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Redes de Acesso à Internet MóvelPerspectiva dos operadores móveis

SonaecomEngenharia de Acesso Rádio – Tecnologias Wireless

Leiria, 3 de Maio de 2006

Sonaecom – EAR / TW I David Antunes I 03/Maio/2006

1. Introdução: crescimento do tráfego de dados e perspectivas2. Tecnologias de acesso rádio3. UMTS FDD R994. HSDPA5. UMTS TDD6. WiMAX – 802.16e7. Roadmap8. Evolução regulatória9. Conclusão

Índice

3Redes de Acesso à Internet Móvel I Sonaecom I David Antunes I 03/05/2006

•População: 10,8 milhões

•Área: 92 080 km2

•Penetração telefones celulares: ~100%

PORTUGAL

Optimus

OPTIMUS

•GSM/GPRS/UMTS

•Lançamento 1998, quota de mercado ~22%

•89 nós rede core

•~2200 sites

•Lançamento UMTS: Junho 2004;

•Serviço Kanguru: ‘flat rate’ até 384kbps (10GB) lançado em Set. 2005


•No lançamento do UMTS, tráfego era predominantemente devido a voz

•O lançamento do Kanguru mudou drasticamente esta tendência

•Presentemente, os dados predominam claramente sobre a voz

•Volume de tráfego predominantemente devido a acesso à Internet através do terminal móvel (HTTP, P2P)

REDE FDD – WCDMA R99

Explosão do tráfego de dados

Time

Data

Vol

ume

Downlink Uplink

KANGURU


•Tecnologias standard, suportada pelos vários fornecedores

•Disponibilidade e visibilidade sobre evolução

•Eficiência espectral e capacidade

•CAPEX & OPEX reduzidos

•Economia de escala (redução de custos de rede e de terminais)

•Cobertura indoor

•Mobilidade/portabilidade, ubiquidade

•Velocidade

•Interactividade / latência reduzida

•Baixo custo

O QUE DESEJAM OS OPERADORES?

Operador e Utilizador: Diferentes Perspectivas

O QUE DESEJAM OS UTILIZADORES?


Tecnologias de Acesso Rádio


Limitações Técnicas UMTS FDD R99

•Previsível crescimento (já uma realidade) do tráfego de dados, com uma mistura de diversos serviços com diferentes requisitos de Qualidade

•Em R99 existem alguns canais adequados para requisitos específicos de tráfego (e.g. FACH) mas com eficiência espectral reduzida. Algoritmos de ‘channelswitching’ permitem melhorar acessibilidade e eficiência na atribuição de recursos vs. necessidades mas ainda aquém do desejado e com impacto ao nível do utilizador (e.g. temporizadores associados à comutação de canal)

•As variações no ritmo de dados oferecido são efectuadas através de spreadingfactors variáveis, com uma gama dinâmica reduzida para tráfego bursty

•As implementações existentes para o controlo de potência no downlink têm gamas dinâmicas reduzidas (~30 dB), não explorando o limite de Shannon no centro das células

•Tráfego bursty requer maior interactividade e melhor desempenho de schedulingatravés do uso de tramas mais reduzidas

TRÁFEGO ASSIMÉTRICO REQUER A EXISTÊNCIA DE UM CANAL PARTILHADO DE ALTO DÉBITO QUE PERMITA RÁPIDO SCHEDULING DE UTILIZADORES


Melhorias HSDPA R5 vs R99

•Canal comum: em R99, canais dedicados e canal partilhado de baixo débito

•SF fixo 16

•Modulação (QPSK e 16-QAM) e codificação adaptativas (AMC)

•Sem controlo de potência rápido: eficiência dos PA garantida através de AMC

•L1 H-ARQ: mais eficaz do que o ARQ simples de R99 mas requer implementações mais complexas nos terminais (memória)

•Multi-código: R5 permite utilização simultânea de 1 a 15 códigos, em R99 não háimplementações com mais do que 1 código

•TTI: reduzido de 10ms (R99) para 2ms (R5), garantindo latência mais reduzida

•MAC ao nível do nó-B: retransmissões mais rápidas, reduzindo a latência e AMC mais rápido


Drivers HSDPA e Terminais

•2 drivers principais:

•Utilizador final: bit rate > 384kbps, experiência ADSL com mobilidade

•Operadores: optimização do investimento FDD, maior capacidade

•Melhoria da experiência do utilizador com HSDPA:

•DL bit rate até 14.4 Mbps, UL bit rate desde 64kbps até 384 kbps (PHY)

•Latência reduzida para 1/3 a 1/2 da experiência de FDD (~150ms)

Terminais:•Cat. 12 já disponível

•Cat. 5/6 expectáveis em meados 2006

•Cat. 7/10 não anunciadas


Limitações e Restrições do HSDPA

•Limitações no UL:

•Protocolo TCP obriga a elevada frequência de ACK/NACK no UL devido aos altos débitos no DL

•Cada vez maior necessidade de UL ‘rápido’, devido a e-mail e aplicações P2P

•Disponibilidade HSUPA prevista apenas para 2007

•Necessário aumentar débito no UL, com impacto na densidade de sites

•Partilha potência HSDPA vs. R99 no DL:

•Canais de controlo comuns consomem ~25% potência

•Compromisso entre desempenho HSDPA e R99

•Necessário upgrade de PAs, frequências e sites


Evolução HSDPA

•MIMO – ‘Multiple Input Multiple Output’

•Melhor diversidade Tx/Rx, melhorando qualidade do canal rádio

•Requer maior complexidade, sobretudo na implementação dos terminais

•HSUPA – High Speed Uplink Packet Access:

•UL parecido com HSDPA mas baseado num canal dedicado melhorado (E-DCH) de ritmo variável e rápida adaptação de modulação e codificação

•Benefícios mais reduzidos do que com HSDPA devido a limitações de potência nos terminais

Terminais HSUPA:•Inicialmente cat. 1 a 3

•Bit rate inicial até 1.46 Mbps

•Latência reduzida para ~50ms


UMTS TDD

•Cobertura:

•Urbano Denso até ~400m, Urbano até ~600m e Suburbano até ~800m

•Desempenho:

•~2.3 Mbps no DL e ~0.85 Mbps no UL

•Latência inferior a 150ms (85ms medidos)

•Terminais:

•Cartas PCMCIA, semelhantes às existentes para HSDPA

•Tecnologia ‘standard’:

•UMTS TDD;

•Banda: 5 MHz (FDD requer 5 + 5 = 10 MHz)

•Limitações:

•Falta de suporte por parte dos principais fornecedores

•Chipset TDD/FDD ainda não disponível para equipamentos terminais

Trial comercial


WiMAX (802.16)Arquitectura de rede

Rede de Acesso:Estações de base e CPEs (Customer

Premises Equipment)Perspectiva ‘all-IP’

Estações de Base:Sectores 4x90º 802.16d (2x3.5 GHz

canais/sector - FDD)Sectores 3x65º para 802.16e (banda

variável - TDD).CPEs:

Conectividade Ethernet, VoIP, WiFiHotspotCPEs são estáticos para 802.16d e

portáteis para 802.16e


Características WiMAX (802.16e)

•Método de acesso múltiplo: sOFDMA

•Larguras de banda suportadas: 1.25 / 2.5 / 5 / 10 / 20 MHz

•Modulações suportadas: QPSK, 16-QAM e 64-QAM

•Dimensão FFT possíveis: 128 / 256 / 512 / 1024 / 2048

•Espaçamento entre portadoras: 11.2 kHz para qualquer largura de banda

•Duplexing: TDD no início, FDD / HD FDD também especificados

•Duração trama: 2 / 2.5 / 4 / 5 / 8 / 10 / 12.5 / 20 ms

•Funcionalidades suportadas:

•H-ARQ

•Sub-canais no UL e DL

•MIMO e AAA (Adaptive Antenna Arrays)

• Handover entre estaçõesCARACTERÍSTICAS DO WiMAX PODERÃO SER ADOPTADAS PELO 3GPP PARA

IMPLEMENTAÇÃO NUM FUTURO SISTEMA DE 4ª GERAÇÃO


OFDM (1)

•Um sinal OFDM baseia-se em múltiplas portadoras de banda reduzida:

• Um sinal de alto débito é dividido em N ‘sub-sinais’ de débito reduzido

• Cada um dos ‘sub-sinais’ resultantes modula uma portadora sendo que as diferentes portadoras são ortogonais entre si

• Os sinais resultantes são adicionados e o sinal resultante é transmitido


OFDM (2)

SINAL QPSK

•Um sinal OFDM tem claras vantagens em canais selectivos na frequência:

•Num sinal QPSK de banda larga e portadora única, um canal que propicie uma má resposta em torno de uma dada frequência pode fazer perder todo o sinal

•Para um sinal OFDM no mesmo canal, apenas se perdem as sub-portadorasem torno dessa frequência, minimizando o impacto do fading

SINAL OFDM


OFDM (3)

•Um sinal OFDM beneficia ainda da introdução do ‘Cyclic Prefix’:

• Devido às reflexões, o mesmo sinal pode ser recebido de forma múltipla no receptor, embora com atenuações e atrasos diferentes (‘fast fading’)

• Este fenómeno origina interferência inter-simbólica, com diferentes símbolos a colidirem uns com os outros

• A introdução de um prefixo antes de cada símbolo com duração conforme o perfil de atraso típico permite minimizar esta interferência


WiMAX vs CDMA

•OFDM garante benefícios de capacidade quando comparado com CDMA:

•Desempenho da ligação rádio melhorado

•Ganhos mais significativos para relações sinal-ruído mais altas e espalhamentos de atrasos elevados

Fonte: Motorola’s NGN View, 2006

OFDM

8 10 12 14 16 18 20

10-4

10-3

10-2

10-1

100

C/I (dB)

Dec

oded

BE

R

16-QAM, r =1/2 64-state Conv. Code, 100% Loading

CDMA s/ RAKE

CDMA c/ equalizaçãotemporal

OFDM


Comparação Tecnologias Acesso Rádio (1)






Roadmap Rede – HSDPA & WiMAX


Roadmap Terminais – HSDPA & WiMAX

HSDPA: PC Cards – já disponíveis

WiMAX: CPEs Residencial, USB, antena de 2 dBi (antena externa opcional com 10 dBi) –já disponível


•Com excepção do TDD, todas as outras tecnologias estão presentemente disponíveis em vários fornecedores e baseadas em standards globalmente aceites

•A certificação WiMAX (802.16e) só foi recentemente fechada e os primeiros equipamentos deverão estar disponíveis em 2007/2008

•3GPP em fase de análise relativamente à evolução do 3G: adopção de sistema baseado em OFDM é uma hipótese

ESPECIFICAÇÕES

Evolução Regulatória (1)

ESPECTRO

•Possibilidade de banda nos 2.5GHz ser reservada para o IMT2000, o que poderálimitar uso do 802.16e

•A banda dos 3.5GHz não está harmonizada (FWA) e a sua regulação encontra-se em análise pelas entidades regulatórias

•Possibilidade de futuramente se adoptar uso agnóstico do espectro


Evolução Regulatória (2)Especificações

Título da Apresentação I Direcção I Autor I Data 26

1. Tendência clara para crescimento do tráfego de dados2. UMTS FDD R99 não é suficiente para responder às necessidades

dos utilizadores e apresenta limitações técnicas3. Evolução para HSDPA é imperativa, garantindo melhor qualidade

de serviço ao utilizador e melhor eficiência para o operador4. Tecnologia WiMAX (802.16e) deverá oferecer débitos ainda

maiores do que HSDPA mas encontra-se ainda numa fase embrionária

5. Tendência para uma ‘convergência técnica’ entre tecnologias UMTS e 802.16, com adopção do OFDM como standard futuro

Conclusão

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