Projeto Repetidor Indoor: Conceitos e Recomendações

Projeto Repetidor Indoor: Conceitos e Recomendações Este tutorial apresenta conceitos e características de um projeto de Repetidor Celular Indoor (interno) para redes celulares que utilizam a tecnologia GSM, considerando as características do Brasil. Fernando Lopes Cavalcante Sales Graduado em Engenharia Industrial Elétrica com ênfase em Telecomunicações pelo Centro Federal de Educação Tecnológica do Rio de Janeiro - CEFET/RJ (2004). Iniciou sua carreira em 2003 no setor de Implementação de Rede da TIM Celular S.A. mais particularmente na instalação de sistemas irradiantes de sites outdoor s e indoor s, dimensionamento de capacidade de energia para sites e implementação de equipamentos em centrais celulares. Em 2005 passou a área de Engenharia de Projetos de Rádio Freqüência dentro da mesma empresa, onde está atualmente, função na qual ficou responsável pelo planejamento de projetos outdoor s e indoor s, em especial os projetos de repetidores celulares. Email: fernando.lopes@click21.com.br Categoria: Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 06/11/2006 1

Repetidor Celular Indoor: Introdução O objetivo deste tutorial é mostrar as vantagens e aplicações de repetidores celulares na Rede GSM, dando ênfase principalmente para as razões que levam a utilização desses equipamentos e para as premissas utilizadas quando da realização de um projeto indoor, entre outros fatores que possam agregar algum tipo de conhecimento. O uso de repetidores para projetos indoor vem aumentando consideravelmente nos últimos anos. O aumento do número de Shoppings Centers e de Edifícios Comerciais tem gerado uma demanda maior do que a prevista pelas operadoras de telefonia celular, isto é, por se tornarem locais obstruídos o nível de sinal dos mesmos é bastante insatisfatório, levando então as operadoras a ter de prover uma solução técnica para este problema. Áreas de sombra geradas por obstruções, grandes edifícios sem visada direta para o site e a grande demanda das operadoras por qualidade de sinal, para que possam cada vez mais agregar serviços aos seus planos corporativos, são alguns pontos que levam os Engenheiros de Projetos de RF a utilizarem soluções especiais (indoor) para atendimento de demandas pontuais. Com o aumento na oferta de serviços na telefonia celular, é primordial que além de termos bons níveis de cobertura tenhamos boa qualidade de sinal. Logo, a utilização de repetidores para equalizar os níveis de sinal dentro dos estabelecimentos e prover a qualidade necessária para utilização dos recursos hoje existentes na telefonia celular (tais como: GPRS e EDGE) se torna a melhor solução, avaliando-se principalmente a relação custo x benefício alcançada. Figura 1: Exemplos de Repetidores Celulares Indoor. 2

Repetidor Celular Indoor: Rede GSM Uma rede GSM é composta por várias entidades com funções e interfaces específicas. A rede GSM pode ser dividida em três partes: a estação móvel, a estação de subsistema base, e o subsistema da demonstrado na figura seguinte. SIM Subscriber Identity Module BSC Base Station Controller MSC Mobile services Switching Center ME Mobile Equipment HLR Home Location Register EIR Equipment Identity Register BTS Base Transceiver Station Estação Móvel VLR Visitor Location Register AuC Authentication Center Figura 2: Rede GSM. Corresponde ao equipamento móvel (terminal) e um cartão inteligente designado de SIM. O cartão providencia mobilidade pessoal, de tal forma que o assinante consegue ter acesso aos serviços subscritos independentemente do terminal utilizado, isto é, ao inserir o cartão SIM num terminal diferente, o assinante pode usufruir dos serviços a partir desse terminal. O cartão SIM tem uma identificação única mundial (IMSI ), assim como o terminal (IMEI ). Estes códigos são independentes permitindo uma maior mobilidade e uma segurança pessoal contra o uso não autorizado. 3

Figura 3: Estação Móvel (Mobile Station). Subsistema Rádio Base Este subsistema encarrega-se do controle de ligação rádio com a estação móvel. É dividido em duas partes: a estação rádio base de transmissão (BTS) e a estação rádio base de controle (BSC). A comunicação entre estas duas estações é realizada através da interface standard Abis, permitindo (como no resto do sistema) a operação entre componentes realizada por diferentes fornecedores. A BTS aloja os receptores-transmissores rádio que definem a célula e suportam os protocolos de ligação rádio com a estação móvel. Numa grande área urbana a quantidade de BTS s deverá existir em maior número. A BSC gerência os recursos para uma ou mais BTS's, tais como, configuração dos canais rádio, saltos de frequência e transição entre células (hand-off). A BSC realiza a conexão entre as estações móveis (celulares) e o centro de comutação móvel (MSC). O Subsistema Rede O seu principal componente é o MSC, que se encarrega de fazer a comutação de chamadas entre estações móveis ou entre uma estação móvel e um terminal fixo. Comporta-se como um nó de comutação de PSTN ou ISDN, e adicionalmente providencia toda a funcionalidade necessária para o tratamento de um assinante móvel, realizando o registro, autenticação, atualização da localização, transição entre células (Hand-off) e gerenciando um assinante em roaming. Estes serviços são providenciados em conjunto com várias entidades funcionais que juntas formam o subsistema rede: MSC, HLR, VLR, EIR, AuC. O HLR, o VLR e o MSC, em conjunto providenciam as capacidades de roaming do GSM. O HLR (Home Location Registrer) contém toda a informação administrativa de todo o assinante registrado na correspondente rede de GSM, juntamente com a localização da estação móvel. A localização da estação móvel está geralmente na forma do endereçamento do VLR (Visitior Locantion Registrer). As informações fornecidas pelo VLR, são necessárias para controlar a chamada e providenciar os serviços de cada assinante, situada dentro de uma determinada área de controle. Outros dois registos são usados para segurança e autenticação. O EIR é uma base de dados que contém listagens de todos os equipamentos móveis válidos na rede, onde todas as estações móveis são identificadas pelo IMEI. Um IMEI é considerado como inválido se declarado como roubado ou incompatível com a rede. O AuC é uma base de dados protegida que guarda uma cópia do código de cada SIM, que é usado para autenticar e encriptar através do canal de rádio. 4

Figura 4: Rede GSM, HLR, VLR. Codificação de canal e voz A voz em GSM é codificada digitalmente a uma taxa de 13 Kbit/s (260 bits cada 20 ms). Com a adição posterior de código para a correção de erros, passamos a ter uma taxa de 22.8 Kbit/s (456 bits cada 20 ms). Estes 456 bits são divididos em 8 blocos de 57 bits, e o resultado é envio de 8 slots de tempo sucessivos, para proteção contra erros de transmissão. Cada envio tem 156.25 bits e contém 2 blocos de 57 bits, e uma sequência de treinamento de 26 bits usada para equalização. Cada envio é transmitido em 0.577 ms para uma taxa total de 270.8 Kbit/s, e é modulada usando GMSK numa portadora de 200 khz. O controle de erro e equalização contribuem para a robustez do sinal rádio contra interferência e atenuação na transmissão. A natureza digital do sinal TDMA permite a utilização de vários processos para melhorar a qualidade de transmissão, o tempo de vida útil da bateria, e a eficiência espectral. Outra característica do GSM é o controle de potência, que minimiza a potência de transmissão das estações móveis e da BTS, e assim minimiza a interferência gerada nos canais e o consumo. O sistema GSM e os sistemas nele baseados, DCS1800 (operando a 1.8 GHz) e PCS1900 (operando a 1.9 GHz), são uma primeira aproximação para um sistema de comunicação verdadeiramente pessoal. O cartão SIM trouxe mobilidade pessoal e mobilidade para o terminal. Junto com o roaming internacional e o suporte a uma grande variedade de serviços tais como voz, transferência de dados, fax, SMS, e outros, o GSM chega próximo de uma satisfação total das necessidades de comunicação pessoal. Assim sendo esta virá a ser usada como base para o projeto UMTS. Outra característica a salientar no GSM será a compatibilidade com o ISDN. 5

Repetidor Celular Indoor: Fundamentos Os projetos de rádio freqüência de uma rede celular são feitos atentando-se para alguns fundamentos importantes, que são abordados a seguir. Tipo de ambiente Os ambientes para a realização de um projeto de RF podem ser divididos em 3 tipos: Urbano densamente populoso (grandes centros); Suburbano (poucos edifícios, em sua grande maioria residências); Rural (poucas casas). Nos grandes centros os projetos são baseados, além das premissas de cobertura, em alguns pontos como demanda de tráfego e melhoria da qualidade de voz e dados, pois como os locais são na sua maioria ocupados por grandes edifícios algumas áreas de sombra podem existir levando a projetos de menor proporção, ou seja, projetos de repetidores para resolução de problemas pontuais de cobertura e/ou qualidade de voz e dados. Grandes centros e aglomerados de edifícios levam a quedas bruscas de níveis de sinal. Abaixo seguem alguns tipos de materiais e em quanto os mesmos atenuam a propagação das ondas eletromagnéticas: Tabela 1: Atenuação devida a edificação e seus materiais. Edificação Galpão em área aberta Casa em região suburbana Edifício comercial em região suburbana Edifício comercial em região urbana Atenuação (db) / Material De: 0,4 (madeira) Até: 29 (ferro corrugado / janela de metal) De: 3 (madeira) Até: 12 (cobertura sobre folha metálica isolante) 13 (vários) De: 11 (vários) Até: 19 (concreto e vidro) Logo com base nessas atenuações descritas acima, nem sempre os projetos ditos outdoors conseguem prover um serviço de boa qualidade dentro de edifícios comerciais, Shoppings centers, Restaurantes, Clientes corporativos, entre outros casos; fazem parte dos projetos que são o alvo deste estudo, os projetos de repetidores celulares da Rede GSM. Terminologia Abaixo serão definidos alguns termos que utilizaremos nas próximas seções para melhor entendimento: Bandas atuais do GSM A operação do GSM foi dividida em três faixas de freqüências: 6

Repetidor de Banda Seletiva DCS 1800MHz GSM 900MHz PCS 1900MHz de 1710MHz a 1785MHz - Uplink de 1805MHz a 1880MHz - Downlink de 880MHz a 915MHz - Uplink de 925MHz a 960MHz - Downlink de 1850MHz a 1910MHz - Uplink de 1930MHz a 1990MHz - Downlink Tabela 2: Faixas de freqüências GSM. Um repetidor é dito de banda seletiva quando o mesmo apresenta a propriedade de repetir uma banda de freqüências previamente definidas, sem definição exata de quais ERB s o mesmo irá repetir. Exemplo: Se o repetidor for da operadora TIM o mesmo será configurado para que repita as freqüências: Downlink: 1835 1850MHz; Up-Link: 1740 1755MHz. A potência de saída deste equipamento será limitada pela quantidade de portadoras que o mesmo estará repetindo, ou seja, quanto mais portadoras menor será a potência de saída. O equipamento normalmente vem configurado para repetir sinais de ERB s que tenham no mínimo um nível de chegada de -90dBm. Repetidor de Canal Seletivo Figura 5: Repetidores de Banda Seletiva. Já neste caso o equipamento tem como característica repetir o sinal da ERB que melhor convém ao projetista, ou seja, pode ser escolhido tanto o melhor servidor quanto o segundo melhor ou outros. A grande vantagem deste tipo de equipamento é o ganho de potência, já que repetirá poucas freqüências, e o poder de escolher a ERB com a melhor qualidade de sinal para seu projeto. 7

Figura 6: Repetidor Canal Seletivo. BTS Doadora A BTS definida como doadora será a ERB que fornecerá para o repetidor o sinal que posteriormente será repetido, ou seja, trata-se do sinal de uma ERB outdoor que chega a localidade onde será feito o projeto indoor, e que será coletado por uma antena e levado até o equipamento. Link Budget É o cálculo teórico feito para sabermos quanto de potência teremos em nossas antenas, a fim de analisarmos se será suficiente ou não para provimento de cobertura no ambiente em questão, ou seja, o link budget fornece a máxima perda de percurso permitida. São levados em consideração fatores como: nível de sinal de entrada, ganho da antena coletora, ganho do equipamento, ganho da antena que emitirá o sinal, perda em conectores e jumpers, perda em elementos passivos como splitters, tappers, entre outros, e perdas nos cabos que irão levar o sinal do equipamento até as antenas. Com relação aos elementos passivos temos: Isolação Splitters 1:2, splitters 1:3, splitters 1:4, ou seja, elementos que dividem o sinal em 2, 3 ou 4 vezes e cada um com sua perda característica; Tappers dividem o sinal de forma diferenciada, ou seja, podem definir para onde será a maior ou a menor perda; Cabos: são usado alguns tipos de cabos que são definidos pelas suas bitolas. Os mais usados em instalações de projetos GSM são: cabo de 1/2, cabo de 7/8, cabo de 1.5/8 e cabo de 1.1/4, sendo que cada um tem as suas respectivas perdas características. É a diferença entre a potência recebida e transmitida pelo equipamento repetidor. Deve ser respeitada a diferença mínima de 15 db de isolação, isto é, deve-se evitar que a antena coletora do sinal do repetidor fique próxima das antenas que irradiarão o sinal amplificado de modo a evitar a realimentação do sistema. Repetidores Atualmente o mercado oferece basicamente três tipos de equipamentos repetidores: Baixa Potência 8

(13dBm), Média Potência (27dBm) e Alta Potência (< 30dBm). Os equipamentos de baixa e média potência são repetidores de banda seletiva, ou seja, irão repetir toda banda previamente definida pela operadora que irá adquiri-lo; Já o equipamento de alta potência pode ser encontrado como banda Seletiva ou Canal seletivo. Abaixo segue quadro comparativo com as vantagens e desvantagens dos equipamentos de banda seletiva e canal seletivo bem como suas aplicações: Equipamento Baixa Potência Média Potência Alta Potência Tipo de Repetidor Banda seletiva Banda seletiva Banda seletiva Canal seletivo Vantagens Desvantagens Aplicações Utilização frequency hopping Utilização frequency hopping Utilização frequency hopping Alta potência Potência limitada pela quantidade de portadoras que serão repetidas Potência limitada pela quantidade de portadoras que serão repetidas Potência limitada pela quantidade de portadoras que serão repetidas Não utilização no frequency hopping Pequenos estabelecimentos, projetos até 3 antenas. Médios estabelecimentos, projetos entre 4 e 10 antenas. Grandes estabelecimentos, projetos entre 10 e 20 antenas. Grandes estabelecimentos, projetos entre 10 e 20 antenas. Como mostrado acima, os equipamentos de banda seletiva e canal seletivo têm suas potências limitadas pelo número de portadoras que serão repetidas, ou seja, quanto maior for o número de portadoras, menor será a potência de saída. 9

Repetidor Celular Indoor: Recomendações de Projeto Premissas para um Projeto de Repetidor Indoor Algumas premissas devem ser seguidas na elaboração de um projeto indoor: Devem ser solicitados testes na localidade a fim de avaliar os níveis de sinal internos e externos; Deve se atentar para o fato dos repetidores de média e baixa potência trabalharem baseados no ganho e, por isto, um de sinal nível ruim na recepção acarretará num nível de saída também não satisfatório; O problema de isolamento deve ser considerado em projetos onde antena coletora e doadora tem certa proximidade. Deve ser respeitado um valor maior de 15 db entre a antena coletora e doadora, salvo nos projetos onde são utilizados equipamentos com módulo ICE (equipamento que garante um ganho igual a margem). Esta isolação normalmente é conseguida devido as obstruções do ambiente indoor. A isolação pode ser calculada pela fórmula: Onde: PTX = potência transmitida (0 dbm); L CT= perdas nos cabos de teste; P m= potência medida. Isolação = PTX - L CT + P m Planejamento de um Projeto Indoor Figura 7: Projeto típico indoor de um edifício comercial. Um projeto indoor deve seguir os seguintes passos: 1 Passo: Testes de níveis de cobertura para verificação de quais pontos deverão ser mais beneficiados com os níveis de cobertura; 2 Passo: Vistoria no local para verificar a viabilidade da instalação de um projeto de repetidor, pois algumas vezes os níveis outdoors são ruins e impossibilitam a instalação de repetidores, até mesmo os de canal seletivo; 3 Passo: Dimensionamento de antenas no local a fim de que o projeto possa prover cobertura 10

satisfatória em toda localidade; 4 Passo: Realização do unifilar, de modo a definir que elementos passivos ou ativos serão utilizados no sistema, de modo a obtermos o menor número de perdas; 5 Passo: Realização do link budget para saber se o projeto é viável ou não, e se viável que tipo de equipamento será utilizado; 6 Passo: Confecção do projeto; 7 Passo: Obra; 8 Passo: Ativação e testes de cobertura. Dimensionamento de Antenas Atualmente são utilizados dois tipos de antenas para projetos indoors: Antenas diretivas e Antenas Omnis. No mercado temos antenas painéis de 7Dbi,11dBi e 13dBi, já as antenas omnis são de 2dBi ou 4dBi. Para o caso da antena que coletará o sinal para o repetidor temos alguns modelos com suas respectivas aplicabilidades: Antena Yagi: antena diretiva com alto ganho, própria para projetos grandes que necessitem de muita potência; Antena Painel 11dBi: antena pouco diretiva de ganho médio, própria para projetos pequenos e médios; Antena Parabólica 18dBi: antena diretiva de alto ganho, também própria para projetos grandes que necessitem de muita potência. A propagação destas antenas varia de acordo com o ambiente a ser coberto e sua localização. Deve-se tomar o cuidado para evitar a obstrução do lóbulo principal das mesmas, a fim de que não existam áreas de sombra no projeto. O correto posicionamento das antenas é primordial para um bom funcionamento do projeto. A antena painel (7dBi, 11dBi ou 13dBi) é utilizada em locais como corredores, salas de grande dimensões, garagens, ou seja, em locais onde se queira alcançar uma grande área de cobertura sabendo que quanto mais distante da antena menor será nossa potência e que os lóbulos laterais da antena têm pouco alcance de cobertura. A antena omni (2dBi ou 4dBi) é utilizada em locais onde queremos uma distribuição uniforme do sinal, ou seja, em pequenas salas, corredores com salas em lados opostos que possuam pequena dimensão, entre outras aplicações. Na escolha da antena coletora devemos levar em consideração primeiramente qual o ganho que será satisfatório para nosso projeto e, após esta escolha, deveremos direcionar corretamente a mesma para a ERB mais próxima do local, de modo a evitar propagações multipercurso e obstruções que seriam prejudiciais ao bom funcionamento do projeto. 11

Omni Painel Yagi Figura 8: Tipos de antenas. Parabólica Telesupervisão Após ativação dos novos elementos de rede (repetidores) é fundamental que os mesmos estejam sendo monitorados pelo Centro de Gerência de Rede da operadora celular, pois na maioria dos casos estes equipamentos estão instalados em Shoppings Centers, Clientes corporativos ou Pontos de Revenda da Operadora, de modo que um mau funcionamento do equipamento acarretará numa cobertura de sinal ruim na localidade, ocasionando reclamações e uma propaganda ruim para a mesma, pois pior que não ter cobertura em uma localidade é você prover a mesma e após um tempo deixá-la de ter ou prover um serviço de má qualidade. Os equipamentos de Média e Alta Potência fornecidos pelo mercado têm como opcional a telesupervisão dos mesmos, trata-se de um Modem GSM integrado que reporta para o software de gerência (normalmente proprietário) as falhas que por ventura possam existir, além disso os equipamentos podem ser reconfigurados remotamente através do próprio software de gerência, isto é, alterando-se ganho, freqüências repetidas, nome da localidade, entre outras funções que são de grande utilidade para a operadora pois em muitos casos não necessita enviar um técnico a campo para efetuar esta medidas. No caso dos equipamentos de baixa potência é que encontramos um grande problema, atualmente apenas um fabricante (diga-se de passagem que é nacional) possui como opcional um módulo de telesupervisão eficaz. Na maioria dos casos esses equipamentos são instalados em Pontos de Venda e em pequenos, mas importantes, Restaurantes, o que num caso de falha só saberemos da ocorrência através de reclamações dos clientes, o que gera um desgaste do nome da operadora. As falhas que normalmente são reportadas por estes equipamentos de baixa potência são: Falha de AC; Falha de Fonte; Alarme de VSWR; Sub-tensão. Esses módulos de supervisão têm como opcional a versão com o protocolo SNMP que facilita na integração aos sistemas já existentes das operadoras, como por exemplo HP Openview, OSS, entre outros. Em resumo, os repetidores são equipamentos simples mas muito importantes para um bom serviço de cobertura da operadora, que devem ter esta monitoração a fim de garantirmos um serviço de qualidade para 12

nossos clientes. Figura 9: Equipamento de telesupervisão de Repetidores de Banda Seletiva. 13

Repetidor Celular Indoor: Considerações Finais Com base no que foi descrito anteriormente, um projeto indoor utilizando repetidores celulares deve seguir um raciocínio básico e alguns simples passos em sua confecção. Resumindo, devemos ter ciência que o nível do sinal a ser coletado não deve ser muito baixo (> -85dBm, na prática), a fim de podermos trabalhar bem o link budget de forma a escolher o tipo de equipamento mais adequado a ser usado (Baixa, Média ou Alta potência) no projeto e, adicionalmente, escolher também os elementos passivos mais indicados (splitters, tappers, e etc.). Para o caso de equipamentos de baixa e média potência devemos atentar ao fato de que o equipamentos trabalham baseados no ganho e na potência máxima de saída. Com isso quanto mais portadoras forem repetidas menor será a potência de saída do equipamento. A escolha da antena coletora deve ser precisa afim de ter uma maior EIRP em nosso link budget. Por fim, a utilização de telesupervisão em todos os equipamentos repetidores é essencial para o perfeito funcionamento da planta, pois não podemos esquecer que um repetidor com mau funcionamento leva a uma ERB com acessibilidade degradada, e uma cobertura ruim de um ponto notável leva a uma visão ruim por parte dos clientes da operadora em questão. Referências Curso BSS Overview MN1790. Academy, Siemens; 2003. GSM Networks - Protocols, Terminology and Imp - www.cellular.co.za. www.wirelessbrasil.org. 14

Repetidor Celular Indoor: Teste seu Entendimento 1. Assinale a alternativa Falsa: Num repetidor de Banda Seletiva é possível escolher qual canal será repetido. O repetidor de banda seletiva é configurado com a faixa de freqüência da operadora que estará implantando o mesmo. Os repetidores de baixa potência são de banda seletiva. Os equipamentos de Alta potência podem ser de banda seletiva ou canal seletivo. 2. Assinale a alternativa Verdadeira: Independe do sinal de entrada a potência de saída do equipamento repetidor. A telessupervisão é um item obrigatório na aquisição de um equipamento repetidor. O problema de isolação deve ser considerado onde temos antenas coletora e doadora com certa proximidade, o valor de 15dB de isolação é suficiente para o bom funcionamento do equipamento. A potência de saída de um repetidor de Banda Seletiva não depende da quantidade de portadoras que serão repetidas. 3. Assinale a alternativa Verdadeira: São duas as faixas de freqüências licenciadas para o GSM. A antena Yagi tem como propriedade ser pouco diretiva. No cálculo do Link Budget, devem ser considerados apenas os elementos ativos do sistema. A BTS doadora é o equipamento que fornece o sinal e recebe as informações oriundas do repetidor. 15