplink

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

UTRA Radio Access Universal Terrestre

VoIP Voice over IP

VoLTE Voice over LTE

Suma riô

1.3.4 Visão geral da proposta ... 21

1.4 Metodologia ... 22

1.5 Estrutura da dissertação ... 23

2 CONCEITOS LTE/SAE, LTE ADVANCED ... 24

2.1 Origem do LTE/SAE ... 24

2.2 Arquitetura LTE/SAE ... 26

2.2.1 E-UTRAN ... 27

2.2.2 EPC ... 28

2.3 Acesso LTE ... 30

2.3.1 Interface aérea - os Quadros LTE... 31

2.3.2 Modos de Duplex ... 33

2.4 Protocolos e interfaces ... 35

2.4.1 Protocolos do Plano do Usuário... 35

2.4.2 Protocolos do Plano de Controle ... 36

2.4.3 Interfaces ... 37

2.4.4 Canais e Sinais Físicos e lógicos... 39

2.4.5 Medições e KPI’s ... 44 2.5 O Controle de potência (PC) ... 45 2.6 Arquitetura de Segurança ... 47 2.7 IMS ... 49 2.8 LTE ADVANCED ... 50 3 ESTADO DA ARTE... 53

3.1 Trabalhos Relacionados com D2D ... 53

3.3 Conclusão ... 58

4 MECANISMOS PROPOSTOS ... 60

4.1 Algoritmos para Identificação de Pares D2D e Alocação de Recursos ... 60

4.1.1 Identificação de potenciais dispositivos pares ... 62

4.1.2 Algoritmo de decisão D2D ... 65

4.1.3 Criptografia D2D ... 71

4.2 Sinalização D2D ... 72

4.3 Critérios de Tomada de Decisão ... 74

4.3.1 Perdas de Percurso ... 77

4.3.2 Referencial de Potência de Transmissão dos Dispositivos ... 79

4.3.3 Cenários e parâmetros utilizados... 80

4.3.4 Modelos de Propagação ... 82

4.3.5 Cálculo das Distâncias ... 83

4.3.6 Sensibilidade de Recepção ... 84

4.3.7 Número de blocos de Recursos (M) ... 85

4.4 Algoritmo de Simulação ... 86

5 AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS ... 90

5.1 Parâmetros de simulação ... 90

5.2 Resultados obtidos ... 91

5.3 Análise dos Resultados ... 94

5.3.1Cálculo do Consumo ... 96

5.3.2 Análise Estatística... 98

5.4 Conclusão das análises ... 102

6 CONCLUSÃO ... 103

REFERÊNCIAS... 106

APÊNDICES ... 110

Apêndice A ... 111

1

1

INTRODUÇÃO

O Brasil chegou ao final do primeiro trimestre de 2014, com 273,6 milhões de linhas de celulares ativas, com índice de distribuição (densidade) de linhas telefônicas numa região, definido pela Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) como “teledensidade”, de 135,3 acessos para cada grupo de 100 habitantes1. Ainda segundo dados da Anatel, no mês de março de 2014, foram registrados mais de 860 mil habilitações. A banda larga móvel totalizou 77,4 milhões de acessos, dos quais 2,077 milhões são terminais LTE2. O número de assinantes LTE em todo o mundo atingiu a marca de 200,1 milhões final de 2013 e até abril de 2014 já havia 288 operadores em 104 países com redes LTE em funcionamento3.

Os sistemas de comunicações móveis celulares, sem fio, tiveram como um dos marcos o início da década de 80 com sua integração ao sistema de telefonia fixo comutado, que permitiu aos usuários da rede fixa se comunicarem com os usuários da rede móvel, e vice versa. Os primeiros sistemas desenvolvidos, chamados de Primeira Geração (1G), eram analógicos e permitiam apenas o serviço de voz entre os usuários. A segunda geração (2G) foi caracterizada pela digitalização da rede de comunicações móveis celulares. Nesta geração foram implantados os serviços suplementares, acesso discado à Internet, uso do serviço fora da área de registro do usuário dentro do país (do inglês roaming) e aumento da capacidade da rede. Exemplos de sistemas da segunda geração são o TDMA (também chamado de DAMPS), o CDMA e o GSM.

A terceira Geração veio com a proposta de atender serviços de dados e vídeo, ou seja, altas velocidades e capacidades (banda larga). A rede de voz passa

1

Dados do relatório da ANATEL, acessado em 16/05/2014 na página:

http://www.anatel.gov.br/Portal/exibirPortalNoticias.do?acao=carregaNoticia&codigo=31614

2 _{LTE (Long Term Evolution) especificado pelo grupo 3GPP – 3rd Generation Partnership Project}

(www.3gpp.org) corresponde à evolução a quarta geração das comunicações móveis.

3

De acordo com o banco de dados do MIC Taiwan (Inteligência de Mercado & Institute Consulting), [http://4g-market.com/reports/current-development-of-the-gl, acessado em 16/05/2014.

a ser considerada uma rede de dados IP, provendo a comutação de pacotes e permitindo a interface com redes de comutação de circuitos conforme (SVERZUT, 2011).

Dentro do Projeto de Parceria da Terceira Geração (3GPP - Third Generation Partnership Project), o mesmo fórum que desenvolveu o primeiro sistema 3G (WCDMA / HSPA), o LTE (Long-Term Evolution) é desenvolvido como uma tarefa contínua, com o objetivo de obter altas taxas de vazão de dados, baixa latência e diversas larguras de banda além da integração com as demais tecnologias/gerações.

O LTE, considerado a base da quarta geração foi especificado na atualização 8 ( do inglês Release 8) e, estando em constante evolução, temos desde a atualização 10 (Release10) o LTE-A (LTE Advanced) conforme (DAHLMAN, PARKVALL e SKÖLD, 2011).

O LTE-A, em pleno desenvolvimento, busca novas oportunidades de serviços (como voz e vídeo sobre protocolo de Internet), a criação de estações de rádio base repetidoras e femtocell (GOLAUP, MUSTAPHA e PATANAPONGPIBUL, 2009). Dentre as evoluções previstas no LTE-A identifica-se a possibilidade de uma comunicação entre os dispositivos próximos denominados de ProSe, ou seja, serviços de proximidade, controlada pela rede, porém de forma que o tráfego de dados seja direto, dispositivo a dispositivo (D2D) como uma subcamada da rede (DOPPLER, RINNE, et al., 2009), para alcançar melhor utilização do espectro, aumento da capacidade da rede e redução de consumo de energia, entre outros. A comunicação D2D tem como principal vantagem a identificação dos usuários da rede celular, desta forma não necessita de nenhuma forma de emparelhamento manual (como necessário com Bluetooth, NFC) nem mesmo do repasse de senhas para conexão, como no caso do acesso Wi-Fi.

Uma vez que o crescimento do uso de terminais móveis é irreversível, apresenta-se nesta dissertação, uma alternativa para reduzir o consumo de energia dos aparelhos móveis durante a transmissão de dados (UL) sempre que a rede detectar a proximidade dos dispositivos (D2D) garantindo a qualidade do serviço (QoS). Os terminais móveis serão chamados de dispositivos nesta dissertação.

Este capítulo está organizado da seguinte forma: Na seção 1.1 fundamentamos a motivação pela escolha da tecnologia LTE/LTE-A. Em seguida, na seção 1.2 caracterizamos o problema. Em 1.3 delimitamos a abrangência da dissertação, apresentando os objetivos, aplicabilidades, características, os parâmetros tratados e quais foram abstraídos no foco da pesquisa. Na seção 1.4 descrevemos a metodologia aplicada e no item 1.5 estrutura do trabalho.

1.1 Motivação

A demanda por serviços de alta velocidade de dados através de dispositivos móveis aumenta a cada dia, consequentemente a quantidade de aparelhos que dependem essencialmente de suas baterias também. Aumentar o tempo de uso da carga da bateria passou a ser um desafio para os desenvolvedores de baterias, equipamentos, componentes e aplicações.

No mundo temos mais de 280 operadoras sem fio, oferecendo o LTE, com 68 milhões de conexões até o final do ano de 2012 e 200 milhões em dezembro de 2013, um aumento, de mais de 200% em um ano. A previsão é que o número de conexões LTE deva atingir mais de 1 bilhão até 20184.

Recentes trabalhos têm considerado o D2D uma alternativa de utilização da aproximação dos dispositivos, conforme veremos no Capítulo 3. Estes trabalhos visam aumentar a capacidade de uso rede, permitir altas taxas de bits e baixos atrasos, reduzir o consumo de energia e utilizar apenas uma ligação entre os pares de dispositivos, em lugar das duas conexões entre o dispositivo e estação rádio base, porém, não há uma preocupação com o controle do consumo de energia dos aparelhos móveis, conforme alertado por (DOPPLER, RINNE, et al., 2009). Alternativas de comunicação D2D já são bastante conhecidas e utilizadas pelos usuários, como exemplo o infravermelho, Bluetooth e as redes Wi-Fi, entretanto estes serviços não têm a garantia, segurança e qualidade supervisionadas pela operadora do serviço móvel celular conforme (DOPPLER, RINNE, et al., 2009).

Diante disto observa-se que esta inter-relação entre avanço tecnológico, desenvolvimento de novos serviços acessados pelos usuários e o aumento do

4

De acordo com resumo apresentado pelo 4G Americas coletados do Informa Telecom & Medias, WCIS em junho/2013 em http://www.4gamericas.org/index.cfm?fuseaction=page&sectionid=117

consumo de energia são problemas que afetam diretamente o meio ambiente. Nas redes sem fio, mais de 55% do consumo de energia está na estação de rádio base e nos dispositivos do usuário, sendo que, aproximadamente, 80% deste consumo referem-se às unidades geradoras de rádio frequência. Ou seja, não basta produzir fontes limpas de geração de energia, deve-se também buscar a redução da potência de transmissão. Diante disto, fica visível a necessidade de realização de estudos nesta área.

1.2 Problema

Os estudos propostos buscam aproveitar a proximidade dos dispositivos de origem e destino para aumentar a capacidade da rede (uma vez que libera as conexões de tráfego de dados entre os dispositivos e a estação base para outros usuários), garantir uma maior vazão, proteger das interferências oriundas da transmissão de outros dispositivos (devido ao reuso de frequência) e melhorar eficiência energética.

Nesta relação entre aumentar a vazão e a eficiência energética, vemos que a direção das pesquisas é aumentar a quantidade de bits por Joule (unidade de energia), ou seja, para a potência máxima do dispositivo, o quanto se pode aumentar de informações enviadas. Neste caminho, a maioria das soluções é usar a máxima capacidade de potência de transmissão dos dispositivos, o que vai de encontro a uma redução do consumo do dispositivo, como veremos no Capítulo 3.

Nossa problematização se reporta, então, às seguintes questões: como garantir um acesso adequado às necessidades de qualidade do usuário, sem consumir a máxima potência, e aumentar o tempo de uso da bateria? Em que condições podemos compatibilizar uma qualidade eficiente com baixo consumo do dispositivo móvel?

1.3 A proposta

Esta dissertação apresenta uma proposta de sinalização entre os dispositivos e a rede usando aplicações IP (Internet Protocol) via IMS (IP Multimedia Subsystem), e algoritmos de definição de potencial comunicação D2D que serão

calculados através de scripts de simulação desenvolvidos no MatLab5 7.10.0 (R2010a), aproveitando-se da proximidade dos dispositivos origem e destino, proporcionando um uso eficiente das baterias e, consequentemente, aumentando a capacidade da rede, uma vez que libera as conexões de tráfego de dados com a estação base para outros usuários (o que não esta no escopo desta dissertação) e, de acordo com o tipo de serviço, garante uma vazão de dados dentro dos padrões de qualidade exigida.

1.3.1 Objetivos Gerais

Apresentar uma alternativa para determinar os potenciais dispositivos, que possam gerar um ganho na eficiência de consumo de energia, através de uma comunicação direta entre os dispositivos próximos, dentro dos padrões de QoS e controlada pela rede.

1.3.2 Objetivos Específicos

a) Apresentar um algoritmo de identificação dos dispositivos aptos a realizar a comunicação D2D, aplicando uma sinalização entre os elementos envolvidos para determinação dos potenciais pares D2D controlada pelo IMS;

b) sugerir uma alocação de recursos, alterando a configuração no modo duplex TDD (Time Division Duplex) do dispositivo receptor;

c) definir uma forma de garantia de segurança e sigilo entre os dois dispositivos, uma vez que os dados não trafegarão pela estação rádio base;

d) definir parâmetros limiares de tomada de decisão para realização de uma conexão dispositivo-a-dispositivo proporcionando um menor consumo de bateria em relação ao uso tradicional via estação rádio base.

5

MATLAB ® é uma linguagem de alto nível e um ambiente interativo para computação numérica, visualização e programação que permite analisar os dados, desenvolver algoritmos e criar modelos e aplicações.

1.3.3 Aplicabilidade

São diversas as situações e locais em que temos a possibilidade de conexão entre dispositivos móveis que estejam próximos uns dos outros. Citamos como exemplo, centros comerciais (shoppings), campus universitário, casas de shows, estádios e arenas durante eventos esportivos (campeonatos e copas) e shows, ou simplesmente em casas e condomínios.

Nestes ambientes podemos citar como aplicações, desde uma simples chamada de voz entre duas pessoas, querendo se localizar ou pedir informação ao outro, transferir arquivos ou fotos, jogar em rede, até aplicações específicas como transferência de arquivos por servidores de conteúdos, vídeos online ou atualização de redes sociais com fotos e vídeos, conforme identificados em (LEI, ZHONG, et al., 2012).

Como opção comercial, estas aplicações proporcionam às operadoras patrocinadoras de eventos proverem para seus clientes a distribuição de conteúdos exclusivos, sem comprometer a capacidade da rede ou ainda receberem conteúdos dos usuários e atualizarem as redes sociais com vídeos e fotos em ambientes de eventos, como centros de convenções ou parques e praças, conforme exemplificado na Figura 1.1, em que apresentamos dois locais de eventos no Recife, na parte superior, Praça do Marco Zero e, na parte inferior, o Parque Dona Lindu, que foi o cenário utilizado nesta dissertação.

Nesta dissertação o foco é o atendimento a estes dois últimos cenários, ou seja:

a) Usuários atualizando suas redes sociais ou fan pages com vídeos ou fotos durante a participação de eventos, ou transferindo arquivos para outros dispositivos.

b) Servidores como dispositivos de uma rede móvel com conteúdos para serem disponibilizados para os dispositivos dos usuários em shows, seminários ou outros eventos em arenas ou ar livre.

Em ambos os casos serão denominados de dispositivos tanto as estações móveis dos usuários quanto o servidor de conteúdo. Como nestes cenários os eventos demoram mais de 2h, normalmente as baterias dos dispositivos descarregariam antes de completarem a total transferência, além de congestionarem a rede concorrendo com outros dispositivos que desejam realizar conexões externas.

1.3.4 Visão geral da proposta

Neste trabalho propõe-se um algoritmo que irá identificar a proximidade de dispositivos com condições favoráveis, em relação à redução de consumo de energia, com garantia da qualidade dos serviços (QoS), para realização de uma comunicação D2D (Modo D2D), identificando os limiares que tornam esta alternativa mais eficiente energeticamente que a conexão através das estações rádio base (Modo Celular).

Diferentemente da maioria das propostas, como veremos no Capítulo 3, o foco foi no consumo do equipamento do usuário, permitindo que ele trabalhe dentro de um baixo consumo, limitando a potência de transmissão no modo duplex6 TDD (ver item 2.2.2) aproveitando a proximidade dos dispositivos, uma vez que, conforme apresentados no Capítulo 2 (seção 2.5), os controles de potência visam garantir sempre uma maior vazão de dados por unidade de consumo, de acordo com as condições do meio, levando em alguns casos à máxima potência de transmissão do dispositivo.

6

Transmissão simultânea no sentido da Estação rádio base para o dispositivo e no sentido dispositivo para estação rádio base.

A Figura 1.2 apresenta a topologia de dispositivo de um usuário D1 (dispositivo 1) enviando um conteúdo para outro usuário identificado como D2 (dispositivo 2), que podem ser um smartphone ou servidor de aplicações, quando ambos os usuários estão na mesma célula/setor, representados pelas setas azul (D1 => eNodeB) e vermelha (eNodeB => D2).

Como pode ser observado também na Figura 1.2, numa conexão entre dois dispositivos, os dados transferidos utilizam duas conexões: a primeira entre o D1 e a estação de rádio base (eNodeB), que encaminha os dados para serem roteados através do núcleo da rede (que será descrito no Capítulo 2) para o eNodeB destino, e uma nova conexão de transmissão entre este eNodeB destino e o dispositivo receptor D2.

Figura 1.2 Topologia da transmissão de dados entre usuários na rede LTE

A avaliação recaiu sobre o ganho em redução de consumo de potência dos dispositivos, de acordo com a aplicação dos limiares definidos nesta proposta em função da proximidade entre os dispositivos favorecidos por uma conexão no Modo D2D em relação ao Modo Celular.

1.4 Metodologia

Para obter os objetivos especificados acima foram realizadas as etapas de levantamento da bibliografia, para estudos das especificações do LTE/LTE-A assim como os trabalhos relacionados ao tema D2D.

Baseados nestes estudos foram identificados os canais e as mensagens, que são compartilhados e dedicados, levando-nos a sugerir no item 4.2, uma nova sinalização que viabilizasse a transmissão D2D, coordenada pelo IMS e garantindo, inclusive, a segurança no sigilo das informações trafegadas.

Em seguida, de posse das especificações matemáticas e analíticas da arquitetura LTE, buscou-se como referência inicial, realizar medições na rede comercial do Recife para validação do modelo matemático escolhido.

Uma vez validado, partimos para a escolha do sistema de desenvolvimento dos scripts para geração e avaliação dos resultados. Devido ao prévio conhecimento da plataforma MatLab, optamos por sua utilização para simulação, geração e avaliação dos resultados. No Capítulo 5 tem-se uma descrição da configuração dos testes de referência na rede LTE da operadora local, que na cidade do Recife provê o serviço e no Apêndice A apresentamos os dados das medições.

1.5 Estrutura da dissertação

No Capítulo 2 apresenta-se uma visão geral do LTE/SAE e LTE Advanced, sua motivação e evolução justificando o porquê da escolha desta tecnologia para o desenvolvimento desta aplicação, dando um foco nas características que foram exploradas.

No Capítulo 3 é feita uma discussão sobre o estado da arte dos trabalhos referentes à comunicação D2D, os novos problemas e soluções decorrentes desta forma de comunicação. Daí se identificou a oportunidade de apresentar uma proposta de algoritmo para a determinação de dispositivos aptos a este tipo de comunicação energeticamente eficiente.

No Capítulo 4 são apresentadas propostas de sinalização e algoritmos, apresentando as diferenças em relação a outras propostas já publicadas.

O Capítulo 5 apresenta resultados dos testes de referência com smartphones e simulação para avaliação do desempenho e estimação da redução do consumo de energia, resultantes da aplicação do algoritmo proposto, Em seguida, a conclusão e indicação de trabalhos futuros que aperfeiçoem a proposta são apresentados. Por fim, o Capítulo 6 apresenta a Conclusão da dissertação.

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2

CONCEITOS LTE/SAE, LTE ADVANCED

Este capítulo apresentará a tecnologia LTE, para qual foi desenvolvida esta proposta. Na Seção 2.1, uma breve visão sobre sua origem, motivação e evolução foram conceituadas para introdução dos aspectos mais específicos que são descritos na sequência. Na Seção 2.2 tem-se a arquitetura do sistema descrevendo suas funcionalidades. As formas e estruturas de acesso do usuário à rede são apresentadas na Seção 2.3. Os protocolos e as interfaces da tecnologia têm suas descrições e funcionalidades na Seção 2.4, em que são definidos os seus canais, sinais e indicadores de desempenho. Dedicou-se uma atenção especial na Seção 2.5 ao controle de potência específico do LTE, uma vez que foi um dos meios essenciais para o desenvolvimento desta proposta, junto ao IMS que é descrito na Seção 2.6 e os critérios de segurança na seção 2.7. Concluímos este capítulo com a definição e especificações da contínua evolução da tecnologia LTE, denominada de LTE-A.

2.1 Origem do LTE/SAE

Iniciado em 2004, o LTE foi Introduzido em 3GPP no Release 8. Este projeto foi centrado na valorização da Rede de Acesso Terrestre Universal UTRA (sigla do termo em inglês Radio Access Universal Terrestre) e na otimização da arquitetura do acesso rádio do 3GPP. Em 2008, com a criação dos requisitos de quarta geração (IMT-Advanced: International Mobile Telecommunications-Advanced) pela União Internacional de Telecomunicações, divisão de Rádio (UIT-R), o 3GPP direcionou os estudos para a criação do LTE, que buscava atingir as características e

especificações propostas para o 4G. As primeiras implementações do LTE começaram no final de 2009. A Figura 2.1 apresenta um resumo da evolução das especificações UMTS/3GPP.

Figura 2.1 Evolução do desenvolvimento UMTS/3GPP

(Fonte http://www.home.agilent.com/upload/cmc_upload/Al./26Mar2013LTE_Webcast.pdf)

Os principais requisitos para a nova rede de acesso foram: a) alta eficiência espectral,

b) altas taxas de dados de pico, c) baixa latência,

d) flexibilidade na frequência e largura de banda.

A partir dos requisitos acima foram definidas as seguintes características:

a) Taxa de dados de 300 Mbps no sentido da Estação Rádio Base para o dispositivo móvel (o qual chamaremos de DL) e de 75Mbps no sentido dispositivo móvel para a estação rádio base ( denominado de UL).

b) Esquemas de transmissão: DL: OFDMA7; UL: SC-FDMA8.

c) Largura de Banda de Canal variável (em MHz): 1,4; 3; 5; 10; 15 e 20. d) Esquemas de modulação: QPSK, 16QAM, 64QAM.

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Múltiplo Acesso por divisão de frequência ortogonal, está descrito na seção 2.3

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e) Redução da latência para menos que 10ms.

f) Modos de Acesso Duplex: Por divisão de Frequência (FDD) e por Divisão de Tempo (TDD).

g) Possibilidade de múltiplas antenas: (MIMO).

O LTE (do inglês Long Term Evolution) representa uma evolução do acesso via rádio representado pelo E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network). Complementar ao LTE, temos a evolução dos aspectos não rádio, denominados de Evolução da Arquitetura de Sistema, SAE (sigla do termo em inglês System Architecture Evolution). O SAE está incluído no núcleo da rede, que é chamada de EPC (do termo em inglês Evolved Packet Core). Juntos, o LTE e o SAE formam o EPS (Evolved Packet System), cuja função é prover a conectividade do usuário móvel com a internet.

2.2 Arquitetura LTE/SAE

A Figura 2.2 apresenta a arquitetura da rede LTE separada em três módulos. O primeiro módulo a esquerda corresponde à rede de acesso de rádio, denominada de E-UTRAN, no centro o Núcleo da Rede, chamado de EPC e por último, à direita a rede de pacotes e serviços de Internet. No último nível da arquitetura LTE encontram-se os serviços externos, geralmente, os serviços da Internet, como servidor para serviços de navegação na web, ou para um servidor de Protocolo de Iniciação de Sessão (SIP9 do termo em inglês Session Initiation Protocol) utilizado, por exemplo, para o serviço de voz sobre IP.

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SIP - Session Initiation Protocol. É um protocolo de sinalização da camada de aplicação Internet. Ver IETF RFC3261, www.ietf.org.

Figura 2.2 Topologia do EPS (LTE/SAE) (Fonte: http://tecore.org/newsevents/mwc.cfm)

Outros serviços disponibilizados são os serviços IMS (IP Multimedia Sub-System) uma plataforma que o operador pode utilizar para fornecer serviços através do SIP. O 3GPP IMS tem uma arquitetura própria definida, que utiliza o SIP e serviços não definidos na norma IMS, conforme será visto no na seção 2.5 desta dissertação.

2.2.1 E-UTRAN

Uma das principais características do LTE é a simplicidade de sua arquitetura, concentrando todas as configurações de rádio na estação de rádio base (chamada de eNodeB) diferentemente de tecnologias anteriores como GSM e 3G. A Figura 2.3 apresenta a arquitetura do LTE.

O E-UTRAN NodeB (eNodeB) conforme definido em (HOLMA e TOSKALA, 2009), é o elemento único da rede que controla todas as funções relacionadas a rádio frequência. Os eNodeB’s são normalmente distribuídos em toda a área de cobertura da rede e são responsáveis pelo gerenciamento da alocação dos recursos de rádio, priorizando o tráfego de acordo com a qualidade de serviço requerida.

O eNodeB funciona como uma interface de camada 2 entre o equipamento do usuário (UE, chamado de dispositivo nesta dissertação) e o EPC (discutido na seção 2.1.2), convertendo todos os protocolos rádio na conectividade baseada em IP, realizando atividades como cifragem ou decifragem de dados e compressão ou descompressão de cabeçalhos IP. Ele é essencial na mobilidade, uma vez que realiza medições de qualidade do canal de rádio e controla as decisões de mudança de células durante as conexões (handover). As especificações do eNodeB são definidas em (3GPP TS 36.104, 2013).

No LTE foi ainda especificada a interface X210 que tem um papel chave na operação de troca de estação de rádio base durante a conversação em deslocamento intra-LTE. O eNodeB origem usa a interface X2 para enviar a mensagem de pedido de transferência ao eNodeB de destino.

2.2.2 EPC

O LTE opera plenamente no domínio da comutação de pacotes usando protocolos de Internet. O EPC, representado na Figura 2.4, é composto pelos seguintes elementos funcionais: cujos nomes em inglês, que dão origem as siglas, estão nos parênteses:

 MME: Entidade de Gerenciamento de Mobilidade (Mobility Management Entity)

 Servidor de Assinantes Locais (HSS: Home Subscriber Server)

 Servidor de roteamento (S – GW : Serving Gateway)

 Gerenciador da Rede de Pacote de Dados (P-GW ou PDN: Gateway Packet Data Network).

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Especificações da interface e protocolo X2 estão nos TS 36420-36424 disponível em: http://www.3gpp.org/DynaReport/36-series.htm

 Servidor de Funções de Regras de Tarifação e Politicas (PCRF: Policy and Charging Rules Function).

Figura 2.4 Representação dos elementos do LTE/SAE e suas interfaces

O MME, conforme pode ser visto em (SESIA, TOUFIK e BACKER, 2011), é o elemento da rede de controle que processa a sinalização entre os dispositivos e o EPS. Os protocolos que rodam entre o dispositivo do usuário e o Núcleo da Rede (EPS) são chamados de NAS (da sigla do inglês Non Access Stratum).

Tem como principais funções o gerenciamento do estabelecimento, manutenção e atualização da conexão e segurança entre UE e P-GW, e o gerenciamento de mobilidade. Conforme (ALI-YAHIYA, 2011) é o elemento chave para rastreamento e processo de busca do dispositivo móvel e está relacionado com ativação e desativação dos portadores, definição do servidor de roteamento (S-GW), controle da mobilidade e a autenticação e consultas de informações ao HSS11.

O S-GW é responsável pelo roteamento e encaminhamento dos pacotes dos usuários, servindo de âncora nos casos de mobilidade, durante o handover inter-eNodeB12 e entre o LTE e outras tecnologias. Ele gerencia e armazena contextos do dispositivo móvel, como exemplo, parâmetros do serviço IP de transmissão e de rede e informações de roteamento interno. Também executa a replicação do tráfego do usuário em caso de intercepção legal (ALI-YAHIYA, 2011).

P-GW (também chamado de PDN) é a porta de acesso às redes externas. É também o responsável pela alocação do endereço IP dos dispositivos, permitindo a

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HSS - Home Subscriber Server. A entidade que contém informações relacionadas aos usuários para apoiar a rede no processamento de chamadas.

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Quanto à comunicação entre a UE e a rede deve permanecer mesmo o usuário se deslocando da área de cobertura de um eNodeB para a área de cobertura de outro eNodeB.

conexão com servidores externos e/ou internet. Executa a funcionalidade do DHCP13 quando necessário, ou ainda consulta um DHCP externo e entrega o endereço ao dispositivo. Suporta apenas IPv4, apenas IPv6 ou ambos quando requisitado. O P-GW executa ainda o mapeamento entre os dados de IP para o fluxo dos túneis GTP14, que representam as portadoras. O P-GW configura portadores com base no pedido, quer através da PCRF ou da S-GW, que retransmite a informação a partir do MME. (HOLMA e TOSKALA, 2009)

O PCRF é responsável pela Política e Controle e Cobrança (PCC)15. Ele toma decisões sobre como lidar com os serviços em termos de QoS, e fornece informações para P-GW e, se aplicável também S-GW, para que portadores e políticas adequados possam ser definidos na configuração.

2.3 Acesso LTE

No LTE, o acesso é provido no modo duplex. O múltiplo acesso da estação rádio base (eNodeB) ao dispositivo, representado por DL, é baseado no Múltiplo Acesso por divisão de frequências Ortogonais (OFDMA da sigla do termo em inglês Orthogonal Frequency Division Multiple Access) e o acesso múltiplo dos dispositivos ao eNodeB, denominado de UL é baseada no Múltiplo acesso por divisão de frequência por portadora única SC-FDMA (do inglês: Single Carrier Frequency Division Multiple Access) conforme pode ser visto em (MYUNG e GOODMAN, 2008), também conhecido como DFT (Transformada Discreta de Fourier) .

Os princípios matemáticos de OFDMA e SC-FDMA podem ser encontrados em (MYUNG e GOODMAN, 2008) e, nesta mesma referência, no Capítulo 7, pode-se verificar que, a principal motivação para o emprego de SC-FDMA no UL de um dispositivo móvel, é o fato da diferença entre relação entre a potência de pico e a potência média associada de todos os sinais PAPR (sigla do termo em inglês Peak to Average Power Ratio) é menor do que a de OFDMA, poupando assim a bateria do dispositivo.

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DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol (Protocolo de configuração dinâmica de host), é um protocolo de serviço TCP/IP que oferece configuração dinâmica de terminais numa rede de computadores.

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GTP - GPRS Tunneling Protocol é um importante protocolo baseado em IP/UDP usado para encapsular os dados do usuário.

2.3.1 Interface aérea - os Quadros LTE

Para atingir alta eficiência espectral de rádio, bem como permitir o agendamento eficiente em tempo e domínio da frequência, foi escolhido pelo 3GPP uma abordagem multi-portadoras para múltiplo acesso.

O modo de acesso é duplex e suporta dois modelos, por divisão de frequência (FDD) ou por divisão de tempo (TDD). Para uma melhor visualização a Figura 2.5 caracteriza cada um dos tipos.

Figura 2.5 Modos Duplex (DAHLMAN, PARKVALL e SKÖLD, 2011)

O quadro LTE possui um período de 10ms e é dividido em 10 subquadros (do inglês sub-frames) de 1 ms. Cada subquadro possui dois slots de 0,5 ms nos quais são alocados os símbolos OFDM. Chama-se um Bloco de Recursos (RB de Resource Block) uma matriz de 6 ou 7 símbolos OFDM (dependendo do comprimento do Prefixo Cíclico utilizado) por 12 sub portadoras (𝑁𝑠𝑐𝑅𝐵) de 15 kHz

totalizando uma banda de 180 kHz. Um símbolo modulado numa frequência sub portadora chama-se o de Elemento de Recurso (RE de Resource Element), que pode ser 2 bits para QPSK, 4 bits para 16QAM e 6 bits para 64QAM. A Figura 2.6 simula a representação de um quadro OFDMA para o LTE.

Figura 2.6 Estrutura do subquadro OFDMA

Uma comparação gráfica entre OFDMA e SC-FDMA é apresentada na Figura 2.7 reproduzida de (AGILENT, 2009), para a compreensão das diferenças entre estes dois esquemas de modulação. Para simplificar o exemplo utilizou-se apenas de quatro subportadoras (e não as 12 subportadoras do LTE) em dois períodos (slots) de símbolo com a carga de dados representados por fase de quadratura da modulação (QPSK).

Conforme destacado em (AGILENT, 2009) visualmente, o sinal de OFDMA é claramente multi portadora, com um símbolo de dados por sub portadora, porém o sinal SC-FDMA parece ter mais semelhança com uma única portadora ou portadora simples SC (Single Carrier) com cada símbolo de dados sendo representado por uma largura de sinal. Note-se que os comprimentos de símbolo OFDMA e SC-FDMA são os mesmos em 66,7 μS (indicado na figura no eixo Time), no entanto, o símbolo SC-FDMA contém M "sub-símbolos", que representam os dados de modulação. Esta transmissão em paralelo de vários símbolos é que cria a alta Taxa Média de Pico (PAPR) indesejável de OFDMA. Ao transmitir os símbolos de dados em série em M vezes a taxa, a largura de banda SC-FDMA ocupada é a mesma que OFDMA multi portadora, mas, fundamentalmente, a Taxa Média de Pico é a mesma utilizada para os símbolos dos dados originais.

2.3.2 Modos de Duplex

Conforme visto anteriormente, o sistema de comunicação móvel celular é duplex, ou seja, possui comunicação nos dois sentidos, do dispositivo a estação de rádio base e desta para o dispositivo. Em (3GPP TS 36.211, 2012) encontramos as especificações dos dois tipos de estruturas suportadas, que são:

 Tipo 1: aplicado para FDD;

 Tipo 2: aplicado para TDD.

A principal diferença é que para o tipo 1 existe a necessidade de espectro específico pareado (um para UL outro para DL), enquanto que no tipo 2 um mesmo espectro compartilha, no tempo o UL e DL.

Na Figura 2.8 temos a estrutura do quadro FDD. Estão disponíveis 10 subquadros para transmissão DL e 10 outros subquadros estão disponíveis para transmissões UL, para cada intervalo de 10 ms. No FDD as transmissões UL e DL são separadas no domínio da frequência. Cada quadro é composto por 20 intervalos de tempo de canal (slots), numerados de 0 a 19. Um subquadro é definido como dois slots consecutivos.

#0 #1 #2 #3 #18 #19 One radio frame, Tf = 307200Ts = 10 ms

One slot, Tslot = 15360Ts = 0.5 ms

One subframe

Figura 2.8 Estrutura do quadro FDD (3GPP TS 36.211, 2012)

Na Figura 2.9 temos a estrutura do quadro tipo 2. Cada quadro de 10ms consiste de dois meios quadros de 5ms. Cada meio quadro é dividido em 5 sub quadros que suportam UL ou DL de acordo com sete configurações definidas pelo 3GPP, onde D indica os sub quadros reservados para DL, U para UL e S são os sub quadros especiais que possuem três campos DwPTS, GP e UpPTS, em que os subquadros 0, 5 e o DwPTS são sempre reservados para DL, enquanto o UpPTS e o sub quadro imediatamente seguinte são reservados para UL. O GP trata-se do período de guarda, de tempo variável, separa o DL do UL, permitindo a sincronização entre a transmissão e recepção, compensando o tempo de trajetória do sinal (3GPP TS 36.211, 2012).

Figura 2.9 Estrutura do quadro TDD (3GPP TS 36.211, 2012)

As sete configurações especificadas pelo 3GPP para o modo TDD são apresentados na Tabela 2-1.

Tabela 2-1 Configurações do quadro TDD (3GPP TS 36.211, 2012)

Configuração UL - DL

DL para UL

Periodicidade do Ponto de comutação

Número do Sub quadro

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 5 ms D S U U U D S U U U 1 5 ms D S U U D D S U U D 2 5 ms D S U D D D S U D D 3 10 ms D S U U U D D D D D 4 10 ms D S U U D D D D D D 5 10 ms D S U D D D D D D D 6 5 ms D S U U U D S U U D

2.4 Protocolos e interfaces

As arquiteturas dos protocolos de rádio são especificadas por (3GPP TS 36.300, 2010) em dois níveis: Plano de usuário e Plano de controle. Nas subseções 2.3.1 e 2.3.2 a seguir, apresenta-se uma visão geral de cada um deles. Um estudo mais específico pode-se obter em (SESIA, TOUFIK e BACKER, 2011).

No item 2.3.3 são apresentadas as interfaces e os portadores.

2.4.1 Protocolos do Plano do Usuário

Um pacote IP para um dispositivo de usuário é encapsulado num protocolo específico do EPC e encapsulado entre a P-GW e o eNodeB, para a transmissão para outro dispositivo. Protocolos de encapsulamento diferentes são usados em diferentes interfaces. Um protocolo específico de tunelamento 3GPP, chamado de GPRS Tunneling Protocol (GTP) [4] é usado sobre as interfaces de rede do núcleo (S1 e S5/S8.6)

Conforme (SESIA, TOUFIK e BACKER, 2011) a pilha de protocolo do LTE no plano do usuário (Figura 2.10) consiste nas subcamadas, que são terminados no lado da rede no eNodeB, e chamadas de Protocolo de convergência de pacote de dado (PDCP, do inglês Packet Data Convergence Protocol), Controle do portador de rádio (RLC - Radio Link Control) e do Controle de acesso ao meio (MAC - Medium Access Control), que desempenham as funções de compressão de cabeçalhos, cifragem, programação, ARQ16 e HARQ17. As funções de cada uma dessas camadas são explicadas com detalhes em (3GPP TS 36.300, 2010).

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ARQ do inglês Automatic Repeat reQuest é um esquema em que o terminal de recepção solicita retransmissão de pacotes que são detectados com erro.

eNB PHY UE PHY MAC RLC MAC PDCP PDCP RLC

Figura 2.10 Pilha de protocolos do plano do usuário (3GPP TS 36.300, 2010)

2.4.2 Protocolos do Plano de Controle

Conforme (3GPP TS 36.300, 2010) a pilha de protocolos para o plano de controle é representada pela Figura 2.11, onde observamos as seguintes funções:

eNB PHY UE PHY MAC RLC MAC MME RLC NAS NAS RRC RRC PDCP PDCP

Figura 2.11 Pilha de protocolos do plano de Controle (3GPP TS 36.300, 2010)

a) Subcamada PDCP18 (Packet Data Protocol Convergence): as principais funções da camada PDCP são cabeçalho, compressão, de segurança (proteção da integridade e cifragem) e suporte para o reordenamento e retransmissão durante a entrega;

b) A subcamada RLC19 (Rádio Link Control) trata do controle do portador de rádio. Ttem como principais funções a segmentação e remontagem dos

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HARQ do inglês Hybrid ARQ é combinação simultânea de requisição automática de retransmissão (ARQ ) e envio de correção de erro FEC do inglês Forward Error Correction. Quando HARQ for usado, se os erros podem ser corrigidos por FEC então nenhuma retransmissão é requisitada.

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Mais detalhes em 3GPP TS 36.323, disponível em www.3gpp.org

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pacotes da camada superior (PDCP), ajustando a capacidade da interface de rádio, retransmissão e reordenamento de pacotes.

d) A subcamada MAC20 (Meduim Access Control) é responsável pela multiplexação e demultiplexação entre os canais lógicos e de transporte e a programação da transmissão dos dados. Faz a interface entre a camada física e RLC.

e) A subcamada RRC desempenha funções como: Transmissão, busca, gerenciamento de conexão de recursos de rádio, controle dos RB, funções de mobilidade, relatórios de medição e controle da UE, estes entre o dispositivo e o eNodeB;

f) A subcamada NAS (terminada no MME no lado da rede) realiza, entre outras funções: gerenciamento dos portadores no EPS, autenticação, manuseio mobilidade, solicitação de busca e controle de segurança.

2.4.3 Interfaces

As interfaces são apresentadas na Figura 2.12 e têm como função:

Figura 2.12 Interfaces LTE/SAE (3GPP TS 36.211, 2012)

 S1- MME : ponto de referência para o protocolo de plano de controle entre E-UTRAN e MME .

 S1-U: ponto de referência entre E-UTRAN e S-GW para o tunelamento por portador no plano do usuário e faz interface com eNodeB durante o handover.

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 S3: permite o usuário acessar outras redes 3GPP e a troca de informação para a mobilidade em estado de repouso e / ou ativa.

 S4: Proporciona controle de apoio à mobilidade entre núcleo GPRS e suporte a função de âncora do S-GW. Além disso, se um túnel direto não é estabelecido, ele fornece o tunelamento do plano de usuário.

 S5: Ele fornece ao plano do usuário o tunelamento e gerenciamento do portador entre S-GW e PDN GW. Ele é usado para a realocação do S-GW devido à mobilidade do dispositivo no caso do S-GW precisar se conectar a um P-GW que não atende a uma conexão PDN solicitada.

 S6A: Permite a transferência de dados de assinatura e autenticação para autenticar / autorizar o acesso do usuário ao sistema entre MME e HSS.

 Gx: fornece transferência de políticas de (QoS ) e regras de tarifação de PCRF21 para a Função de Política Aplicação e carregamento ( PCEF ) no P-GW .

 S8: ponto de referência Inter redes móveis publicas fornecendo usuário e plano de controle entre a S-GW na rede destino e o P-GW na rede local .

 S9: fornece transferência de política de qualidade (QoS) e informações de controle cobrança entre o PCRF origem e o PCRF destino, a fim de suportar a função de desagregação local.

 S10: ponto de referência entre MME’s para realocação de MME e transferência de informações entre MME’s.

 S11: ponto de referência entre MME e S-GW.

 S12: ponto de referência entre UTRAN e S-GW no tunelamento no plano do usuário quando túnel direto é estabelecido. Baseia-se o ponto de referência Iu-u/Gn-u usando o protocolo de GTP - U definidos entre SGSN e UTRAN ou, entre SGSN e GGSN respectivamente. Uso da S12 é uma opção de configuração do operador.

 S13: Permite procedimento de verificação de identidade UE entre MME e EIR.

 SGI: É o ponto de referência entre o PDN GW e a rede de dados por pacotes. Rede de pacote de dados pode ser um operador público externo ou rede de dados privada ou uma rede de pacote de dados intra-operador, por exemplo,

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para prestação de serviços IMS. Este ponto de referência corresponde a Gi para acessos 3GPP.

 Rx : ponto de referência que está entre o PCRF e o AF (elemento que oferece aplicações que exigem o controle ao portador de recursos de IP) (3GPP TS 23.203, 2012)

 SBc: ponto de referência entre centro de difusão de mensagens (CBC) e o MME para funções de aviso de entrega de mensagens e controle.

2.4.4 Canais e Sinais Físicos e lógicos

Conforme (DAHLMAN, PARKVALL e SKÖLD, 2011), as trocas de informações entre as camadas são definidas no LTE em forma de canais, que podem ser Lógicos, de Transporte ou Físicos.

Os canais lógicos estão entre as camadas RLC e MAC e são divididos em Canais de Controle (levam informações de configuração e controle necessários à operação LTE) e de Tráfego (usados para levar os dados dos usuários). Os canais de transporte estão entre a camada MAC e a Camada Física. Definem as características de como as informações devem ser transmitidas na interface de rádio. Os canais físicos conduzem as informações referentes às configurações de tempo e frequência dos recursos utilizados correspondentes aos canais de transporte. Outros canais não associados a canais de transportes levam informações de controle de DL ou UL chamados de DCI (PDCCH, PHICH e PCFICH) e UCI (PUCCH) e conhecidos como L1/L2.

Figura 2.13 e Figura 2.14 apresentam a estrutura de cada canal de DL e UL respectivamente, e em seguida uma breve descrição de cada um deles.

Os canais lógicos bidirecionais comuns a UL e DL são:

 CCCH (Common Control Channel) é o canal de sinalização utilizado pelos dispositivos para fazer a sinalização de acesso inicial, quando ele está em estado livre e quer entrar estado conectado.

 DCCH (Dedicated Control Channel) é o canal dedicado de sinalização ponto a ponto entre o UE e a rede para definição dos procedimentos de conexão.

 DTCH (Dedicated traffic Channel) é usado para portadores de rádio de usuários que transportam tráfego IP. O eNB conecta DTCHs com seus túneis associados pela interface S1-U para o GW SAE. DTCH pode ser bidirecional, apenas UL ou DL. Os canais DTCH são naturalmente ponto-a-ponto.

Os canais lógicos de DL são:

 PCCH (Paging Control Channel) é usado para transmitir as mensagens de busca do UE a partir da estação rádio base.

 BCCH (Broadcast Control Channel) é usado para transmitir as informações necessárias do sistema para toda a área de cobertura da célula necessários para a operação normal dentro da rede permitindo que um usuário identifique as configurações de parâmetros da rede como identidade da célula, parâmetros de re-seleção de células entre outros.

 MCCH (Multicast Control Channel) está associada com a comunicação pela estação radio base da disponibilidade dos serviços de Difusão seletiva ou geral e sua conexão.

 MTCH (Multicast traffic Channel) é um canal de tráfego ponto-a-multiponto para o serviço de difusão de mensagens. Ele conduz o tráfego IP dos serviços de difusão.

Os canais de Transporte de DL são:

 BCH (Broadcast Channel) é o Canal de Broadcast. Ele é usado para a transmissão de partes da informação do sistema BCCH, mais especificamente o chamado Bloco de Informações Mestre (MIB).

 PCH (Paging Channel) é canal de busca que é usado para a transmissão de informações de busca do canal lógico PCCH.

 DL-SCH (Downlink Shared Channel) é o principal canal de transporte utilizado para a transmissão de dados de DL. O DL-SCH também é utilizado para a transmissão das partes do sistema de informação BCCH não mapeados para o BCH. Pode haver vários DL-SCH em uma célula, um por terminal programado no TTI.

 MCH (Multicast Channel) é um canal usado para apoiar a difusão do serviço de multimídia ponto multiponto (MBMS).

 Os canais físicos de DL são:

 PDSCH (Physical Downlink Shared Channel): é o principal canal físico utilizado para a transmissão de dados ponto a ponto e a informações de busca.

 PBCH (Physical Broadcast Channel) carrega parte do sistema de informação, exigida pelo terminal, a fim de acessar a rede.

 PMCH (Physical Multicast Channel) é usado para a operação dos serviços MBMS e sua evolução, designado por MBSFN.

 PDCCH (Physical Downlink Control Channel): é utilizado para informações de controle DL, principalmente programando decisões, necessárias para a recepção de PDSCH, e garantia de configuração (UL Grant), permitindo a transmissão no PUSCH.

 PHICH (Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel): realiza o reconhecimento híbrido-ARQ para indicar para o terminal se um bloco de transporte deve ser retransmitido ou não.

 PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel): é o canal que fornece aos terminais informações necessárias para decodificar o conjunto de PDCCHs. Há apenas uma PCFICH por portadora.

Figura 2.14 Canais de UL

Como canais de Transporte temos:

 UL-SCH (UpLink Shared Channel):Usado para transportar os dados do usuário e mensagens de controle para camadas superiores.

 RACH (Random-Access Channel): Um canal de transporte utilizado para o acesso à rede, quando o UE não tem a sincronização de temporização precisa de UL ou quando o UE não tem qualquer recurso de UL atribuídos. Além dos canais lógicos bidirecionais descritos acima, o UL possui os seguintes canais físicos:

 PUSCH (Physical Uplink Shared Channel): leva o tráfego de dados do usuário e os sinais de controle L1/L2 UL. O tamanho do bloco é definido na concessão de recurso correspondente no PDCCH. Há pelo menos um PUSCH por UL por terminal.

 PUCCH (Physical Uplink Control Channel): é utilizado pelo terminal para enviar confirmações híbrido-ARQ, indicando ao eNodeB se o bloco (s) de transporte DL foi recebido com sucesso ou não, e relatórios de estado de canal (CQI) auxiliando DL dependente canal programação, para solicitar recursos para transmitir dados de UL e solicitações de agendamento para a transmissão de UL (SRs).

 PRACH (Physical Random-Access Channel): utilizado para transportar o canal de acesso aleatório (RACH). É constituída por um preâmbulo, selecionado, quer aleatoriamente ou de pré-atribuído. O PRACH pode transportar um bit de informação da camada superior que indica a quantidade

de recursos necessários para a próxima mensagem UL conforme seção 5.7 de (3GPP TS 36.211, 2012).

Além dos canais físicos, DL e UL no LTE são também compostos por sinais físicos que não carregam informações das camadas superiores sendo utilizados para fins de estimação de canal físico portador e sincronização, a saber:

No DL tem os sinais de sincronização entre a rede e os dispositivos chamados de primários e secundários (PSS e SSS) como auxílio na busca. Além destes outros seis sinais são definidos: CRS (Cell-specific Reference Signals) específico por célula, os DM-RS (UE-Specific Reference Signals) associado ao PDSCH específico por dispositivo, e o associado ao EPDCCH, o sinal de referência MBSFN, o PRS (Positioning Reference Signals) referente a designação da posição do RS e o sinal de referência CSI todos apresentados em detalhes em (3GPP TS 36.211, 2012). Destes destacamos a seguir o RS e o DM-RS.

O sinal específico por célula CRS também chamado na literatura por RS é o sinal de referência que permite a decodificação coerente e estimação de canal repetido permanentemente. Portanto, em cada subquadro (e cada um dos blocos de recursos) alguns símbolos OFDM são reservados para os sinais de referência e não podem ser usados para a transmissão de dados. Estes sinais são utilizados pelo dispositivo para a estimação do RSRP definido no Capítulo 5, para a estimação da perda de percurso.

O DM-RS destina-se, especificamente, à utilização dos terminais para estimativa de canal para o PDSCH, A denominação "UE-específicos" refere-se ao fato de cada um dos sinais de referência de demodulação ser destinado para a estimativa do canal por um único dispositivo.

No UL os sinais são:

O DRM (Demodulation Reference Signals) é o sinal de referência de demodulação. Tem como função dar uma estimativa do canal para a estação de rádio base para a demodulação coerente dos canais físicos PUSCH e PUCCH. É, portanto, apenas transmitido juntamente com PUSCH ou PUCCH e com a mesma largura de banda do canal físico correspondente.

O SRS (Sounding Reference Signals) é usado pela estação de base para a estimativa do estado do canal de UL, para dar suportar a programação e adaptação do meio de transmissão para o dispositivo. O SRS também pode ser utilizado para