Capa Redes de Acesso à Internet Móvel Perspectiva dos operadores móveis Sonaecom Engenharia de Acesso Rádio Tecnologias Wireless Leiria, 3 de Maio de 2006 Sonaecom EAR / TW I David Antunes I 03/Maio/2006
Índice 1. Introdução: crescimento do tráfego de dados e perspectivas 2. Tecnologias de acesso rádio 3. UMTS FDD R99 4. HSDPA 5. UMTS TDD 6. WiMAX 802.16e 7. Roadmap 8. Evolução regulatória 9. Conclusão
Optimus PORTUGAL População: 10,8 milhões Área: 92 080 km 2 Penetração telefones celulares: ~100% OPTIMUS GSM/GPRS/UMTS Lançamento 1998, quota de mercado ~22% 89 nós rede core ~2200 sites Lançamento UMTS: Junho 2004; Serviço Kanguru: flat rate até 384kbps (10GB) lançado em Set. 2005 3
Explosão do tráfego de dados REDE FDD WCDMA R99 No lançamento do UMTS, tráfego era predominantemente devido a voz O lançamento do Kanguru mudou drasticamente esta tendência Data Volume KANGURU Presentemente, os dados predominam claramente sobre a voz Volume de tráfego predominantemente devido a acesso à Internet através do terminal móvel (HTTP, P2P) Time Downlink Uplink 4
Operador e Utilizador: Diferentes Perspectivas O QUE DESEJAM OS OPERADORES? Tecnologias standard, suportada pelos vários fornecedores Disponibilidade e visibilidade sobre evolução Eficiência espectral e capacidade CAPEX & OPEX reduzidos Economia de escala (redução de custos de rede e de terminais) O QUE DESEJAM OS UTILIZADORES? Cobertura indoor Mobilidade/portabilidade, ubiquidade Velocidade Interactividade / latência reduzida Baixo custo 5
Tecnologias de Acesso Rádio 6
Limitações Técnicas UMTS FDD R99 Previsível crescimento (já uma realidade) do tráfego de dados, com uma mistura de diversos serviços com diferentes requisitos de Qualidade Em R99 existem alguns canais adequados para requisitos específicos de tráfego (e.g. FACH) mas com eficiência espectral reduzida. Algoritmos de channel switching permitem melhorar acessibilidade e eficiência na atribuição de recursos vs. necessidades mas ainda aquém do desejado e com impacto ao nível do utilizador (e.g. temporizadores associados à comutação de canal) As variações no ritmo de dados oferecido são efectuadas através de spreading factors variáveis, com uma gama dinâmica reduzida para tráfego bursty As implementações existentes para o controlo de potência no downlink têm gamas dinâmicas reduzidas (~30 db), não explorando o limite de Shannon no centro das células Tráfego bursty requer maior interactividade e melhor desempenho de scheduling através do uso de tramas mais reduzidas TRÁFEGO ASSIMÉTRICO REQUER A EXISTÊNCIA DE UM CANAL PARTILHADO DE ALTO DÉBITO QUE PERMITA RÁPIDO SCHEDULING DE UTILIZADORES 7
Melhorias HSDPA R5 vs R99 Canal comum: em R99, canais dedicados e canal partilhado de baixo débito SF fixo 16 Modulação (QPSK e 16-QAM) e codificação adaptativas (AMC) Sem controlo de potência rápido: eficiência dos PA garantida através de AMC L1 H-ARQ: mais eficaz do que o ARQ simples de R99 mas requer implementações mais complexas nos terminais (memória) Multi-código: R5 permite utilização simultânea de 1 a 15 códigos, em R99 não há implementações com mais do que 1 código TTI: reduzido de 10ms (R99) para 2ms (R5), garantindo latência mais reduzida MAC ao nível do nó-b: retransmissões mais rápidas, reduzindo a latência e AMC mais rápido 8
Drivers HSDPA e Terminais 2 drivers principais: Utilizador final: bit rate > 384kbps, experiência ADSL com mobilidade Operadores: optimização do investimento FDD, maior capacidade Melhoria da experiência do utilizador com HSDPA: DL bit rate até 14.4 Mbps, UL bit rate desde 64kbps até 384 kbps (PHY) Latência reduzida para 1 / 3 a 1 / 2 da experiência de FDD (~150ms) Terminais: Cat. 12 já disponível Cat. 5/6 expectáveis em meados 2006 Cat. 7/10 não anunciadas 9
Limitações e Restrições do HSDPA Limitações no UL: Protocolo TCP obriga a elevada frequência de ACK/NACK no UL devido aos altos débitos no DL Cada vez maior necessidade de UL rápido, devido a e-mail e aplicações P2P Disponibilidade HSUPA prevista apenas para 2007 Necessário aumentar débito no UL, com impacto na densidade de sites Partilha potência HSDPA vs. R99 no DL: Canais de controlo comuns consomem ~25% potência Compromisso entre desempenho HSDPA e R99 Necessário upgrade de PAs, frequências e sites 10
Evolução HSDPA MIMO Multiple Input Multiple Output Melhor diversidade Tx/Rx, melhorando qualidade do canal rádio Requer maior complexidade, sobretudo na implementação dos terminais HSUPA High Speed Uplink Packet Access: UL parecido com HSDPA mas baseado num canal dedicado melhorado (E- DCH) de ritmo variável e rápida adaptação de modulação e codificação Benefícios mais reduzidos do que com HSDPA devido a limitações de potência nos terminais Terminais HSUPA: Inicialmente cat. 1 a 3 Bit rate inicial até 1.46 Mbps Latência reduzida para ~50ms 11
UMTS TDD Trial comercial Cobertura: Urbano Denso até ~400m, Urbano até ~600m e Suburbano até ~800m Desempenho: ~2.3 Mbps no DL e ~0.85 Mbps no UL Latência inferior a 150ms (85ms medidos) Terminais: Cartas PCMCIA, semelhantes às existentes para HSDPA Tecnologia standard : UMTS TDD; Banda: 5 MHz (FDD requer 5 + 5 = 10 MHz) Limitações: Falta de suporte por parte dos principais fornecedores Chipset TDD/FDD ainda não disponível para equipamentos terminais 12
WiMAX (802.16) Arquitectura de rede Rede de Acesso: Estações de base e CPEs (Customer Premises Equipment) Perspectiva all-ip Estações de Base: Sectores 4x90º 802.16d (2x3.5 GHz canais/sector - FDD) Sectores 3x65º para 802.16e (banda variável - TDD). CPEs: Conectividade Ethernet, VoIP, WiFi Hotspot CPEs são estáticos para 802.16d e portáteis para 802.16e 13
Características WiMAX (802.16e) Método de acesso múltiplo: sofdma Larguras de banda suportadas: 1.25 / 2.5 / 5 / 10 / 20 MHz Modulações suportadas: QPSK, 16-QAM e 64-QAM Dimensão FFT possíveis: 128 / 256 / 512 / 1024 / 2048 Espaçamento entre portadoras: 11.2 khz para qualquer largura de banda Duplexing: TDD no início, FDD / HD FDD também especificados Duração trama: 2 / 2.5 / 4 / 5 / 8 / 10 / 12.5 / 20 ms Funcionalidades suportadas: H-ARQ Sub-canais no UL e DL MIMO e AAA (Adaptive Antenna Arrays) Handover entre estações CARACTERÍSTICAS DO WiMAX PODERÃO SER ADOPTADAS PELO 3GPP PARA IMPLEMENTAÇÃO NUM FUTURO SISTEMA DE 4ª GERAÇÃO 14
OFDM (1) Um sinal OFDM baseia-se em múltiplas portadoras de banda reduzida: Um sinal de alto débito é dividido em N sub-sinais de débito reduzido Cada um dos sub-sinais resultantes modula uma portadora sendo que as diferentes portadoras são ortogonais entre si Os sinais resultantes são adicionados e o sinal resultante é transmitido 15
OFDM (2) Um sinal OFDM tem claras vantagens em canais selectivos na frequência: Num sinal QPSK de banda larga e portadora única, um canal que propicie uma má resposta em torno de uma dada frequência pode fazer perder todo o sinal Para um sinal OFDM no mesmo canal, apenas se perdem as sub-portadoras em torno dessa frequência, minimizando o impacto do fading SINAL QPSK SINAL OFDM 16
OFDM (3) Um sinal OFDM beneficia ainda da introdução do Cyclic Prefix : Devido às reflexões, o mesmo sinal pode ser recebido de forma múltipla no receptor, embora com atenuações e atrasos diferentes ( fast fading ) Este fenómeno origina interferência inter-simbólica, com diferentes símbolos a colidirem uns com os outros A introdução de um prefixo antes de cada símbolo com duração conforme o perfil de atraso típico permite minimizar esta interferência 17
WiMAX vs CDMA OFDM garante benefícios de capacidade quando comparado com CDMA: Desempenho da ligação rádio melhorado Ganhos mais significativos para relações sinal-ruído espalhamentos de atrasos elevados mais altas e 10 0 16-QAM, r =1/2 64-state Conv. Code, 100% Loading 10-1 CDMA s/ RAKE Decoded BER 10-2 10-3 OFDM CDMA c/ equalização temporal 10-4 8 10 12 14 16 18 20 C/I (db) Fonte: Motorola s NGN View, 2006 18
Comparação Tecnologias Acesso Rádio (1) 19
Comparação Tecnologias Acesso Rádio (2) 20
Comparação Tecnologias Acesso Rádio (3) 21
Roadmap Rede HSDPA & WiMAX 22
Roadmap Terminais HSDPA & WiMAX HSDPA: PC Cards já disponíveis WiMAX: CPEs Residencial, USB, antena de 2 dbi (antena externa opcional com 10 dbi) já disponível 23
Evolução Regulatória (1) ESPECTRO Possibilidade de banda nos 2.5GHz ser reservada para o IMT2000, o que poderá limitar uso do 802.16e A banda dos 3.5GHz não está harmonizada (FWA) e a sua regulação encontra-se em análise pelas entidades regulatórias Possibilidade de futuramente se adoptar uso agnóstico do espectro ESPECIFICAÇÕES Com excepção do TDD, todas as outras tecnologias estão presentemente disponíveis em vários fornecedores e baseadas em standards globalmente aceites A certificação WiMAX (802.16e) só foi recentemente fechada e os primeiros equipamentos deverão estar disponíveis em 2007/2008 3GPP em fase de análise relativamente à evolução do 3G: adopção de sistema baseado em OFDM é uma hipótese 24
Evolução Regulatória (2) Especificações 25
Conclusão 1. Tendência clara para crescimento do tráfego de dados 2. UMTS FDD R99 não é suficiente para responder às necessidades dos utilizadores e apresenta limitações técnicas 3. Evolução para HSDPA é imperativa, garantindo melhor qualidade de serviço ao utilizador e melhor eficiência para o operador 4. Tecnologia WiMAX (802.16e) deverá oferecer débitos ainda maiores do que HSDPA mas encontra-se ainda numa fase embrionária 5. Tendência para uma convergência técnica entre tecnologias UMTS e 802.16, com adopção do OFDM como standard futuro Título da Apresentação I Direcção I Autor I Data 26