4.1. Considerações para as faixas de
2,5GHz e 3,5GHz
Serão feitas aqui algumas considerações de instalação para uma rede de rádio de área metropolitana baseada no Padrão Air Interface da norma IEEE 802.16-2004, a tecnologia WIMAX. O foco serão as instalações usando o espectro licenciado na faixa de freqüência 2,5 GHz e 3,5 GHz. Instalações nestas faixas são especialmente interessantes no mercado de acesso de rádio, pois oferecem o potencial para alcançar cobertura para acesso com alta velocidade sobre uma área metropolitana inteira com alcance adequado e capacidade para uma rede de acesso rentável. Além de apresentar um detalhado ponto de vista de capacidade de canal da estação base contra o alcance da mesma, exemplos específicos de instalação serão analisados ao relacionamento entre custos de infra-estrutura da estação base e para espectro disponível em ambas as faixas de freqüência.
O impacto na capacidade de canal e alcance utilizando CPE`s Indoor também será discutido. Bandas licenciadas para MAN`s em 3,5GHz e 2,5GHz não estão mundialmente disponíveis para acesso fixo de rádio, mas ao menos uma das duas faixas está disponível na maioria dos países.
Faixa de 3,5GHz: A faixa de 3,5GHz está disponível como uma faixa para o acesso de rádio fixo em banda larga em muitos países fora dos Estados Unidos. Embora os regulamentos para instalação e atribuições específicas variam consideravelmente de país para país, esta é indiscutivelmente a faixa do espectro mais usado para transmissão via rádio em MAN`s hoje em dia.
As características típicas para a faixa de 3,5GHz de um país são baseadas em:
-Total espectro disponível: Varia de país para país, mas geralmente é de 200MHz, entre 3,4GHz e 3,8GHz.
-Serviços alocados: Acesso fixo normalmente é especificado.
-TDD ou FDD: Em alguns países é especificado somente FDD e em outros, pode-se utilizar FDD ou TDD.
-Espectro por licença: Varia de 2 x 5MHz até 2 x 56MHz.
-Agregação de licença: Alguns países permitem operadoras a ganhar acesso a mais espectros, outros não permitem agregação.
Faixa de 2,5GHz: Esta faixa é atribuída para serviços fixos de microondas em muitos países incluindo os Estados Unidos. Embora muitos destes países tenham regras que não apóiam serviços two-way, é esperado que isto mude quando os equipamentos WIMAX venham a tornar-se uma realidade concreta e os operadores mundiais obtenham mais licenças do espectro para serviços de banda larga tanto fixos quanto móveis.
Nos Estados Unidos o FCC (Federal Communications Commission) modificou as regras para esta faixa em 1998, permitindo serviços bilaterais e em 2004, anunciaram uma reorganização do plano de canal [35]. Com estas modificações das regras, esta faixa agora bem está servida a uma instalação baseada na tecnologia WIMAX.
Também, há o fato que a faixa de 3,5GHz não está disponível para acesso de rádio nos Estados Unidos. Os seguintes detalhes para a faixa de 2,5 GHz são baseados em regras bem recentes de FCC.
As características típicas para a faixa de 3,5GHz nos Estados Unidos:
-Total espectro disponível: O total de 195 MHz, incluindo guarda-faixas e canais de MDS, entre 2,495 GHz e 2,690 GHz.
-Serviços alocados: Fixo bilateral ou broadcast.
-TDD ou FDD: - Tanto TDD como FDD são permitidos.
-Espectro por licença: 22,5 MHz por licença, um bloco de 16,5MHz emparelharam com um bloco de 6 MHz, um total de 8 licenças.
-Agregação de Licença: As operadoras podem adquirir múltiplas licenças em uma área geográfica para aumentar as faixas de espectro.
Características do rádio
Duas soluções de equipamento WIMAX foram selecionadas para análise. Na faixa de 2,5GHz, uma solução é TDD com 5MHz de largura de banda do canal será usada e na faixa de 3,5GHz uma FDD com dois canais com largura de banda 3.5MHz será usado. Estes não são as únicas soluções de equipamento para o WIMAX, que se espera estar disponível nestas duas faixas de freqüências, mas são exemplos representativos e servem para os propósitos deste trabalho. Outras soluções esperadas incluem uma solução de TDD para a faixa de 3,5GHz com uma largura de banda de canal de 7MHz e em um futuro não distante, larguras de banda diferentes de canal estarão disponíveis em ambas as faixas para fornecer aos operadores mais opções de instalação. Equipamentos WIMAX também estarão disponíveis em outras faixas de freqüência. Até o momento, os equipamentos lançados no mercado são para 5,8GHz, 3,5 GHz e 2,5 GHz [29].
A tabela 2 fornece um resumo das características do rádio para downlink que são usados para o alcance e estimativas de capacidade do canal. O ganho do sistema na tabela 2 é típico de médio desempenho para soluções de equipamentos WIMAX. Para a 2,5GHz em TDD, uma separação de tráfego de downlink/uplink de 60/40 é suposta, visto que é uma configuração típica para serviços de transmissão de dados. Isto faz o downlink (DL) efetivo da largura de banda do canal de 3 MHz e o uplink (UL) efetivo para a largura de banda do canal de 3MHz e o uplink para a largura de banda do canal de 2MHz. Com a mesma divisão assimétrica de tráfego no caso de FDD, o canal de uplink de 3,5MHz não será utilizado plenamente.
O ganho do sistema para DL para CPE indoor é aproximadamente 6 dB abaixo que o ganho do sistema para CPE outdoor, principalmente devido à diferença em ganho da antena. Também há perda adicional de caminho (path loss) com CPEs indoor devido a penetrações nas paredes e situações não ideais de instalação que tipicamente estarão teoricamente abaixo de um nível NLOS existente nas CPEs outdoor em relação à estação base. Esta perda de caminho excessivo é calculada ser aproximadamente 15 dB. O modelo de propagação que é usado para predizer o alcance é baseado em contribuições ao IEEE do Grupo de Trabalho 802.16 para Acesso de Banda Larga (Erceg et al). Os modelos propostos de propagação cobrem três categorias de terreno; “A”, “B”, e “C” [29].
“Categoria A”, é a categoria com alta perda de caminho (path loss), é usada como características de propagação em ambientes urbanos e a “Categoria C”, é a categoria com baixa perda de caminho (path loss), é usada na propagação em ambientes rurais.
A condição intermediária de perda de caminho é a categoria com alta de perda de caminho (path loss), “Categoria B”, é suposta para propagação em ambiente suburbano. Tratar
estas categorias de terreno como suburbano, urbano, e rural respectivamente é uma suposição conveniente para os propósitos deste trabalho, mas em prática cada ambiente deve ser avaliado em suas características específicas. Não seria raro, por exemplo, encontrar-se uma área rural com um terreno montanhoso, árvores com copas densas e variadas fazendo-o um candidato para uma condição de propagação de alta perda; “Categoria A”, em vez de ”Categoria C”.
Adicionalmente, algumas áreas urbanas em cidades menores com alturas de edifícios relativamente baixos podem qualificar-se para uma condição intermediária de perda, “Categoria B”.
Attribute 2.5 GHz Band 3.5 GHz Band
Duplexação TDD FDD
Largura do canal 5 MHz 2 x 3.5 MHz
Modulação adaptativa BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM
Ganho nominal do sistema utilizando
CPEs outdoor 163 dB at BPSK 164 dB at BPSK
Ganho nominal do sistema utilizando
CPEs outdoor e indoor 157 dB at BPSK 158 dB at BPSK
Path Loss para CPEs indoor
15 dB Tráfego TDD DL/UL
60/40 n/a
Condições de propagação Urbano, Suburbano e Rural 100% dos usuários com terminais NLOS Tabela 2: Parâmetros relevantes do rádio [29].
O uso de modulação adaptável capacita o link com usuário final adaptar-se dinamicamente às condições de caminho de propagação para link em particular. Quando os níveis recebidos de sinal são baixos, como seria o caso para usuários mais distante da estação de base, o link automaticamente “baixa” a um esquema de modulação mais robusto, porém menos eficiente em modulação. Desde que cada esquema de modulação tenha uma eficiência diferente de modulação, a capacidade efetiva do canal só pode ser determinada sabendo qual esquema de modulação e codificação está sendo usado para o link do usuário final compartilhado no canal particular.
Isto prontamente está feito se suposto que os assinantes ativos em qualquer canal dado uniformemente são distribuídos sobre a área de cobertura para esse canal e adicionalmente cada usuário final está sob as mesmas condições. Exemplo: Todos CPEs outdoor e NLOS. Também será analisado o impacto de uma instalação “misturada” abrangindo CPEs outdoor e indoor. As
instalações podem ser de alcance limitado ou capacidade limitada. Num caso de alcance limitado, se uma distribuição uniforme de assinantes ativos com CPEs outdoor é suposto, mais de 60% dos usuários ativos operará em QPSK ou BPSK e só 15% irá operar em 64QAM [15].
Isto é ilustrado na figura 29. O alcance calculado mostrado na figura 29 aplicado a uma instalação de 3,5GHz num ambiente Rural com CPEs outdoor NLOS. Com a distribuição de usuários como mostrado, a capacidade efetiva do canal de downlink (dados líquidos) para uma instalação de alcance limitado é 3,8Mbps em comparação com 9,7Mbps para um caso capacidade limitado com todos os usuários finais operando em 64 QAM. Supor que todos os usuários finais são NLOS, em muitos respeitos, uma pior situação de caso. De um ponto de vista prático, é razoável esperar que algumas instalações serão LOS ou “quase” LOS em relação à antena da estação base. Desde que o alcance 64 QAM para LOS ou “quase” LOS exceder BPSK para NLOS, em prática, algum usuário final distante real operar em 64 QAM em vez de BPSK e assim levantar o capacidade efetiva do canal de downlink acima de 3,8Mbps . Outro fator não levado em conta na figura 29 é uma concessão para interferência de co-canal (CCI) de células adjacentes. Na qual, numa rede multi celular, é uma consideração adicional. Interferência excessiva também causará ao link afetado, mover para uma modulação mais robusta, mas assim reduzindo a capacidade efetiva do canal.
Contudo desde que estes dois efeitos tendem a compensar se, a aproximação usada na figura 29para calcular capacidade de canal representa uma primeira estimativa muito adequada de ordem para capacidade efetiva do canal de downlink. Para serviços fixos, a obrigação de usar bandas licenciadas, causa designações com espectro limitado, a maioria das instalações será de capacidade limitada antes que alcance limitado. As exceções seriam áreas rurais com densidade muito baixa, particularmente áreas que podiam ser classificados como terrenos com alta de perda propagação.
Figura 29: Densidade típica de assinante para um sistema 3,5 GHz com instalação rural [29].
Os gráficos das figuras 30 e 31 fornecem uma visualização mais quantitativa da capacidade média de downlink do canal e a capacidade de downlink da Estação Base WIMAX para 3,5GHz e 2,5GHz respectivamente.
As Estações Base são configuradas com seis canais e, como foi mostrada na figura 29, uma distribuição uniforme de assinantes ativos NLOS é suposta.
Figura 30: Capacidade de downlink de um canal único e para os 6 canais da Estação Base na faixa de 3,5GHz [29].
Figura 31: Capacidade de downlink de um canal único e para os 6 canais da Estação Base na faixa de 2,5GHz [29].
Desde que os produtos WIMAX certificados estarão disponíveis num range de configurações com múltiplos fabricantes, parâmetros variados de desempenho podem ser esperados. As variações no ganho do sistema afetarão o range e finalmente, a capacidade do canal numa instalação típica. A figura 32 mostra a sensibilidade do alcance e a capacidade efetiva do canal a uma variação + /- 6 de dB em um ganho do sistema na faixa de 3,5 GHz.
Requisitos combinados de densidade de dados para a capacidade da Estação Base
Para cenários de instalação de capacidade limitada é necessário instalar Estações Base espaçadas geograficamente e em número suficiente para atender a densidade esperada de usuários finais. A densidade de dados é um excelente parâmetro para medir a capacidade da Estação Base e para analisar os requisitos de mercado. Informações demográficas, incluindo a população, lares, e negócios por km quadrado, estão disponíveis como uma fonte para detectar as melhores áreas metropolitanas. Com esta informação, os serviços oferecidos junto com a penetração esperada de mercado, requisitos de densidade de dados facilmente são calculados. Este processo de 6 passos é resumido na figura 33.
Figura 33: Determinação dos requisitos de mercado [11].
Numa rede de rádio fixa é também importante analisar os requisitos de mercado vários anos no futuro e instalar as Estações Base de acordo ao que essas projeções ditam. Não como nas redes móveis, em que usuários finais são equipados com aparelhos de telefone tendo antenas omni direcionais, as redes fixas são projetadas com uma combinação de CPEs indoor e outdoor. No caso de CPEs outdoor, que são montadas ao ar livre e cuidadosamente alinhadas para obter o melhor sinal. A necessidade de inserir estações base adicionais mais tarde, dentro da área de cobertura, para aumentar a capacidade da rede, na maioria de casos, resulta em desprover recursos valiosos para reorganizar as CPEs outdoor dos assinantes.
Se outros serviços segmentos de mercado vão ser incluídos tal como demanda de vídeo,
backhaul hot spots, serviços nômades, etc..., estes teriam que ser incluídos na composição de
serviços do assinante. Adicionar um link backhaul hot spot, é aproximadamente comparável a um usuário adicional ao negócio. Para aplicações nômades uma estimativa pode ser feita como ao
número de operadores que serão possíveis estarem na mesma área geográfica ocupados durante horários de pico e a densidade de dados necessária para este pico.
Uma análise mais completa é feita quando estes serviços adicionais são incluídos em uma estimativa de tendência de tráfego. Por exemplo, o período de pique para usuários nômades é durante horas diurnas de negócio e o período de pique para operadores residenciais é de manhã cedo e à noite. Em algumas áreas, pode ser bem possível satisfazer múltiplos segmentos de mercado e aplicações sem significativamente aumentar a capacidade da estação de base [29].
A tabela 3 representa um alcance típico de requisitos de densidade de dados para um ambiente urbano, suburbano e rural para uma área metropolitana.
Tabela 3: Requisitos de dados típicos para uma área metropolitana média [29].
A densidade resultante de dados para várias configurações da estação base nas faixas de 2,5 e 3,5 GHz como uma função de espaçamento entre as estações base é mostrada a seguir. A figura 34 é para uma especificação de área urbana e uma configuração da estação base de 4 canais ou de 8 canais.
A figura 35 mostra a densidade de dados para uma área Suburbana e Rural com uma configuração da Estação Base de 4 canais ou 3 canais respectivamente. Em 2,5 GHz TDD as figuras a seguir supõe uma separação de tráfego de downlink e uplink de 60/40. Na prática, com TDD, esta separação freqüentemente será ajustada para combinar condições médias de tráfego, que geralmente favorecerão o downlink. As linhas pontilhadas verticais nos gráficos das figuras 34 e 35 representam os requisitos de espaçamento necessário entre Estações Base para maximizar os requisitos de densidade de dados mostrada na tabela 3. O ganho em ter mais espectro é evidente na figura 34, que com 8 canais, os espaçamentos entre as Estações Base é aproximadamente 40% maior que uma instalação com 4 canais para alcançar a mesma densidade de dados de 40Mbps por km quadrado.
Os requisitos de espectro que são mostrados nas tabelas incluídas nas figuras 34 e 35, supõem um fator de reuso de freqüência da célula de “1”. Se a propagação e as condições de instalação são tais que um alto potencial de interferência de co-canal for detectado, um fator de reuso mais conservador de “2” pode ser usado. Isto dobraria as estimativas de requisitos de espectro mostrado nas tabelas. Isto pode ser um cenário possível quando, num caso de capacidade-limitada, a capacidade de Estação Base é tal que todos os assinantes operem em 64 QAM ou 16 QAM.
Figura 34: Densidade de dados de downlink da Estação Base para 4 e 8 canais numa configuração da Estação Base para um ambiente urbano [29].
Figura 35: Densidade de dados de downlink da Estação Base num ambiente suburbano e rural. Supondo 4 e 3 canais na configuração da Estação Base respectivamente.
Exemplos de distribuição de CPEs Outdoor
Nesta seção serão analisados alguns exemplos hipotéticos de distribuição de Estações Base WIMAX em ambas as bandas supondo somente CPEs outdoor em cada uma das três áreas demográficas: Urbana, Suburbana e Rural.
Os dados demográficos e o número de possíveis assinantes residenciais e SME (Small to
Medium Enterprise) para estes exemplos são resumidos na tabela 4 junto com a densidade de
dados que serão exigidos para atender este possível número de assinantes. O fator de reuso de freqüência na célula é “1” e é suposto para todos os exemplos seguintes para determinar a quantia de espectro necessário [29].
Tabela 4: Exemplos demográficos de distribuição [29].
O custo da infra-estrutura da estação base por usuário é um bom parâmetro para fornecer uma comparação quantitativa entre as várias opções de distribuição usadas e a densidade de dados requerida. O capital de investimento para Estação Base, CAPEX (Capital Expenditure) tem dois componentes importantes, um componente “fixo” e um componente “variável”. A porção fixa inclui todos os elementos necessários para adquirir e preparar a estação base antes da instalação de qualquer equipamento WIMAX. Isto inclui aquisição de local, obras civis, equipamento de interface de backhaul, mastros de antena, etc... Há uma grande variação nos custos fixos dependendo da região e da instalação. Os custos podem ser bastante baixos quando o equipamento WIMAX é instalado em torres existentes, localizadas perto ou em um nó existente de fibra para uma conexão backhaul e bastante alto em outros casos. Para estes exemplos, o componente fixo de CAPEX da estação base é suposto variar entre $15.000,00 e $75.000,00 por estação base. O
componente variável do CAPEX é o equipamento point-to-multipoint WIMAX que é relacionado à capacidade da Estação Base. O custo do equipamento WIMAX irá variar de vendedor para vendedor e também de acordo com as características específicas do mesmo. É esperado que este custo diminua com o passar do tempo,em razão do amadurecimento da tecnologia e com um volume maior de fabricantes. Nos exemplos a seguir o custo variável de Estação Base é suposto variar entre $5000,00 e $10.000,00 por canal, para cobrir o custo do equipamento e o custo da instalação [11].
Exemplo em um ambiente urbano: A figura 36 resume os resultados para uma área
Urbana mostrando o número de Estações Base WIMAX e os canais requeridos por Estação Base para cumprir os requisitos de densidade de dados em cada uma das duas faixas de freqüência. Como já era esperado, há custo em ter mais espectro disponível desde que, em geral, devido aos altos custos fixos da Estação Base, relativamente é mais econômico instalar menos Estações Base com alta capacidade ao contrário de um número maior de Estações Base com baixa capacidade. Se o espectro adicional tem que ser adquirido por um processo de leilão, no entanto, alguns destes benefícios de custo em relação à infra-estrutura não serão compensados pelas altas taxas de licença do espectro e isso deve ser levado em conta para uma comparação mais exata de custo.
Exemplo num ambiente suburbano: Os exemplos na área Suburbana são resumidos na
figura 37 e mostram as mesmas tendências gerais como no exemplo Urbano. O CAPEX por assinante é mais baixo que no caso Urbano devido à mistura relativa de assinantes residenciais e empresas. Em ambos os exemplos, Urbano ou Suburbano, quando o custo fixo da Estação Base é baixo, há pouco ou nenhum custo para distribuir um número maior de Estações Base.
Figura 37: Exemplos de instalação numa área suburbana [29].
Exemplo num ambiente rural: A figura 38 inclui um resumo das alternativas de
distribuição analisadas para uma instalação típica na área Rural. Como esperado, com menos