2 Local Multipoint Distribution System LMDS

Transcrição

1 2 Local Multipoint Distribution System LMDS Dentre os sistemas de rádio em banda larga que permitem oferecer ao usuário taxas de transmissão superiores a 10 Mbps, os sistemas LMDS (Local Multipoint Distribution Systems) representam a solução mais barata, flexível e simples de se instalar dentre as opções da rede de acesso, sendo assim um forte candidato para a utilização na última milha para tráfego de voz e dados em altas taxas [2, 3, 4, 5, 6]. 2.1 Definição e Introdução O LMDS é um sistema de comunicações sem fio em banda larga do tipo ponto multiponto que opera em freqüências superiores a 20 GHz e provê serviços de TV, voz, vídeo, dados e multimídia. Devido às características de propagação nestas faixas de freqüência, o LMDS adota uma arquitetura semelhante à encontrada nas redes celulares, tendo como diferencial o serviço ser fixo, não existindo mobilidade. Neste tipo de configuração, a potência transmitida é reduzida, a comunicação é bidirecional e a reutilização de freqüências reduz a interferência co canal. O raio da célula varia de 1 a 10 km em linha de visada, podendo atingir distância maiores pelo uso de repetidores em zonas de sombra. Devido à grande concentração de usuários, a interferência é um fator limitante no planejamento do sistema. A estação rádio base transmite e recebe sinais de diversos usuários através do uso de antenas setorizadas. Esta estação rádio base pode estar conectada às redes locais de voz, dados e vídeo tanto por sistemas cabeados como por sistemas aéreos, tais como: enlaces via satélite ou rádio ponto a ponto de altas taxas de transmissão. Os usuários são fixos e podem ser residenciais, empresariais ou industriais. Cada usuário possui uma antena, um conjunto transmissor receptor e conversores de sinais para voz, dados e vídeo.

2 Aspectos Técnicos 18 A tecnologia de acesso em banda larga sem fio pode complementar e competir com os sistemas cabeados, tais como os sistemas fixos de telefonia, transmissão de dados e sistemas de TV a cabo. São sistemas que podem ser oferecidos a pequenas, médias e grandes empresas, assim como a usuários residenciais com taxas de dados variando de 2 Mbps a mais de 50 Mbps. O LMDS foi designado pela FCC americana para operar na banda de 28 e 31 GHz, ocupando um espectro de 1, 3 GHz. No Brasil, a ANATEL designou uma banda total de 3, 3 GHz para estes sistemas, subdivididas em faixas de 500 e 75 MHz. 2.2 Aspectos Técnicos L (Local) O acrônimo LMDS significa: M (Multipoint) indica que as características de propagação das ondas milimétricas limitam a área de cobertura localmente; significa que a estação rádio base geralmente transmite o sinal para todos os terminais em sua área de cobertura (ponto multiponto). A transmissão no sentido do terminal do usuário e da estação rádio base é ponto a ponto. D (Distribution) S (System) voz, dados e Internet são distribuídos simultaneamente. estabelece a relação entre o provedor do serviço e os clientes. As figuras 2.1 e 2.2 mostram configurações típicas de sistemas LMDS. A figura 2.1 mostra um HUB formado por quatro estações rádio base (ERB), cada uma cobrindo um setor, onde se localizam os terminais do usuário. Na direção entre a ERB e o terminal do usuário, direção de descida ou downlink, os sinais são enviados simultaneamente para todo os terminais dentro do setor da ERB, sendo a comunicação do tipo ponto multiponto. Já na direção entre o terminal do usuário e a ERB, direção de subida ou uplink, a comunicação é do tipo ponto a ponto. Cada terminal do usuário transmite apenas para a sua estação servidora. A figura 2.2 mostra, em melhores detalhes, a arquitetura de uma rede LMDS. A rede é formada por uma central de distribuição, para onde

3 Aspectos Técnicos 19 convergem os diversos tipos de informações, tais como: voz, dados e vídeo. O HUB ou Site são equipamentos em comum, em uma mesma localização física, atendendo às estações rádio base. A conexão entre o HUB e a central de distribuição é realizada através de enlaces de rádio, fibra ou par metálico. A estação rádio base é formada por antenas, e possui os equipamentos rádio para a transmissão e recepção dos sinais. As antenas podem ser omnidirecionais ou setorizadas. No caso de antenas omni, uma única ERB é suficiente para transmitir em todas as direções. Este tipo de solução não é muito utilizado em LMDS, devido ao baixo valor de S/I obtido. Normalmente, o HUB é dividido em setores, onde cada setor é atendido por uma única estação rádio base, utilizando antenas com ângulo de abertura apontando apenas na direção do setor. Figura 2.1: Arquitetura de rede LMDS A tecnologia LMDS foi desenvolvida para ser uma solução efetiva para o problema da última milha, o qual provê o acesso sem fio em alta velocidade. Esta arquitetura pode ser visualizada na figura 2.2, que consiste de 4 componentes principais: Centro de Gerência de Rede (CGR) Network Operation Center (NOC) contém equipamentos de gerência da rede, que permite administrar, configurar e monitorar as funcionalidades da rede. O sistema pode ser constituído por diversos GCR, interconectados por fibra óptica;

4 Aspectos Técnicos 20 Figura 2.2: Configuração típica de uma rede LMDS Backbone da rede forma a infra estrutura da rede e é constituída de centrais de comutação, sistemas de comutação IP e ATM, capazes de prover a interconexão entre provedores de serviço Internet e a rede de telefonia pública; Estação Rádio Base - ERB sistema de antenas com função de modulação e demodulação, capazes de transmitir e receber sinais do terminal do usuário; Terminal do Usuário - TU instalação no cliente, de antena diretiva para transmissão e recepção dos sinais. As vantagens da tecnologia LMDS, quando comparadas com os sistemas ópticos, podem ser resumidas em: baixos custos de instalação e manutenção; instalação e configuração simples; a instalação rápida facilita a recuperação do investimento; parte significativa do custo corresponde aos equipamentos do usuário. Com isso só existe realmente um aumento no custo efetivo com a entrada de novos usuários no sistema e conseqüentemente aumento na receita.

5 Técnicas de acesso Arquitetura da ERB A ERB é dividida em uma unidade interna, a qual se conecta a infra estrutura do backbone, e uma unidade externa, geralmente montada nos telhados dos edifícios ou no alto dos postes, o qual é responsável pela transmissão da onda eletromagnética em difusão. As ERBs podem ser de dois tipos: omnidirecional, uma única antena para cobertura geométrica de 360 ou setorizada com antenas específicas para cada setor. O planejamento de freqüências implica no uso de múltiplos transmissores e receptores. A técnica de setorização permite utilizar antenas com ângulos de 90, 45, 30 e 15, onde a célula de cobertura é dividida em 4, 8, 12 ou 24 setores respectivamente. Além disso, polarização alternada nos setores permite melhoria na relação sinal interferência. 2.4 Técnicas de acesso Sistemas de acesso sem fio em banda larga utilizam sempre uma ou mais das três metodologias de acesso básico: TDMA (Time Division Multiple Access) - múltiplo acesso por divisão no tempo; FDMA (Frequency Division Multiple Access) - múltiplo acesso por divisão em freqüência; CDMA (Code Division Multiple Access) - múltiplo acesso por divisão em código. A maioria dos sistemas LMDS utiliza TDMA e FDMA na comunicação entre o terminal do usuário e a estação rádio base. Na direção de descida, a maior parte dos sistemas utiliza TDM (Time Division Multiplex multiplexação por divisão no tempo). A figura 2.3 apresenta um esquema FDMA, no qual os usuários compartilham um acesso TDM no enlace de descida. No enlace de subida, cada usuário tem uma freqüência alocada na estação rádio base. Usuários que desejam a utilização de uma taxa de dados constante e simétrica, por exemplo uma conexão E3 (correspondendo a 480 canais de voz ou 32 Mbps), é recomendável o uso do FDMA, pois este usuário está

6 Esquemas de modulação 22 Figura 2.3: Acesso FDMA pagando para ter banda dedicada e constante. A estação rádio possui um demodulador exclusivo para este usuário. Já um usuário que deseja apenas uma porta para acesso à Internet, possui uma taxa de dados de subida menor do que a taxa de descida. Neste caso, recomenda se um sistema TDMA que pode ser compartilhado por outros usuários. A figura 2.4 ilustra um esquema de acesso misto, no qual o TDMA é utilizado por alguns usuários e o FDMA é utilizado por outros. Figura 2.4: Acesso misto FDMA e TDMA 2.5 Esquemas de modulação Os sistemas LMDS de banda larga sem fio geralmente utilizam métodos de modulação de fase PSK (Phase Shift Keying) ou modulação por quadratura em amplitude QAM (Quadrature Amplitude Modulation). O sistema LMDS oferece uma gama de tipos de constelações envolvendo modulação PSK ou QAM e que devem ser utilizados de acordo com o sistema a ser implantado, levando em conta a taxa de dados, o número de usuários, flexibilidade e o custo do sistema.

7 Capacidade 23 Esquemas de S/I [db] Eficiência Modulação para Espectral TEB = 10-6 [b/s/hz] QPSK 6,2 0,92 7,2 1,00 9,5 1,38 10,6 1,50 11,0 1,61 12,3 1,75 8PSK 9,3 1,84 12,5 2,30 9,8 1,84 16QAM 13,1 2,76 15,4 3,23 19,2 3,69 64QAM 17,5 3,69 25,5 5,53 256QAM 31,8 7,37 Tabela 2.1: Esquemas de modulação Cada sistema de modulação terá uma eficiência espectral dada em bits/segundos/hertz (b/s/hz). Quanto maior for esta eficiência espectral maior é o requisito da relação sinal interferência (S/I) para manter uma determinada taxa de erros de bits (TEB) máxima. Geralmente a TEB máxima recomendada é de Sistemas com baixa eficiência espectral requerem uma potência de transmissão maior, aumentando o custo do equipamento de potência (HPA) e introduzindo distorções não lineares. Outra conseqüência da baixa eficiência espectral é gerar múltiplas amplitudes nas constelações, ocasionando flutuações no sinal. O sistema também se torna mais sensível às interferências co canais (CCI)[5]. A figura 2.5 representa a eficiência espectral máxima em função da relação sinal interferência obtida para a taxa de erros de bits de 10 6 utilizando os valores da tabela de modulação Capacidade A capacidade do hub depende da técnica de acesso escolhida. Quando se deseja altas taxas de transmissão, o FDMA é a melhor escolha. Para calcular a capacidade do usuário, é necessário o valor da relação sinal interferência no terminal. A partir deste valor de sinal interferência, é

8 Capacidade 24 Figura 2.5: Eficiência espectral obtida em função de S/I para uma taxa de erros de bits de 10 6 determinado na tabela 2.1 o esquema de modulação que permite obter a máxima eficiência espectral. O cálculo de capacidade do sistema depende da largura de banda alocada, da eficiência espectral obtida, dos fluxos serem simétricos ou assimétricos e principalmente do fator de reuso de freqüências. B setor = B ω r [MHz] (2-1a) d = downlink uplink (2-1b) B downlink = d B setor (d + 1) [MHz] (2-1c) B uplink = B setor (d + 1) [MHz] (2-1d) onde N canaisdownlink = B downlink b B setor é a largura de faixa por setor; (2-1e) B ω é a largura de banda do sistema alocada para a operadora LMDS; r é o fator de reuso de freqüências utilizado; d é um fator adimensional, diferente de 1 em sistemas com taxas assimétricas;

9 Capacidade 25 B downlink é a largura de banda na direção do fluxo de downlink; B uplink é a largura de banda na direção do fluxo de uplink; N canaisdownlink N canaisuplink é o número de canais na direção de downlink; é o número de canais na direção de uplink; b é a largura de banda de cada canal; A taxa máxima alcançada pelo terminal do usuário é: R = b η [bps] (2-2) onde η é a eficiência espectral segundo a tabela 2.1. A capacidade por setor é determinada pela equação (2-2) e pelo número de canais no setor (2-1e): A capacidade por célula é dada por: C setor = RN canaisdownlink (2-3) C célula = C setor r [Mbps] (2-4) O cálculo do número de usuários que podem ser atendidos em um setor são realizados relacionando as equações (2-1a) e (2-1b): N usuários = B setor (d + 1)b (2-5) Como exemplo, para uma largura de faixa de 1000 MHz com fator de reuso de freqüência igual a 2, setorização quádrupla e taxas simétricas; o sistema LMDS proverá 500 MHz totais por setor, ou seja, 250 MHz para cada direção do enlace. Considerando a modulação 16-QAM com uma relação S/I de 19,2 db, que possui uma eficiência espectral de 3, 69 bps/hz, e assumindo que cada usuário utiliza enlaces FDMA de 5 MHz, permitindo a alocação de 50 canais na faixa de 250 MHz, tem-se 18, 45 Mbps por usuário, uma capacidade de taxa de transmissão por setor de 922, 5 Mbps e uma capacidade de taxa de transmissão por célula de 3, 69 Gbps. A capacidade de taxa de transmissão nos sistemas TDMA é de cerca de 80% da encontrada nos sistema FDMA, em função dos cabeçalhos associada ao controle do sistema. Entretanto, caso o objetivo seja servir muitos usuários com baixas taxas de transmissão, os sistemas TDMA são a

10 Capacidade 26 melhor solução. Cada canal TDMA de 5 MHz pode prover aproximadamente 80 conexões simultâneas, para um total de = 4000 usuários por setor.