Convivência WiMax com
Estações de Comunicações via Satélite
PAULO BERTRAM VIEIRA
Sumário
No Brasil as faixas atribuídas para os chamados Serviços com a tecnologia Wimax e os Serviços Fixos por Satélites (FSS), na Banda C, são adjacentes e tem uma separação de 25 MHz entre elas. Esta “banda de guarda” tem se mostrado insuficiente para evitar dificuldades de convivência entre estes dois serviços.
Este documento tem o objetivo de apresentar as possíveis soluções para minimizar as dificuldades de convivência que se apresentem na prestação dos serviços.
Do ponto de vista dos equipamentos envolvidos, cumpre destacar que os amplificadores de baixo ruído (LNA/LNB) normalmente utilizados nas estações terrenas de comunicações via satélite amplificam os sinais além de sua faixa de freqüências nominal de operação. Isso se deve a requisitos de simplicidade de implementação e de custos uma vez que quando foram concebidos não havia WiMax e o espectro de freqüências adjacente à banda C estava atribuído ao SARC (Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos) e RpTV (Serviço de Repetição de TV), tipicamente aplicações fixas ponto a ponto de menor abrangência, ou também por terem sido projetados para englobar as faixas de freqüências da banda C super-estendida (3,4 a 3,6 GHz) utilizadas em outros países.
Assim, os sinais WiMax podem vir a ocasionar, em certas situações, a saturação dos amplificadores de baixo ruído (LNA/LNB) e interromper as comunicações das estações terrenas afetadas. A abrangência pretendida pelos serviços suportados por redes WiMax poderá tornar comum estas situações.
No atual contexto, a forma de se eliminar esse problema exigirá que se reequipe as estações terrenas afetadas, incluindo a instalação de filtros na entrada dos amplificadores de baixo ruído ou a troca desses amplificadores por novos com melhor discriminação e corte mais abrupto para a faixa de freqüências do WiMax. Uma solução alternativa é o bloqueio físico (Blindagem Eletromagnética Artificial) da estação terrena na direção dos sinais WiMax, desde que não se atenue o sinal do satélite.
Concluindo, pode-se afirmar que o uso de sistemas WiMax em uma mesma vizinhança onde operam estações terrenas em banda C poderá trazer problemas de convivência entre os serviços fornecidos por essas plataformas.
ÍNDICE
1.INTRODUÇÃO ...3
2.DESTINAÇÃO DAS REDES WIMAX ...3
3.DISTÂNCIA DE SEGURANÇA WIMAX / ESTAÇÃO RECEPTORA SATÉLITE ...4
4.POTENCIAL DE INCOMPATIBILIDADE DO WIMAX COM ESTAÇÕES TERRENAS ...5
5.SOLUÇÕES SUGERIDAS (DISPONÍVEIS ATUALMENTE) ...7
5.1. BLINDAGEM DO LOCAL...7
5.2. UTILIZAÇÃO DE LNB / LNBF MULTIPONTO...7
5.3. UTILIZAÇÃO DE LNB COM FILTRO INTERNO...7
5.4. UTILIZAÇÃO DE FILTRO EM GUIA EXTERNO...7
5.4.1. FILTRO PARA BANDA C ESTENDIDA...8
5.4.2. FILTRO PARA BANDA C PADRÃO...8
5.5. FILTRO EM FI (BANDA L) NA ENTRADA DO RECEPTOR SATÉLITE. ...8
6.CONCLUSÃO ...9
7.ANEXOS TÉCNICOS COMPLEMENTARES ...11
7.1.LNB COM FILTRO INTERNO ...12
7.2.CURVAS DE RESPOSTA DE LNAS / LNBS ...14
7.3.ANTENAS WIMAX...15
7.4.GANHO DE ANTENA DE ESTAÇÃO TERRENA ...16
7.5.FILTROS CONTRA INTERFERÊNCIA...16
7.6.FILTRO DE CAVIDADES EM GUIA – “ESTADO DA ARTE”...17
1. INTRODUÇÃO
Este documento tem como objetivo avaliar os problemas de convivência de redes WiMax com estações terrenas de comunicações por satélite, e fornecer algumas orientações e alternativas para a solução desses casos. O principal motivador deste trabalho deve-se à identificação crescente de estações de recepção de sinais de TV que também passam a captar sinais indesejáveis das bases transmissoras de WiMax. Esse problema começou a surgir após a atribuição e efetiva utilização da faixa de 3400 MHz a 3600 MHz (normalmente referida como “faixa de 3,5 GHz”) para a prestação de serviços com a tecnologia WiMax. Esta nova faixa é adjacente à faixa de banda C estendida, 3600 MHz a 4200 MHz, há muito atribuída para o serviço fixo satélite.
2. DESTINAÇÃO DAS REDES WIMAX
Em licitação (No 003/2002) de espectro de freqüências na faixa de 3,5 GHz (3450 MHz a 3500 MHz e 3550 MHz a 3600 MHz) da Anatel, foram vencedoras diversas empresas, dentre as quais a Embratel. Esta está autorizada a operar em nível nacional utilizando canais WiMax nas subfaixas de 3450,25 MHz a 3460,75 MHz e 3550,25 MHz a 3560,75 MHz (além de 7+7 MHZ de faixas adicionais para São Paulo e Rio de Janeiro). Outras empresas foram vencedoras para diversas subfaixas, de abrangência geográfica mais limitada. Deve-se registrar que a Directnet foi vencedora para a Região III toda (estado de São Paulo) na subfaixa que potencialmente mais afetaria os sistemas de recepção das estações terrenas (3488,75 MHz a 3499,25 MHz e 3588,75 MHz a 3599,25 MHz).
Está prevista para 2009 a licitação de toda a faixa de 3,5 GHz, tendo sido emitida a Consulta Pública No 54 de 03/nov/2008, com proposta de destinação adicional ao Serviço Móvel Pessoal em caráter primário e alteração do Regulamento sobre canalização e condições de uso de radiofrequências da faixa de 3400 MHz a 3600 MHz.
As redes WiMax permitem a prestação de serviços digitais por até dezenas de quilômetros a partir de uma estação base sem a necessidade de estender meios físicos até o usuário final. Pode-se imaginar que à medida que as redes se ampliem será apenas uma questão de tempo para que todo o espectro já alocado para o serviço esteja sendo utilizado em nível nacional. A implantação do WiMax em sua fase inicial se dará em dezenas de localidades, abrangendo as capitais e principais cidades do Brasil, com maior concentração nos estados de São Paulo, Rio de Janeiro e Minas Gerais.
Embora o sinal WiMax em RF (modulação OFDM) apresente características que variam bastante durante a transmissão (tal como a relação entre a potência de pico e a potência média, e o espectro do sinal composto pelas diversas subportadoras, cada uma individualmente modulada em BPSK, QPSK, 16QAM ou 64QAM), o canal deve atender a uma máscara espectral definida. Então, para a análise do problema normalmente constatado (nível excessivo de sinal na entrada do LNA / LNB gerando intermodulação), importará apenas a potência equivalente irradiada (ERP) transmitida pela estação WiMax.
3. DISTÂNCIA DE SEGURANÇA WIMAX / ESTAÇÃO RECEPTORA SATÉLITE
Para estimar as condições sob as quais poderá existir nível excessivo do sinal WiMax recebido em uma estação terrena, devem ser caracterizadas as estações típicas envolvidas. Deve-se observar que embora as faixas alocadas no Brasil para operação dos serviços sejam distintas, os LNAs / LNBs normalmente utilizados nas estações terrenas amplificam os sinais além de sua faixa de freqüências nominal de operação, ou até são utilizados equipamentos projetados para operação em faixas de freqüências estendidas (vide Itens 7.1 e 7.2).
Estação base WiMax:
• Transmissor com potência de 1W (+30 dBm); o Anexo à Resolução No 416 de 14/10/2005 permite transmissores até 2W (+33 dBm); a Consulta Pública No 54 contempla transmissores até 4W (+36 dBm) inclusive para estações terminais, sejam para sistemas fixos ou para sistemas móveis;
• Antena com ganho de 16,5 dBi (vide Item 7.3). Estação terrena::
• LNA / LNB com ganho de 60 dB e saída máxima de 0 dBm (P1dB);
• Antena com ganho de -10 dBi na direção da estação WiMax (vide Item 7.4); este valor não constitui o pior caso, que ocorre quando a antena da estação terrena estiver apontada diretamente na direção da estação WiMax.
Será determinado o nível de sinal requerido para saturar o LNA / LNB de uma estação terrena típica, e a partir desse valor a distância mínima requerida para uma estação base WiMax transmitindo na faixa de 3,5 GHz (sem obstáculos entre elas):
• Nível de saturação na entrada do LNA / LNB: 0 dBm – 60 dB = -60 dBm • Nível na entrada da antena: -60 dBm – (-10 dBi) = -50 dBm • Nível de transmissão WiMax: +30 dBm + 16,5 dBi = +46,5 dBm • Atenuação (espaço livre): +46,5 dBm – (-50 dBm) = 96,5 dB
A atenuação de espaço livre em função de distância e freqüência é dada por: • A (dB) = 32,44 + 20 log10 D (km) + 20 log10 F (MHz)
Logo:
• log10 D (km) = (96,5 dB – 32,44 – 20 log10 3500 MHz) / 20 = -0,341 • D (km) = 0,456 ou D = 456m
Portanto, a uma distância de menos de 500 metros já ocorre a saturação do LNA / LNB, com as premissas adotadas. De modo que a recepção da estação terrena ocorra em região linear, deve ser adotado um recuo de cerca de 6 dB a 10 dB em relação ao ponto
Em meios urbanos densamente construídos, a expectativa é de que os raios de células WiMax sejam de até 300 metros. Neste caso o potencial para o surgimento de problemas de convivência é bastante elevado, principalmente se for levado em conta que provavelmente tanto a antena da estação base WiMax quanto a da estação terrena estarão localizadas no terraço de prédios, sem bloqueios entre as mesmas.
4. POTENCIAL DE INCOMPATIBILIDADE DO WIMAX COM ESTAÇÕES TERRENAS
A probabilidade dos serviços WiMax operando em 3,5 GHZ vir a afetar os serviços fixos por satélite operando em Banda C (Padrão e Estendida, de 3,625 GHz a 4,200 GHz) é alta, e praticamente certo que venha a ocorrer, em função das características dos conversores e amplificadores de baixo ruído atualmente utilizados nas estações terrenas. A abrangência pretendida pelos serviços suportados por redes WiMax poderá tornar comuns os problemas de convivência em função das distâncias de segurança requeridas. De modo semelhante à telefonia celular, o tamanho de cada “célula” WiMax e seu número em determinada região são função não apenas da cobertura desejada (levando em conta os obstáculos e demais condições de propagação do sinal), mas também do tráfego cursado (e conseqüentemente do número de usuários). Esse fato torna a convivência dos serviços em cenário urbano potencialmente bastante crítica, principalmente se forem utilizadas de estações WiMax com mobilidade reduzida (e, portanto, com localização precisa desconhecida) a plena potência com antenas de ganho razoável (é esperado que estes terminais utlizem potências muito menores que as nodais).
Muitos problemas de convivência, em que não ocorre a saturação do LNA/LNB mas sim a do estágio subsequente na cadeia de recepção, podem ser solucionados com a adoção de um filtro de baixo custo (em banda L) antes da entrada do receptor satélite.
A solução para o problema de convivência, no caso de saturação de LNA/LNB, admite os seguintes procedimentos:
• Bloqueio físico (blindagem) da estação terrena aos sinais WiMax; • Utilização de LNAs / LNBs com elevado ponto de compressão; • Filtragem dos sinais à entrada dos LNAs / LNBs.
Cada caso exigirá uma abordagem particular, possivelmente incorporando uma composição das alternativas de solução anteriores.
A substituição dos LNBs (com os alimentadores) atuais em Banda C padrão (3,7 a 4,2 GHz) por outros que incorporem algum nível de filtragem e limitação de faixa dos sinais de entrada (tipicamente LNBFs que transladam a segunda polarização para a faixa contígua à da primeira polarização em Banda L) poderá solucionar os problemas de convivência apenas nos casos mais brandos (vide Item 7.1).
Para as estações operando em Banda C estendida (3,625 GHz a 3,700 GHz), o cenário torna-se bem mais crítico devido à proximidade com as freqüências das redes WiMax. Nestes casos a opção por (ou necessidade de) filtragem do sinal de entrada irá requerer um filtro com corte bastante abrupto (de difícil e cara implementação; vide Item 7.6). Anteriormente as estações em Banda C estendida eram “imunes” à interferência terrestre porque a faixa de freqüências não era compartilhada e as estações terrestres faziam uso de antenas altamente diretivas (gerando uma alta isolação entre os feixes das antenas, o que reduz sobremaneira a probabilidade de saturação dos LNAs / LNBs),
Este mesmo tipo de filtro pode ser utilizado também para operação em Banda C padrão, a um custo menor (sendo menos seletivo). Para uso em TVRO doméstico este custo tende a ser mais alto em relação ao preço usual do ponto de recepção. Em todos os casos entretanto, deve-se levar em conta também o custo da logística de instalação dos filtros. Provavelmente seu uso só seria de menor impacto econômico para o caso de estações de maior porte.
5. SOLUÇÕES SUGERIDAS (DISPONÍVEIS ATUALMENTE)
A forma de assegurar a compatibilidade dos sinais WiMax com a recepção de estações terrenas é atenuá-los a níveis toleráveis na faixa de operação dos amplificadores de baixo ruído, conforme indicado nos itens anteriores. De modo ideal, seu nível na entrada nos LNAs/LNBs deve corresponder a –20 IBO (recuo de entrada), não devendo ultrapassar – 70 dBm.
5.1.BLINDAGEM DO LOCAL
De modo a atenuar o nível do sinal ofensor poderá ser efetuada a blindagem artificial (e.g. utilização de telas metálicas) ou “natural” (interposição de obstáculos tais como construções de alvenaria) do local da instalação da antena receptora. Nesta solução é usual atingir-se 15 dB ou mais de atenuação.
5.2.UTILIZAÇÃO DE LNB / LNBF MULTIPONTO
Este tipo de LNB / LNBF normalmente incorpora um grau de filtragem do sinal de entrada pois utiliza dois osciladores locais internos em freqüências diferentes para converter as faixas de 3700 a 4200 MHz de cada polarização ortogonal para as faixas de 950 a 1450 MHz e 1550 a 2050 MHz. As atenuações tipicamente obtidas são de 10 dB em 3600 MHz e 20 dB em 3500 MHz, e não são adequados quando utilizada a banda C estendida.
5.3.UTILIZAÇÃO DE LNB COM FILTRO INTERNO
Nos casos em que a faixa de interesse for apenas de 3700 a 4200 MHz (banda C padrão) e o requisito de estabilidade do oscilador local (± 500 kHz) e ruído de fase não forem muito apertados (-70 dBc/Hz @ 10 kHz), o uso do LNB DRO 8000R da NORSAT poderá ser tentado. Este modelo de equipamento incorpora filtro interno com atenuação de 45 dB em 3600 MHz, 55 dB em 3500 MHz e 58 dB em 3400 MHz.
5.4.UTILIZAÇÃO DE FILTRO EM GUIA EXTERNO
Nos casos em que não for desejável ou possível a troca do LNA ou LNB original, ou nos casos em que for utilizada a banda C estendida, a alternativa atualmente disponível é a utilização de um filtro em guia de onda (com baixa perda de inserção) logo após a respectiva porta de recepção do alimentador, antes do amplificador de baixo ruído.
Existem filtros disponíveis (modelos 7893D, 7894D e 13961 para a banda C padrão) fabricados pela Microwave Filter Company, os quais apresentam basicamente as seguintes características:
§ Perda de inserção 0,4 dB a 0,5 dB § Atenuação de 25 db em 3650 MHz § Atenuação de 60 db em 3550 MHz § Atenuação de 70 db em 3500 MHz
Para a banda C estendida (modelo 11383) as características básicas são: § Perda de inserção 0,5 dB
§ Atenuação de 25 db em 3550 Mhz 5.4.1. FILTRO PARA BANDA C ESTENDIDA
A especificação de referência é a do filtro 11383 – 3625/4200 (faixa modificada) fabricado pela Microwave Filter Company, conforme características a seguir:
§ Perda de inserção: 0,4 dB
§ Banda passante: 3625 a 4200 MHz (atenuação até 1dB) § Atenuação de 10 dB em 3600 MHz § Atenuação de 25 dB em 3575 MHz § Atenuação >40 dB em 3550 MHz § Atenuação >60 dB em 3500 MHz § Atenuação >70 dB em 3400 § Atenuação 70 dB na faixa 5800 a 6500 MHz § Perda de retorno >12 dB § Flange CPR229G/CPR229F § Comprimento 5 3/8 “(polegadas)
Os dados do fabricante encontram-se no Anexo 7.7.1. 5.4.2. FILTRO PARA BANDA C PADRÃO
A especificação de referência é a do filtro 13961 fabricado pela Microwave Filter Company, conforme características a seguir:
§ Perda de inserção: 0,5 dB
§ Banda passante: 3700 a 4200 MHz (atenuação até 1dB) § Atenuação de 25 dB em 3650 MHz § Atenuação >60 dB em 3550 MHz § Atenuação >70 dB em 3500 MHz § Atenuação >70 dB na faixa 5800 a 6500 MHz § Perda de retorno >12 dB § Flange CPR229G/CPR229F § Material: alumínio § Comprimento 5 3/4 “ (polegadas)
Os dados do fabricante para este, e para os modelos 7893D / 7894D, encontram-se nos Anexos 7.7.2ae 7.7.2b.
5.5 FILTRO EM FI (BANDA L) NA ENTRADA DO RECEPTOR SATÉLITE
Esta solução de baixo custo mostra-se adequada nas situações em que o problema de convivência resume-se à saturação do receptor satélite (e não do LNA/LNB).
6. CONCLUSÃO
A solução definitiva para a convivência dos serviços WiMax com os de recepção de sinais via satélite em banda C, deverá requerer uso de LNAs/LNBs com alta rejeição para as frequências inferiores a 3625 MHz. Isso se deve a dois motivos principais:
• A separação insuficiente de 25 MHz entre faixas de frequência efetivamente ocupadas para os serviços de WiMax e satélite em banda C no Brasil;
• A enorme diferença de nível entre os sinais envolvidos.
Recomenda-se a adoção de uma distância de segurança mínima de 900m entre a torre de WiMax e a estação satélite. A redução dessa distância de segurança para, por exemplo, 15m deverá ser compensada com a introdução de dispositivos (filtros e/ou blindagem) que forneçam uma atenuação de cerca de 35 dB. Este valor de atenuação poderia então ser considerado praticamente uma “solução universal definitiva”. Note-se que a existência de múltiplas estações WiMax nodais cobrindo uma mesma área multiplica o problema de convivência por se somarem como fontes de sinal saturante. Os níveis de atenuação atualmente atingidos alcançam valores de 10 a 15 dB, para uma separação de 25 MHz, mesmo com a utilização de filtros externos de complexidade e custo maiores. Com a tecnologia atualmente disponível a atenuação de 35 dB é alcançada com uma separação de 60 MHz, mantidas as demais restrições de alta perda de retorno e de baixíssima perda de inserção na banda passante de interesse (para que não seja comprometida a figura de ruído do sistema de recepção satélite). Nesse momento não se tem conhecimento de implementações internas aos LNA/LNB que atendam também à operação na faixa da banda C estendida.
Portanto, a implementação da solução definitiva passa pelo desenvolvimento de novos produtos e o engajamento dos fabricantes no processo. A situação no Brasil é única, pois devido à extensão geográfica e características climáticas do país, a utilização de serviços de telecomunicação via satélite em Banda C apresenta inúmeras vantagens e alta demanda, destacando-se a confiabilidade e disponibilidade oferecida pelos sistemas. O enorme mercado não se restringe à recepção de sinais de TV via satélite, abrangendo também as aplicações profissionais de comunicação de dados através de VSATs.
Levando-se em conta o atual “estado da arte”, julga-se razoável e de execução possível (embora não se configure em solução universal definitiva) que as especificações preliminares a seguir sejam adotadas para o desenvolvimento de novos LNA/LNB para operação em banda C estendida e rejeição dos sinais WiMax:
• Banda passante: 3625 a 4200 MHz (atenuação máxima de 1dB nas bordas) • Atenuação de 15 dB em 3600 MHz
• Atenuação de 25 dB em 3575 MHz • Atenuação >40 dB em 3550 MHz • Atenuação >60 dB em 3500 Mhz
Até que sejam desenvolvidos e estejam disponíveis os equipamentos considerados ideais, para viabilizar a perfeita convivência das redes WiMax e de estações terrenas em banda C conforme definidas suas respectivas faixas de frequência de operação no Brasil, será em muitos casos necessária a adoção simultânea de várias das alternativas de solução parcial para os problemas de convivência apresentados neste documento.
7. ANEXOS TÉCNICOS COMPLEMENTARES 7.1. LNB Com Filtro Interno
Diversos modelos de LNB são especificados para operar na Banda C estendida internacional completa (3,4 GHz a 4,2 GHz), o que agrava o problema de transmissões WiMax em 3,5 GHz.
Conforme pode ser notado pelas especificações de certos modelos, LNBFs multiponto incorporam alguma filtragem, em virtude da translação de polarização para faixas adjacentes em Banda L. No entanto, apresentam uma banda de guarda de 100MHz, acarretada pelo emprego de filtros pouco seletivos.
Há no mercado LNB profissional que incorpora filtragem, porém não atende a operação em banda estendida ou aplicações que exigem elevada estabilidade de freqüência (PLL).
7.2. Curvas de Resposta de LNAs / LNBs
Conforme pode ser observado a partir de curvas de resposta em freqüência típicas (testes em bancada), as freqüências em torno de 3,5 GHz praticamente não são atenuadas.
Curva de LNA típico
A medida foi feita usando o HP8569B, HP8341B e HP11692D.
Foi injetado um nível de -65dBm na entrada coaxial do adaptador para guia de onda. Freqüência de teste entre 3,20GHz e 4,20GHz, BW de 1GHz.
Analisador com SPAN de 100MHz / Div. e escala de nível de 5dB / Div.
Curva do LNB GARDINER
A medida foi feita usando o HP8569B e HP8341B.
Foi injetado um nível de -75dBm na entrada coaxial do adaptador para guia de onda. Freqüência de teste entre 4,27GHz e 3,34GHz, BW de aproximadamente 1GHz. Analisador com SPAN de 100MHz / Div. e escala de nível de 5dB / Div.
O LNB inverte o espectro, resultando em freqüência baixa na saída a freqüência alta na entrada, e vice-versa.
(Ref. Documento interno Star One MTS-ENGSIS-07002_00)
7.3. Antenas WiMax
Embora as antenas das estações base (nodais) não sejam omnidirecionais mas sim setoriais, usualmente são posicionadas de modo a cobrir 360°. Deste modo, para efeito de estimar o potencial para problemas de convivência será adotado o valor do ganho máximo da antena independentemente de sua orientação.
Por outro lado, sua característica setorial permite que os nulos do diagrama sejam orientados de modo a minimizar as emissões em uma direção determinada.
7.4. Ganho de Antena de Estação Terrena
A envoltória de ganho dos diagramas de transmissão de antenas de estações terrenas, para ângulos superiores a 48° apresenta valor fixo de –10 dBi. Para avaliação do potencial para problemas de convivência foi considerado que existiria forte desalinhamento entre a estação base WiMax e o eixo principal de apontamento da antena da estação terrena. Esta premissa pode se revelar pouco conservadora nos casos em que a estação terrena se localiza ao nível do solo.
7.5. Filtros Contra Interferência
Os filtros possíveis de serem utilizados são em guia de onda, inseridos entre o alimentador da antena e o LNA / LNB. De modo a provocarem mínima degradação (1 dB) na figura de mérito (G/T) da estação é imperioso que a rejeição da faixa de 3,5GHz do WiMax seja obtida com mínima perda de inserção na faixa passante do sinal satélite. O custo unitário deste filtro, cuja curva de resposta encontra-se a seguir, é de cerca de US$500.
7.7. Filtros em Guia
Nota:
A curva da primeira figura deste anexo corresponde ao filtro modificado; as demais figuras correspondem ao filtro 11383 original (3600 - 4200 MHz).
