Acesso ao espectro radioelétrico por meio de compartilhamento

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1 Seminário de Gestão de Espectro ANATEL Acesso ao espectro radioelétrico por meio de compartilhamento Francisco Giacomini Soares Diretor sênior de relações governamentais Carlos Vinicio Rodríguez Ron Pesquisador CETUC/PUC-Rio 30/04/2015 1

2 Francisco Giacomini Soares Necessidade de espectro e tecnologias

3 A evolução sem fio Redefiniu a Telefonia Tornando a comunicação móvel Redefiniu a Computação Tornando a Internet móvel Redefinindo Tudo Transformando o papel das conexões sem fio 3

4 ~134 milhões ~144% de crescimento entre ~48% do total de conexões 3G/4G da região estavam no Brasil no 2T 14 de conexões 3G/4G no Brasil no 2T'14: espera-se que cresçam para aprox. 271 milhões até 2018 Fontes: Associação Brasileira de Telecomunicações, maio de 2014, GSMA Intelligence, julho de Qualcomm Technologies, Inc. e ou empresas afiliadas. Todos os direitos reservados.

5 Espectro licenciado é a base do desafio de 1000x Maior eficiência Mais espectro Evolução para espectro licenciado e não licenciado (LTE Advanced e Wi-Fi) Mais espectro licenciado é prioridade para a indústria móvel Usar espectro não licenciado oportunamente Mais small cells Agregação LTE - Wi-Fi para Wi- Fi da operadora LTE-U para novas small cells 5

6 Espectro A natureza da demanda requer espectro em quantidade e qualidade Inovação na regulamentação e acesso ao espectro Inovação em tecnologia 6

7 Precisamos ter o melhor uso do espectro para 1000x Espectro licenciado Leilões de espectro disponíveis para 3G/4G Espectro licenciado compartilhado Licenciamento adicional para 3G/4G: Authorized Shared Access (ASA) Espectro não licenciado Múltiplas tecnologias (Wi-Fi, LTE-U, BT & outras) Uso exclusivo Uso compartilhado exclusivo Uso compartilhado Prioritário, Garante qualidade de serviço (QoS), mobilidade e controle ASA é necessário quanto o espectro não pode ser liberado dentro de um prazo razoável, ou em todos os lugares QoS imprevisível, ideal para acesso local, e uso oportunístico para banda larga móvel 7

8 Diferentes espectros para diferentes tipos de acesso móvel Espectro não licenciado Espectro compartilhado entre várias tecnologias (Wi-Fi, LTE, BT e outras) Espectro licenciado Espectro livre ou Authorized Shared Access (ASA) para uso exclusivo (tecnologias móveis 3G/4G) Operador Base da Banda Larga Local (LAN) Base da Banda Larga Móvel Sem licença, implantação simples Curto alcance, Cobertura local Residencial, Empresarial, Casa Conectada Desempenho previsível, Baseada em Cobertura ubíqua Mobilidade transparente 8

9 A Agregação de Portadoras porporciona melhor experiência do usuário Portadora LTE #1 Até 20 MHz LTE FDD/TD D Portadora LTE #2 Portadora LTE #3 Portadora LTE #4 PIPE DE DADOS AGREGADO Até 100 MHz Portadora LTE #5 Fonte: 1A natureza intermitente típica da utilização, como na navegação na web, significa que portadoras agregadas podem fornecer suporte a mais usuários com o mesmo tempo de resposta (experiência do usuário) em comparação às portadoras individuais, considerando que as portadoras são parcialmente carregadas, o que é típico em redes de verdade. O ganho depende da carga e pode exceder 100% para menos usuários (portadora menos carregada), mas esse valor é menor para muitos usuários.para uma portadora completamente carregada, há um ganho limitado de capacidade entre portadoras individuais e agregadas Qualcomm Technologies, Inc. e ou empresas afiliadas. Todos os direitos reservados. 9

10 As redes LTE e Wi-Fi estão convergindo GERENCIADOR DE COEXISTÊNCIA INTEGRAÇÃO DE ESPECTRO MECANISMO DE CONECTIVIDADE SERVIÇOS DE OPERADORA LTE-A 11ac/ad/ah AUMENTO DE CONVERGÊNCIA Conexão otimizada Mitigação de interferência Transferência de dados, VoLTE e interoperação de VT LTE-U, agregação de LTE-Wi-Fi Qualcomm Technologies, Inc. e ou empresas afiliadas. Todos os direitos reservados. 10

11 Cenários de implantação de acesso licenciado e não licenciado LTE/LTE-U Small Cell Carrier Wi-Fi AP Empresarial/ residencial Small Cell LTE e Wi-Fi LTE/LTE-U Carrier Aggregation ai Fast Roaming Empresarial/ residencial Small Cell LTE e Wi-Fi LTE Advanced Carrier Aggregation LTE Advanced Carrier Aggregation LTE/Wi-Fi Link Agregação com dupla Conectividade Carrier Wi-Fi AP ad WiGig ac Wi-Fi MU-MIMO AP LTE/Wi-Fi Continuidade da chamada LTE/Wi-Fi Continuidade da chamada ac Wi-Fi MU-MIMO AP ad WiGig Soluções LTE/LTE-U Soluções tecnológicas LTE/Wi-Fi LTE em Espectro Licenciado LTE em Espectro Não licenciado ac Wi-Fi ad WiGig LTE/Soluções Wi-Fi da operadora 11

12 Espectro 5 GHz não licenciado é ideal para small cells EUA, Coréia, China, Europa, Japão, Índia EUA 1, Coréia 5, Europa, Japão EUA, Coréia, Índia, China 2, sendo considerado na UE 3 20 MHz 5.15 GHz 5.33 GHz 120 MHz pode estar disponível em e.g. EUA 4 /UE 3 20 MHz * * * * * * * * * * * * * * * 5.49 GHz 5.71 GHz 20 MHz GHz GHz UNII MHz UNII MHz UNII MHz UNII MHz ISM MHz Uso oportuno Espectro não licenciado é compartilhado mas é free Curto alcance Potência de transmissão mais baixa pela regulamentação ~500 MHz de espectro disponível Ainda mais no furturo, para complementar o licenciado Ampla bandas disponíveis Eficientemente compartilhado entre vários usuários 1 Channel 120, 124 and 128 ( GHz) currently not permitted in the US MHz-5850MHz has been assigned to ISM services in China 3 Study of 5350MHz-5470MHz and 5725MHz-5925MHz use for license exempt is being planned in EU MHz in Korea* These 5GHz channels typically require DFS, Dynamic Frequency Selection 12

13 Supplemental downlink Agregar espectro não pareado para aumentar a capacidade de downlink Banda L 1.5 GHz Harmonizada na Europa 1 Não pareado (Downlink) Pareado (Downlink) Pareado (Uplink) F1 F2 F1 F2 F1 F2 Banda L tem 40 MHz de espectro não pareado disponível 2. Lançamento comercial previsto para 2015 UTILIZA MULTIPORTADORA EM HSPA+ ENTRE BANDAS 2, OU LTE ADVANCED CARRIER AGGREGATION 2 1 Banda L na Europa: 1452 MHz a 1492 MHz, às vezes referido como faixa de 1.4GHz ou 1.5GHz. 2 Agregação de portadoras entre bandas é suportadada no HSPA+ R9 para duas portadoras de downlink, mas cada combinação de faixas específica ainda tem que ser definida no 3GPP. 3 AT&T está planejando implementar supplemental downlink na parte baixa do 700 MHz (12 MHz de espectro não pareado) usando LTE Advanced. 13

14 Gerenciamento de uma complexidade cada vez maior Impulsionada pela adoção global de agregação de portadoras Componente s específicos por faixa de RF China Américas RF 20MHz 15MHz 10MHz + + LTE Modem 40MHz TDD 30 MHz TDD 300 Mbps (Cat 6) 225 Mbps EU APAC 20MHz 15MHz 10MHz 5MHz 20MHz 15MHz 10MHz 5MHz MHz FDD 30 MHz FDD 25 MHz FDD 20 MHz FDD 15 MHz FDD 10 MHz FDD 300 Mbps (Cat 6) 225 Mbps 185 Mbps 150 Mbps 100 Mbps 75 Mbps Fonte: 3GPP Inter-band CA Intra-band CA FDD TDD

15 Considerações finais O desafio do crescimento de tráfego de dados móveis exige soluções inovadoras Redes mais próximas do usuário Mais Small Cells Maior eficiência Evolução do LTE Advanced Uso de espectro não licenciado LTE-U Wi-Fi Mais espectro licenciado Novas faixas de frequências harmonizadas internacionalmente Uso mais eficiente das faixas de frequência existentes através do acesso autorizado compartilhado (ASA) 15

16 Carlos Vinicio Rodríguez Ron Uso eficiente do espectro

17 Novos desafios da Gestão de Espectro Globalização de serviços; Integração de serviços; Necessidade de colaboração mais estreita com a indústria; Velocidade de surgimento de novas tecnologias; Grande crescimento dos serviços de comunicação móvel; Considerar a existência de porções de espectro sub-utilizadas; Necessidade de novas formas de licenciamento. 17

18 Métricas de eficiência de uso do espectro Eficiência de uso do espectro EUE (definição da UIT) Razão entre a quantidade de informação transferida (M) e o espaço espectral total negado a outros usuários (U): SUE = M U = M B S T B : banda de frequências negada S : espaço geográfico negado T : fração do tempo negado Índice de saturação do espectro Razão entre o espaço espectral utilizado e o espaço espectral disponível. Utilização do espectro Percentagem média (sobre um período de tempo) das bandas de frequências disponíveis numa determinada região. 18

19 Medições de Eficiência de Uso do Espectro no Rio de Janeiro 19

20 Aumento da Eficiência de Uso do Espectro Com o emprego de novas tecnologias é possível tornar cada vez mais eficiente o uso do espectro; Maiores benefícios no uso do espectro podem ser alcançados por meio de coordenação e designação adequadas, que atendam as necessidades dos usuários no presente e futuro; Um fator fundamental para o uso mais eficiente e produtivo do espectro é o compartilhamento, resguarda a limitação de interferências prejudiciais. 20

21 Principais formas de compartilhamento espectral Trading/Leasing Uso coletivo Uso coletivo híbrido Compartilhamento de espectro autorizado/licenciado 21

22 Comparação Garantia de efetiva gestão de interferências Eficiência Grau de harmonização Custos de transação e implantação Trading/Leasing variável variáveis Uso coletivo Uso coletivo híbrido Uso compartilhado autorizado A opção que melhor atende aos 4 requisitos é o Acesso Autorizado Compartilhado 22

23 Como o ASA funciona Contrato Acordo ASA Regulador Licença MNO Incumbente Espectro licenciado 2.3 GHz Espectro ASA 2.3 GHz Situação teórica considerando a faixa GHz de uso militar Controlador ASA Dispositivo regular multibanda 23

24 Implementação do LSA na Europa e nos Estados Unidos POLÍTICO REGULATÓRIO PADRONIZAÇÃO PROVA DE CONCEITO INTERESSE OPERADORA Apoiado por 28 estados membros UE Nov 13 Definido pela CEPT no report publicado em Feb 14 1 para harmonização do 2.3 GHz 2 Especificado ETSI Trabalhando nos requerimentos e arquitetura do sistema Demonstração por vários fabricantes; demos de 2.3 GHz e 3.5 GHz na MWC Trials Na Finlândia em Set 13 Analisado pela NTIA Proposta do FCC Faixa de 3.5GHz 3 dedicada ao acesso compartilhado licenciado para banda larga móvel. Novas alternativas em 1.7/2.1GHz, 600MHz e 5 GHz. No MWC em Mar 15 1 ECC Report 205; 2 3GPP Band 40, GHz; 3 Target 3.5 GHz nos EUA é MHz 24

25 Padronização LSA ETSI TR : Documento de Referência do SistemaSystem Reference sobre Mobile broadband services in the 2300 MHz MHz frequency band under LSA regime lançado em 2013 TS : System requirements for operation of Mobile Broadband Systems in the 2300 MHz MHz band under LSA aprovado em Set TS : System Architecture and High Level Procedures for operation of LSA in the 2300 MHz-2400 MHz band deve ser completado até o fim de GPP RP : SI proposta de compartilhamento de espectro para LTE com referência ao LSA (Mar. 2014) RP : SI proposta RAN support for Licensed Shared Access (LSA) (Set. 2014) S : Padronização Licensed Shared Access (LSA) (Oct 2014) Paper para discussão para o SA5 sobre aspectos OAM relacionados ao LSA S : Licensed Shared Access (Oct 2014) Paper para discussão para o SA5 sobre a arquitetura LSA 25

26 2.3 GHz na UE: MHz LSA / 3GPP Banda 40 Questões principais ECC Decision (14)02 / Mandato UE Utilizado por incumbentes militares e PMSE na maioria dos países da UE Licensed Shared Access é necessário para liberar a faixa para LTE-TDD na UE Ecossistema existente na Ásia Licitação no Reino Unido de 40 MHz prevista para T Na França compartilhamento LSA LTE / Militar LSA (em andamento) Disponível sem o LSA em poucos países da UE (Irlanda, Suécia) 26

27 Banda C na UE: GHz/Banda 42 & GHz/Banda 43 Questões principais ECC Decision (11)06 ECC Decision 2014/276/EU GHz já licenciado na maioria dos países da UE (Licenças vencem em 2020+) Disponibilidade no Reino Unido é peculiar para GHz GHz disponível em alguns países da UE (e.g. Itália, França) mas licenciamento compartilhado necessário com satélites CEPT ECC novo WI sobre a faixa GHz incluindo LSA Oportunidade para future extensão com GHz (2020+) 27

28 Novas Faixas de Frequência consideradas para sistemas móveis RSPG GHz GHz Outras faixas identificadas pelo CEPT: 1.7 GHz/2.1 GHz, 5 GHz Item 1.1 Agenda WRC MHz. Banda L: / MHz atualmente com AMT, radares e serviço fixo MHz e MHz MHz. Serviços de radar GHz. Satélite na banda C 5GHz MHz e MHz. Atualmente com satélite e radionavegação. 28

29 Desafios no Brasil Compartilhamento Autorizado/Licenciado é uma tecnologia em fase de definição na Europa e nos Estados Unidos O que é necessário no ambiente regulatório no Brasil? Fixar conceitos de compartilhamento na regulamentação Estabelecer um regulamento específico de compartilhamento de espectro Definir faixas de frequência para uso de espectro compartilhado Adotar modelos de negócio que maximizem o uso do espectro Realizar uma avaliação de modelos com base nos riscos: (a) aos custos de transação, (b) ao risco de interferências, (c) aos possíveis incentivos às práticas anticompetitivas, (d) a possíveis problemas de normatização internacional, (e) a windfall gains e (f) à possibilidade de que o interesse público seja posto de lado 1. 1 Parecer Analítico sobre Regras Regulatórias n 143 / COGIR/SEAE/MF Brasília, 02 de julho de 2014 SEAE Min.Fazenda 29

30 Proposta de regulamentação para acesso compartilhado ao espectro Um regulamento que oriente a fixação do conceito de compartilhamento de espectro. Não é específico para determinada faixa de frequência. Identifica as responsabilidades dos usuários do espectro. Estabelece diretrizes de operação e procedimentos. OBS: Nos Estados Unidos foi gerada uma consulta pública pelo FCC (12-354) para tratar do compartilhamento de faixas em 3.5 GHz. Em 16 meses de trabalho as discussões ainda estão relacionadas com critérios de proteção dos usuários na faixa. Ainda não houve respostas a respeito do conceito de compartilhamento. 30

31 Possibilidades de implementação do ASA no Brasil Definição de frequências Após verificada a viabilidade técnica de implementação dos conceitos ASA Exemplo de 2.3 GHz na Europa e anuncio recente em 3.6 GHz Exemplo dos Estados Unidos com 3.5 GHz É possível identificar prováveis faixas de frequência para o Brasil? Existem usuários primários com possibilidade de compartilhamento de espectro? Tempo Localização Geográfica Frequência Existem usuários interessados em uso de espectro para novos serviços? Atualmente existe um marco regulatório que permita realizar compartilhamento? Podemos listar algumas faixas e motivar o mercado para definição de critérios de compartilhamento e mecanismos de proteção contra interferências. 31

32 Critérios para definição de faixas de frequência Podemos atualmente pensar em algumas possibilidades: Usuário autorizado compartilhado: Sistemas de comunicação móvel Em se tratando de sistemas de comunicação móvel, podemos pensar nas faixas já identificadas para sistemas móvel pela UIT e também encontradas no 3GPP Verificar os serviços existentes nestas faixas Consulta realizada pela Qualcomm para Anatel em agosto de 2014 Verificar a ocupação da faixa num primeiro momento STEL, SIGANATEL Identificar possibilidades (viabilidade técnica) 32

33 Frequências Candidatas ITU - IMT [1] Band Footnotes identifying the Bandas E-UTRA no 3GPP (MHz) band for IMT AA A, 5.317A 5/6/8/12/13/14/17/18/19/20/26/27/28/ A, /2/3/4/9/10/23/25/33/34/35/36/37/ , A 30/ A 7/ A, 5.432A, 5.432B, 5.433A 42/43 [1] Recommendation ITU-R M (03/2012) 33

34 Frequências Candidatas [2] 3GPP TS GPP [2] Uplink (UL) operating band Downlink (DL) operating band OBS: Em verde, banda considerada para o Brasil BS receive BS transmit OBS: Em vemelho, banda que não se adequa no Brasil UE transmit UE receive E-UTRA Operating Band F UL_low FUL_high F DL_low FDL_high Duplex Mode ,5 457,5 462,5 467,5 FDD FDD FDD TDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD ,9 1447,9 1475,9 1495,9 FDD ,9 1462,9 1495,9 1510,9 FDD ,5 1660, FDD 34

35 Frequências Candidatas 3GPP [2] Uplink (UL) operating band Downlink (DL) operating band OBS: Em verde, banda considerada para o Brasil BS receive BS transmit OBS: Em vemelho, banda que não se adequa no Brasil UE transmit UE receive E-UTRA Operating Band F UL_low FUL_high F DL_low FDL_high Duplex Mode FDD FDD FDD ,9 1784,9 1844,9 1879,9 FDD FDD FDD TDD TDD TDD TDD FDD TDD FDD TDD TDD FDD TDD FDD TDD TDD FDD TDD 29 N/A FDD 2 15 Reserved Reserved FDD 16 Reserved Reserved FDD [2] 3GPP TS

36 Estudo para UHF Convivência de estações licenciadas ASA com radiodifusão Distância de coordenação D com aplicação de Relação de Proteção (RP) Metodologia 1. RP + E(50,50) = Ei (50,10) 2. Ei (50,10) na Rec.1546 permite obter Ri 3. D = CP + Ri D = CP + Ri 36

37 Estudo para UHF Convivência de estações licenciadas ASA com radiodifusão Relação de Proteção para casos co-canal (RPc) e canal adjacente (RPa) [Ref1] [Ref2] [Ref3]: RPc = 20 db e RPa= -22,5 db Distâncias Ri CO-CANAL CANAL ADJACENTE Rec. ITU-R 1546 Ri = 30 km Ri = 3,5 km Okumura-Hata Ri = 20 km Ri = 0,5 km Distância de proteção por Classe CO-CANAL Ri (km) = 30 km CANAL ADJACENTE Ri = 3,5 km CLASSE CP (km) D (km) D (km) Especial ,5 A ,5 B ,5 C ,5 Ref1: Report for GSMA on the Coexistence of ISDB-T and LTE de 15 de Janeiro de 2014 Ref2: Relatório de Teste Laboratorial de Interferência do LTE na faixa de 700 MHz no ISDB-T ANATEL (04/2014) Ref3: Rec. ITU-R BT , Planning criteria, including protection ratios, for digital terrestrial television services in the VHF/UHF bands 37

38 Estudo para UHF Convivência de estações licenciadas ASA com radiodifusão Metodologia para uso do banco de dados de canais UHF (PBTVD) Para cada canal de referência UHF: considerar um canal adjacente superior e inferior. Ex: canal 15 utiliza canais {14,15,16}, onde 15 (RPc) e 14,16 (RPa) Levantamento de canais UHF menos utilizados (*): Número do canal e quantidade por região canal Sudeste canal Sul canal Nordeste canal Centro-Oeste canal Norte (*) PBTVD acessado em março/

39 Estudo para UHF Coordenação para uso de canais UHF TVD 14 (14, 15) menor ocupação no Sul TVD 27 (26,27,28) menor ocupação no Sudeste TVD 47 (46, 47, 48) menor ocupação no Norte 39

40 Estudo para UHF Coordenação para uso de canais UHF Resultado da análise: listagem de municípios com canais livres para uso de estações ASA Ferramenta de visualização em desenvolvimento: Projeto PUC/Rio-Qualcomm 40

41 Estudo para UHF Coordenação para uso de canais UHF Resultado da análise: listagem de municípios com canais livres para uso de estações ASA REGIÃO Total municípios Municípios livre por canal: ch 14 ch 48 ch 16 58% 60% 42% NORDESTE ch 27 ch 45 ch 29 35% 42% 27% SUDESTE ch 14 ch 15 ch 44 69% 60% 48% SUL Total municípios ch 45 42% SUDESTE ES MG RJ SP ch 17 ch 21 ch 44 17% 15% 19% CENTRO-OESTE ch 47 ch 49 ch 19 68% 71% 68% NORTE

42 Estudo para 3.5 GHz ( MHz) Compartilhamento com sistemas cadastrados Faixa de frequência de interesse: MHz Análise co-canal: WiMax Análise de canal-adjacente: Satélite Faixa de frequência de interesse: MHz Análise co-canal: Satélite Análise de canal adjacente com : Satélite Raios de proteção: Entre IMT-Advanced Macro cell x WiMax/Satélite co-canal: 60 km (*) Entre IMT-Advanced Small cell x Satélite co-canal: 9.5 km (**) Entre IMT-Advanced Macro cell x Satélite adjacente: 41 km (*) Entre IMT-Advanced Small cell x Satélite adjacente: 9.5 km (**) (*) Rep. ITU-R M.2109 (**) Contribuição ITU, Document 5D/TEMP/545-E 42

43 Estudo para 3.5 GHz (Parte 1: MHz) Small Cell: Azul: Macro Cell: Azul:

44 06N S MHZ MACRO Estudo para 3.5 GHz (Parte 2: MHz) FREQS E SMALL Small Cell: Vermelho: Azul: Macro Cell: Vermelho: Azul:

45 Estudo para Banda L ( MHz) Compartilhamento com sistemas de Radar Sistemas existentes: Radar de rota (ex. LP23SS) Cobertura: Identificar locais onde não há radares e alcance de radar de rota em 1.4 GHz. Estudo determina a distância e relação de proteção para situação co-canal entre radares e sistema IMT Raios de proteção: 2.7 GHz 1.4 GHz Zona de Exclusão Small Cells Femtocells Distâncias de 400 km para Macro células outdoor; Implementações em small cells poderá viabilizar uso co-canal além de técnicas de redução de interferências Além de simulações é importante verificar desempenho em campo. 45

46 Conclusões ASA é uma ferramenta regulatória que permite uso e gestão eficiente do espectro radioelétrico; Há necessidade de definição de conceitos no ambiente regulatório; Pode se realizar coordenação de compartilhamento de faixas de frequência com a flexibilidade dada pelo ASA: Compartilhamento temporal, geográfico ou de frequência; Faixas que podem ser discutidas: MHz GHz 3.5 GHz 2.7 GHz, 1.7/2.1GHz 46

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