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TVWS para Inclusão Digital no Brasil
Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti (rodrigo@gtel.ufc.br),Matheus F. S. do Nascimento, Raphael Braga Evangelista, e Carlos F. M. e Silva
Universidade Federal do Ceará (UFC)Departamento de Engenharia de Teleinformática (DETI)
Outubro/2016
Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 1 / 43
Grupo de Pesquisa em Telecomunicações Sem Fio (GTEL)Página Web: http://www.gtel.ufc.br
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Federated Union of Telecommunications Research Facilities for anEU-Brazil Open Laboratory (FUTEBOL)
ConsórcioInstituições Europeias:
4 acadêmicas1 indústria
Instituições Brasileiras:5 acadêmicas2 indústrias
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Sumário
1 Introdução
2 TVWS
3 TVWS no Mundo
4 Exemplo de Aplicação Prática
5 Cinturão Digital
6 Caso de Estudo - Ceará
7 Conclusão
8 Referências
Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 4 / 43
1 Introdução
2 TVWS
3 TVWS no Mundo
4 Exemplo de Aplicação Prática
5 Cinturão Digital
6 Caso de Estudo - Ceará
7 Conclusão
8 Referências
Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 5 / 43
Escassez de Espectro
O espectro de rádio frequência éum recurso limitadoEstudos e pesquisas:
Faixas licenciadas de frequênciasubutilizadas (TV)Ao redor do mundo taxa deocupação do espectro: 5% até15%
Pergunta-chaveComo melhorar a eficiência espectralnessas faixas subutilizadas?
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Problema de Cobertura
Precária cobertura de serviços detelecomunicaçõesBaixo percentual de domicílios queutilizaram a Internet (2014),especialmente no Nordeste
Pergunta-chaveComo projetar um sistema que ofereçauma boa área de cobertura, mas aomesmo tempo mantenha um valorlimitado de CAPEX e OPEX?
Acesso à Internetde 30 a 45%de 45 a 55%de 55 a 65% de 65 a 75%
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Limitação para Inclusão Digital
O acesso à Internet não está disponível em todas as regiões geográficasEm áreas rurais, serviço inexistente ou bastante caro
Regiões de baixa atratividade econômicaUm fator limitante para a inclusão digital: custo da infraestrutura de rede
Pergunta-chaveExiste alguma tecnologia capaz de prover conectividade para áreas rurais,utilizando de forma mais eficiente a alocação de espectro e com boacaracterística de propagação?
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Respostas
TV White Space (TVWS) pode ser aresposta!
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1 Introdução
2 TVWS
3 TVWS no Mundo
4 Exemplo de Aplicação Prática
5 Cinturão Digital
6 Caso de Estudo - Ceará
7 Conclusão
8 Referências
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Como Surgiu e O Que é TVWS?
TVWS surgiu pelo processo do Digital Switchover (DSO)Transição da TV análogica para digitalNo Brasil, plano para o DSO, começou em 2015 e será implementado gradualmenteaté Dezembro de 2018 (Minicom)
TVWS é um espectro na banda de TV que não está sendo utilizado ou estásubutilizado em uma dada região em um dado tempoTVWS é usado de maneira oportunista por White Space Devices (WSD) –Usuários secundários
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Ilustração do Conceito de TVWS
Regiões que utilizam o canal DTV 21 na Europa. Espaço restante entre essas regiões:TVWS do canal específico.
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Métodos Oportunísticos para Exploração dos TVWS
Usuários secundários não podem causar interferência nos primários
Informações necessárias:Quais canais de TV usarMáxima EIRP permitida
Principais mecanismos para o acesso oportunístico dos TVWS:Sensoriamento de EspectroBase de Dados de Geolocalização (GLDB)
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Arquitetura GLDB
GLDB
WSD
Inputs from incumbentsRegulatory
inputs
N N + 1 N + 2 N + 3 N + 4 ... M - 1 MChannel
Vacant channel Occupied channel
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Cenários
Espectro dos Comuns - Ex : Super-WiFi Mercado Secundário de Espectro - Ex :LTE sobre TVWS
GLDB
White space database
Licensed DTV spectrum White space network
BSEnd usersEnd users
1
2
3
DTV DTVDTV
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1 Introdução
2 TVWS
3 TVWS no Mundo
4 Exemplo de Aplicação Prática
5 Cinturão Digital
6 Caso de Estudo - Ceará
7 Conclusão
8 Referências
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TVWS no Mundo
A quantidade de espectro de TVWS disponível pode variar significativamente deum país para outroCada país tem seu órgão regulador para estabelecer os requisitos específicos doespectroPaíses como os Estados Unidos, Reino Unido, Europa, Japão e Índiadesenvolveram estudos e projetos sobre TVWSPrincipais padrões para TVWS: ECMA-392, IEEE 802.22, IEEE 802.11af,IEEE 802.19, ETSI RRSOrgãos reguladores em destaque: FCC (Estados Unidos) e Ofcom (Reino Unido)
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Situação Brasileira
O Brasil é o quinto maior país no mundo, por ser um país tão grande apresentainúmeros problemas de cobertura móvel e de Internet
Serviços de telecomunicações precários nas zonas ruraisTVWS pode ser um fator relevante para inclusão digital das zonas rurais do Brasil
Espectro licenciado de TV quase não é usado em regiões ruraisEntidades responsáveis pelo gerenciamento do Espectro no Brasil:
AnatelMinicom
SBTVD - Sistema Brasileiro de Televisão DigitalVersão modificada da plataforma Japonesa (ISDB-T)Canais do 14 ao 69 (470–806MHz), 6MHz por canalA banda de 700MHz (698–806MHz) será usada para o serviço de banda largamóvel, 4G/LTE, após o processo de DSO ser completo
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1 Introdução
2 TVWS
3 TVWS no Mundo
4 Exemplo de Aplicação Prática
5 Cinturão Digital
6 Caso de Estudo - Ceará
7 Conclusão
8 Referências
Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti TVWS para Inclusão Digital no Brasil 19 / 43
Situação da Índia
Desafio em prover banda larga,principalmente para zonas ruraisÚnico provedor de serviço de TV373 transmissores de TV operando emUHF: 15 canais de 8MHz12 dos 15 (80%) canais disponíveis emqualquer lugarAmenizar a falta de acesso banda larga emzonas rurais: TVWS
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TVWS na Índia
Prover conexão banda larga (≥ 512 kbps) para zonas semi-urbanas e ruraisConexão por fibra planejada para cobrir algumas localidades rurais
ProblemaFalta de um backhaul robusto e financeiramente acessível.
SoluçãoAproveitar a estrutura de Pontos de Presença (PoPs) com conectividade óptica e criardiversos clusters Wi-Fi para as regiões próximas, conectando-as aos PoPs através deTVWS.
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Topologia de Rede para Acesso à Banda Larga
Na Índia ruralEstender a cobertura de internet a partir dos PoPs rurais usando TVWS na banda deUHF de TVCada vilarejo servindo por um ponto de acesso Wi-Fi (Wi-Fi AP)Conexão entre PoPs e pontos de acesso Wi-Fi: TVWSEstação Base TVWS em UHF (UHF-BS) localizada no PoPEquipamento TVWS na localidade do cliente em UHF (UHF-CPE)
PoP UHF-BS UHF-CPE Wi-Fi APTVWS
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Topologia de Rede para Acesso à Banda larga
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Protótipo de Dispositivo Econômico
Produtos baseados em IEEE 802.22 e802.11af são comercialmentedisponíveis, porém são caros:
US$ 4000 – 5000/BSUS$ 1000 – 2000/CPE
Desenvolvido protótipo de baixo-custode um dispositivo na banda UHF:
US$ 650/dispositivo
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1 Introdução
2 TVWS
3 TVWS no Mundo
4 Exemplo de Aplicação Prática
5 Cinturão Digital
6 Caso de Estudo - Ceará
7 Conclusão
8 Referências
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Cinturão Digital
Fortaleza é uma cidade estratégicaConcentra todos os cabos submarinos que partem (ou chegam) para a América doNorte e EuropaMesmo com essa importância estratégica ninguém no Ceará se beneficiava desse fato(o que pode ser comprovado pelos altos valores que eram pagos em Fortaleza e nointerior para acesso aos serviços digitais)Para mudar essa realidade, o Governo do Ceará decidiu lançar uma infraestrutura dealta tecnologia, o Cinturão Digital do Ceará (CDC), projeto executado pela Empresade Tecnologia da Informação do Ceará (ETICE)O projeto custou R$ 78 Milhões e é a maior rede pública de banda larga do Brasil
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Estrutura do CDC
Os clientes do CDC podem ser conectados por meio de fibra óptica ou rádio
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Integração TVWS e CDC
Utilização do CDC como backbone paraaplicações de TVWS, semelhante à aplicação de
TVWS na Índia: Estudo de caso do Ceará
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1 Introdução
2 TVWS
3 TVWS no Mundo
4 Exemplo de Aplicação Prática
5 Cinturão Digital
6 Caso de Estudo - Ceará
7 Conclusão
8 Referências
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Caso de Estudo - Ceará
Alcançar regiões rurais por meio de uma rede fixa não é uma opção atrativa paraas operadorasAlternativas sem fio são mais eficientes financeiramenteO caso de estudo usa o TVWS para solucionar em parte o problema de coberturadas zonas rurais do estado do CearáGrande vantagem do TVWS em relação WiMAX: Maior ganho em coberturaO estudo tomou como base o mapa de cobertura 3G e 4G de uma certa operadorano estado
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Resultados
Ilustração do ganho de cobertura relativo a diferentes bandas
1x
3.5x
5x
T V Ch. 14
T V Ch. 51
L T E 2.6 GHz
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Cobertura 3G/4G no Ceará
Cobertura 3G Cobertura 4G
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Grande potencial do Ceará
O cenário rural do Ceará apresentaum grande potencial para o TVWS
Zonas rurais apresentam poucasemissoras de TVGrande quantidade de espectrodisponivel para TVWSMédia de 210MHz disponível noCeará
21 – 25 26 – 30 31 – 35 36 – 38
Number of Unused DTV Channels
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Considerações do Estudo de Caso
Equipamentos PMSE (Programme Making and Special Events) não serãoconsideradosAs regulamentações baseadas nos modelos da FCC e OfcomModelos de propagações apropriados para o desenvolvimento da GLDB de forma amelhorar o desempenho do sistemaUso de GLDB sem sensoriamento de espectro
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Simulação
Cidade de JericocoaraUtilização da infraestrutura de GSM da operadora de estudoSoftware Radio Mobile para calcular a área de cobertura e link budgetUtilizou-se o canal 51 (692–698MHz)Mercado secundário de espectro : LTE sobre TVWSParâmetros seguindo as recomendações do 3GPP
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Resultados
A área de cobertura foi definida para uma taxa mínima de 512 kbps
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Resultados
Na área de cobertura, 90% das localidades podem ser servidas com uma taxa de738 kbps ou maisCapacidade média de 2.58Mbps
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 Média = 2.58 Mbps
p10 = 738 kbps
Capacidade (Mbps)
Pro
babi
lidad
e
Função de Distribuição Cumulativa
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1 Introdução
2 TVWS
3 TVWS no Mundo
4 Exemplo de Aplicação Prática
5 Cinturão Digital
6 Caso de Estudo - Ceará
7 Conclusão
8 Referências
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Conclusão e Perspectivas
Situação precária das zonas rurais e escassez de espectroTVWS: caminho para inclusão digitalGrande potencial do TVWS para a dada condição geográfica do BrasilMédia de 210MHz de banda TVWS disponível por cidade no CearáGrande ganho de capacidade/coberturaPossível utilização da infraestrutura do CDC com TVWS (baseando-se naaplicação de TVWS na Índia)
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1 Introdução
2 TVWS
3 TVWS no Mundo
4 Exemplo de Aplicação Prática
5 Cinturão Digital
6 Caso de Estudo - Ceará
7 Conclusão
8 Referências
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Referências
[1] A. Kumar et al., "Toward enabling broadband for a billion plus population with TVwhite spaces,"in IEEE Communications Magazine, vol. 54, no. 7, pp. 28-34, July 2016.[2] Matheus F. S. do Nascimento, Raphael B. Evangelista, Carlos F. M. e Silva, R. P.Cavalcanti, André L. F. de Almeida, Yuri C B. Silva, "TV White Spaces for DigitalInclusion in Brazil,"em Revista de Tecnologia da Informação e Comunicação, 2016. (aser publicado)[3] IBGE, Diretoria de Pesquisas, Coordenação de Trabalho e Rendimento, PesquisaNacional por Amostra de Domicílios 2014
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Dúvidas
Perguntas ?
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TVWS para Inclusão Digital no Brasil
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Universidade Federal do Ceará (UFC)Departamento de Engenharia de Teleinformática (DETI)
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