Nome: Maria Inês da Silva RA: 190927 1

Visão Geral da arquitetura de rede celular

Década de 80 - Europa

Necessidade de um sistema pan-europeu (que afeta toda Europa) de telefonia celular digital que substituiria os diversos sistemas analógicos de telefonia celular incompatíveis, levando ao padrão GSM - Global System for Mobile Communications ( Sistema Global para Comunicações Móveis);

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Visão Geral da arquitetura de rede celularRede 1G

● Década de 80● Projetada para tráfego de voz : Sistemas FDMA analógicos, desenvolvidos

especialmente para a comunicação apenas por voz● Sinais analógico

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Visão Geral da arquitetura de rede celularRede 2G

● Década de 90● Sistemas digitais● Sistemas 2G originais também foram projetados para voz, e foram

estendidos mais tarde (2,5G) para suportar dados (ex: Internet) e serviços de voz

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Visão Geral da arquitetura de rede celularRede 3G

● Uso comercial em 2001● Melhora no processamento de dados● Suporta voz e dados, mas com ênfase nas capacidades de dados e enlaces

de acesso via rádio com maior velocidade

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Conceito LTELTE e LTE-Advanced são tecnologias sem fio de 4ª geração (4G), projetadas para usar para acesso à Internet de banda larga de alta velocidade.

As especificações são publicadas por 3rd Generation Partnership Project (3GPP).

LTE é especificado no 3GPP versão 8 e LTE Advanced é especificado na versão 3GPP versão 10.

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LTE - Terminologia

LTE é o acrônimo de Long Term Evolution (Evolução a longo prazo).

Ele usa combinação de modos FDD (Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex) para que os UEs (Users Equipments) se comuniquem com o eNodeB (estação base).

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FDD - 2 faixas de frequência distintas: uma para envio e outra para recebimento

TDD - Apenas uma faixa é utilizada, transmissão e envio de dados ocorrem em tempos diferentes

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Conceito LTEO LTE é uma tecnologia móvel de transmissão de dados que foi criada com base no GSM (Global System for Mobile Communications). A diferença é que, dessa vez, a tecnologia prioriza o tráfego de dados em vez do tráfego de voz, como acontecia em gerações anteriores. Isso proporciona uma rede de dados mais rápida e estável.

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Características LTE

● Altas taxas de dados e a baixa latência (QoS -Quality of Service);● Taxa de dados para um usuário LTE para Downloads é de 300 Mbits/s;● Para Uploads é de 75 Mbits/s;● Baixa latência, inferior a 5 milissegundos.● Comunicação de voz por VoIP (Voice over Internet Protocol);● Flexibilidade de largura de rádio (espectro)

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Características LTE

O padrão 4G-LTE tem duas inovações importantes em relação aos sistemas 3G:

● Núcleo de pacote desenvolvido (EPC - Evolved Packet Core)● Rede de acesso por rádio LTE

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Núcleo de pacote desenvolvido (EPC - Evolved Packet Core)

O EPC é uma rede de núcleo simplificado em IP, que unifica a rede celular de voz comutada por circuitos separados e a rede celular de dados comutada por pacotes. É uma rede toda em IP, pois voz e dados serão transportados em datagramas IP.

Nós EPC e interfaces 14

Núcleo de pacote desenvolvido (EPC - Evolved Packet Core)

● Controla os recursos de rede para oferecer alta qualidade do serviço.

● O EPC também faz separação nítida entre planos de controle da rede e dados do usuário.

● Permite que vários tipos de redes de acesso por rádio, incluindo redes 2G e 3G legadas, se conectem ao núcleo da rede.

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Rede de acesso por rádio LTE

O padrão LTE usa uma combinação de multiplexação por divisão de frequência e multiplexação por divisão de tempo no canal descendente, conhecida como multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM).

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Rede de acesso por rádio LTE

O termo “ortogonal” vem do fato de que os sinais enviados em diferentes canais de frequência são criados de modo que interfiram muito pouco uns nos outros.

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Rede de acesso por rádio LTE

Outra inovação na rede de rádio LTE é o uso de sofisticadas antenas de entrada múltipla, saída múltipla (MIMO).

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Rede de acesso por rádio LTE

O MIMO é usado para aumentar a taxa de bits global através da transmissão de dois (ou mais) fluxos de dados diferentes em duas (ou mais) antenas diferentes - usando os mesmos recursos em freqüência e tempo, separados apenas pelo uso de diferentes sinais de referência - a serem recebidos por duas ou mais antenas

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Arquitetura de Rede LTEA rede LTE é formada pelo Evolved Packet Core (EPC) e pelo Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN).

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Arquitetura de Rede LTE - EPC - Evolved Packet Core

O EPC é responsável pelos serviços que a rede prestada ao usuário, dentre outros podemos citar a conectividade IP à rede desejada, gerenciamento de mobilidade, autenticação e segurança para entrada na rede.

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Arquitetura de Rede LTE - E-UTRAN - Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

E-UTRAN é responsável pela conectividade na interface aérea do sistema, tais como gerenciamento de recursos de rádio, mobilidade da conexão, controle de admissão de rádio e alocação de recursos dinâmicos.

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Elementos de Rede LTEElementos para a rede LTE:

● User Equipment (UE)● Evolved NodeB (eNodeB) ● Mobility Management Entity (MME)● Home Subscriber Server (HSS)● Serving Gateway (S-GW) ● Packet Data Network Gateway (PDN-GW ou P-GW)● Policy and Charging Rules Function (PCRF)

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Elementos de Rede LTE - User Equipment (UE)

O UE (equipamento do usuário) é o aparelho móvel do usuário.

Através dele o usuário solicita e recebe serviços da rede.

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Elementos de Rede LTE - eNodeB

Evolved NodeB (eNodeB)

O eNodeB é a estação rádio base (antenas) da rede LTE, que além de proverem a interface direta com os UEs também fazem o gerenciamento dos recursos de rádio. A comunicação entre o UE e o eNodeB é feita através dos protocolos conhecidos como Access Stratum (AS).

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Elementos de Rede LTE - MMEMobility Management Entity (MME)

O MME é o elemento de controle principal no EPC. É responsável pelo processamento da sinalização entre o UE e o EPC.

Possui duas funções básicas: gerenciamento de mobilidade, que controla exatamente onde o UE está na rede, e o gerenciamento da conexão, onde o MME recebe toda a sinalização de um do tráfego do UE para controle de seu estado.

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Elementos de Rede LTE - HSSHome Subscriber Server (HSS)

O HSS contém os dados de assinatura dos usuários. As informações de cada usuário relativas à autenticação à rede, QoS e liberações ou restrições de serviço e acesso ficam registradas nele (por exemplo restrições de velocidade de conexão ou de roaming).

Banco de dados de registro de usuário.

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Elementos de Rede LTE - S-GWServing Gateway (S-GW)

Todos os pacotes IP dos usuários são transferidos através do S-GW, que serve como âncora de mobilidade local enquanto o UE se move entre os eNodeBs. Mantém as informações da conexão do UE quando este se encontra em estado ocioso e mantém os buffers de dados de downlink, enquanto o MME inicia o paging para encontrar o UE e restabelecer o fluxo de dados.

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Elementos de Rede LTE - P-GWPacket Data Network Gateway (PDN-GW ou P-GW)

O PDN-GW é responsável pela atribuição de endereços IP para o UE, bem como a aplicação da tarifação, responsável pela filtragem de pacotes IP do usuário no downlink nos diferentes fluxos de dados e QoS.

Também serve como âncora para a mobilidade interoperar com tecnologias não-3GPP (CDMA2000 e redes WiMAX).

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Elementos de Rede LTE - PCRFPolicy and Charging Rules Function (PCRF)

O PCRF é responsável por controlar a política de tomada de decisão, decide quando e como se deve gerenciar os serviços em termos de QoS.

O PCRF também fornece a autorização do QoS (identificador de classe de QoS e taxa da conexão), que decide como alguns fluxos de dados serão tratados no PDN-GW e garante que o fluxo estará de acordo com o perfil do usuário.

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Topologia LTE

QoS em LTEQoS (Quality of Service) ou qualidade de serviço em LTE, é implementação entre UE e PDN Gateway (Packet Data Network Gateway) e é aplicado a um conjunto de portadoras (bearers). EPC 'Bearer' é basicamente um conceito virtual e é um conjunto de configurações de rede para fornecer tratamento especial para o conjunto de tráfego.

Ex: os pacotes VoIP são priorizados pela rede em comparação com o tráfego do navegador.

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QoS em LTEExistem dois tipos de portadores, ou seja, portador dedicado e portador padrão.

Há pelo menos um portador padrão estabelecido quando o UE está conectado à rede LTE, enquanto o suporte dedicado sempre é estabelecido quando há necessidade de fornecer QoS para um serviço específico (como VoIP, vídeo etc).

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QoS em LTEUm fluxo de pacotes é definido por filtros de pacotes que se encontram no UE para o uplink e no PDN-GW para o downlink.

Estes filtros são responsáveis por associar os fluxos a um EPS bearer e classificar os pacotes baseados nos seguintes parâmetros:

● IP de origem e de destino● porta de origem e destino● tipo de protocolo IP

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QoS em LTE

Existem dois tipos de EPS bearers:

As que possuem garantia de largura de banda (Guaranteed Bit Rate, GBR) e as que não possuem a garantia de largura de banda (Non Guaranteed Bit Rate, non-GBR).

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QoS em LTE - GBREPS bearers do tipo GBR tem a garantia que perdas de pacote relacionadas ao congestionamento (causados por estouro de buffers) não irão acontecer.

Isto acontece devido às funções de controle de admissão de conexões existentes nos elementos de rede LTE que são executadas quando um EPS bearer é estabelecido ou modificado.

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QoS em LTE - non-GBR

EPS bearer do tipo non-GBR, pode sofrer perdas de pacotes por congestionamento, porém possui a vantagem de se manter estabelecido por longos períodos sem que venha a ser bloqueado nenhum recurso de transmissão na rede LTE.

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LTE no BrasilO padrão LTE é o padrão de 4G predominante no Brasil sendo adotado por todas as operadoras.

A Anatel realizou em 2012 uma licitação de frequências em 2500 MHz para a implantação de redes 4G. As empresas que adquiriram estas frequências foram: Vivo, Tim, Claro, Oi, Sky e Sunrise.

A faixa de frequência em 2500 MHz é utilizada pelas operadoras no Brasil para oferecer banda larga móvel 4G (LTE) e banda larga fixa 4G (LTE).

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LTE no Brasil

Em setembro de 2014 a Anatel licitou a faixa de frequência de 700 MHz para a implantação de 4G, que será liberada com o fim da transição da TV Aberta analógica para a TV aberta digital. As empresas que adquiriram estas frequências foram: Vivo, Tim, Claro e Algar.

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Celulares 4G em Ago/17

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LTE-Advanced● Evolução do LTE● É um padrão de comunicação móvel 4G aprovado pela União

Internacional de Telecomunicações (ITU - International Telecommunications Union) em janeiro de 2012.

● O foco está em maior capacidade: fornecer taxas de bits mais altas de maneira econômica.

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Características LTE-AdvancedAumento na taxa de dados para downloads e uploads:

● Download acima de 1 Gbits/s

● Upload acima de 500 Mbits/s Além disso, há eficiência espectral, com base na versão 8 (LTE), foi definido como 16 bits por segundo por Hz, e na versão 10 (LTE-Advanced) 30 bits por segundo por Hz.

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LTE-AdvancedO que torna essas características de desempenho possíveis?Algumas das principais elementos LTE-Advanced:

● ICIC e FFR● DSA● CoMP● Carrier Aggregation● HetNet● SON

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ICIC e FFRICIC (Inter-Cell Interference Coordination) Coordenação Interferência Inter-Celular e FFR (Fractional Frequency Reuse),Reuso Freqüente de Freqüência. ICIC alivia a degradação da taxa de dados. Nas bordas das células devido à interferência entre células usando tecnologia FFR, reuso de freqüência fracionada. FFR separa as faixas de freqüência e aloca as bandas, para evitar interferências únicas das estações de baía adjacentes do eNodeB adjacente.

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Múltiplas células, no meio estão as estação base, onde temos um range de frequência, e em volta estão as bandas de frequências diferentes, e elas utilizam diferente poder de frequência, isso faz com que reduz a interferência

DSADSA (Dynamic Subcarrier Assignment)- Atribuição de Espectro Dinâmico

DSA seleciona os usuários nas melhores condições, dependendo das condições do canal, em cada bloco de freqüência e momento de tempo, através de algoritmos.

A idéia é usar o espectro certo, onde esse espectro nos permitirá realizar melhor performance, ganho de desempenho, usando alocação de espectro dinâmico.

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CoMPCoMP (Coordinated Multi Point)

● Melhora a cobertura de alta taxa de dados, taxa de transferência de células e throughput do sistema.

● Coordena múltiplos eNodeB(estações base) para se comunicar com um equipamento de usuário, aumentando a taxa de transferência ao reduzir a interferência entre células.

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CoMP - Tecnologias

● CS (Coordinating Scheduling)● CB (Coordinated Beamforming)● JT (Join Transmission)● DPS (Dynamic Point Selection)

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Carrier AggregationPara alcançar maior largura de banda, adiciona faixas de frequências separadas, para aumentar a taxa de dados e a capacidade das redes.

Pode agregar até cinco operadoras, aumentando a largura de banda até 100 MHz (no LTE era até 20MHz) - um tubo mais gordo para taxas de dados mais rápidas e uma melhor experiência do usuário.

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HetNet HetNet (Heterogeneous Network) é uma solução para aumentar a demanda de tráfego, expandindo a capacidade da rede, densificando as redes móveis com células menores e para fora das torres.

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SON - Self-Organizing NetworkingSelf-Organizing Networking gerência tecnologia celular, como HetNet, onde a configuração e manutenção automatizada da rede é feita.

Algumas células são pequenas, muito pequenas, algumas são grandes. Então, precisamos de algum tipo de coordenação.

O SON pretende configurar e otimizar a rede automaticamente, fornecendo suporte para expandir o número de estações base, otimização diversificada de parâmetros de rede, como controlar a energia, controlar a que horas vamos usar o sinal e coisas assim.

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SON - Self-Organizing NetworkingA funcionalidade SON inclui:

Configuração automática: que é para novas estações base implantadas, são automaticamente instaladas e configuradas.

Auto-otimização: as entidades de rede se adaptam às condições da rede e otimizam os parâmetros de rede para gerenciamento de recursos e controle de interferência e outros recursos

Auto-cura: detecta automaticamente falhas do sistema ou outros locais que têm interferência significativa e aplica soluções para esses problemas.

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ReferênciasEricsson Brasil. LTE explicado . Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=Rq8cDNYSXPM> Acesso em 06 de Nov. 2017.

H. Ekstrom, “QoS control in the 3GPP evolved packet system,” IEEE Communications Magazine, vol. 47, no. 2, pp. 76–83, Feb 2009.

Qualcomm. LTE Advanced - Evolving and expanding into new frontiers. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=QMNS68EGvaw>. Acesso em 06 de Nov. 2017.

RF WIRELESS. LTE vs LTE Advanced-Difference between LTE and LTE Advanced.Disponível em: <http://www.rfwireless-world.com/Terminology/LTE-vs-LTE-Advanced.html> Acesso em: 23 de Out. 2017.

SEIDEL, Eiko. Progress on “LTE Advanced” - the new 4G Standard. Disponível em: <http://www.nomor.de/uploads/_c/V1/_cV1fTZl6MtFnAHVXltStg/LTEAdvanced_2008-07.pdf> Acesso em 10 de Out. 2017.

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ReferênciasS. Sesia, I. Toufik, and M. Baker, Eds., LTE: The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice, 2nd ed. Wiley, 2011.

TELECO. 4G LTE no Brasil. Disponível em: <http://www.teleco.com.br/4g_brasil.asp> Acesso em 11 de Nov. 2017.

3GPP. Release 8. Disponível em: <http://www.3gpp.org/specifications/releases/72-release-8> Acesso em 3 de Nov. 2017.

3GPP. Release 10. Disponível em: <http://www.3gpp.org/specifications/releases/70-release-10> Acesso em 3 de Nov. 2017.

3GPP. LTE-Advanced. Disponível em: <http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/97-lte-advanced> Acesso em 31 de Out. 2017.

5G AMÉRICAS. Disponível em: <http://www.5gamericas.org/pt-br/> Acesso em 15 de out. 2017.63

Question

Describe the mechanisms used to provide Quality of Service (QoS) in EPS systems.

H. Ekstrom, “QoS control in the 3GPP evolved packet system,” IEEECommunications Magazine, vol. 47, no. 2, pp. 76–83, Feb 2009.

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