FELIPE KURPIEL JOSÉ GABRIEL JOSÉ DE AZEVEDO

ANÁLISE DE COBERTURA PARA O CANAL DE

RETORNO DA TELEVISÃO DIGITAL EM CURITIBA COM WIMAX 700

CURITIBA 2008

Projeto de Graduaçãoapresentado como requisito àconclusão do Curso deGraduação em EngenhariaElétrica, do Setor de Tecnologiada Universidade Federal doParaná. Orientador: Prof.º Evelio MartínGarcía Fernández - Dr.

ANÁLISE DE COBERTURA PARA O CANAL DE RETORNO DA TELEVISÃO DIGITAL EM CURITIBA COM WIMAX 700

FELIPE KURPIEL JOSÉ - GRR20064070 GABRIEL JOSÉ DE AZEVEDO - GRR20064097

Trabalho de conclusão de curso aprovado como requisito para conclusão do Curso de Engenharia Elétrica do setor de Tecnologia da Universidade

Federal do Paraná

____________________________ Prof. Evelio Martín García Fernández - Dr.

Orientador

BANCA EXAMINADORA

___________________________ Prof. Evelio Martín García Fernández - Dr.

UFPR

___________________________ Prof. Horácio Tertuliano Filho, Dr.

UFPR

___________________________ Prof. Ewaldo Luiz de Mattos Mehl, Dr.

UFPR

Sumário 1. Introdução ....................................................................................................................................................... 3 2. Canal de retorno .............................................................................................................................................. 4

2.1 Conceito............................................................................................................................................ 4 2.2 SBTVD............................................................................................................................................. 4 2.3 WiMAX............................................................................................................................................ 5

3. CelPlanner TM .................................................................................................................................................. 6 4. Definição dos principais parâmetros ............................................................................................................... 8

4.1 Modelo de Propagação ..................................................................................................................... 8 4.2 Especificação do rádio...................................................................................................................... 8 4.3 Terminal do usuário........................................................................................................................ 10 4.4 Configuração do serviço................................................................................................................. 10 4.5 Estações Rádio Base....................................................................................................................... 11

5. Simulações .................................................................................................................................................... 12 5.1 Análise de cobertura da região delimitada...................................................................................... 13 5.2 Análise de cobertura do ponto de vista da morfologia.................................................................... 15 5.3 Análise da Relação Sinal Ruído ..................................................................................................... 16 5.4 Relação Portadora Interferência ..................................................................................................... 17 5.5 Margem de serviço ......................................................................................................................... 18

6. Simulação de tráfego..................................................................................................................................... 21 6.1 Comparação entre Taxa Entregue e Taxa Requerida...................................................................... 22 6.2 Total de Usuários Atendidos .......................................................................................................... 24 6.3 Outros Critérios .............................................................................................................................. 25 6.4 Serviços Oferecidos........................................................................................................................ 26

7. Conclusões .................................................................................................................................................... 28 8. Referências.................................................................................................................................................... 29

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Lista de Siglas BER - Bit Error Rate

BPSK - Binary phase shift keying

BTS – Base Transceiver Station

CC – Código Convolucional

CDMA - Code Division Multiple Access

CP – Cyclic Prefix

CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações

DVB-RCT – Digital Video Broadcast - Return Channel Terrestrial

ERB - Estação Rádio-Base

FDD - Frequency division duplex

FEC – Forward Error Control

GSM - Global System for Mobile Communications

IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISI – Inter-symbolic Interference

LTE - Long Term Evolution

MMDS - Multipoint Multichannel Distribution System

OFDM - Orthogonal frequency-division multiplexing

OFDMA - Orthogonal frequency-division multiple access

QAM - Quadrature Amplitude Modulation

QPSK - Quadrature phase-shift keying

S/N – Relação Sinal Ruído

TDD - Time division duplex

UE – User Equipment

UHF - Ultra High Frequency

VHF - Very high frequency

Wi-fi - Wireless Fidelity

WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access

3GPP – 3rd Generation Partnership Project

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1. Introdução

O advento da TV digital insere uma vasta gama de serviços que podem ser oferecidos além da função básica de transmissão de áudio e vídeo pelas emissoras de TV. Estes serviços possibilitam a entrada de novas fontes de renda para fornecedores de conteúdo e tecnologia e também o surgimento de novos participantes na prestação e intermediação nos negócios de radiodifusão.

Entre as novidades destaca-se o surgimento de um meio de interatividade que possibilita a participação ativa dos telespectadores na configuração do serviço que lhes é prestado através da escolha da programação, customização da exibição, participação por meio de votação e opinião, entre outros. A interatividade ainda pode criar uma fonte extra de renda para as emissoras e criadoras de conteúdo através do comércio eletrônico direto pela TV, onde o telespectador pode comprar em tempo real serviços, programas e mercadorias relacionadas à programação.

As alternativas de exploração do serviço de interatividade são imensas e dependem por um lado da criatividade e da viabilidade do modelo de negócios, onde deve se justificar o investimento dos provedores do serviço e a adesão de grande número de clientes através de comodidade e segurança nas participações desses. Pelo outro lado a exploração de interatividade deve se justificar na parte técnica, fornecendo uma qualidade de serviço aceitável aos usuários onde deve haver uma interface simples e acessível a todos os graus de instrução da população, um sistema de transmissão de dados rápido, seguro e confiável e que não acarrete grandes custos que possam restringir o uso deste novo serviço a uma parcela de clientes em potencial.

O objetivo principal desta rede é introduzir um novo serviço aos telespectadores, contudo apesar desta solução oferecer um meio de acesso à Internet, ela não visa atuar como uma nova concorrente no mercado de provedores de acesso. É importante ressaltar que esta rede poderia representar uma alternativa interessante de acesso à Internet, principalmente para a parcela de telespectadores de menor renda que não fazem uso deste serviço. Esta característica insere no serviço de canal de retorno a possibilidade de atuação como um veiculo de inclusão digital muito importante no Brasil.

As soluções destes desafios se concentram na forma de concepção do sistema de canal de retorno que é definido pela topologia da rede, tecnologia de transmissão de dados e tecnologia de acesso do usuário à rede, entre outras.

Este trabalho teórico tem como objetivo analisar a viabilidade de uma das alternativas para o canal de retorno, utilizando como exemplo o atendimento do serviço na cidade de Curitiba – PR. A tecnologia a ser considerada é o WiMAX-700 que atua na faixa de freqüência de 700 MHz. A análise de viabilidade consiste em determinar um número ótimo de ERBs que atendam o público alvo da TV Digital com uma qualidade de serviço mensurada através da taxa de transmissão e do número de usuários simultaneamente atendidos.

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2. Canal de retorno

2.1 Conceito

O canal de retorno viabiliza a comunicação das aplicações interativas, no terminal de acesso, com servidores de aplicação do provedor de conteúdo, no lado de difusão de acesso, ou produção de conteúdo. Através dele cada usuário/telespectador pode, individualmente, enviar e receber informações e solicitações.

O canal de interatividade é formado pelo canal de descida, onde transitam as informações enviadas da emissora para o usuário por meio do fluxo de dados; e o canal de retorno, que estabelece a comunicação do usuário com a emissora, realizando a comunicação no sentido inverso.

O canal de retorno é parte da especificação técnica do Sistema Brasileiro de Televisão Digital – SBTVD desde o seu início, porém não há até o momento um consenso sobre a melhor forma de implementação do sistema [1].

A especificação técnica deixa claro que muitas variáveis pesam na escolha de um modelo e que a escolha de um modelo unificado pode não ser o ideal para atender todo o país. Entre as variáveis estão: a infra-estrutura existente na região, o perfil topográfico e o número de habitantes. Outros itens a serem considerados são os fatores econômicos, tecnológicos e sociais, assim como inúmeros outros detalhes que variam por todo o território nacional.

2.2 SBTVD

A especificação do SBTVD foi criada pelo CPqD em parceria com universidades brasileiras com o objetivo de definir as tecnologias e os modelos de implantação e operação da televisão digital no Brasil. O núcleo da tecnologia que envolve os métodos de modulação e transmissão, codificação de áudio e vídeo foram baseados no padrão de TV digital japonês, o ISDB, por meio de um acordo de colaboração entre os dois países durante o desenvolvimento do sistema. Além disso, o SBTVD especifica a exploração de outras características como a mobilidade, portabilidade e interatividade.

Todas as decisões foram tomadas levando-se em consideração fatores como o custo de implantação e o custo ao usuário pelo uso do serviço, a possibilidade de inclusão social, e a transferência de tecnologia de forma a permitir a capacitação de mão-de-obra especializada no país.

Na especificação do canal de retorno foram enumeradas quatro alternativas tecnológicas onde se julgaram fatores como a inclusão digital, a facilidade de implantação e operação. Essa avaliação está resumida na tabela 1 [1].

Tabela 1 - Avaliação comparativa das alternativas de canal de retorno pelo CPqD Critérios Custo Desempenho Confiabilidade

Pesos 9 6 4

Nota Final

WiMAX 3,3 4 4 3,6 DVB-RCT 1 4 1 1,9 CDMA-450 2,8 2 4 2,8 WiFi 4 1 4 3,1

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O alto peso atribuído ao fator custo se deve ao fato de que é extremamente importante que a nova tecnologia permita o acesso por todas as camadas sociais da população, portanto, o WiFi leva vantagem neste quesito como tecnologia mais difundida entre as quatro analisadas. O fator desempenho foi considerado através de parâmetros como capacidade de usuários simultâneos e taxa de transmissão de dados, o que se constitui em um grande ponto a favor das novas tecnologias como o WiMAX e o DVB-RCT (sistema de canal de retorno europeu). O último fator considerado foi a confiabilidade, se atribuindo nota máxima a todos os sistemas que já dispunham de um histórico de implantação e realização de testes em campo, e nota mínima àquele que não possuía dados de testes práticos até o momento da análise, como era o caso do sistema de canal de retorno a ser implantado no padrão de televisão digital europeu DVB [1].

Desta análise, o CPqD concluiu que o WiMAX é a melhor opção para o sistema de canal de retorno devido às suas características tecnológicas superiores, tais como, alta capacidade de usuários simultâneos, altas taxas de transmissão e baixos custos de produção devido ao grande número de fabricantes. Dentre esses fabricantes muitos são reconhecidos como os principais participantes deste mercado em todo o mundo e apoiadores do padrão WiMAX desenvolvido e mantido pelo IEEE.

2.3 WiMAX

O WiMAX pode ser considerado como uma evolução da tecnologia de transmissão sem fio WiFi IEEE 802.11 e que também foi especificada pelo IEEE em diversas recomendações, tendo as versões atuais a resolução 802.16d e 802.16e.

Na recomendação 802.16d, o IEEE define todas as aplicações da tecnologia WiMAX categorizando-as em faixas de freqüência de operação como de 10 GHz a 66 GHz ou aplicações na faixa de até 11 GHz. O modelo ainda divide-se em aplicações com uma única portadora (SC e SCa) com linha de visada (LOS), e sem linha de visada (NLOS) e multi-portadoras através da modulação OFDM para transmissão ponto-a-ponto e OFDMA para transmissões ponto-multiponto. O padrão 802.16e introduz a aplicação da mobilidade para atender dispositivos portáteis [2].

Portanto, o WiMAX nasceu como uma interface aérea para Redes Metropolitanas (MAN) com comunicação sem fio e não como um substituto para aplicações de redes locais (WLAN) como é o caso do WiFi IEEE 802.11. Desta forma, o WiMAX deve ser responsável pela cobertura de uma região muito mais extensa que o anterior, incorporando mais usuários e dispositivos e conseqüentemente, deve suportar uma maior taxa de transmissão. Porém, uma opção não prevista na recomendação foi a utilização do espectro inferior a 2 GHz seja na faixa não licenciada, ou na licenciada como a faixa de UHF [3].

Neste caso, foi proposta por pesquisadores e fabricantes a utilização desta tecnologia na faixa de UHF licenciada para TV, para novas aplicações como o canal de retorno da TV Digital, devido às vantagens em relação às freqüências acima de 2 GHz como [4]:

• Maior alcance do sinal com a mesma potência irradiada • Alta penetração em construções • Baixa interferência • Melhor mobilidade

Entre as desvantagens em relação às freqüências mais altas pode-se citar uma menor taxa

de transmissão real e maior dificuldade de alocação de canais devido à disponibilidade no espectro.

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A tabela 2 lista as principais características do padrão 802.16 para o WiMAX-700 [5]:

Tabela 2 - Características principais do padrão IEEE802.16 Requisitos Funcionais Descrição Camada Física (PHY) - De acordo com o padrão IEEE802.16d e 802.16e

- Raio de cobertura pode alcançar aproximadamente 65 km - Operação sem linha de visada (NLOS) - Operação na faixa de 400 MHz a 960 MHz

Camada de Acesso ao Meio (MAC)

- De acordo com o padrão IEEE802.16d e 802.16e - Compatível com TCP/IP, protocolos IP, Ethernet/IEEE 802.3, etc. - Serviços orientados à conexão - Ponto-Multiponto – PMP - Qualidade de Serviço (QoS) gerenciável

Interface com outros módulos

- Preferencialmente USB - Ethernet IEEE 802.3 - Compatibilidade com protocolos das camadas superiores de Rede e Transporte

Mobilidade - Mobilidade do receptor – IEEE802.16e-2005 Identificação - Um identificador único (ID) por modem

Estas características tornam o WiMAX-700 uma excelente solução na constituição de uma rede para o canal de retorno da TV Digital totalmente integrada com a Internet, o que possibilita uma alta convergência entre os serviços de interatividade e o vasto mar de informações disponíveis na Web. A faixa de operação em UHF possibilita a cobertura de uma cidade como Curitiba com um número reduzido de Estações Radio Base se comparado com uma rede de telefonia celular. Esta análise pode ser comprovada através de um software de planejamento e predição de cobertura.

A limitação do espectro subdividido em canais de 6MHz fornecidos às emissoras em caráter de concessão e grande quantidade de usuários potenciais ao serviço impedem que esta rede cumpra o papel de acesso em alta velocidade à Internet e sim, uma rede que preste um serviço adicional aos telespectadores de forma segura e perfeitamente controlável pelas geradoras de conteúdo. A melhor forma de gerenciamento, exploração do serviço, operação e manutenção da rede, poderia ser através de uma cooperativa entre as transmissoras, ou uma entidade independente que atue como prestadora de serviço às emissoras interessadas, ou seja, ainda fica a cargo de estudos econômicos por parte dos interessados no negócio.

3. CelPlanner TM

O CelPlanner é um software de predição de cobertura desenvolvido pela empresa CelPlan muito utilizado para o planejamento de ERBs em redes de telefonia celular, porém o programa tem uma grande flexibilidade de parâmetros e configurações que permitem o seu uso também para o dimensionamento de redes de outras tecnologias como MMDS e WiFi/WiMAX. [6]

Este trabalho de simulação foi desenvolvido no CelPlanner, versão 8.03, disponível no Laboratório de Telecomunicações no bloco da Engenharia Elétrica da UFPR, assim como a base de dados que contém as informações da cidade Curitiba.

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A base de dados que deve ser carregada no software possui informações como a topografia, a morfologia e o mapa urbano da região como mostrado na figura 1, além de poder conter outras informações como predições realizadas anteriormente e a distribuição geográfica dos usuários relacionada ao sistema em questão. Em nosso caso, estes dois últimos parâmetros foram criados com base em nossas necessidades, assim como as antenas utilizadas nas ERBs e a delimitação da região alvo de nosso trabalho.

Figura 1: Região em destaque considerada no trabalho.

A região delimitada para nosso trabalho (destacada na figura 1) considerou apenas a

área pertencente à cidade de Curitiba disponível na base de dados, excluindo, portanto, os municípios que fazem fronteira e a parte sul de Curitiba, a qual não estava disponível na base de dados. Deve-se ressaltar que a disposição das ERBs permite atendimento a uma parte da região externa à área delimitada devido ao nível de sinal e o perfil topográfico das regiões fronteiriças, porém esses dados não foram considerados em nenhum momento da análise de cobertura. Desta forma, a localização das ERBs não pode ser considerada como ideal no momento de um planejamento real, onde se deseje cobrir não só a cidade inteira de Curitiba, mas também a região metropolitana. O valor desta simulação está no objetivo de se chegar a um número ótimo de ERBs em relação à área de cobertura, a um número de usuários simultaneamente atendidos e a uma taxa de transmissão por usuário adequada para o serviço de interatividade, permitindo que esta relação possa ser ajustada de forma a ser aplicada em qualquer local do mundo.

A determinação da área de cobertura é realizada pelo CelPlanner através de simulações de predições em função das características topográficas, do posicionamento e das características do sistema irradiante, devidamente configurados pelo modelo de propagação e por um link budget que é o procedimento de cálculo usado para se determinar a potência irradiada pela antena.

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4. Definição dos principais parâmetros

Para se obter resultados de simulação coerentes e próximos dos sistemas reais, deve-se definir cuidadosamente os parâmetros necessários na composição do cenário de simulação no software. Primeiramente deve-se estabelecer o ambiente de propagação mais adequado à cidade.

4.1 Modelo de Propagação

Os modelos de propagação são utilizados para cálculos de atenuação em enlaces. Neste cálculo se considera o comportamento aleatório do sinal propagado, de forma que na predição, sejam localizados pontos de acesso capazes de reduzir os efeitos de atenuação ocasionados principalmente por multi-percursos.

O software dispõe de seis modelos de propagação, e neste projeto se fez uso do modelo II, denominado modelo de Korowajczuk. No entanto, pesquisas realizadas comprovam que quaisquer das três primeiras opções de modelos poderiam ser utilizadas neste ambiente de propagação.

O modelo-II considera várias características de propagação e morfologia. Cada modelo lista os seus parâmetros de predição com valores gerais empíricos para diversas morfologias, tais como água, vegetação baixa, vegetação media, vegetação densa, área suburbana, área urbana e área urbana densa. Após a realização da predição inicial, estes valores são atualizados conforme o banco de dados disponível.

Quanto à propagação, sempre que o elipsóide correspondente à primeira zona de Fresnel não tocar qualquer elemento morfológico no percurso entre a estação transmissora e receptora, a propagação em espaço livre é aplicada.

A perda sobre a morfologia é linear com a distância e representa a perda devido à propagação sobre edifícios ou topo de árvores, sendo fornecida em dB/km. Já a propagação dentro da morfologia é definida pela perda de penetração, onde se incluem as perdas de difração, reflexão e multi-percurso, porém a perda de penetração somente será aplicada se a altura da antena da estação receptora estiver abaixo da morfologia. [7]

Dentre as configurações do modelo estão a distância inicial que define a fronteira para início da medição do campo distante e ainda um fator de arredondamento, aplicado para ajustar o valor de atenuação do sinal devido à difração, e que depende do grau de arredondamento da obstrução. Este fator pode variar entre 0 e 1, sendo o valor 1 utilizado, o pior caso. Finalmente, tem-se o fator de perda por propagação, expresso em dB por década, com valores usuais variando entre 10 e 30 dB por década.

4.2 Especificação do rádio

Os parâmetros de configuração do rádio estão relacionados à tecnologia WiMAX especificada no padrão IEEE 802.16d, onde se prevê a configuração de uma rede ponto-multiponto utilizando-se a técnica OFDMA com duplexação por divisão no tempo (TDD), ou seja, um único canal de comunicação permite a comunicação nos sentidos de descida e subida para vários usuários simultaneamente, cujos dados são transportados em diferentes sub-portadoras de um símbolo OFDM.

A decisão por um modo de duplexação TDD, ao invés do FDD, o qual necessita de um canal exclusivo para subida e outro apenas para subida, se justifica pela natureza assimétrica da utilização do canal de retorno.

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O modo TDD permite o ajuste do tempo reservado para o fluxo de descida e de subida através do parâmetro TDD Ratio (BTS to UE). Esta razão foi estabelecida em 0,67 o que significa que o canal estará sendo usado em 67%, ou dois terços do tempo para o sentido de descida, e 33%, ou um terço do tempo para o fluxo da dados no sentido de subida. O maior tempo reservado para o fluxo de descida vem do maior volume de tráfego no sentido base-usuário, uma vez que este é o sentido em que o usuário recebe as informações referentes aos serviços de interatividade. Por outro lado, o fluxo de subida (tráfego de dados no sentido usuário-emissora) é composto basicamente por informações curtas como mensagens de controle e de requisição de informações de serviços.

A segunda informação importante para a especificação do rádio é a definição da largura do canal utilizado, cujo valor está diretamente ligado à capacidade máxima de transmissão de bits por segundo entre a base e os usuários. Este valor está condicionado ao limite regulatório da faixa de espectro utilizada, a qual abriga os canais de TV, e portanto é subdividida em canais de 6 MHz. Para adequar o sistema a esta faixa de espectro e a esta regulamentação sem interferir nos sistemas que já a utilizam, foi decidido como largura de canal máxima a ser utilizada os mesmos 6 MHz dos canais de TV com variação para dois múltiplos menores: 1,5 MHz e 3 MHz. A largura de canal é portanto, o primeiro parâmetro primitivo definido para as simulações realizadas a serem variados, sendo os outros dois, a taxa de transmissão por usuário e o número de usuários ativos, os quais serão explanados mais adiante.

Outros parâmetros relacionados ao desempenho da comunicação que devem ser observados são o número total de subportadoras por símbolo OFDM, composto por subportadoras piloto, subportadoras que transportam dados e subportadoras nulas. O número de subportadoras assim como o fator de amostragem padrão, da recomendação 802.16d, que regula o espaçamento entre elas foram mantidos em toda a simulação. Os valores considerados são mostrados na tabela 3:

Tabela 3 – Parâmetros primitivos do rádio WiMAX. Largura de banda (MHz) 1,5 ; 3,0 e 6,0 Número de subportadoras piloto 166 Número de subportadoras de dados 1536 Número total de subportadoras por símbolo 2048 Fator de Amostragem (Sampling Factor) 8/7 Relação do Prefixo Cíclico (CP) 1/8 Taxa de codificação externa (Outer Code) 239/255

O prefixo cíclico (CP) é usado para diminuir o efeito do espalhamento de retardo (delay spread), e isto é feito aumentando-se o tempo T do símbolo OFDM. Uma das formas é preenchê-lo com um prefixo baseado no próprio símbolo e que é descartado na recepção. Aumentando-se o comprimento do prefixo aumenta-se a relação de CP [8]. O espalhamento de retardo aumenta a interferência inter-simbólica (ISI) e é mais crítico para sistemas móveis onde o problema do multi-percurso ocorre com alta intensidade. Desta forma o CP foi definido com um valor conservador sendo que os outros valores disponíveis são 1/4, 1/16 e 1/32.

A relação para o codificador externo Reed-Solomon foi definida em 239/255 de acordo com recomendação para especificação de correção de erros (FEC) da tecnologia. Este

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código é concatenado com um codificador interno convolucional (CC) com taxas de acordo com as modulações e relações especificadas na tabela 4, na página 434 em [3]. Pode-se verificar que a combinação entre a modulação e taxa de codificação estão listadas na tabela 4 em uma ordem crescente de taxa de transmissão máxima de dados.

Tabela 4 – Codificação resultante por modulação utilizada. Modulação Taxa de codificação resultante

BPSK 1/2 QPSK 1/2 QPSK 3/4

16-QAM 1/2 16-QAM 3/4 64-QAM 2/3 64-QAM 3/4

4.3 Terminal do usuário

A configuração do terminal do usuário serve para se definir a configuração do sistema instalado no ponto de comunicação do cliente com a base, normalmente uma residência. O núcleo tecnológico que consiste no rádio transceptor WiMAX é idêntico ao item 4.2, onde se especificou os parâmetros tecnológicos da rádio-base, afim de possibilitar a perfeita comunicação entre as partes.

As diferenças se concentram exatamente nos parâmetros que distinguem um ponto de acesso de um rádio cliente, como a máxima potência de transmissão, o desempenho do receptor e as características da antena instalada. Portanto foi considerado para o sistema do usuário uma antena direcional com ganho de 15 dBd, o que equivale a 17,15 dBi, posicionada à 3 metros de altura, e, um transmissor com potência máxima de saída de 0,2 W.

4.4 Configuração do serviço

Nesta parte do software deve-se especificar os parâmetros de qualidade de serviço de acordo com o proposto pelo projeto de canal de retorno. O CelPlanner permite a criação de vários perfis de serviço que podem ser usados para separar os diversos tipos de cliente de acordo com o serviço contratado. No caso do canal de retorno considera-se este um serviço explorado de forma à oferecer o acesso gratuito à todos clientes habilitados tecnologicamente a utilizar a interatividade.

Desta forma, a rede foi concebida com esta única funcionalidade, oferecendo portanto, uma taxa de transmissão por usuário pequena para os padrões de internet banda larga atuais. Porém ela se constitui como a única solução para atender uma grande quantidade de usuários simultâneos, o que é a característica preponderante desta rede, devido ao potencial de mercado da TV Digital.

O principal parâmetro definido nesta seção é a taxa de transmissão de dados por usuário. Este é o segundo parâmetro primitivo definido a ser variado. Esta taxa de transmissão é subdividida em taxa de descida (Downstream) e taxa de subida (Upstream) e portanto, ambas devem ser definidas para cada caso. Decidiu-se pela simetria de serviço, oferecendo

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assim a mesma taxa para descida e subida, por se considerar este o caso em que se reservaria a maior banda possível para cada sentido de forma a obter o mesmo tempo de resposta em ambas as pontas. O valor relevante para as simulações é a soma das duas taxas que pode ser denominada como taxa de transmissão agregada e que compõe o serviço do usuário. Foram considerados três valores de taxa agregada para as simulações, conforme a tabela 5.

Tabela 5: Taxas de transmissão consideradas para as simulações. Caso 1 Caso 2 Caso 3 Taxa de transmissão de descida ou subida (kbps) 3 6 24 Taxa de transmissão agregada (kbps) 6 12 28 Taxa de transmissão de descida ou subida mínima (kbps) 2 4 10 Taxa de transmissão agregada mínima (kbps) 4 8 20

A taxa mínima é usada nos cálculos quando o número de usuários simultâneos ultrapassa a capacidade em que o sistema consegue oferecer a taxa desejada para todos os usuários. A relação entre a taxa mínima e a taxa desejada foi mantida em 2/3 para os dois primeiros casos e 5/7 para o último caso, o que pode ser considerado como uma proporção muito próxima à primeira.

Outros parâmetros relativos à configuração do serviço são a taxa de ocupação (over-subscription) definida como em [6] com valor de 0,167, o que significa que a rede é capaz de atender simultaneamente um em cada seis usuários. Definiu-se também um fator de cabeçalho (overhead) referente à protocolos e retransmissões de 20%, o que é considerado um valor conservador, uma vez que a rede tem uma aplicação específica e endereçamento simples.

4.5 Estações Rádio Base

Nesta seção são definidos os parâmetros relativos à infra-estrutura envolvida para se implantar os pontos de acesso que deverão fornecer o serviço aos clientes, além das condições de propagação baseadas nas definições do item 4.1 e do plano de freqüência. O principal parâmetro de projeto das ERBs a ser definido é o número de setores.

A decisão tomada pelo uso de seis setores por ERB foi baseada no maior limitante do sistema que é a necessidade de atender um grande número de usuários simultâneos. Ao considerar uma ERB com três setores onde cada um deles é responsável por cobrir um determinado número de assinantes, e uma mesma ERB com seis setores, onde cada setor cobre o mesmo número de assinantes (com antenas de ganho similar) pode-se concluir que o uso de seis setores permite atendimento ao dobro de usuários se comparado ao primeiro caso. A comprovação numérica destes resultados está relatada mais adiante no tópico de resultados de simulação.

A utilização de seis setores em detrimento de um número maior, se justifica pela prática e observação do mercado de fornecimento de acesso à Internet em banda larga sem fio (WiFi), onde se verifica o agravamento dos efeitos maléficos de uma grande quantidade de setores em uma ERB, os quais vão desde a parte econômica e estrutural, até a parte de desempenho onde se exige um complexo planejamento de reuso de freqüências afim de evitar interferências devido ao pequeno número de canais disponíveis.

Na definição da infra-estrutura foram definidos valores fixos como a altura da torre de 50 metros para todas as ERBs e a mesma antena para todos os setores. A antena necessária para operação na faixa de 700 MHz foi obtida modificando-se o arquivo de especificação de

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uma antena com as características desejadas, porém com faixa de atuação fora da necessária, de acordo com as instruções de edição de arquivos permitidas pelo software. Desta forma a antena utilizada é descrita através de suas principais características e diagramas de radiação da figura 2: Modelo original: 7146-16 Fabricante: ALLGON Descrição: Antenna Panel 60 deg 15.0 dBd Ganho Nominal: 15,0 dBd Ângulo de abertura : 60,00° Ângulo de elevação: 11,00° Freqüência mínima: 670,00 MHz Freqüência máxima: 760,00 MHz Tamanho: 1,50 m Inclinação: 1,0°

Figura 2: Diagramas de radiação em azimute e elevação respectivamente da antena utilizada.

Finalmente deve-se realizar o link budget para cada setor de cada ERB, apesar de todos terem sido definidos de forma idêntica, a fim de se determinar a potência de saída em cada antena, verificando-se o balanço de potência. Desta maneira foi determinado uma potência irradiada efetiva de 6,281 W ou 38 dBm por setor.

5. Simulações Após o termino da fase de definições dos parâmetros realizadas pode-se iniciar as simulações para verificar a cobertura da região desejada. Neste objetivo, buscou-se obter a cobertura de uma parte da área de forma a atender a grande maioria da região, sem se preocupar com a capacidade do sistema. Analisando o mapa da região considerou-se sua geometria similar a um retângulo onde a distância média na direção norte-sul é de aproximadamente 15 km e distância média na direção leste-oeste é de aproximadamente 17 km. Esta consideração que pode ser constatada visualmente com facilidade indica que o número mínimo de ERBs necessárias para cobrir o mapa são quatro e portanto este foi o ponto de partida. As ERBs foram posicionadas de forma que todos os quatro ângulos do “retângulo” pudessem ser envolvidos. Após os devidos ajustes no posicionamento de cada ERB e nos azimutes das antenas setoriais, a fim de se buscar o ponto mais alto em cada região e a maior cobertura individual, iniciou-se o processo de predição composta O CelPlanner realiza a predição de cobertura total baseando-se nas predições de cobertura individuais e na relação entre elas. Vale ressaltar que as melhores posições encontradas para cada ERB foram fruto de

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muitas tentativas e reposicionamento para cada uma das ERBs. O reposicionamento exige que tanto a simulação individual como a composta sejam refeitas para se atualizar as predições, o que torna todo o processo um trabalho minucioso e que exige grande dedicação do planejador. Esta observação traz a consciência que a adição de ERBs implica em um aumento considerável do trabalho, já que estas passam a ficar cada vez mais próximas umas das outras e desta forma a inter-relação e os seus efeitos destrutivos ficam mais acentuados.

5.1 Análise de cobertura da região delimitada Partindo de um número de quatro ERBs foram observados os resultados obtidos sobre a porcentagem da região coberta em relação aos níveis de sinal considerados como suficientes para o funcionamento do serviço. Baseando-se mais uma vez na norma IEEE 802.16d em sua tabela 337 no item 8.4.13.1 onde se determina o nível de sinal na entrada da recepção mínimo (sensibilidade mínima) de acordo com a modulação e a largura de banda, obtém-se o valor de -91 dBm para a menor largura de banda (1,5 MHz), e menor modulação disponível, QPSK 1/2; e também o valor de -70 dBm para o pior caso, onde se usa a maior largura de banda (6 MHz), e a maior modulação, 64-QAM 3/4. A partir destes valores de potência, a taxa de erro de bits BER deve ser menor que 10-6 e a figura de ruído, 7 dB. Verificando-se os valores intermediários e o resultado de uma média simples entre os valores, optou-se por um valor fixo de -80 dBm para todos os casos. Este valor foi então considerado como um limiar para se determinar o sucesso da comunicação no sentido base-usuário de modo a aferir a confiabilidade do serviço quanto ao atendimento. Conseqüentemente, nos pontos em que o nível de intensidade do sinal recebido foi menor que -80 dBm, considerou-se serviço intermitente ou não atendido. A sensibilidade de recepção da Estação Rádio Base foi considerada ajustável a ponto de sempre se conseguir receber o sinal de todos os usuários que consigam conexão. Na figura 3 se observa o resultado da predição de nível de sinal para 4 ERBs, incluindo a legenda com as porcentagens de área coberta em relação a área total enquadrada na tela.

Figura 3: Predição de cobertura por nível de sinal no sentido base-usuário para 4 ERBs.

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Assim foram obtidos os seguintes valores em percentagem de área da região Centro Norte de Curitiba em função do nível de sinal, o que é mostrado na tabela 6. Tabela 6 - Percentual da área atendida com 4 ERBs em relação aos níveis de sinal. 4 ERBs RSSI > = -50 dBm -65 dBm -80 dBm -95 dBm -110 dBm -125 dBmSinal de descida

Área servida (%)

11,4 64,5 83 96,6 99,4 99,5

Sinal de subida

Área servida (%)

6,7 57,8 78,8 95,1 99,2 99,5

Os valores percentuais são cumulativos e portanto tendem à 100%. Nota-se que 83% da área é atendida por um sinal de recepção maior ou igual à -80 dBm e que 64,5% da área recebe um nível de sinal muito bom. No sentido contrário, o nível do sinal de subida é alcançado por aproximadamente 79% da área, o que indica uma diferença de 4% na área atendida entre os sentidos da comunicação. Esta diferença pode ser considerada como casos pontuais que podem integrar a categoria de usuários completamente atendidos através de um ajuste na margem da sensibilidade do receptor da base ou por um pequeno aumento na potência de transmissão do transmissor do usuário. A análise desta predição para 5 ERBs resultou em um acréscimo de aproximadamente 3% na área atendida por um nível de sinal maior ou igual à -80 dBm, o que foi considerado como desprezível e prontamente descartado. Tanto o planejamento de cobertura com 5 quanto 6 ERBs apresentaram um custo-benefício muito baixo com verificação visual e de resultados parciais insatisfatórios, o que levou a se considerar o caso com 7 ERBs, ilustrado na figura 4.

Figura 4: Predição de cobertura por nível de sinal no sentido base-usuário para 7 ERBs. Este caso permitiu pela primeira vez a constatação visual de um aparente aumento considerável na área de cobertura. Os dados obtidos estão na tabela 7:

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Tabela 7 - Percentual da área atendida com 7 ERBs em relação aos níveis de sinal. 7 ERBs RSSI > = -50 dBm -65 dBm -80 dBm -95 dBm -110 dBm -125 dBmSinal de descida

Área servida (%)

18,8 73 90,8 98,5 99,2 99,3

Sinal de subida

Área servida (%)

11,1 68,9 87,1 98 99,2 99,3

Nota-se um aumento de 7,8% na área que passa a receber um nível de sinal maior ou igual à -80 dBm e um aumento de aproximadamente 2% na área de cobertura com sinal possivelmente intermitente. Estes valores foram considerados insuficientes para justificar uma ampliação que implicaria em um aumento de custo de 75% em relação à implementação com 4 ERBs.

5.2 Análise de cobertura do ponto de vista da morfologia Outra comparação feita entre os dois casos foi a análise de cobertura por tipo morfológico listado na tabela 8, onde se verificaram a percentagem da área atendida com um nível de sinal maior ou igual à -80 dBm no sentido base-usuário: Tabela 8 - Comparação da cobertura em relação aos tipos morfológicos entre os dois casos considerados. Tipos morfológicos Caso 1: 4 ERBs – Área

(%) Caso 2: 7 ERBs – Área

(%) Água 44,9 94,5 Vegetação baixa 70,7 84,7 Vegetação média 100 44,4 Área suburbana 91,5 91,1 Área urbana 92,2 97,3 Área urbana densa 99 99,4 Total 82,9 90,5 O valor total indica que aproximadamente 83% da área da região iluminada pelas ERBs recebe um nível de sinal maior ou igual a -80 dBm para 4 ERBs, e aproximadamente 90% da área para o segundo caso, comprovando o item 5.1. Pode-se verificar o atendimento das áreas urbanas e urbanas densas correspondentes a zona central da cidade com cobertura acima de 90%. A conclusão que se pode tirar é que a adição de mais ERBs idênticas (com a mesma potência de transmissão e antenas) e espaçadas por distâncias similares de todas as outras, afim de englobar as bordas da região, não trazem grande aumento de cobertura nos três tipos de área urbana (apenas 5%), e que portanto não resolveriam o problema do tráfego no gargalo da rede, localizado nas áreas densamente habitadas. Portanto, a solução para o crescimento de usuários é a concentração de ERBs nas regiões de alta densidade populacional, assim como ocorre nas redes de telefonia celular em grandes cidades. Estas considerações levaram à adoção do número de 4 ERBs para a fase inicial do projeto que é o foco de atenção para o estudo mais aprofundado a seguir.

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5.3 Análise da Relação Sinal Ruído Outros parâmetros devem ser utilizados para se identificar possíveis problemas no sistema como a relação sinal ruído e os níveis de interferência. Estes dados podem ser analisados por comparação entre as larguras de canais definidas no item 4.2, com o objetivo de se chegar a opção mais vantajosa em relação às outras. Estes valores são obtidos em relação à toda a área enquadrada na tela, e portanto, não tem relação direta com região delimitada. Desta forma, as conclusões foram feitas por comparações e inspeções visuais, tendo-se em conta que a região delimitada se estende por uma área de 294,3 km², o que ocupa aproximadamente 67% da área enquadrada na tela do software. A relação sinal-ruído (S/N) permite mensurar a margem de operação dos assinantes, que pode ser alterada por falhas ou modificações na intensidade do sinal . A partir deste dado pode-se determinar a intensidade de potência a ser irradiada de forma a garantir um nível inteligível pelos receptores após as perdas na propagação. Analisando-se os três valores de largura de banda, verificou-se uma pequena piora das percentagens de área com S/N abaixo dos valores aceitáveis, de acordo com a modulação utilizada. Quanto maior a taxa de transmissão, proporcionada por modulações menos robustas, maior é a S/N mínima exigida para se garantir a comunicação íntegra. Na figura 5, encontra-se o resultado da predição para o pior caso onde se utiliza canais de 6 MHz:

Figura 5: Predição da S/N para o sistema com canais de 6 MHz. Segundo a tabela 338 no item 8.4.13 do IEEE802.16d, a S/N mínima considerada é de aproximadamente 10 dB para QPSK 1/2, a menor modulação listada, e portanto este valor foi considerado para se considerar o funcionamento pleno do serviço. Desta forma verifica-se na figura 5 que 7% da área atendida possui uma S/N insuficiente para a comunicação correta. Esta área deficitária corresponde a aproximadamente 10% da área total da região de interesse . Da mesma maneira, foram obtidos os valores de aproximadamente 6% da região de interesse tanto para a largura de banda de 1,5 MHz como para 3 MHz, correspondentes à área com S/N menor que o valor mínimo recomendado.

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Uma análise semelhante para as partes com S/N consideradas muito boa (verde) e excelente (vermelho) não apresentaram nenhuma melhora significativa do melhor para o pior caso, o que significa que a área na zona do limiar (entre 10 e 20 dB) permaneceu praticamente a mesma para todos os casos. Estes dados indicam que o parâmetro relação sinal-ruído não permite descartar o pior caso, uma vez que as diferenças entre os três são desprezíveis.

5.4 Relação Portadora Interferência Este parâmetro permite verificar a influência dos canais adjacentes e de outros setores que utilizam o mesmo canal quando se faz necessário um plano de reuso. Para fazer esta análise, partiu-se de uma limitação regulamentar onde se considerou a disponibilidade de uso de apenas 6 canais de TV (uma faixa de 36 MHz), o que deve afetar mais as larguras de banda maiores. Assim, as opções disponíveis são 24 canais de 1,5 MHz; 12 canais de 3 MHz ou 6 canais de 6 MHz. A primeira implicação é o número de vezes que o mesmo canal deve ser usado para cada largura de banda, sendo que a maior quantidade de reuso acarreta em maior interferência entre os setores do sistema. Primeiramente deve-se observar a predição de melhor servidor para cada parte da região sem se considerar a influência dos canais interferentes, com a percentagem da área em relação a toda a tela enquadrada, como ilustrado na figura 6.

Figura 6: Predição de atendimento pelo melhor setor para toda a região. Os azimutes das antenas de cada ERB foram ajustados independentemente, de forma a minimizar a sobreposição de setores de ERBs diferentes. A zona mais crítica é o centro da região, onde existem pontos que podem ser atendidos por mais de seis setores diferentes com uma intensidade de sinal muito boa, porém este fato a torna muito mais susceptível a interferências. A interferência no sentido base-usuário foi considerada mais impactante no desempenho do sistema do que a em sentido contrário, uma vez que se considera que cada

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usuário transmita dados apenas nas freqüências das suas subportadoras, as quais são determinadas pela base, e, devido ao elevado número de subportadoras de dados definida no sistema, pode-se afirmar que a interferência entre usuários é facilmente . Todos os canais considerados apresentaram valores de relação portadora-interferência C/I muito acima do limiar de rejeição, estabelecido na tabela tabela 339 no item 8.4.13 do IEEE802.16d em -4 dB para o pior caso listado (64-QAM-3/4). Na figura 7 está a predição para o pior caso, reiterando que a região alvo totaliza 67% da área total enquadrada na tela.

Figura 7: Predição da relação C/I para o uso de canais com 6 MHz. Analisando o sistema de 6 MHz onde se repetiu cada canal quatro vezes, pode-se verificar como regiões mais afetadas, as fronteiras entre os setores vizinhos no centro da região. Mesmo assim foi constatado que as piores regiões possuem um valor de C/I da ordem de 30 dB, ou melhor, o que viabiliza com folga todas as três opções.

5.5 Margem de serviço A margem de serviço indica a faixa de operação dos assinantes, e desta forma ajuda a determinar a possibilidade de uma área, ou uma parcela de usuários perderem a comunicação com a base devido à deterioração das condições de propagação. O CelPlanner classifica como serviço atendido toda área que possui uma margem de serviço maior ou igual a 0 dB. Uma margem acima de 15 dB pode ser considerada segura para evitar a interrupção da comunicação. Assim, para a largura de 6 MHz (caso mais crítico) obteve-se o resultado indicado pela figura 8.

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Figura 8: Predição da margem de serviço para o uso de canais com 6 MHz. Pela análise da margem de serviço pode-se afirmar que 60% da área total, o que corresponde à 92% da região de interesse, possui condições de propagação para o uso do serviço. Porém aproximadamente 18% da região pode experimentar um serviço intermitente por conta de uma degradação do ambiente de propagação. A utilização de canais de 3 MHz permite o acesso de pouco mais de 95% da área na região de interesse, sendo que aproximadamente 17% da mesma operaria sem uma margem segura de 15 dB. No caso de canais de 1,5 MHz a área com acesso sobe para 97% da região e a área sem margem de serviço segura cai para aproximadamente 15%. Corroborando estes valores o CelPlanner calcula a área em função do serviço proposto e indica a proporção da área atendida em relação a área total visualizada. Podem-se obter assim os valores listados na tabela 9:

Tabela 9 - Proporção da área atendida calculada pelo CelPlanner. Largura de banda (MHz) Área atendida (%)

1,5 95,5 3 92,5 6 89,5

A pequena discrepância entre os valores se deve ao método de cálculo usado em cada predição, onde neste último são considerados outros parâmetros que podem interferir no atendimento do serviço como a interferência, enquanto que no primeiro método, é considerada apenas a margem de serviço em relação ao total à área usada na predição. Estes valores têm o objetivo de ilustrar a eficiência do planejamento de cobertura da região alvo sem se preocupar com as taxas de transmissão ou a concentração de usuários. Portanto, não podem ser considerados como meta para atendimento de usuários, pois em nenhum momento foram incluídos nos cálculos parâmetros de qualidade do serviço. Por outro

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lado, pode-se tirar deles a constatação de que o sistema cumpre de forma satisfatória um primeiro objetivo que é a universalização do serviço o qual por definição é único e livre à todos os habitantes da cidade. As partes da região alvo que ficaram à margem do atendimento foram prejudicadas essencialmente pelo perfil topográfico do local marcado por obstruções naturais ao sinal da base. Estes pontos se concentram principalmente nas fronteiras oeste, norte e nordeste da cidade. Todos estes locais deverão ser facilmente atendidos com o serviço tão logo seja considerado uma ampliação do sistema com o objetivo de cobrir a parte sul de Curitiba e as cidades da região metropolitana. As desvantagens associadas à uma maior largura de banda não demonstraram grande influencia negativa no desempenho do sistema mesmo com a limitação do número de canais de TV disponíveis. Por outro lado, a principal vantagem inerente à banda mais larga será essencial tanto para o atendimento de regiões de alta concentração de usuários como também em uma eventual ampliação das taxas de transmissão. Para ilustrar esta vantagem, seguem na tabela 10 os valores de taxa conseguidos em função da área considerando uma comunicação ponto-a-ponto entre um terminal de usuário e a base de acesso, regulados basicamente pelo nível de sinal e pela modulação negociada no enlace: Tabela 10 - Comparação entre as taxas de transmissão médias em função da área para cada largura de banda.

Taxa de transmissão média

(Mbps)

Área coberta com canal de 1,5 MHz (%)

Área coberta com canal de 3 MHz (%)

Área coberta com canal de 6 MHz (%)

0,512 1,5 0 0 1 6,25 3,2 0 2 9,4 7,9 3,2 4 82,8 1,6 1,6 6 0 7,9 8,1 8 0 79,4 1,6 12 0 0 8,1 16 0 0 77,4

Pode-se verificar que a maior parcela da área está em torno de 80% da região atendida, o que corresponde ao serviço normal em sua maior capacidade, limitada pela largura de banda do canal e acessível à grande maioria da população. As parcelas menores se concentram nas regiões periféricas da circunferência da ERB e devido a obstruções no perfil de propagação e níveis mais baixos de sinal recebido, negociam modulações mais robustas e que possuem menores taxas de transmissão.

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6. Simulação de tráfego

Após a realização das simulações no software foi possível comparar para cada caso o grau de viabilidade do serviço oferecido, conforme o valor das variáveis modificadas.

Como o sistema proposto prevê que haja um gradativo aumento no número de usuários atendidos ao passar dos anos até mesmo em decorrência do crescimento da inclusão digital entre a população, foram fixados quatro volumes diferentes de assinantes separados por fases de adesão. Nestes números estão sendo descontados os fatores de penetração de mercado (95%); foi feita a consideração de que em média há um televisor para 3,5 habitantes; e para quantificar o número de terminais simultâneos (usuários ativos) foi usado o parâmetro de pico de audiência levantado em um determinado dia da semana na cidade de São Paulo (capital que possui nível de penetração de mercado muito semelhante à Curitiba), onde a soma dos índices de todas as emissoras de TV resultou em uma utilização simultânea de 80% das televisões [9]. Os números referentes à Fase 4 correspondem à população atual de Curitiba e são baseados nos critérios de estimativa descritos acima. Na tabela 11 estão listados os números estimados de assinantes simultâneos no pico de audiência:

Tabela 11: Relação dos números de terminais utilizados nas simulações. Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 Número de terminais instalados 55.748 111.496 222.992 334.488 Número máximo usuários ativos 42.368 84.737 169.474 254.211

Definido o número de usuários ativos no sistema, o CelPlanner pode ser usado para a

execução de simulações levando em consideração os parâmetros primitivos definidos anteriormente. Para cada fase de adesão foi alterada a largura de banda e a taxa de transmissão, o que gerou 9 combinações por fase. Ao considerar as quatro fases, chega-se ao total de 36 simulações. Esses resultados foram traduzidos em gráficos de barras de forma a permitir a análise dos parâmetros variados em representações mais simples e diretas.

No gráfico 1 está sendo ilustrada a capacidade necessária para atendimento às respectivas parcelas de usuários, considerando distintas taxas de transmissão. As taxas consideradas são de 6, 12 e 28 kbps. Estes valores foram baseados em [6] para se obter uma taxa mínima aceitável, uma taxa intermediária e uma taxa equivalente à oferecida por um modem de linha telefônica com acesso discado.

Usuários x Volume de Dados Requeridos - Down/Upstream

476 714

0

50

100

150

200

250

300

350

42k 85k 170k 254k

Mb

ps

6kbps 12kbps 28kbps Gráfico 1: Volume de dados requeridos conforme as taxas de transmissão e número de usuários.

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Nota-se a explosão de demanda do volume de dados requeridos para as a taxa de 28 kbps nas duas últimas fases de implantação em comparação com a capacidade do sistema implantado.

6.1 Comparação entre Taxa Entregue e Taxa Requerida

Nos próximos gráficos é feita uma análise entre o volume de dados requerido pelo serviço, e, a taxa que é efetivamente entregue pelo sistema proposto. Para esta comparação, estes dois parâmetros são variáveis, enquanto a taxa de transmissão é mantida constante, gerando assim três gráficos. Em cada um deles, os valores sofrem variação conforme três outros parâmetros; são eles: a largura de banda, o número de assinantes e o sentido do tráfego (subida ou descida). É válido ressaltar que a diferença existente entre o valor do tráfego de descida e o de subida é devido à definição de razão 2:1 entre os indicadores, sendo assim, na falta de capacidade do sistema suprir ambas as taxas requeridas (OfTh), haverá uma priorização dos dados entregues no sentido da emissora para o usuário.

i. 6kbps Na avaliação do serviço com taxa de 6 kbps (gráfico 2), se verifica que para o melhor

caso, ou seja, menor número de usuários simultâneos, quaisquer das propostas podem ser usadas, contudo, em virtude da possibilidade de se utilizar um menor número de canais de TV, assim como promover um nível reduzido de interferência entre canais, é feita a escolha pela menor banda.

À medida que se aumenta a quantidade de usuários, o uso de uma largura de banda muito limitada, já não fornece um volume de dados próximo do requerido. E em alguns destes casos, por mais que o nível de interferência se acentue, o uso da banda de 6MHz se torna imprescindível para que o serviço seja disponibilizado.

Taxa Requerida x Taxa Servida (Mbps) - 6Kbps

0

20

40

60

80

100

120

140

160

42k 85k 170k 254kUsuários

Mb

ps

OfThDw 1,5MHz Dw 1,5MHz Up 3MHz Dw 3MHz Up 6MHz Dw 6MHz Up Gráfico 2: Volume de dados entregue e volume requerido para 6 kbps.

ii. 12 kbps

A análise do serviço a uma taxa de 12 kbps (gráfico 3) mostra que para a primeira fase, a opção com menor ocupação de banda (1,5 MHz) apresenta uma diferença considerável entre taxa entregue e requerida, o que facilita a esclarecer a não viabilidade deste serviço, assunto a ser tratado posteriormente. Contudo, o uso de uma banda intermediária (3MHz), faz as diferenças entre taxas requerida e servida serem menos díspares, o que aponta que a condição pode ser válida. Já o uso de banda de 6MHz não apresenta um aumento significativo

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no volume de dados entregue, e em função disso, é feita a opção pela banda intermediária, já que deste modo, um menor número de canais de TV pode ser utilizado, e o nível de interferência entre canais será reduzido.

Através do gráfico, nota-se que o aumento na quantidade de usuários provoca no sistema uma tendência para o uso da maior banda. Porém, como a variação na taxa de transmissão de dados fornecida é muito alta, o dobro da anterior, há a possibilidade de que mesmo quando o valor limite para o canal WiMAX – 6MHz é selecionado, pode ocorrer do serviço não atender as projeções com um número muito expressivo de assinantes.

Taxa Requerida x Taxa Servida (Mbps) - 12Kbps

0

40

80

120

160

200

240

280

320

42k 85k 170k 254kUsuários

Mb

ps

OfThDw 1,5MHz Dw 1,5MHz Up 3MHz Dw 3MHz Up 6MHz Dw 6MHz Up

Gráfico 3: Volume de dados entregue e volume requerido para 12 kbps.

iii. 28 kbps Para o serviço com esta taxa de transmissão, a análise do melhor caso, mostra que a

única possibilidade de se viabilizar o serviço é o uso da banda limite para o canal WiMAX – 6MHz. Já para as demais projeções de usuários simultâneos, fica evidente uma previsão de não viabilidade do serviço proposto, uma vez que as taxas servidas estão muito abaixo das taxas requeridas em ambos os sentidos de tráfego, conforme se verifica pelo gráfico 4.

Taxa Requerida x Taxa Servida (Mbps) - 28Kbps

0

100

200

300

400

500

600

700

800

42k 85k 170k 254kUsuários

Mb

ps

OfThDw 1,5MHz Dw 1,5MHz Up 3MHz Dw 3MHz Up 6MHz Dw 6MHz Up Gráfico 4: Volume de dados entregue e volume requerido para 28 kbps.

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6.2 Total de Usuários Atendidos

Ao todo foram realizadas 36 simulações utilizando o software CellPlanner e como forma de avaliar a qualidade de serviço estimada neste trabalho teórico, foram adotados três parâmetros principais que tratam do atendimento dos assinantes e que refletem o resultado das simulações.

O primeiro deles se refere puramente à quantidade de usuários que são servidos pela tecnologia, comparado ao número total de usuários público alvo da TV digital. Na avaliação deste parâmetro, foi considerado como viável toda e qualquer situação em que se obteve um valor de no mínimo 95% do número máximo de assinantes atendidos (obtido em simulação). Este valor máximo foi de 97,8% de usuários servidos simultaneamente, o que implica em uma meta de viabilidade de 93%. A consolidação dos dados coletados comprova que o fato desse limiar ser superado, já é condição suficiente para que a opção seja considerada viável, porém foi necessário estabelecer um novo limitante levemente abaixo do primeiro (90%), onde são enquadradas as situações que necessitam de um segundo indicador para se comprovar ou não a sua viabilidade.

Usuários Servidos (%) x Taxa de Transmissão (kbps)

40

50

60

70

80

90

100

6Kbps 12Kbps 28Kbps 6Kbps 12Kbps 28Kbps

42k 85k

%

1,5MHz 3MHz 6MHz Viabilidade Limite Gráfico 5: Relação entre a taxa de dados entregue e a requerida – fases 1 e 2

No gráfico 5 estão ilustradas as variadas opções de taxas de transmissão de dados,

para as duas primeiras fases. Nele cada cor representa uma das diferentes larguras de banda contempladas no trabalho: 1,5 MHz, 3M Hz e 6 MHz.

Este gráfico se refere apenas ao primeiro fator aplicado para análise de viabilidade e por este critério será considerado como um serviço entregue ao usuário, a opção de taxa de dados com sua respectiva projeção de assinantes, no caso em que ao menos uma das três larguras de banda utilizadas ultrapasse a meta de viabilidade.

Por este critério, considerando 42.000 usuários, a única opção a não superar o valor limite de 93% de usuários atendidos foi o caso com taxa de transmissão em 28 kbps, porém como o valor atingido ficou entre 90 e 93%, este serviço requerer uma nova avaliação baseada em outro critério, o que será tratado posteriormente.

Já para a projeção com 85.000 usuários, apenas são viáveis os serviços com taxas de transmissão de dados em 6 e 12 kbps.

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De modo a contemplar os demais volumes de assinantes, no gráfico 6 estão sendo ilustradas as três opções de taxas de transmissão de dados para as duas últimas fases.

Usuários Servidos (%) x Taxa de Transmissão (kbps)

40

50

60

70

80

90

100

6Kbps 12Kbps 28Kbps 6Kbps 12Kbps 28Kbps

170k 254k

%

1,5MHz 3MHz 6MHz Viabilidade Limite Gráfico 6: Relação entre a taxa de dados entregue e a requerida – fases 3 e 4

O critério utilizado para análise de viabilidade neste gráfico é idêntico ao primeiro,

sendo considerada viável toda simulação que ultrapassar o valor limite de 93 % de usuários efetivamente servidos pela tecnologia. Sendo assim, na análise da projeção com 170.000 usuários, apenas a opção de serviço com taxa de dados de 6 kbps pode ser disponibilizada, já para a projeção com 254.000 usuários, a princípio, nenhuma das situações se mostra atraente, porém para a taxa de 6 kbps, é necessária uma avaliação baseada em outro fator para uma decisão mais precisa.

6.3 Outros Critérios

Os outros parâmetros que servirão de base na avaliação da qualidade do serviço oferecido são as taxas de dados entregues conforme o sentido de tráfego: subida e descida. Para se chegar ao limitante para estes indicadores, foi necessário estabelecer um valor mínimo a ser entregue ao usuário, já que o software tende a atender um máximo número de assinantes, em detrimento da taxa de transmissão base determinada. Com a adoção de uma taxa mínima para o tráfego em ambos os sentidos de 2/3 da taxa base foi estabelecido um limiar de viabilidade de 67% do valor requerido, valor este que é o mínimo aceitável a ser entregue.

Para uma avaliação completa de viabilidade do serviço considerou-se cada um dos três parâmetros, sendo que os valores críticos são: a percentagem de usuários servidos e a taxa de subida de dados, já que a taxa de transmissão de descida sempre será priorizada em relação à subida. Posteriormente será realizada a análise de todas as opções viáveis quanto à taxa servida e atendimento aos assinantes, considerando cada projeção de usuários. Avaliação dos Assinantes Atendidos

Para todas as simulações realizadas, a adoção do primeiro critério, que se refere puramente à quantidade de usuários servidos pela tecnologia e desconsidera a taxa de dados entregue conforme o sentido de tráfego, apresentou 5 opções viáveis entre 12 possíveis.

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Neste ponto, considera-se que o mesmo serviço pode ser disponibilizado com uma menor ocupação de banda, desde que atenda ao valor mínimo de taxa a ser entregue no sentido de descida.

As opções que apresentaram valores entre 90 e 93% de usuários atendidos e necessitam de outro critério para melhor análise de viabilidade, estão mostradas na tabela 12.

Tabela 12: Análise de viabilidade segundo o critério de taxa mínima transmitida. Usuários Taxa de

Dados Variável 1,5MHz 3MHz 6MHz Viabilidade

% Usuários Servidos 91,18 95,08 96,47 93 12Kbps

% Taxa de Subida 65,11 82,40 94,56 67

% Usuários Servidos 82,29 87,25 92,76 93 42k

28Kbps % Taxa de Subida 34,41 52,19 76,44 67

% Usuários Servidos 91,28 95,17 96,42 93 85k 6Kbps % Taxa de Subida 65,09 82,66 94,82 67

% Usuários Servidos 80,53 85,59 91,24 93 254k 6Kbps % Taxa de Subida 29,66 46,51 70,31 67

Ao observar os valores em negrito da tabela, é possível ver que a adoção da taxa limite

a ser entregue no sentido de subida de dados em 67% do valor requerido faz com que duas novas opções possam ser consideradas como serviços viáveis. Já as demais opções de serviço são rejeitadas por este critério.

6.4 Serviços Oferecidos

Como resultados finais da análise de viabilidade, todas as opções que mostraram ter uma qualidade de serviço mínima determinada em projeto são apresentadas a seguir.

O gráfico abaixo mostra as melhores opções de entrega do serviço usando a tecnologia do WiMAX-700 para cada uma das projeções de assinantes estimada. Os fatores excludentes utilizados foram: o limiar de 93% de usuários servidos pela tecnologia e também a taxa de dados para o tráfego no sentido de subida com valor mínimo de 67% do valor total requerido, condição esta necessária para definição da viabilidade das simulações que obtiveram valores entre 90 e 93% do total de usuários a serem atendidos. O gráfico mostra o percentual do volume de dados entregue pelo sistema proposto, em relação ao valor total requerido pelo serviço, conforme a respectiva taxa de transmissão de dados disponibilizada. Cada cor representa um serviço entregue, sendo a barra sólida o tráfego no sentido de subida e a barra em gradiente a representação do tráfego no sentido de descida.

Dentre as 36 simulações realizadas, sete delas se mostraram válidas na concepção do serviço a ser entregue, onde já foi considerada a melhor escolha de banda possível capaz de tornar viável a prestação do serviço para as projeções de assinantes simultâneos. As opções viáveis quanto à taxa servida e atendimento aos assinantes, considerando cada projeção de usuários estão mostrados no gráfico 7.

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Percentual em que a Taxa Servida atinge a Taxa Requerida

40

50

60

70

80

90

100

42k 85k 170k 254k

%

6Kbps Dw 6Kbps Up 12Kbps Dw 12Kbps Up 28Kbps Dw 28Kbps Up Meta Up

Gráfico 7: Soluções com viabilidade para implantação.

A análise do melhor caso mostra que é possível oferecer o serviço a uma taxa de 28 kbps se fazendo o uso da banda de 6 MHz. Para esta projeção, ainda se oferece a taxa de 12 kbps, através de uma banda de 3 MHz e por fim, pode se utilizar a banda de 1,5 MHz para transmissão da taxa em 6 kbps.

Para o caso intermediário de 85.000 usuários, pode se oferecer uma taxa de 12 kbps com o uso de uma banda de 6 MHz e taxa de 6 kbps com uma banda de 3 MHz. Para este caso, o serviço com taxa de 28 kbps não é viável.

Para os dois casos mais críticos, de 170.000 e 254.000 usuários simultâneos, a única opção de serviço a ser disponibilizada é a uma taxa de 6 kbps com o uso da banda de 6 MHz.

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7. Conclusões

A concepção inicial do projeto seria de se chegar a um número ótimo de ERBs para cobrir toda a cidade de Curitiba, ou ainda poder comprovar qual o número máximo de assinantes que uma única estação suportaria, dependendo da taxa de transmissão de dados selecionada. Porém, o desenvolvimento do trabalho baseado na tecnologia do WiMAX-700 aplicada para o canal de retorno, proporcionou um avanço considerável na análise de cobertura para a região centro norte da capital paranaense.

As dificuldades de se projetar um novo serviço residem no fato de que algumas de suas características são desconhecidas ou no mínimo não comprovadas por meio de casos práticos. Parâmetros essenciais para a quantização da qualidade do serviço como a taxa de transmissão por usuário foram basicamente levantadas a partir de deduções e estudos anteriores. Outro limitante que é o número de usuários total assim como o ritmo de crescimento de adesão de novos usuários são valores incertos até o momento e passíveis de estudos de mercado. O serviço de canal de retorno ainda tem a opção de adotar outras tecnologias em sua implementação, como o LTE (Long Term Evolution desenvolvido pelo 3GPP) ou as novas gerações da telefonia celular, além de possíveis soluções com infra-estruturas já existentes que não necessitam da criação de uma nova rede para implementar esse serviço.

Foram simuladas três distintas taxas de transmissão entregues e também quatro projeções de usuários atendidos pela tecnologia, o que nos dois casos pode representar as diversas fases de implantação do projeto, passando de um primeiro momento em que o serviço seria uma novidade e que apenas uma pequena parcela da população já tenha adquirido os equipamentos necessários para usufruir da tecnologia, até o momento em que o serviço já tenha se popularizado e então a grande maioria dos usuários já tenha em mente as vantagens proporcionadas pelo canal de interatividade.

Baseando-se em informações sobre a implantação da TV Digital e do serviço de interatividade, a proposta admissível de implantação num horizonte de médio prazo teria um cenário similar ao constatado com a projeção de assinantes referente a fase 1. Considerando esta hipótese, a proposta que mostra maior capacidade de ampliação do sistema devido a um aumento da demanda, faria uso de uma banda de 3 MHz e uma taxa de transmissão de dados de 12 kbps. A banda de 3 MHz se justifica principalmente pela utilização de um menor número de canais de TV se comparado com a banda máxima. Já a taxa de 12 kbps pode ser considerada como um valor razoável para aplicação de interatividade, baseando-se na natureza do serviço e nos aplicativos disponíveis atualmente.

Existem muitos questionamentos a serem respondidos no tocante a modelagem do serviço de canal de retorno, como as limitações da interatividade e do acesso à Internet em geral através dessa rede. É necessário também um estudo com maior precisão sobre as expectativas de adesão e crescimento do serviço, para que a esta rede possa crescer naturalmente sem a necessidade de grandes alterações em seus parâmetros principais. Uma análise de custos deve ocorrer tão logo sejam disponibilizados os equipamentos e definida a infra-estrutura necessária em função do posicionamento exato das ERBs.

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8. Referências [1] CPqD; Modelo de referência: Sistema Brasileiro de Televisão Digital Terrestre. [2] FIGUEIREDO, F.L.; Fundamentos da tecnologia WiMAX; CPqD; cap.4 [3] IEEE standard for local and metropolitan area networks. part 16: Air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems. IEEE p802.16d, 2004. [4] CHIANG, M.; 700MHz WiMAX for Personalized Wireless Broadband Broadcasting Platform; Chain Leader Communications; 2006. [5] MELONI, L.G.P.; Return Channel for the Brazilian Digital Television System-Terrestrial. [6] CELPLANNER. Celplan® Wireless Global Technologies. [7] PEREIRA, M.B.; Analise de Modelos de Propagação na Área Urbana da Região de Curitiba – PR; UFPR - 2007. http://dspace.c3sl.ufpr.br/dspace/handle/1884/12325 [8] DAVID, R.P.; Técnica de estimação de canal utilizando símbolos pilotos em sistemas OFDM – PUC-RIO; 2007. [9] MEDIA WORSTATION; TOP 5: SÃO PAULO - SEMANA 40 - 29/09 A 05/10/2008. 13 out 2008.