Repetidores Celulares

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1 Repetidores Celulares Este tutorial apresenta os repetidores celulares, como alternativa econômica na solução de reforço de cobertura dentro de uma célula, ou como ampliação da área externa dessa célula. Henrique Jorge Guimarães Ulbrich Técnico Sênior em telecomunicações, atuando na área desde Trabalhou na Embratel, Siemens e em áreas de telecomunicações de empresas do setor elétrico. A experiência abrange operação e manutenção, desenvolvimento, treinamento e gerenciamento de campo de projetos turn-key. Possui experiência internacional, realizando absorção de tecnologia e ministrando treinamento em diversos países. Atualmente é responsável pelo suporte técnico da Brasilsat na área de sistemas de transmissão (rádios e repetidores). suporte.tecnico@brasilsat.com.br Categoria: Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 14/02/2005 1

2 Repetidores: Introdução Numa região atendida por um sistema de telefonia celular, os sinais de BTSs (ERBs) contíguas normalmente se sobrepõem, fato que possibilita uma das características mais marcantes dos sistemas celulares: o handover (ou handoff). A situação inversa também ocorre: em pequenas áreas isoladas o sinal apresenta níveis inferiores ao mínimo aceitável para a qualidade de serviço esperada. Isto pode ocorrer não só na região divisória entre duas células, como também em pontos específicos dentro da área de cobertura prevista para uma determinada BTS. Em áreas outdoor, as deficiências pontuais de cobertura podem ser motivadas por obstruções naturais (morros ou vales) ou por obstruções artificiais (prédios, barragens etc.). No caso de áreas indoor, a absorção natural das construções atua como uma gaiola da Faraday. Exemplos de áreas com sinal deficiente são túneis, metrôs, estádios, terminais de transporte (aeroportos, estações rodoviárias e ferroviárias), garagens subterrâneas, centros de convenções, supermercados e shopping centers entre outros. Outro caso é o de áreas não muito distantes da cobertura implantada, não contempladas prioritariamente no projeto básico devido ao baixo potencial de demanda e grande área geográfica (localidades rurais, rodovias e estradas secundárias). Este tipo de região e sua baixa demanda fazem com que o retorno do investimento seja longo ou até mesmo impossível. No caso das áreas contempladas originalmente no projeto, os pontos com deficiência de sinal são conhecidas como regiões (ou zonas) de sombra. Considerando o caráter móvel do serviço, é previsível que um usuário se desloque de uma área atendida por uma BTS para uma destas regiões de sombra ou para uma das regiões não contempladas no projeto original. Nestas circunstâncias, é de se esperar que este usuário pretenda continuar utilizando o serviço. Algumas enquetes já realizadas revelam que os usuários preferem antes de tudo o atendimento ao aspecto cobertura, em segundo lugar o custo do serviço e só depois a qualidade da voz. Há que considerar também o fenômeno do churn, que é a migração de clientes de uma operadora para outra, motivada na maior parte por deficiências de atendimento. Há também o caso das áreas primariamente atendidas por sistemas analógicos AMPS, que passam a receber implantação de sistemas celulares digitais (CDMA ou TDMA, por exemplo), realizada de forma progressiva. A coexistência dos dois sistemas (overlay) tende a ter uma longa duração, visto o sistema analógico ser necessário para o atendimento, não só dos antigos assinantes deste sistema, como também para a realização do roaming dos usuários visitantes. Mesmo com a oferta digital já em fase adiantada, as inevitáveis zonas de sombra da cobertura fazem com que em determinados momentos o telefone dual tenha que comutar para atendimento analógico. Além dos pequenos aborrecimentos impostos ao cliente, há ainda o agravante que este cliente não pode mais contar a partir deste momento com os serviços possibilitados pelo sistema digital, pelos quais paga e utiliza rotineiramente. Para a operadora esta também não é uma situação conveniente, pois a comutação para o sistema analógico, além de envolver custos adicionais, paralisa momentaneamente a comercialização dos serviços suplementares. No atendimento a pequenas cidades, é comum que a cobertura requerida seja feita por uma única BTS, que a princípio é suficiente para o atendimento da localidade. Quando se necessita estender a área de cobertura para o atendimento a zonas rurais contíguas, por exemplo, a implantação de uma nova BTS via de regra não 2

3 é justificável do ponto de vista econômico, considerando que a capacidade instalada muitas vezes já é suficiente para atendimento à demanda adicional. As zonas de sombra tem como motivos principais os fatores topográficos (morros, fundos de vale etc.). A cobertura das zonas de sombra citadas exigiria, a princípio, a implantação de uma BTS adicional para cada caso, implicando inclusive no uso de um novo conjunto de freqüências. No entanto, o custo de implantação de uma BTS é consideravelmente alto, via de regra justificando-se quando a demanda de atendimento esperada pode garantir o retorno do investimento dentro das premissas adotadas pela operadora. O parque de BTSs é responsável pela parcela mais expressiva do investimento numa rede de telefonia celular. Em conseqüência, a decisão de implantar uma BTS em uma determinada localidade (site) é objeto de cuidadosas análises por parte das operadoras. Os cálculos referentes ao retorno do investimento são preponderantes neste caso, e a demanda de tráfego prevista tem um peso considerável na decisão de implantar ou não a BTS. Neste contexto, qualquer solução que permita o atendimento deste e dos outros casos já citados, sem que se tenha que pagar os altos custos de implantação de uma BTS, é bem-vinda. Uma proposta plausível para todos os problemas apontados é a dos repetidores celulares. 3

4 Repetidores: O que é? Um repetidor celular é um equipamento que coleta o sinal de uma BTS (ERB), amplifica e redistribui para a zona de sombra a ser atendida (sentido direto ou downlink). De forma equivalente, coleta os sinais dos aparelhos móveis na região, amplifica e os transmite conjuntamente em direção à ERB. Toda essa operação é realizada sem translação de freqüências entre as antenas de um mesmo sentido. Os repetidores ampliam e homogeneizam a área de cobertura com uma parte do investimento que seria utilizado numa implantação de BTS. Os repetidores são fáceis de instalar, operar, reconfigurar e remanejar. Um repetidor celular pode ser implantado sempre que houver capacidade de tráfego superior à demanda da região, amplificando uma banda completa de RF ou somente parte dela. Um repetidor é capaz de gerar uma EIRP próxima à de uma BTS. Assim, usando uma torre ou poste de altura idêntica, um repetidor pode garantir quase a mesma cobertura básica de uma BTS. Cobertura versus Capacidade A compreensão desses dois termos é fundamental para se entender o porquê do uso de repetidores celulares. Cobertura é a área geográfica (também denominada área iluminada) alcançada pelo sinal emitido por uma BTS ou por um conjunto de BTSs, dentro da qual funciona o serviço móvel celular. Nesta cobertura, é inevitável o aparecimento de zonas de sombra, que indicam vazios que devem ser preenchidos. Capacidade é a expressão do número de chamadas que ocorrem dentro da área de cobertura por um certo período de tempo estabelecido ou, em outras palavras, o número de assinantes em conversação que um determinado sistema consegue atender simultaneamente. Capacidade pode ser também associada à disponibilidade de canais rádio adquiridos pela operadora para a região em consideração. As técnicas correntes para aumento da capacidade são os rádios de banda estreita (menor largura de banda por canal), as microcélulas, as células setorizadas e o uso de técnicas digitais aprimoradas. Muitas vezes isso implica na aquisição de novas freqüências. No atual panorama da telefonia celular, observa-se um aumento considerável na capacidade, principalmente pelo uso de técnicas digitais sofisticadas. A adoção de células cada vez menores, tendendo para o conceito das microcélulas, faz com que o alcance de cada uma destas células se torne cada vez mais reduzido. A setorização de células, prática corrente em qualquer sistema, também acarreta incrementos de capacidade. Os conceitos de cobertura e capacidade estão até certo ponto associados, apesar da condição antagônica entre ambos. Com efeito, a ativação de uma nova BTS implica na ampliação de ambos. No entanto, é comum ocorrer que as técnicas de aumento de capacidade acima citadas acabem redundando em áreas geográficas com excesso de oferta de capacidade que, mesmo apesar disso, continuam a apresentar falhas de cobertura devido às zonas de sombra. A implantação de BTSs nestas zonas de sombra não se constitui numa alternativa prática nem econômica, devido ao custo de uma BTS e a um aumento ainda maior na capacidade, o que não é necessário neste caso. A solução está no aumento da cobertura considerando a mesma capacidade já instalada. É exatamente esta a proposta dos repetidores celulares. 4

5 Repetidores: Funcionamento Funcionamento de uma instalação repetidora celular Um repetidor celular - também conhecido como reforçador de célula, é fisicamente instalado em algum ponto da região com deficiência de atendimento, em uma localização geográfica tal que permita a instalação de uma antena que possa se comunicar adequadamente com a BTS. Esta antena, conhecida como antena doadora, precisa ter características fortemente direcionais (ângulo de abertura horizontal muito estreito e lóbulos laterais diminutos, por exemplo, uma semi-parabólica) e um ganho suficiente para permitir a operação com margens confortáveis de nível de sinal, numa operação ponto-a-ponto. Os sinais recebidos da BTS (os mesmos que um aparelho móvel sintonizaria) são levados ao repetidor, que os amplifica e os envia para um outro sistema irradiante encarregado de iluminar a área com deficiência original de cobertura. Este sistema irradiante pode ser uma única antena ou um conjunto de antenas designado como antena de serviço, antena de cobertura ou antena servidora. Para esse caso são normalmente empregadas antenas do tipo painel, que permitem uma priorização (setorização) do atendimento da área desejada. De forma recíproca, como os sistemas celulares operam inerentemente na modalidade full-duplex, os sinais gerados pelas estações móveis na área são recebidos pela antena de assinantes, amplificados e transmitidos para a BTS pela mesma antena doadora. Para permitir a operação adequada em full-duplex, é prevista uma separação de 45 MHz entre os dois sentidos. Este tipo de sistema, em que o sinal da BTS doadora é obtido da própria interface aérea, é conhecido como over-the-air repeater. Em casos especiais, as limitações do sistema ou particularidades do projeto podem levar ao uso alternativo de repetidores enlaçados via fibras ópticas ou enlace rádio, o que dispensa o uso da antena voltada para a BTS e pode auxiliar no contorno de determinados problemas da transmissão direta pelo ar. Neste caso, o sistema é conhecido com linked repeater. A presente abordagem será focada nos repetidores do tipo over-the-air. A figura abaixo mostra o diagrama em blocos básico da instalação de um repetidor. Como a BTS é a fornecedora dos sinais para o repetidor celular, ela é chamada de BTS doadora. A antena no repetidor voltada para a BTS é denominada antena doadora ou antena coletora. Da mesma forma, o enlace entre a antena doadora e a BTS é chamado de enlace doador. A antena (ou conjunto de antenas) encarregada de iluminar a área a ser atendida é denominada antenas de assinantes (ou usuários), também conhecida como antena de serviço ou antena servidora. 5

6 O sentido de transmissão da BTS até os assinantes é chamado de sentido direto, sendo também utilizados no jargão técnico os termos equivalentes em língua inglesa forward e downlink (DL). Um estágio qualquer no repetidor que esteja inserido nesta direção normalmente recebe de forma associada a denominação direto, como por exemplo um amplificador de potência direto. O termo sentido direto tanto pode ser aplicado no sentido BTS doadora => repetidor como no sentido repetidor => assinantes. De maneira equivalente, o sentido de transmissão dos assinantes em direção à BTS é chamado de sentido reverso, sendo também utilizados os termos equivalentes em língua inglesa reverse e uplink (UL). Um estágio qualquer no repetidor que esteja inserido nesta direção normalmente recebe a denominação reverso, como por exemplo um amplificador de potência reverso. De maneira análoga à já citada, o termo sentido reverso tanto pode ser aplicado no sentido assinantes => repetidor como no sentido repetidor => BTS doadora. O ganho de um repetidor celular é expresso em função da diferença de níveis de RF, em db, entre a antena receptora e a antena transmissora no mesmo sentido, ou seja, é função basicamente do ganho global do repetidor menos as perdas nos componentes passivos, como filtros, duplexadores, conectores e cabos alimentadores coaxiais. Quanto maior o ganho, maior será o nível de RF entregue à antena responsável pela transmissão naquele sentido. Conforme cada projeto e as respectivas condições de instalação, pode-se ter ganhos configurados de forma diferente para os sentidos direto e reverso. Por razões práticas, este ganho deve ser limitado em algum ponto, pois como a banda de freqüências é a mesma, pode ocorrer uma realimentação entre as antenas, acarretando problemas relacionados com a estabilidade do sistema. Este tema será abordado com mais profundidade no item Isolação, mais adiante. Em relação à banda repetida, o repetidor celular é customizado em fábrica para atendimento a uma determinada banda pré-estabelecida pelo cliente. As bandas típicas são as bandas A, A' e A'', B e B', e as bandas C, D e E, de acordo com regulamentação pertinente (ITU-T e ANATEL). Um repetidor pode operar 6

7 em uma única banda ou em duas. No segundo caso, em vez de usar dois repetidores, um único repetidor pode operar de forma duplicada usando o mesmo conjunto de antenas. Exemplos: um repetidor pode operar com as bandas A e A'', ou com as bandas B e B'. Funcionamento do equipamento repetidor celular Há duas formas básicas de construir repetidores celulares: os de amplificação direta e os heteródinos. Na amplificação direta, o tratamento de sinais leva em conta que as freqüências envolvidas não sofrem conversão dentro do repetidor. Entre as vantagens cita-se a simplificação do projeto e uma menor geração de ruído intrínseco. Como desvantagem tem-se que, para cada banda de operação é necessário um conjunto exclusivo de filtros, o que eleva consideravelmente o custo do equipamento. Uma simples modificação de banda ou de canal de operação pode acarretar uma considerável carga de trabalho a nível de hardware. Os repetidores que usam o princípio heteródino convertem o sinal recebido para uma freqüência intermediária fixa (por exemplo, 70 MHz) e realizam todo o processamento básico (amplificação e filtragem) nessa banda. Dois moduladores são utilizados: um para converter para a banda de FI e outro (utilizando a mesma portadora) para reconverter a FI para a banda original. A desvantagem é uma pequena contribuição na geração de ruído do sistema devido ao ruído de conversão inerente a qualquer modulador. Em compensação adquire-se uma extrema facilidade e economia na realização de filtragens. Como pela escolha da portadora adequada de modulação se pode converter qualquer banda ou canal para a banda de FI, o número de filtros necessários para atender a todas as exigências operacionais é drasticamente reduzido devido a permitir uma padronização de largura de banda, independentemente da freqüência. Além da redução de custo, outras vantagens ficam evidentes: alterações de banda ou canal mesmo durante a operação são implementadas facilmente apenas reconfigurando o PLL que gera a portadora. Em grande parte das vezes, essa mudança não requer intervenções no hardware. Quando alterações de hardware são necessárias, isso é feito facilmente devido à adoção da técnica modular. 7

8 Um exemplo de repetidor que usa o princípio heteródino é mostrado na figura acima. Pelo diagrama em blocos se pode perceber que todos os estágios utilizados no processamento de sinais no sentido reverso são basicamente similares aos utilizados no sentido direto. Portanto, a descrição de funcionamento em seguida, tomando como base o sentido direto (parte superior do diagrama do repetidor), vale também para o sentido reverso. Os sinais recebidos da BTS doadora chegam ao duplexador, que contém em seu interior um sistema de filtros empregado para separar a transmissão e a recepção. Com isso, evita-se que a potência de transmissão reversa atinja os circuitos de recepção, o que poderia causar interferências e saturação dos circuitos. Um amplificador de baixa figura de ruído (LNA) pré-amplifica o sinal recebido. Um atenuador variável é utilizado para ajustar o ganho total do repetidor. Na prática, este atenuador pode ser o ajuste da potência de saída na antena de assinantes, bem como atuar como o controle do CAG e limitação de potência. Em seguida, o sinal é aplicado a um conversor heteródino, onde é transladado em freqüência para a banda de FI, geralmente centrada em 70 MHz. A freqüência portadora deste modulador é gerada num oscilador local, normalmente com controle de freqüência via circuito PLL ( phase locked loop ou laço de amarração de fase). O sinal de FI é amplificado e filtrado para a eliminação de produtos indesejáveis de modulação, sendo aplicado em outro modulador, que opera com a mesma freqüência portadora do modulador anterior. Com isso, a banda de freqüência enviada ao pré-amplificador seguinte é igual à recebida da BTS, o que enfim caracteriza o equipamento como um repetidor de sinais. A maior parte da qualidade do sinal é garantida pelo desempenho do filtro de FI, tipicamente construído na tecnologia SAW (surface acoustic wave ou ondas acústicas de superfície). É nesse ponto que os repetidores de amplificação direta apresentam desempenho inferior, ou se tornam muito mais caros para o mesmo desempenho. 8

9 Finalizando, o sinal é amplificado para que atinja a potência especificada na saída. Esta potência de saída é obtida de um amplificador normalmente conhecido como PA (power amplifier ou amplificador de potência). Do PA, o sinal é enviado ao duplexador associado à antena de assinantes. Este duplexador tem a mesma função básica do anterior. O sinal é transmitido pela antena de assinantes para a área a ser iluminada. A mesma antena recebe os sinais da área dos assinantes e, via filtros existentes no duplexador, encaminha estes sinais para os estágios mostrados na parte inferior do diagrama, pertencentes ao sentido reverso. A seletividade dos filtros do duplexador impede que a potência entregue pelo PA direto atinja os circuitos de recepção, o que poderia causar saturação dos circuitos e conseqüente intermodulação, comprometendo todo o sistema a ponto de tirá-lo de operação. Como já citado, o processamento dos sinais neste caso é o mesmo já descrito, com apenas umas poucas diferenças. Uma delas reside na freqüência do oscilador local, espaçada em 45 MHz em relação à do sentido direto, o que garante o espaçamento das bandas direto e reverso, conforme regulamentação vigente. Outra diferença pode ser na potência de transmissão no sentido reverso, que em alguns sistemas pode ser menor que a do sentido direto. A explicação para isso é o fato da antena doadora ser normalmente de alto ganho e fortemente direcionada para a BTS doadora. A BTS, por sua vez, opera com níveis maiores de potência, e pode estar equipada com um sistema de diversidade na recepção. Todos estes fatores fazem com que os níveis de transmissão no sentido reverso do repetidor possam ser reduzidos em relação ao nível de potência no sentido direto (tipicamente entre 3 e 7 db) com redução proporcional no consumo de energia, porém mantendo o mesmo desempenho. Os repetidores podem contar com recursos para mais de um sistema de heterodinação. Com isso, em vez de usar repetidores separados para cada banda ou canal, dentro de um mesmo repetidor podem ser inseridos até quatro sistemas de heterodinação, repetindo igual número de bandas ou canais diferentes. Um módulo de controle, tipicamente operando com um microprocessador e memórias associadas, permite o controle de todas as funções operacionais básicas do repetidor. Este módulo de controle normalmente possui um visor (por exemplo, de cristal líquido), LEDs que indicam o estado operacional básico e teclas que permitem que o pessoal técnico interaja com o equipamento. Para que seja possível um monitoramento remoto, o módulo de controle possui uma interface (normalmente RS-232), por meio da qual pode haver uma comunicação por via discada com um sistema remoto qualquer de supervisão e/ou controle. Esta porta é conectada a um dispositivo de comunicação de dados, que pode ser um modem para linha fixa ou celular ou um telefone celular habilitado para transmissão de dados. No caso de telefone celular ou modem celular, o acoplamento ao sistema irradiante é realizado através de uma entrada específica no duplexador do lado da antena doadora; observar que esta é outra diferença entre os sentidos direto e reverso - o sentido direto não conta com esta opção. 9

10 Repetidores: Alimentação dos repetidores celulares Devido às condições particulares de operação, principalmente em relação aos lugares em que sua presença é necessária (áreas rurais, estradas, shopping centers, túneis etc.), os repetidores raramente podem contar com a alimentação ideal representada pelas baterias de 48 VCC, típicas das estações de telecomunicações. Por este motivo, os repetidores são equipados na maior parte com fontes de alimentação previstas para funcionar a partir da rede comercial em corrente alternada. Isto os torna vulneráveis a cortes no fornecimento, provocando interrupções no serviço. Torna-se necessário neste caso buscar uma garantia de fornecimento confiável a partir da concessionária de energia elétrica ou empregar sistemas alternativos de energia, como a implantação de um sistema de baterias no local ou instalação de GMGs (grupo motor gerador), tanto estacionários como móveis, geradores térmicos ou solares. A opção mais viável e prática é usar no-breaks. A adoção de um sistema alternativo implica em custos adicionais, que geralmente se mostram justificáveis quando considerados na decisão da sua implantação. Entre os fatores de decisão, pode-se citar, entre outros: a)impacto do tráfego atendido pelo repetidor no faturamento da operadora; b)dados existentes de confiabilidade de fornecimento da energia comercial; c)custo da solução alternativa (baixo quando se trata de no-breaks); d)considerações sobre a estabilidade e proteção proporcionadas pela solução alternativa. Mesmo sendo alimentados exclusivamente com CA, os repetidores normalmente possuem internamente uma bateria de pequenas dimensões (bateria de backup, tipicamente para 6 VCC), destinada a manter funcionando o módulo de controle, onde está concentrada a inteligência operacional do repetidor, as memórias que armazenam os parâmetros operacionais e o sistema de comunicação do módulo de controle com o centro de gerência de rede (normalmente um modem celular). A bateria garante que, mesmo na falta de fornecimento de energia elétrica CA, ainda é possível uma comunicação entre o módulo de controle e o centro de gerência de rede, que continua tendo desta forma o controle dos dados operacionais do repetidor. Não obstante, o repetidor em si somente retorna à condição de tráfego quando o fornecimento de energia CA for restabelecido. 10

11 Repetidores: Supervisão e gerenciamento de uma rede de repetidores Supervisão local interna do repetidor Seguindo a tendência moderna de projeto de equipamentos, um repetidor celular possui algum tipo de módulo ou painel de controle, onde se pode verificar o estado atual de funcionamento do repetidor e alterar algumas configurações do aparelho, configurando-o para o melhor funcionamento de acordo com o sistema instalado. A interface operacional (painel frontal) deste módulo é normalmente composta de três elementos: um visor, normalmente de cristal líquido, onde se pode ver a medida atual ou o ajuste sendo feito, alguns LEDs, que indicam o estado operacional do repetidor e um teclado, pelo qual se seleciona o que é mostrado no visor, bem como se pode alterar configurações e ajustes. O teclado é uma forma do pessoal de operação e manutenção interagir localmente com o equipamento para várias finalidades, como: verificação de alarmes e configurações, alteração de configurações e ajustes, desativação de portadora, alinhamento geral etc. Supervisão remota (telessupervisão) A finalidade principal da interface RS-232 é a interligação a um modem, por meio do qual o módulo de controle passa a trocar informações com um computador remoto. Tanto o modem do repetidor como o do computador remoto devem estar conectados a uma linha telefônica, fixa ou celular. Isto é necessário, tendo em vista que o sistema não possui o recurso de um canal exclusivo para dados, como outros sistemas mais complexos. O computador remoto pode ser do tipo desktop ou mesmo um laptop, como o normalmente usado pelo pessoal de manutenção. O computador deve conter um software de supervisão, normalmente proprietário, pelo qual se pode receber dados referentes aos parâmetros operacionais e ao estado atual do repetidor (correntes, tensões, potências, alarmes e outros dados), bem como enviar comandos. Um dos padrões que podem ser utilizados é o SNMP, que possibilita uma fácil integração com um sistema de gerenciamento de nível mais elevado. O centro de gerência de rede pode acessar de forma cíclica (polling) todos os repetidores de uma rede e atualizar continuamente um banco de dados (ou uma MIB), que assim passa a armazenar o status de cada repetidor por ocasião da última consulta. A cada nova consulta no mesmo repetidor os dados são atualizados neste banco de dados. O software de gerenciamento normalmente é do tipo proprietário. Caso o banco de dados (ou MIB) esteja preparado para manter também as leituras anteriores, os dados dessas últimas leituras podem servir de subsídio para diversas finalidades, como histórico, consultas eventuais e para estatísticas. É possível também implantar sistemas via Internet, como por exemplo, a criação de uma página da WEB onde o acesso a informações de qualquer repetidor possa ser disseminado. Este acesso, e principalmente a interatividade, pode e deve ser controlado por meio de senhas para garantir a segurança do sistema. 11

12 Repetidores: Isolação Um parâmetro é de particular importância para o correto funcionamento de um repetidor celular: a isolação. Os sinais transmitidos pela antena de assinantes podem ser captados indevidamente pela antena doadora. Reciprocamente, os sinais transmitidos pela antena doadora podem ser captados indevidamente pela antena de assinantes. Como o repetidor não realiza translação de freqüências, a banda é a mesma entre as duas antenas, favorecendo uma reabsorção do sinal pelo sistema. Esta reabsorção, ou "vazamento", favorece um processo de realimentação positiva devido à coincidência de freqüências, acarretando problemas com a estabilidade do repetidor. Na condição de pré-oscilação, abaixo da margem de oscilação (singing margin) do sistema, as instabilidades daí decorrentes podem levar a problemas como distorção por intermodulação e distorção inaceitável na banda de passagem, baixando a qualidade do serviço. Ao ser atingida a margem, o sistema começa a funcionar como um oscilador, levando o repetidor a sair completamente fora de serviço. Esta oscilação pode se propagar para a célula toda, produzindo efeitos danosos. Para que não ocorra a realimentação, os parâmetros pertinentes às antenas são de fundamental importância. A isolação entre antenas, neste caso, reflete em termos gerais a quantidade de energia irradiada e reabsorvida pelo sistema. A indução de sinais de qualquer uma delas para a outra deve ser a mínima possível, ou seja, é necessária uma alta isolação. O ideal é que não houvesse qualquer indução de uma antena para outra (isolação infinita), porém esta é uma condição utópica. Na prática, a observância de algumas técnicas de projeto e de instalação pode levar a valores de transferência muito reduzidos, garantindo a estabilidade do repetidor e a conseqüente manutenção da qualidade do serviço. O que se necessita, na verdade, é que sejam definidos alguns parâmetros exeqüíveis que garantam esta estabilidade. Em termos práticos, sistemas com repetidores podem oscilar quando a diferença entre a isolação e o ganho for menor que 15 db. Em outras palavras, a isolação antena-a-antena no mesmo repetidor, para garantir uma operação segura, deve ser igual ou superior a 15 db mais o ganho do repetidor. Por exemplo, um sistema com 95 db de isolação pode admitir um ganho de até 80 db (95-15 = 80). As técnicas utilizadas para garantir uma boa isolação estão vinculadas diretamente com as especificações relacionadas com as antenas, como por exemplo a escolha de uma antena doadora com características fortemente direcionais e a(s) antena(s) de assinantes também direcionais. É desejável que haja uma maior separação de altura possível entre a antena doadora e a(s) restante(s), bem como é também importante o alinhamento relativo e o uso de diferentes polarizações entre elas. No entanto, outras medidas podem ser adotadas, como verificar a existência de prováveis reflexões na região e colocação de blindagens entre os dois sistemas irradiantes. As instalações indoor facilitam a obtenção de altos valores de isolação devido à atenuação natural das áreas construídas (justamente o fator motivador deste tipo de instalação). Medição da isolação O procedimento para a medição da isolação em um repetidor instalado consiste, de forma simplificada, na 12

13 injeção de um sinal dentro da banda operacional prevista na porta de uma das antenas (preferencialmente a doadora) e medir este mesmo sinal na porta da outra antena (preferencialmente a de assinantes). No entanto, a inversão de antenas no teste não deve, a princípio, causar diferenças no valor medido. Para as medições é preferível usar um analisador de espectro, podendo também ser utilizado um Pilot Scanner. O analisador de espectro deve estar configurado para uma RBW (resolução da largura de banda) de 30 khz e fazer varredura dentro da banda considerada para o teste. O sinal gerado pode vir de um gerador de RF ou do próprio analisador de espectro, se este estiver equipado com gerador. A freqüência de teste deve ser escolhida com cuidado, pois não deve provocar interferências com a rede existente ou com algum outro provedor de telefonia celular próximo. O nível gerado pode ser de 0 dbm em onda contínua (CW), visando facilitar os cálculos. Dependendo do nível de ruído presente na medição, pode ser usado em nível de +10 dbm no gerador. As atenuações inerentes aos cabos de medição devem ser conhecidas e descontadas do cálculo final. O uso do analisador de espectro garante que o valor medido será conhecido em uma única operação para todas as freqüências da banda. Caso não se conte com um analisador de espectro, será necessário medir com um medidor de nível convencional, repetindo o teste para as diversas freqüências da banda de operação prevista e anotando passo-a-passo os valores obtidos. O valor da isolação da planta instalada é o medido no pior caso (na pior freqüência), sendo obtido de forma simplificada pela fórmula: Isolação = P TX - L CT + P m Onde: P TX = potência transmitida (0 dbm); L CT = perdas nos cabos de teste; P m = potência medida. É importante considerar que deve-se confiar nas medições realizadas em campo, e não nos dados estimados em projeto. 13

14 Repetidores: Arquiteturas básicas As formas de instalação de um conjunto de repetidores em relação à respectiva BTS doadora podem ser visualizadas na figura abaixo onde, por finalidades didáticas, foi adotada uma abordagem evolutiva que inicia com uma BTS isolada e vai até os casos máximos de cobertura. As distâncias citadas são apenas orientativo/comparativas, não necessariamente atendendo casos reais - os profissionais da área sabem que a realidade de campo muitas vezes costuma desafiar o planejamento feito, bem como as características morfológicas e topográficas impõem particularidades a cada projeto. Parte-se do exemplo elementar do uso de uma BTS isolada, tomando como premissa inicial de análise que ela possua um raio de cobertura de 20km. Uma das maneiras de ampliar o raio de cobertura consiste na adoção de um TLNA na BTS (TLNA = amplificador de baixo ruído montado na torre, o mais próximo possível da antena), o que pode fazer com que este raio aumente para algo em torno de 28km. Este pode ser considerado o limite típico no caso de uso de TLNAs. Ganhos de raio de cobertura acima deste valor, sem considerar a instalação de BTSs adicionais, podem ser possibilitados pelos repetidores, nas configurações descritas a seguir: 14

15 Repetidor único (single repeater): a localização física do repetidor pode ser além do limite de 20km citado, considerando o uso otimizado de uma antena doadora no repetidor, com características diretivas e de alto ganho. O repetidor é associado a uma ou mais antenas de assinantes que se encarregam de iluminar as áreas de interesse. A antena oposta à BTS doadora ilumina a maior parte da área pretendida, operando tipicamente com 75% da potência total de transmissão fornecida pelo repetidor; uma outra, voltada para a BTS, opera com os 25% restantes da potência e atende a uma área menor, em princípio a área com deficiência de sinal que deveria ser atendida pela BTS. O controle destas potências para cada antena é obtido por um dispositivo denominado divisor de potências (power divider ou tapper). O raio de cobertura típico obtido pode ser de 15

16 44km quando comparado aos 20km do exemplo inicial. Repetidores paralelos (parallel repeaters): são utilizados dois repetidores num único local, a uma distância maior que em relação ao repetidor único. Por este motivo, a antena doadora deve ter características ainda mais superiores, principalmente em relação ao ganho. As duas antenas de assinantes, apresentando as mesmas orientações básicas que no caso do repetidor único, operam com 100% da potência fornecida por cada repetidor e iluminam áreas equivalentes em cobertura, o que no final resulta num raio típico de cerca de 51km se comparado ao exemplo inicial. Esta configuração é a ideal para topografias planas e tem como característica marcante um maior grau de confiabilidade de atendimento, tendo em vista que somente um segmento perde serviço no caso de falha de um dos repetidores. Repetidores em cascata (cascade repeaters): os sites repetidores são montados em série (ou em linha) do ponto de vista da topografia. Cada repetidor pode ser instalado e configurado de forma idêntica à do repetidor único: a antena oposta à BTS doadora ilumina a maior parte da área pretendida, operando tipicamente com 75% da potência total de transmissão fornecida pelo repetidor; uma outra, voltada para a BTS, opera com os 25% restantes da potência e atende a uma área menor, em princípio a área com deficiência de sinal que deveria ser atendida pela BTS ou pelo repetidor anterior. É importante neste ponto observar um detalhe: o segundo (último) repetidor da cascata tem como estação doadora não a BTS, e sim o repetidor anterior. Isto naturalmente resulta numa degradação proporcional no desempenho global da célula, o que deve ser considerado quando se pretende usar mais de dois repetidores numa aplicação em cascata. Esta configuração é indicada para os casos de regiões acidentadas, com dificuldades de linha de visada. O raio de cobertura típico obtido pode ser de 60km. Duplo repetidor entre duas BTSs: nessa configuração, dois repetidores são em princípio instalados no lugar de uma BTS (no exemplo do desenho, no lugar da BTS 37). Nesta forma de projeto, é colocado um repetidor duplo a cada segunda BTS ao longo da rota. Visto de outra forma, esta configuração funciona como se substituísse uma BTS de dois setores. A forma de cada repetidor iluminar a área é diferente em relação ao caso dos repetidores em paralelo e os de cascata, vistos anteriormente. Naqueles exemplos, cada repetidor ilumina de volta a região que deveria ser coberta pela respectiva BTS doadora, uma espécie de inversão de sentido. No caso do repetidor duplo entre duas BTSs, é mais comum que cada repetidor continue iluminando para frente, ou seja, os sinais da BTS 36 são repetidos em direção à área entre o repetidor e a BTS 38. O mesmo ocorre no sentido inverso. Esse é um caso típico de atendimento a rodovias. As distâncias típicas são as mostradas no desenho, que no entanto tem caráter apenas referencial. Essas distâncias podem variar em função das características inerentes a cada região. Configurações mistas: uma célula original, comandada por uma BTS, pode abrigar configurações mistas entre as citadas. Obviamente, os projetistas devem redobrar a atenção neste aspecto, considerando sempre que cada repetidor adicionado pode provocar uma degradação proporcional no desempenho da célula toda, caso o projeto não seja bem estruturado. 16

17 Repetidores: Soluções Soluções típicas baseadas em repetidores celulares Entre os diversos casos de uso com sucesso dos repetidores celulares, e considerando a economia possível de ser obtida, pode-se citar: células únicas, como de pequenas localidades, com uma só BTS. A instalação de 3 repetidores (por exemplo, a 120 uma da outra) permite a ampliação da área de cobertura em até 75% com um custo adicional em torno de 25%, na melhor hipótese; terrenos acidentados/montanhosos, em que são multiplicadas as regiões de sombra. Um repetidor celular pode iluminar uma ou mais destas regiões de sombra; cobertura de áreas rurais e rodovias: a abordagem tradicional de cobrir unicamente com BTSs torna o projeto antieconômico. Uma implantação híbrida BTSs/repetidores pode reduzir em 2/3 o número de BTSs para a mesma área, sendo o restante coberto por repetidores; túneis, que mesmo de pouca extensão, são responsáveis por muitas chamadas derrubadas ou não completadas. Como túneis podem ser considerados basicamente 3 situações: a) túneis em rodovias cortando morros, b) túneis integrantes de sistemas de metrôs e c) minas; regiões em que, devido a certas particularidades (por exemplo, um grande número de microcélulas), a oferta de capacidade está superdimensionada e existem deficiências de cobertura; áreas que apresentam grandes picos de demanda, como aeroportos, metrôs e eventos. Cobertura subterrânea Como cobertura subterrânea subentende-se a ampliação de cobertura realizada em instalações dentro de algum tipo de túnel. Uma particularidade deste tipo de instalação é a alta isolação naturalmente obtida devido às características inerentes: o ponto de instalação da antena doadora fica longe das antenas de assinantes, que por sua vez, como ficam dentro dos túneis, contam com a blindagem natural imposta por esta condição. Dentro deste conceito pode-se considerar basicamente 3 situações: túneis em rodovias cortando morros, túneis integrantes de sistemas de metrôs e minas. No caso de túneis rodoviários, a instalação não envolve grandes novidades: uma antena doadora, normalmente longe da antena de assinantes, capta os sinais da BTS doadora e os envia para o repetidor. O atendimento da cobertura pode ser realizado por uma única antena (túneis pequenos em linha reta) ou por mais antenas, através de um sistema de distribuição. No caso do atendimento de metrôs e minas, existem algumas particularidades. Muito raramente se tem túneis em linha reta, as distâncias tendem a ser consideravelmente maiores que no caso de túneis rodoviários, e via de regra existem diferentes operadoras interessadas na cobertura. Algumas minas modernas não só são administradas no próprio local, como também podem incluir instalações dentro das próprias galerias. Isto significa que no interior das minas não só existem operários, mas pessoal administrativo, de gerência e de apoio, encontrados em escritórios, oficinas de manutenção, almoxarifados, ambulatório e no restaurante. A cobertura de sinais celulares, neste caso, é mais complexa, exigindo soluções novas de engenharia. No caso de metrôs, por exemplo, a operadora da malha ferroviária pode exigir soluções integradas, com equipamentos comuns a diferentes operadoras de telefonia celular, evitando com isso a proliferação de equipamentos que podem causar problemas diversos, ou de interferência operacional e de falta de espaço 17

18 suficiente para abrigar todos estes equipamentos. Uma instalação típica para este tipo de atendimento pode ser vista na figura abaixo, com 3 BTSs que podem pertencer a mais de uma operadora. Duas dessas BTSs podem pertencer a uma única operadora, que pode estar realizando cobertura com dois sistemas em overlay (por exemplo, TDMA e GSM ou AMPS e CDMA). Estas BTSs, além de atender à área originalmente prevista, servem como doadoras para o sistema subterrâneo. Um equipamento BMU (base station master unit ou unidade mestra de estações base) tem por função combinar os sinais de todas as BTSs. Esta combinação é feita em níveis baixos de potência, ou seja, de cada BTS é retirada uma amostra do sinal de RF. Dependendo da distância física entre a BMU e cada BTS, a interligação pode ser feita por cabos coaxiais, no caso de distâncias curtas (BTSs A e B no exemplo), ou por meio de uma antena doadora (BTS C no exemplo). Obviamente deve existir uma equalização de níveis dos diferentes sinais. O sinal equalizado e combinado é aplicado a um conversor eletro-óptico e injetado num cabo de fibras ópticas para a distribuição pelos diferentes sites repetidores estrategicamente instalados ao longo da área subterrânea a ser atendida (túnel rodoviário, linha de metrô ou galerias de uma mina). As fibras ópticas resolvem o problema das perdas na distribuição dos sinais. Dependendo da aplicação, pode ser usado um par de fibras ópticas para todos os repetidores ou um par para cada repetidor. O uso de fibras separadas para cada repetidor traz a vantagem que qualquer problema no par afeta somente o repetidor relacionado. Outra variante é a utilização da tecnologia WDM, na qual por exemplo os sentidos direto e reverso circulam pela mesma fibra, em diferentes comprimentos de onda. A solução final depende da tecnologia adotado e do fornecedor escolhido. 18

19 Os repetidores são do tipo FOR (fiber-optic repeater ou repetidor de fibra óptica), nos quais ocorre a reconversão do sinal óptico para elétrico, que apresenta as mesmas características da amostra de RF entregue pela BTS respectiva. O restante do repetidor é idêntico aos de aplicação normal. A irradiação para os assinantes subterrâneos é feita alimentando 2 antenas costa-a-costa, apontadas de forma a cobrir 2 segmentos opostos dentro do túnel. A quantidade e o posicionamento dos repetidores e respectivas antenas é tal que a cobertura subterrânea é constante em toda a extensão. Isto possibilita que os handoffs (ou handovers) ocorram de forma consecutiva e sem problemas durante um trajeto. As exigências de ordem prática e econômica requerem que muitas vezes um único sistema de cobertura seja adotado. Isto pode significar a incorporação de dois ou mais sistemas dentro de uma única caixa de repetidor, bem como o uso de antenas comuns (quando as diferentes bandas utilizadas o permitirem). Ainda em relação à distribuição dos sinais, pode ser usado um cabo óptico multifibra, com fibras dedicadas a cada repetidor ou sinal de RF. Com isso, todas as portadoras estão presentes em todos os repetidores, o que possibilita uma grande flexibilidade na reconfiguração de cada segmento e na alocação de capacidades. 19

20 Repetidores: Teste seu Entendimento 1. Assinale a afirmação correta: cobertura é relacionada com a quantidade de freqüências adquiridas por uma operadora; cobertura e capacidade são termos equivalentes; cobertura é a extensão geográfica atendida por uma BTS ou por um conjunto de BTSs; todas as anteriores. 2. Repetidores celulares são preferencialmente usados para: aumentar a capacidade sem aumentar a cobertura; aumentar a cobertura com base na capacidade instalada; diminuir a cobertura para preservar a capacidade; diminuir a capacidade para que a cobertura seja aumentada. 3. Os repetidores heterodinos: apresentam ruído ligeiramente superior em relação aos de amplificação direta; permitem grande flexibilidade e praticidade quando se necessita alterar a banda ou canal de operação; possibilitam uma racionalização no número e na qualidade dos filtros; todas as anteriores. 4. Uma instalação indoor geralmente não apresenta problemas de isolação devido a que: as freqüências internas são diferentes das externas; a absorção da estrutura construída bloqueia internamente os sinais diretos da BTS; o repetidor opera com ganho menor; todas as anteriores. 5. Para se obter uma alta isolação numa instalação com repetidor celular é preciso: diminuir a distância entre a antena doadora e as outras antenas; aumentar o ganho do repetidor; diminuir a diretividade da antena doadora; nenhuma das anteriores. 20