Convivência do LTE na faixa de 700MHz com a TV digital (ISDB-T B )

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1 III SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN SETEMBRO DE 2015 Convivência do LTE na faixa de 700MHz com a TV digital (ISDB-T B ) Luis Felipe de Jesus Viaes 1, Daniel Andrade Nunes 2 Abstract With the increasing demand for new data transmission technologies and digital TV in high resolution, frequency bands are being divided for a better use of the spectrun, but should be studies for these frequencies do not cause interference to services working side by side. This document will show how this implementation will affect both Digital TV and LTE in Brazil and how it can avoid the main types of interference (Co-channel and Adjacent) in these systems. Index of Terms Coexistence 700MHZ, LTE, Digital TV, ISDB-TB. Resumo Com o aumento da demanda por novas tecnologias de transmissão de dados e TV digital em alta resolução, faixas de frequências estão sendo divididas para um melhor aproveitamento do espectro, porém, devem haver estudos para que essas frequências não causem interferência em serviços que trabalhem lado a lado. Neste trabalho será mostrado com essa implementação irá afetar tanto TV Digital como o LTE no Brasil e como podem ser evitados os principais tipos de interferência (Co-canal e Adjacente) nos sistemas em questão. Palavras chave Convivência 700MHZ, LTE, TV Digital, ISDB-TB. I. INTRODUÇÃO O espectro de frequência havia sido previamente liberado para a TV digital no Brasil e também em alguns lugares no mundo, foi recentemente reservado para a utilização compartilhada com o sistema LTE (Long Term Evolution), um padrão de transmissão de rádio móvel. A principal causa de preocupação para as empresas de broadcast e para as operadoras móveis é que a TV Digital opera em uma banda de frequência muito próxima aos 700MHz destinados ao LTE. Sendo assim, vários testes foram feitos para medir o impacto dessas duas tecnologias trabalhando lado a lado, a fim de evitar interferências em ambos os serviços de transmissão. A faixa de 700MHz tem uma vantagem grande referente a atual usada nos dias de hoje para o LTE (2,5GHz), pois estrategicamente alcançaria distâncias maiores, fazendo com que o número de rádio bases necessárias para aumentar a cobertura e a penetração em lugares fechados e grandes centros seja menor. O problema se apresenta quando os provedores de TV defendem que esse espectro de frequência Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. Daniel Andrade Nunes. Trabalho aprovado em 08/2015. deve ser reservado em sua totalidade para a transmissão de TV em alta definição enquanto que as operadoras de telefonia móvel sugerem que essa banda deveria ser destinada para o suporte dos serviços de banda larga móvel como o LTE e, sendo assim, devem haver mais estudos sobre a convivência destes dois sistemas. Nesse artigo mostraremos os benefícios e restrições dos dois setores (telecomunicação e radiodifusão) no mesmo espectro de frequência. A seção II apresenta a radiodifusão e telecomunicações no Brasil, abordando características da TV Digital e LTE. A seção III mostra a coexistência entre as tecnologias, apresentando as frequências usadas e o espectro dos serviços de TV e LTE. A seção IV mostra o teste de interferência no Brasil e seu resultado. II. RADIODIFUSÃO E TELECOMUNICAÇÕES NO BRASIL A. TV Digital no Brasil O padrão de TV digital está sendo implementado para substituir os sistemas analógicos, pois, em grande vantagem, estão a melhor qualidade do sinal e uma utilização mais eficiente do espectro de frequência. Essa mudança de padrões analógicos para digitais geralmente leva certo tempo para acontecer e atualmente o processo está ocorrendo com os dois sistemas operando simultaneamente. O desligamento por completo do sistema analógico foi estabelecido para acontecer em 2018 pela Anatel (Agência Nacional de Telecomunicações). O sinal do padrão da TV digital ocupa a banda de frequências de 470MHz até 862MHz (UHF) sendo utilizados dos canais 14 ao 51. São classificados em 3 diferentes meios de broadcast: móvel, terrestre e cabo. No Brasil o padrão para TV digital é o ISDB-TB, adaptado do padrão japonês ISDB-T, porém com algumas melhorias feitas em estudos de universidades no Brasil. Como exemplo, pode-se citar o MPEG-4 para a compressão de vídeo e uma ferramenta de interação (Ginga). A modulação usada para a transmissão é a COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) que possui uma banda de 6MHz e é divida em 13 segmentos. A TV Digital tem várias vantagens sobre a TV analógica. Como exemplo, o sistema de TV Digital utiliza de maneira mais eficiente a banda de transmissão, proporcionando

2 serviços de televisão de alta definição e interatividade. Outra desvantagem do padrão analógico de TV é a baixa resolução (480x360 pixels). Além disso, a vantagem principal da TV digital (aberta e gratuita) é chegar através de vários meios de transmissão a população, por exemplo, pelo celular, computador e até por outros aparelhos em veículos. Por esses motivos vários países estão substituindo a transmissão analógica pela transmissão digital. Abaixo a tabela 1 [19] mostra as principais características do padrão de TV Digital empregado no brasil: Transmissão Audio Resolução de Vídeo Compressão de Vídeo TABELA I CARACTERÍSTICAS DO ISDB-TB. B. LTE (Long Term Evolution) ISDB -TB MPEG-4 ACC, equivalente a filmes em DVD. HDTV: 1080i (Linhas entrelaçadas) e 720p (Linhas progressivas). SD (standard): 640x480 pixels MPEG-4 H.264, permite transmitir em um mesmo canal: Programa em alta definição e Informações de interatividade. O LTE é um padrão de redes móveis de quarta geração para transmissão de dados que provê velocidades de até 100Mbit/s. Esta taxa de transmissão só é possível pelo uso de mais espectro de rádio por conexão, uso de esquemas de antenas MIMO (Multiple Imput Multiple Output), codificação e modulação mais eficientes tanto para downlink quanto para uplink. A tecnologia LTE pode operar nas faixas de frequência que já estão disponíveis para o 3G e além disso, em faixas adicionais como a banda de 2,5GHz a 2,7GHz e 700MHZ. O LTE utiliza técnicas de multiplexagem por divisão ortogonal de frequência OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) no downlink e SC-FDMA (Single Carrier Frequency division Multiple Access) no uplink, o que permite largura de banda e taxas elevadas a serem transmitidas. Outra técnica importante implementada no LTE é o MIMO, que utiliza a propagação de sinal através de múltiplas trajetórias que estão presentes em todas as comunicações terrestres. Ao invés de gerar interferência, esses caminhos podem ser utilizados com vantagem, pois o transmissor e o receptor possuem mais que uma antena e são capazes de utilizar diferentes caminhos para proporcionar melhorias no nível de sinal recebido e consequentemente na taxa de transmissão. A Figura 1 [20] mostra esses múltiplos caminhos. Fig. 1 - Múltiplos caminhos do MIMO Embora as técnicas MIMO aumentem a complexidade do sistema em termos de processamento e de número de antenas a serem utilizadas, permite taxas muito elevadas de dados, juntamente com maior eficiência espectral. III. COEXISTÊNCIA ENTRE AS TECNOLOGIAS As frequências não utilizadas para radiodifusão após a transição do sistema analógico para o digital (dividendo digital) e o posicionamento no espectro do LTE são próximos. Na Figura 2 temos a divisão das tecnologias no espectro. Vemos que o range de 470MHz até 698MHz é usado para TV digital e do 698MHz até 802MHz será usado para LTE. Fig. 2 - Divisão Banda UHF A. Problemas de convivência na faixa de 700MHz Um receptor de um sistema, seja ele TV digital ou LTE, sintoniza e demodula o canal ou banda desejada, porém o sinal recebido pode estar contaminado por interferências indesejadas de outros sistemas. Sobre a situação do espectro conforme descrito anteriormente, existem vários cenários de coexistência, onde o sinal de um sistema pode atuar como um sinal indesejado para outro sistema. Dependendo da gravidade da interferência, isto pode causar degradação da qualidade no receptor, como por exemplo, travamento da recepção na TV digital ou a perda de throughout no caso do móvel conectado ao LTE e, no pior caso, a total perda de sinal em ambos as tecnologias [7]. Como podemos ver na Figura 3 [23], um cenário de recepção onde são destacados os sinais desejados e interferentes recebidos por um receptor de TV Digital.

3 O limite aceitável para esse tipo de interferência pode ser calculado onde a SINR (Sinal Ruído + Interferência) for baixa, ou seja menor ou igual a 24dB [27]. Nos sistemas de radiodifusão e também no LTE, essa interferência é evitada através de separação geográfica aplicando uma distância (D) conforme mostra a Figura 4 [18] ou pelo uso de antenas mais diretivas. Fig. 3 - Cenário de interferência entre TV digital e LTE A gravidade desta interferência depende da proximidade entre o receptor, seja uma TV ou um móvel, e a fonte interferente [7]. Os diferentes padrões normalmente definem limites na saída do transmissor de RF com o objetivo de limitar a interferência para as bandas de frequência adjacentes e sistemas coexistentes. Isso significa que produtos que satisfaçam as especificações não causarão interferência em outros sistemas ou causarão problemas de coexistência. No entanto, os fabricantes e operadoras de redes móveis podem enfrentar situações em que as investigações de coexistência adicionais são uteis, por exemplo, produtos importados e ainda não testados em nossa geografia (planícies, vales, regiões com climas diferentes). Existem dois tipos de interferência a serem analisados: Cocanal e de canal adjacente. A interferência co-canal ocorre pelo reuso de um conjunto de frequências na mesma área de cobertura. O cálculo para estimativa desta interferência é mostrado na equação (1), onde SIR (Signal to Iterference Ratio) é a relação entre o sinal de interesse e a interferência co-canal; S é a potência do sinal desejado; i 0 é o número de sinais interferentes; I i é a potência de interferência causada pela i-ésima fonte interferente. Como consequência dessa interferência, a relação sinalruído será reduzida fazendo a qualidade de recepção cai e até mesmo provocando a perda de sinal no receptor. Este tipo de interferência é problemática para ambos os serviços, pois não pode ser corrigida por filtros nos receptores e ocorre no canal que o receptor está recebendo o sinal. Essa interferência também limita um maior número de usuários que podem ser servidos por esse sistema, pois não se pode simplesmente aumentar a potência do transmissor, já que implicará em uma maior interferência em células co-canais vizinhas. A real interferência co-canal entre a TV digital e o LTE aparece quando o sinal de ambos os serviços superpõe-se ao sinal desejado, ou seja, quando o sinal interferente acaba sendo mais forte do que o sinal que se deseja receber mesmo operando em freqüências distintas. (1) Fig. 4 - Células co-canal A interferência de canal adjacente é produzida por transmissões em canais adjacentes que causam redução da relação sinal-ruído aumentando os erros de pacote na recepção de ambos os sistemas. A relação sinal-ruído está ligada diretamente a BER (bit erro rate) ou taxa de erro de bit. Em caso de taxa de erros elevada, no LTE o sistema é obrigado a retransmitir os pacotes com erro e acaba ocupando o espectro de transmissão retransmitindo pacotes e na TV Digital pode ocasionar o travamento da imagem. Com uma BER alta, a eficiência cai, afetando todo o sistema. O problema pode ser sério quando um sistema está transmitindo em um canal adjacente muito próximo de um receptor de outro sistema, causando forte interferência. O cálculo dessa interferência é baseado no ACIR (Adjacent Channel Interference Ratio), que é a razão entre a potência total transmitida a partir de uma fonte (estação radio base ou torre de radiodifusão) e a potência total de interferência que afeta o receptor. Este tipo de interferência ocorre quando os filtros de transmissão não são ideais e, devido à grande quantidade de sinais de rádio móvel, essa interferência pode ser significativa. Sobre as transmissões fora da faixa de frequência, o limite aceitável a relação de proteção é de -29dB [21] para que não haja perda do sinal ou falha na recepção. Na TV Digital, a interferência de canal adjacente seria mais percebida quando um móvel LTE estiver muito próximo a antena receptora da TV, pois os canais passariam a estar sobrepostos ocasionando interrupções na recepção da TV e até a redução da área de cobertura do sistema da TV digital [24]. No LTE a interferência de canal adjacente pode causar a perda de throughput com a proximidade da antena de recepção da TV. A Figura 5 [27] que mostra duas frequências (vermelho) adjacentes ao sinal recebido pelo móvel, sendo que a torre em vermelho seja de TV:

4 Fig. 5 - Interferência de canal adjacente B. LTE e TV digital em outros países A discussão dos dois serviços (TV Digital e LTE) funcionando lado a lado também aconteceu em outros países. Nos EUA, quase não houve problemas, pois lá os canais de TV no sistema analógico já haviam sido desligados em 2009 e, quando o sistema do LTE foi implementado, os testes puderam ser feitos com mais tempo. Nos EUA o serviço de TV digital não é tão utilizado quanto no Brasil [25], pois os serviços de TV por assinatura (TV por satélite ou cabo) que operam em outras frequências são mais disseminados no país, não impactando no sinal das redes móveis. Nos Estados Unidos, o direito para transmitir em frequências de comunicações é restrito para organizações que possuam uma licença dada pelo órgão Federal Communications Comission (FCC). Essa licença contém as características do sinal de transmissão que devem estar em conformidade com a frequência adotada, pois o não comprimento das normas vigentes em relação a largura de banda e localização geográfica em que a radiodifusão é permitida, pode causar interferência em outros sistemas. No Japão e em países da Europa Ocidental, o processo de transição de TV analógica para a TV digital, está no fim e lá foram respeitadas as bandas de guarda entre a frequência da TV digital e do LTE. Houve um respeito maior entre as operadoras de TV e LTE em deixar um espaço maior entre as freqüências (8MHz) dos serviços para não haver nenhum tipo de interferência. No Japão também houve um trabalho maior na implementação de filtros especiais nas estações de transmissão do sinal LTE e também filtros para televisores, sendo que o governo subsidiou esses filtros para que a população tivesse mais acesso e acelerasse o processo de migração. IV. TESTE DE INTERFERÊNCIA NO BRASIL Em Maio de 2014 foram realizados testes da convivência do LTE na faixa de 700MHz na cidade de Pirinópolis, estado de Goiás. Os testes tiveram a coordenação da ANATEL (Agencia nacional de telecomunicações) que regula as telecomunicações no Brasil, e também a participação de outras operadoras e fabricantes como Huawei, Oi Telecom, Qualcomm, Rede Globo e também de instituições de teste e ensino como Inatel, CPqD, UnB (Universidade de Brasília). Esses testes foram realizados em conjunto com as empresas que poderão ser afetadas com o problema da convivência e também serviram para adicionar padrões em futuras regulamentações do setor. Tudo que foi testado teve base nas regulamentações já pré-estabelecidas, no caso do LTE a Resolução nº625/2013 e na TV Digital operando nos canais de 14 a 51. O teste, usando uma base real montada na cidade anteriormente citada, teve como função analisar: Teste de downlink e uplink no LTE usando um móvel e um CPE customer premises equipament) com 100% de sobreposição sobre a frequência da TV digital [13] e avaliar a degradação da na recepção da TV Digital. Abaixo na Figura 6 [21] o cenário teve um transmissor (RX TVD) com potências de até 100W [13] operando no canal 33 (UHF) que foi usado como base para os testes. Fig. 6 Cenário completo do teste de interferência Nas antenas de transmissão do site fixo LTE foram adotados dois receptores (Silicon tuner e Can tuner) e um conjunto de atenuadores na transmissão e na recepção que permitiam controlar o nível de potência do sinal interferente a ser considerado em cada teste. A partir do nível de potência escolhido, foram feitas medições em 4 pontos distintos da cidade de Pirenópolis para verificação dos níveis de interferência. Os testes mostraram que os valores de ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio) que mostra emissões indesejáveis na transmissão da enodeb não apresentaram interferência na TV Digital, somente quando eram usados filtros para separação das frequências na transmissão do sinal. O ACLR do móvel e do CPE também não mostraram interferência significativa na TV Digital sendo que não há como filtrar essa interferência do móvel na TV Digital, pois atuando na mesma frequência dos canais de TV, o receptor não tem como separar quais sinais deve filtrar ou não. Os testes de interferência do downlink, conforma a tabela 2, do LTE na TV Digital (canal 52) mostraram que, conforme a intensidade do sinal do LTE aumenta, ocorre bloqueio de sinal na recepção da TV usando uma antena externa passiva (somente recebe sinal) e uma saturação do sinal da TV quando usava um amplificador no receptor. A adesão de atenuadores de sinal na recepção da TV Digital acaba por mitigar essa

5 interferência e faz a convivência das tecnologias ser satisfatória. Antena Externa Passiva Externa com amplificador TABELA II CARACTERÍSTICAS TESTE DOWNLINK. Tx TV [W] Tx LTE [W] Aten. RX [db] Interferência? SIM/NÃO 1, Com Filtro: Não 1, Com Filtro: Não 1, Com Filtro: Não 1, Com Filtro: Não 1, Com Filtro: Não 1, Com Filtro: Não 1, Com Filtro: Não 1, Com Filtro:Sim Já no caso do uplink os valores de ACLR no UE aumentam com o afastamento espectral entre o uplink do LTE e o canal de TV considerado (canais 51, 50, 49) [13]. Para a mesma banda de guarda os valores de ACLR com canal de 10MHz foram superiores no canal de 20MHz (média de 32dB em relação ao canal 51 da TV Digital) a partir dos limiares de emissões indesejáveis estabelecidos na Resolução n 625/2013. Os filtros na recepção do LTE não foram eficazes para bloquear por completo a interferência nos receptores Silicon tuner e can tuner e mostram a necessidade de haver um estudo para desenvolvimento de filtros mais seletivos. Na figura 7 [21] o cenário de downlink e uplink utilizando CPE s e móveis LTE, foram instalados três RRU s (Remote Radio Unit) dois deles conectados a antena para testes de interferência do sistema LTE na TV Digital, e outra conectada dentro da estação da empresa Oi (operadora de telecomunicações) para testes de interferência da TV Digital na comunicação do LTE. Os testes de throughput foram usados a TV sintonizada no canal 51 e foram inseridos filtros passa faixa (uplink + downlink) a frente da enodeb. Observou-se que a aplicação dessa estratégia de mitigação aumentou a robustez dos sistemas cerca de 17dB. Com a potência máxima da TV Digital (1,6W) e a potência máxima da enodeb (46dBm/layer) houve uma perda na capacidade do throughput inferior a 5%, o que segunda a Resolução 625/2013 é superior ao requisito mínimo desejado [13]. Sobre a interferência no sinal do LTE quando há sinal da TV Digital mostraram que não há qualquer interferência ou queda de rendimento nas taxas efetivas de qualidade. A conclusão dos testes teve como principal ponto a ser discutido a filtragem do sinal do LTE pelos meios transmissores (enodeb, CPE, móvel), pois com os atuais filtros não é possível o bloqueio de interferência por completo se baseados nos testes em máxima potência e condições de uso extremas. V. CONCLUSÕES O cenário de interferência em ambas as tecnologias foi estudado nesse trabalho tendo em base a frequência de 700MHz. Como resultado, temos que haverá interferência entre a TV Digital e o LTE se os mesmos operarem nos canais adjacentes 51 e 52. No entanto, o impacto dessa interferência depende da banda de guarda e a distância de separação dos sistemas transmissores das tecnologias. Porém essa transição de frequência do LTE tem muitos benefícios para ambas as partes envolvidas, pois utilizando a frequência de 700MHz há melhoras na cobertura da TV e das comunicações móveis (LTE). Assim as empresas tanto de telefonia, quanto de radiodifusão podem expandir seus negócios gerando mais lucro e melhorando a qualidade dos serviços prestados aos seus usuários. A realocação de frequência do LTE de 2.5GHz para 700MHz leva a um menor consumo de energia, ao aumento do alcance e da intensidade do sinal, melhorando dramaticamente cobertura de redes móveis LTE no país. Neste trabalho foram mostradas as principais características da TV Digital e do LTE e os principais benefícios e possíveis problemas de ambas as tecnologias trabalhando em frequências vizinhas. Também foram apresentadas as principais causas de interferência e como corrigi-las como o teste que foi realizado pela ANATEL em conjunto com operadoras e fabricantes de TV e telefonia do Brasil. Fig. 7 Cenário do teste de downlink e uplink pelos sistemas transmissores do LTE Os ajustes de frequência, potência e largura de faixa foram executados pelo software de gerência da enodeb. REFERÊNCIAS [1] KREHER, Ralf; GAENGER, Karsten. LTE Signaling: Troubleshooting and Optimization. 1 ed. West Sussex: John Wiley & Sons Ltd, [2] T. KNIGHT, Peter. A Internet no Brasil: Origens, Estratégia, Desenvolvimento e Governança. 1 ed. Bloomington: AuthorHouse, 2014 [3] FIORESE, Virgilio. Wireless - Introdução às Redes de Telecomunicação Móveis Celulares. 2 ed. Rio de Janeiro: Brasport, 2005 [4] Anatel apresenta resultados de testes de convivência entre LTE e TV Digital (on-line). Disponível na internet. URL: oticia&codigo=35810, 2014 (acesso em 2015).

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