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TVWS para Inclusão Digital no Brasil

Prof. Dr. Francisco Rodrigo P. Cavalcanti ([email protected]),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

mailto:[email protected]

Grupo de Pesquisa em Telecomunicações Sem Fio (GTEL)Página Web: http://www.gtel.ufc.br


http://www.gtel.ufc.br

Federated Union of Telecommunications Research Facilities for anEU-Brazil Open Laboratory (FUTEBOL)

ConsórcioInstituições Europeias:

4 acadêmicas1 indústria

Instituições Brasileiras:5 acadêmicas2 indústrias


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


1 Introdução

2 TVWS

3 TVWS no Mundo


5 Cinturão Digital


7 Conclusão

8 Referências


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?


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%


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?


Respostas

TV White Space (TVWS) pode ser aresposta!


1 Introdução

2 TVWS

3 TVWS no Mundo


5 Cinturão Digital


7 Conclusão

8 Referências


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


Ilustração do Conceito de TVWS

Regiões que utilizam o canal DTV 21 na Europa. Espaço restante entre essas regiões:TVWS do canal específico.


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)


Arquitetura GLDB

GLDB

WSD

Inputs from incumbentsRegulatory

inputs

N N + 1 N + 2 N + 3 N + 4 ... M - 1 MChannel

Vacant channel Occupied channel


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


1 Introdução

2 TVWS

3 TVWS no Mundo


5 Cinturão Digital


7 Conclusão

8 Referências


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)


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


1 Introdução

2 TVWS

3 TVWS no Mundo


5 Cinturão Digital


7 Conclusão

8 Referências


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


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.


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


Topologia de Rede para Acesso à Banda larga


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


1 Introdução

2 TVWS

3 TVWS no Mundo


5 Cinturão Digital


7 Conclusão

8 Referências


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


Estrutura do CDC

Os clientes do CDC podem ser conectados por meio de fibra óptica ou rádio


Integração TVWS e CDC

Utilização do CDC como backbone paraaplicações de TVWS, semelhante à aplicação de

TVWS na Índia: Estudo de caso do Ceará


1 Introdução

2 TVWS

3 TVWS no Mundo


5 Cinturão Digital


7 Conclusão

8 Referências


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


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


Cobertura 3G/4G no Ceará

Cobertura 3G Cobertura 4G


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


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


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


Resultados

A área de cobertura foi definida para uma taxa mínima de 512 kbps


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


1 Introdução

2 TVWS

3 TVWS no Mundo


5 Cinturão Digital


7 Conclusão

8 Referências


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)


1 Introdução

2 TVWS

3 TVWS no Mundo


5 Cinturão Digital


7 Conclusão

8 Referências


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


Dúvidas

Perguntas ?


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