TVWS para Inclusão Digital no Brasil

Transcrição

1 TVWS para Inclusão Digital no Brasil Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti Matheus F. S. do Nascimento, Raphael Braga Evangelista, e Carlos F. M. e Silva Universidade Federal do Ceará (UFC) Departamento de Engenharia de Teleinformática (DETI) Outubro/2016 Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 1 / 43

2 Grupo de Pesquisa em Telecomunicações Sem Fio (GTEL) Página Web: Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 2 / 43

3 Federated Union of Telecommunications Research Facilities for an EU-Brazil Open Laboratory (FUTEBOL) Consórcio Instituições Europeias: 4 acadêmicas 1 indústria Instituições Brasileiras: 5 acadêmicas 2 indústrias Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 3 / 43

4 Sumário 1 Introdução 2 TVWS 3 TVWS no Mundo 4 Exemplo de Aplicação Prática 5 Cinturão Digital 6 Caso de Estudo - Ceará 7 Conclusão 8 Referências Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 4 / 43

5 1 Introdução 2 TVWS 3 TVWS no Mundo 4 Exemplo de Aplicação Prática 5 Cinturão Digital 6 Caso de Estudo - Ceará 7 Conclusão 8 Referências Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 5 / 43

6 Escassez de Espectro O espectro de rádio frequência é um recurso limitado Estudos e pesquisas: Faixas licenciadas de frequência subutilizadas (TV) Ao redor do mundo taxa de ocupação do espectro: 5% até 15% Pergunta-chave Como melhorar a eficiência espectral nessas faixas subutilizadas? Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 6 / 43

7 Problema de Cobertura Precária cobertura de serviços de telecomunicações Baixo percentual de domicílios que utilizaram a Internet (2014), especialmente no Nordeste Pergunta-chave Como projetar um sistema que ofereça uma boa área de cobertura, mas ao mesmo tempo mantenha um valor limitado de CAPEX e OPEX? Acesso à Internet de 30 a 45% de 45 a 55% de 55 a 65% de 65 a 75% Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 7 / 43

8 Limitação para Inclusão Digital O acesso à Internet não está disponível em todas as regiões geográficas Em áreas rurais, serviço inexistente ou bastante caro Regiões de baixa atratividade econômica Um fator limitante para a inclusão digital: custo da infraestrutura de rede Pergunta-chave Existe alguma tecnologia capaz de prover conectividade para áreas rurais, utilizando de forma mais eficiente a alocação de espectro e com boa característica de propagação? Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 8 / 43

9 Respostas TV White Space (TVWS) pode ser a resposta! Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 9 / 43

11 Como Surgiu e O Que é TVWS? TVWS surgiu pelo processo do Digital Switchover (DSO) Transição da TV análogica para digital No Brasil, plano para o DSO, começou em 2015 e será implementado gradualmente até Dezembro de 2018 (Minicom) TVWS é um espectro na banda de TV que não está sendo utilizado ou está subutilizado em uma dada região em um dado tempo TVWS é usado de maneira oportunista por White Space Devices (WSD) Usuários secundários Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 11 / 43

12 Ilustração do Conceito de TVWS Regiões que utilizam o canal DTV 21 na Europa. Espaço restante entre essas regiões: TVWS do canal específico. Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 12 / 43

13 Métodos Oportunísticos para Exploração dos TVWS Usuários secundários não podem causar interferência nos primários Informações necessárias: Quais canais de TV usar Máxima EIRP permitida Principais mecanismos para o acesso oportunístico dos TVWS: Sensoriamento de Espectro Base de Dados de Geolocalização (GLDB) Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 13 / 43

14 Arquitetura GLDB Regulatory inputs GLDB Inputs from incumbents WSD Channel N N + 1 N + 2 N + 3 N M - 1 M Vacant channel Occupied channel Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 14 / 43

15 Cenários Espectro dos Comuns - Ex : Super-WiFi Mercado Secundário de Espectro - Ex : LTE sobre TVWS White space database GLDB DTV DTV DTV Licensed DTV spectrum End users End users BS White space network Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 15 / 43

17 TVWS no Mundo A quantidade de espectro de TVWS disponível pode variar significativamente de um país para outro Cada país tem seu órgão regulador para estabelecer os requisitos específicos do espectro Países como os Estados Unidos, Reino Unido, Europa, Japão e Índia desenvolveram estudos e projetos sobre TVWS Principais padrões para TVWS: ECMA-392, IEEE , IEEE af, IEEE , ETSI RRS Orgãos reguladores em destaque: FCC (Estados Unidos) e Ofcom (Reino Unido) Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 17 / 43

18 Situação Brasileira O Brasil é o quinto maior país no mundo, por ser um país tão grande apresenta inúmeros problemas de cobertura móvel e de Internet Serviços de telecomunicações precários nas zonas rurais TVWS pode ser um fator relevante para inclusão digital das zonas rurais do Brasil Espectro licenciado de TV quase não é usado em regiões rurais Entidades responsáveis pelo gerenciamento do Espectro no Brasil: Anatel Minicom SBTVD - Sistema Brasileiro de Televisão Digital Versão modificada da plataforma Japonesa (ISDB-T) Canais do 14 ao 69 ( MHz), 6 MHz por canal A banda de 700 MHz ( MHz) será usada para o serviço de banda larga móvel, 4G/LTE, após o processo de DSO ser completo Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 18 / 43

20 Situação da Índia Desafio em prover banda larga, principalmente para zonas rurais Único provedor de serviço de TV 373 transmissores de TV operando em UHF: 15 canais de 8 MHz 12 dos 15 (80%) canais disponíveis em qualquer lugar Amenizar a falta de acesso banda larga em zonas rurais: TVWS Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 20 / 43

21 TVWS na Índia Problema Prover conexão banda larga ( 512 kbps) para zonas semi-urbanas e rurais Conexão por fibra planejada para cobrir algumas localidades rurais Falta de um backhaul robusto e financeiramente acessível. Solução Aproveitar a estrutura de Pontos de Presença (PoPs) com conectividade óptica e criar diversos clusters Wi-Fi para as regiões próximas, conectando-as aos PoPs através de TVWS. Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 21 / 43

22 Topologia de Rede para Acesso à Banda Larga Na Índia rural Estender a cobertura de internet a partir dos PoPs rurais usando TVWS na banda de UHF de TV Cada vilarejo servindo por um ponto de acesso Wi-Fi (Wi-Fi AP) Conexão entre PoPs e pontos de acesso Wi-Fi: TVWS Estação Base TVWS em UHF (UHF-BS) localizada no PoP Equipamento TVWS na localidade do cliente em UHF (UHF-CPE) TVWS PoP UHF-BS UHF-CPE Wi-Fi AP Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 22 / 43

23 Topologia de Rede para Acesso à Banda larga Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 23 / 43

24 Protótipo de Dispositivo Econômico Produtos baseados em IEEE e af são comercialmente disponíveis, porém são caros: US$ /BS US$ /CPE Desenvolvido protótipo de baixo-custo de um dispositivo na banda UHF: US$ 650/dispositivo Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 24 / 43

26 Cinturão Digital Fortaleza é uma cidade estratégica Concentra todos os cabos submarinos que partem (ou chegam) para a América do Norte e Europa Mesmo com essa importância estratégica ninguém no Ceará se beneficiava desse fato (o que pode ser comprovado pelos altos valores que eram pagos em Fortaleza e no interior para acesso aos serviços digitais) Para mudar essa realidade, o Governo do Ceará decidiu lançar uma infraestrutura de alta tecnologia, o Cinturão Digital do Ceará (CDC), projeto executado pela Empresa de Tecnologia da Informação do Ceará (ETICE) O projeto custou R$ 78 Milhões e é a maior rede pública de banda larga do Brasil Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 26 / 43

27 Estrutura do CDC Os clientes do CDC podem ser conectados por meio de fibra óptica ou rádio Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 27 / 43

28 Integração TVWS e CDC Utilização do CDC como backbone para aplicações de TVWS, semelhante à aplicação de TVWS na Índia: Estudo de caso do Ceará Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 28 / 43

30 Caso de Estudo - Ceará Alcançar regiões rurais por meio de uma rede fixa não é uma opção atrativa para as operadoras Alternativas sem fio são mais eficientes financeiramente O caso de estudo usa o TVWS para solucionar em parte o problema de cobertura das zonas rurais do estado do Ceará Grande vantagem do TVWS em relação WiMAX: Maior ganho em cobertura O estudo tomou como base o mapa de cobertura 3G e 4G de uma certa operadora no estado Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 30 / 43

31 Resultados Ilustração do ganho de cobertura relativo a diferentes bandas 5x T V Ch x 1x T V Ch. 51 L T E 2.6 GHz Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 31 / 43

32 Cobertura 3G/4G no Ceará Cobertura 3G Cobertura 4G Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 32 / 43

33 Grande potencial do Ceará O cenário rural do Ceará apresenta um grande potencial para o TVWS Zonas rurais apresentam poucas emissoras de TV Grande quantidade de espectro disponivel para TVWS Média de 210 MHz disponível no Ceará Number of Unused DTV Channels Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 33 / 43

34 Considerações do Estudo de Caso Equipamentos PMSE (Programme Making and Special Events) não serão considerados As regulamentações baseadas nos modelos da FCC e Ofcom Modelos de propagações apropriados para o desenvolvimento da GLDB de forma a melhorar o desempenho do sistema Uso de GLDB sem sensoriamento de espectro Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 34 / 43

35 Simulação Cidade de Jericocoara Utilização da infraestrutura de GSM da operadora de estudo Software Radio Mobile para calcular a área de cobertura e link budget Utilizou-se o canal 51 ( MHz) Mercado secundário de espectro : LTE sobre TVWS Parâmetros seguindo as recomendações do 3GPP Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 35 / 43

36 Resultados A área de cobertura foi definida para uma taxa mínima de 512 kbps Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 36 / 43

37 Resultados Na área de cobertura, 90% das localidades podem ser servidas com uma taxa de 738 kbps ou mais Capacidade média de 2.58 Mbps Função de Distribuição Cumulativa 1 Média = 2.58 Mbps 0.8 Probabilidade p10 = 738 kbps Capacidade (Mbps) Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 37 / 43

39 Conclusão e Perspectivas Situação precária das zonas rurais e escassez de espectro TVWS: caminho para inclusão digital Grande potencial do TVWS para a dada condição geográfica do Brasil Média de 210 MHz de banda TVWS disponível por cidade no Ceará Grande ganho de capacidade/cobertura Possível utilização da infraestrutura do CDC com TVWS (baseando-se na aplicação de TVWS na Índia) Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 39 / 43

41 Referências [1] A. Kumar et al., "Toward enabling broadband for a billion plus population with TV white spaces,"in IEEE Communications Magazine, vol. 54, no. 7, pp , July [2] Matheus F. S. do Nascimento, Raphael B. Evangelista, Carlos F. M. e Silva, R. P. Cavalcanti, André L. F. de Almeida, Yuri C B. Silva, "TV White Spaces for Digital Inclusion in Brazil,"em Revista de Tecnologia da Informação e Comunicação, (a ser publicado) [3] IBGE, Diretoria de Pesquisas, Coordenação de Trabalho e Rendimento, Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios 2014 Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 41 / 43

42 Dúvidas Perguntas? Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 42 / 43

43 TVWS para Inclusão Digital no Brasil Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti Matheus F. S. do Nascimento, Raphael Braga Evangelista, e Carlos F. M. e Silva Universidade Federal do Ceará (UFC) Departamento de Engenharia de Teleinformática (DETI) Outubro/2016 Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 43 / 43