Informe nº 59/2017/SEI/ORER/SOR

PROCESSO Nº 53500.060856/2017-16

INTERESSADO: CONSELHO DIRETOR

ASSUNTO

Estudo de coexistência entre redes LTE-Advanced operando em 3400-3600 MHz e sistemas TVRO operando em 3625-4200 MHz.

REFERÊNCIAS

Cisco, "Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015-2020". White paper, Cisco, Fevereiro de 2016.

ITU, "Report ITU-R M. 2370-0: IMT traffic estimates for the years 2020 to 2030". Technical report, ITU-R, Julho de 2015.

LS telcom, "Mobile Spectrum Requirements Estimate: Getting the Inputs Right". Technical report, LS telcom, Setembro de 2014.

Federação Russa. "Documento 5D/118-E: Future IMT Spectrum Requirements Assessment for the Russian Federation". Technical report, ITU-R, 2012.

Leandro Carísio Fernandes, Agostinho Linhares e Luciana Rabelo Novato Ferreira, "Spectrum forecasting for IMT-Advanced". Telecommunication Systems, 2017.

Anatel, "Resolução nº 537". 17 de Fevereiro de 2010.

ITU, "Report ITU-R S.2199-0: Studies on compatibility of broadband wireless access (BWA) systems and fixed-satellite service (FSS) networks in the 3400-4200 MHz band". Novembro de 2011.

ITU, "Recommendation ITU-R M. 1634-0: Interference protection of terrestrial mobile sharing systems using Monte Carlo simulation with application to frequency sharing". Junho de 2003.

ITU, "Report ITU-R SM.2028-1: Monte Carlo simulation methodology for the use in sharing and compatibility studies between different radio services or systems". 2002.

CEPT, "ECC Report 252: SEAMCT Handbook". 2ª edição. 29 de Abril de 2016.

ITU, "Report ITU-R S.2368-0: Sharing studies between International Mobile Telecommunication-Advanced systems and geostationary satellite networks in the fixed-satellite service in the 3400-4200 MHz and 4500-4800 MHz frequency bands in the WRC study cycle leading to WRC-15". Junho de 2015.

WiMAX Forum, "Compatibility of services using WiMAX technology with satellite services in the 3.2-2.7 GHz and 3.3-3.8 GHz Bands". 2007.

ITU, "Report ITU-R M.2292-0: Characteristics of terrestrial IMT-Advanced systems for frequency sharing/interference analyses". Dezembro de 2013.

3GPP, "3GPP TS 26.104 v13.2.0". Janeiro de 2016.

ITU, "Report ITU-R M.2324-0: Sharing studies between potential International Mobile Telecommunication systems and aeronautical mobile telemetry systems in the frequency band 1429-1535 MHz". Novembro de 2014.

ECC, "ECC Report 227: Compatibility Studies for Mobile/Fixed Communication Networks (MFCN) Supplemental Downlink (SDL) operating in the 1452-1492 MHz band". Janeiro de 2015.

3GPP, "3GPP TS 36.101 v.14.0.0". Junho de 2016.

ITU, "Recomendação ITU-R S.465-6: Reference radiation pattern for earth station antennas in the fixed-satellite service for use in coordination and interference assessment in the frequency range from 2 to 31 GHz". Janeiro de 2010.

Anatel, "Relatório do grupo de trabalho de 3,5 GHz (GT 3,5 GHz)". 2013.

ITU, "Report ITU-R M.2135-1: Guidelines for evaluation of radio interference technologies for IMT-Advanced". Dezembro de 2009.

Marcus C. WEalden e Frank J. Rowsell, "Urban Propagation Measurements and Statistical Path Loss Model at 3.5 GHz". IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2005.

ITU, "Recommendation ITU-R P.452-16: Prediction procedure for the evalation of interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.1 GHz". Julho de 2015.

Udora N. Nwawelu, Anthony N. Nzeako, Mamilus A. Ahaneku, "The Limitations of Campus Wireless Networks: A Case Study of University of Nigeria, Nsukka [Lionet]". International Journal of Networks and Communications, 2012, 2(5), pp. 112-122.

Wataru Yamada, Motoharu Sasaki, Naoki Kita, Takatoshi Sugiyama, "New predicion method using visibility factor for path loss between mobile terminals in residential area in microwave band".

Ignacio Rodriguez, Huan C. Nguyen, Niels TK Jørgensen, Troels B Sørensen, Jan Elling, Morten B. Gentsch, Preben Mogensen, "Path Loss Validation for Urban Micro Cell Scenarios at 3.5 GHz Compared to 1.9 GHz". 2013 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM). Dezembro de 2013, pp. 3942-3947.

ITU, "Recommendation ITU-R SM.337-6: Frequency and distance separations". 2008.

Greatek, "http://www.greatek.com.br/produtos/37/pro-2100a" [Online].

G. Ancans, E. Stankevicius, V. Bobrovs, S. Paulikas, "Evaluation of LTE 700 and DVB-T Electromagnetic Compatibility in Adjacent Frequency Bands". Progress in Electromagnetics Research Symposium Proceedings. Julho de 2015.

Yanming Cheng, Ye Wang, Hyeju Yun, Ilkyoo Lee, "Interference Impact of LTE on Mobile WiMAX in TV White Spaces". International Journal of Information and Electronics Engineering, 4(5), Setembro de 2014.

CEPT, "ECC Report 207: Adjacent band co-existence of SRDs in the band 863-870 MHz in light of the LTE usage below 862 MHz". 31 de Janeiro de 2014.

Anatel, "Nota técnica nº 07/ORER/2014: Estudo para estimativa do percentual de domicílios brasileiros para os quis será necessária adoção de filtro adicional na recepção de TV". 17 de Junho de 2014.

Jonathan Watson, "When it comes to interference, you can't beat real world experience". Policy Tracker, 2014.

ANÁLISE

Ao longo dos últimos meses de 2016 e primeiros meses de 2017, a Gerência de Espectro, Órbita e Radiodifusão realizou estudos para verificar a convivência entre sistemas LTE-Advanced instalados na faixa de 3400-3600 MHz com a aplicação TVRO na faixa de 3625-4200 MHz. Ao final desse trabalho, optou-se por submetê-lo para crítica da comunidade científica internacional. Dessa forma, foi elaborado o artigo "Coexistence Conditions of LTE-Advanced at 3400-3600 MHz with TVRO at 3625-4200 MHz in Brazil", que foi submetido para análise da revista Wireless Networks, integrante do grupo Springer. Esta publicação científica foi avaliada, no triênio 2013-2016, como de nível A2, o segundo nível de qualidade mais elevado considerado no meio acadêmico brasileiro. Para ser aceito, um artigo é revisado por pessoas externas e sem vínculo com os autores.

O artigo submetido foi aceito e publicado em 19 de junho de 2017. Como forma de subsidiar decisões futuras envolvendo a faixa de 3.400-3.600 MHz, este artigo foi traduzido, o que é o objetivo deste Informe.

Introdução

Alguns relatórios estimam que o tráfego móvel crescerá exponencialmente nos próximos anos [1, 2]. Por isso, pesquisadores têm mostrado que mais faixas de frequências são necessárias para sistemas IMT (International Mobile Telecommunications) [3-5]. No Brasil isso também é uma realidade. Em um estudo recente realizado pela Gerência de Espectro, Órbita e Radiodifusão da Anatel (ORER), foi mostrado que mais faixas de frequências deverão estar em uso nos próximos cinco anos para suportar o tráfego crescente.

Desde 1999 o Brasil permite o uso da faixa de frequência de 3.400 a 3.600 MHz para aplicação de banda larga. A regulamentação atual (aprovada pela Resolução 537/2010) já possibilita o uso de sistemas IMT [6]. Entretanto, essa faixa não é bem utilizada devido a possíveis problemas de interferência prejudicial causados por estes sistemas na faixa de frequência adjacente superior (3.625 MHz a 4.200 MHz). Atualmente o sistema IMT mais utilizado é o LTE (Long Term Evolution) e suas evoluções, que também é a tecnologia mais esperada de ser implantada na faixa de frequência de 3.400 a 3.600 MHz.

A faixa de frequência de 3.600 a 4.200 MHz é atualmente atribuído para serviço fixo por satélite (os satélites operando na banda C no Brasil começam em 3.625 MHz ou em alguma outra frequência superior). O sinal transmitido por esses satélites são recebidos por VSATs (very small aperture terminal), estações licenciadas que possuem uma localização geográfica definida e receptores TVRO (television receive-only). As TVRO não são regulados e normalmente usam equipamentos de baixo custo e baixa qualidade, sem filtros apropriados. Estações de TVRO não tem direito a proteção causada por outros sistemas mas, considerando estimativas não oficiais de cerca de 20 milhões de usuários de TVRO no Brasil [7], existe um custo social ao implementar um serviço sem tomar cuidado com interferências prejudiciais em receptores de TVRO.

Este relatório investiga as condições em que sistemas LTE-Advanced (LTE-A) implantados na faixa de 3.400 a 3.600 MHz podem operar causando um nível de interferência considerado aceitável nos receptores TVRO. O estudo foi realizado com simulações usando o método de Monte Carlo, que é uma das formas recomendadas pela União Internacional de Telecomunicações (UIT) [8].

Modelagem do problema

Um sistema LTE-A está transmitindo em sua faixa de frequência (neste caso, 3.400 a 3.600 MHz). Um sistema TVRO deve receber a sua transmissão nas faixas adjacentes (de 3.625 a 4.200 MHz, também chamada de Banda C). No sistema de recepção de TVRO, o sinal é recebido por uma antena parabólica, passando por um LNB (low noise block downconverter) e, em seguida, o sinal é encaminhado para a televisão. A Figura 1 mostra o diagrama de bloco do LNB: o sinal recebido é filtrado na Banda C usando um filtro passa-faixa e amplificado por um LNA (low noise amplifier). O sinal resultante é transladado para uma frequência intermediária na Banda L (1 a 2 GHz), quando é filtrado e amplificado novamente, sendo encaminhado para a TV.

Figura 1 - Recepção do sinal de satélite por um receptor de TVRO. A caixa pontilhada mostra o diagrama de blocos do LNB. A maior parte dos LNB de baixo custo vendidos no Brasil não possuem um filtro passa-faixa na Banda C.

O problema de interferência ocorre principalmente porque a maior parte dos receptores de TVRO comercializados no Brasil não possuem um filtro passa-faixa na Banda C (eles geralmente possuem apenas o filtro na Banda L). Dessa forma, o sistema de recepção possui resposta relevante sobre toda a faixa de frequência de 3.400 a 4.200 MHz. Outro ponto que merece destaque é que o limiar de saturação (Oth, do inglês overload threshold) do sistema de recepção do TVRO (o primeiro LNA) é muito baixo (por exemplo, Oth = -60 dBm). Assim, dependendo das características do sistema LTE-A implantado na faixa adjacente (potência transmitida, altura da antena, ganho da antena etc), o sinal interferente na entrada do primeiro LNA pode ser maior do que o limiar de saturação do primeiro LNA, saturando-o.

Adicionalmente, convém ressaltar que a maior parte das estações TVRO possuem o alimentador (feeder) e o LNB combinados em uma única unidade (LNB Feedhorn ou LNBF). Nesses casos, a inserção de um filtro passa-faixa na banda C entre o alimentador e o LNB para um produto que já está no mercado não é factível.

Para modelar este problema e verificar a questão da saturação causada por sistemas LTE-A em receptores TVRO foi utilizado o software Seamcat [9, 10]. O Seamcat trabalha com o conceito de um sistema vítima (sistema interferido, que nesse caso é o receptor de TVRO) e um ou mais sistemas interferentes (nesse caso, o uplink e o downlink do LTE-A). A entrada de todos os sistemas é especificada utilizando funções de distribuição de probabilidade. Uma simulação é uma série de eventos em que cada evento consiste em uma seleção aleatória das variáveis que definem o sistema: no primeiro evento, o software, considerando as distribuições de probabilidade que descrevem os parâmetros dos sistema, escolhe aleatoriamente os parâmetros que definirão o sistema para aquele evento, realiza a simulação e verifica a resposta do sistema (nesse caso, se aqueles parâmetros causaram algum tipo de interferência no sistema vítima). No evento seguinte, novos parâmetros são escolhidos e a existência de interferência é avaliada novamente. Esse processo é realizado algumas milhares de vezes e, ao final da simulação, é possível obter informações estatísticas sobre a interferência causada no sistema vítima.

Existem alguns tipos de interferência [11, 12]. O foco deste informe está na saturação do primeiro LNA. Para verificar isso, o primeiro passo é a modelagem dos sistemas LTE-A e TVRO. As características de sistemas IMT que devem ser utilizadas em estudos de interferência estão disponíveis no Report ITU-R M.2292-0 [13]. Este documento descreve cenários predefinidos que devem ser utilizados em estudos de interferência. Baseado nesses parâmetros, as características que descrevem a estação radiobase LTE-A (LTE-BS) e as que descrevem o equipamento do usuário LTE-A (LTE-UE) foram definidas nas Tabelas 1 e 2.

O sistema interferente é um sistema TD-LTE-Advanced transmitindo um sinal com largura de faixa de 40 MHz em 3.560 a 3.600 MHz (3GPP Band 42). A portadora de um sistema LTE tem largura de faixa máxima de 20 MHz. Uma largura de faixa de 40 MHz pode ser obtida através de agregação de portadoras, o que já está disponível em sistemas LTE-A comerciais. Três cenários foram considerados: suburbano macrocelular (SMa), urbano macrocelular (UMa) e small cells em ambientes urbanos (USm). Em cada caso, foram considerados células hexagonais com dois ou três raios de células diferentes. Para determinado cenário, a potência efetiva isotropicamente radiada (eirp) da estação radiobase (BS) com maior raio foi definida de acordo com os valores discutidos no Report ITU-R M.2292-0 (e exibidos na linha "eirp máxima" da Tabela 1). No mesmo cenário, quando o raio da célula foi reduzido, a eirp da BS também foi reduzida para compensar o fato de que a perda de propagação passará a ser menor na borda da célula. Isso garante que, para um mesmo cenário, o nível de sinal recebido na borda da célula será o mesmo independentemente do raio da célula considerado nos estudos.

a - Essas linhas devem ser lidas da seguinte forma: Quando o n'éssimo raio da célula estiver sendo considerado, a n'éssima opção do parâmetro de entrada também deve ser considerado. Por exemplo, para o cenário SMa, no caso de célula de raio 0,6 km, a densidade de BSs é de 1,1 BS/km², sendo a eirp máxima da BS igual a 59 dBm.

b - Foi considerado o modelo de células hexagonais para calcular a densidade de BSs. A área de cada célula é (3R²√3)/2, em que R é o raio da célula (ver Figura 2).

c - O Report ITU-R M.2292-0 define seus parâmetros considerando a largura de faixa máxima de 20 MHz [13]. Para simular uma largura de faixa de 40 MHz, este Informe considera duas portadoras de 20 MHz com máxima eirp. Assim, a potência de uma "portadora agregada" de 40 MHz será 3 dB maior do que uma de 20 MHz.

d - O sistema é simulado como uma eirp 6 dB menor do que a eirp máxima. Isso ocorre devido ao fato do fator de atividade médio da BS (50%, o que reduz a eirp simulada em 3 dB [15, 16]) e a polarização do sinal de TVRO. Embora o sinal de satélite de interesse seja transmitido usando polarização vertical e horizontal (reuso de frequência com diversidade de polarização), a recepção de TVRO seleciona apenas uma polarização (vertical ou horizontal) em um dado instante de tempo. Considerando a polarização cruzada do LTE-A, isso representa uma discriminação de 3 dB na eirp simulada.

A Tabela 3 mostra os parâmetros usados na definição do sistema TVRO. Foi considerado que a antena está instalada a uma altura fixa de 6 m. Quanto ao diagrama de radiação da antena receptora, a Rec. ITU-R S. 465-6 define um diagrama de referência para ser utilizado em avaliação de coordenação e interferência [18]. O ganho máximo da antena no direção do lóbulo principal é de 32 dBi, equivalente a um diâmetro de antena de 1,5 m. Para ângulos de incidência (ϴ) menores do que ϴ_min, o ganho da antena (G) é G = 32 dBi. Para ϴ_min ≤ ϴ < ϴ_env, o ganho da antena (G) é G = 32 - 25 log(ϴ). Para ϴ ≥ ϴ_env, G = G_env. Usando a Rec. S.465-6, ϴ_min = 5º, ϴ_env = 48º e G_env = -10 dBi [18]. Entretanto, operadores e fabricantes brasileiros consideram que o parque instalado de antenas é de baixa qualidade e que por isso G_env = 0 dBi. Embora em alguns ângulos de incidência o ganho da antena realmente possa alcançar 0 dBi, esse valor para toda a envoltória é muito conservador. Um valor menos conservador para a envoltória é G_env = - 4 dBi, o que considera o sinal agregado recebido em vários ângulos de chegada distintos [19]. Sendo assim, esta análise considera três possíveis envoltórias (-10 dBi, -4 dBi e 0 dBi). Para usar esses valores, o diagrama de radiação definido na Rec. ITU-R S. 465-6 foi adaptado (o valor de ϴ_env foi recalculado para que G ≥ G_env), conforme mostrado na Tabela 3. O apontamento da antena no plano de elevação está entre 48º e 80º, o que corresponde a antenas instaladas no sul e no norte do Brasil e apontando para o satélite brasileiro BrasilSat C2 em 70ºW, que é o satélite mais acessado para acesso a aplicação TVRO.

a - Uniforme(x, y) representa uma função de distribuição uniforme contínua no intervalo [x, y].

A Figura 2 ilustra a posição relativa entre o receptor de TVRO e uma rede LTE-A com sete células. O objetivo das simulações é verificar a saturação ocorrida nos sistemas TVRO, aleatoriamente dispersos dentro da rede LTE-A com uma distância mínima (d_min) da BS. Dessa forma, a distância entre o receptor TVRO e a BS da rede LTE-A é Uniforme(d_min, R), em que R é o raio da célula. Nos cenários simulados, d_min = 10 m. Esta também é a distância mínima entre o equipamento do usuário e o receptor de TVRO.

Figura 2 - Posicionamento relativo entre os sistemas TVRO e LTE-A.

Para os cenários macrocelulares (SMa e UMa), a perda de propagação entre a LTE-BS e a antena de recepção do TVRO e entre a LTE-BS e o LTE-UE foi representada por:

(1)

Na Equação (1), FSPL = 92,44 + 20log₁₀(f_GHz) + 20log₁₀(d) é o modelo de propagação espaço livre, f_GHz é a frequência de transmissão em GHz, d é a distância entre o transmissor e o receptor em km, X_σ é uma variável aleatória Gaussiana que modela o desvanecimento lento e possui média 0 e desvio padrão σ. Valores típicos para σ são, para os cenários SMa e UMa, 8 dB e 6 dB [20, 21]. A_h é uma perda adicional devido a obstruções (clutter loss) e é calculada por [22]:

(2)

Na Equação (2), F_fc = 0,25 + 0,375{1 + tanh[7,5(f_GHz - 0,5)]}, d_k é a distância nominal do ponto de obstrução até a antena receptora em km, h é a altura da antena receptora em metros, e h_a é a altura da obstrução em metros. Para ambientes suburbanos (cenário SMa), h_a = 9 m e d_k = 0,025 km. Para ambientes urbanos (cenário UMa), h_a = 20 m e d_k = 0,020 km [22]. Para o enlace formado pela BS e a antena receptora da TVRO (altura de 6 metros), a perda adicional de obstrução é de 7,2 dB e 19,4 dB para os cenários SMa e UMa, respectivamente. Para o enlace entre a LTE-BS e LTE-UE (altura de 1,5 metros), a perda de propagação por obstrução é de 19,6 dB e 19,7 dB para os cenários SMa e UMa, respectivamente.

A Equação (1) define o modelo de propagação baseado na Rec. P.452-16, que normalmente é utilizada em estudos de interferência [11]. Entretanto, esse modelo apenas é válido quando d é significativamente maior que d_k. Dessa forma, a Equação (1) considera este modelo sempre que d ≥ 10d_k.

Para pequenas distâncias, o modelo espaço livre normalmente descreve bem o ambiente de propagação [11]. Algumas campanhas de medição [23, 24] e modelos [9] em frequências próximas (2,5 GHz e 3 GHz) mostram que esse modelo descreve bem a perda de propagação medida até 40 metros. Esse é o motivo da Equação (1) considerar o modelo espaço livro para distâncias menores do que 40 metros.

Para distâncias entre 40 metros e 10d_k, a Equação (1) faz uma transição linear entre o modelo espaço livre e aquele definido pela Rec. P. 456-16.

A perda de propagação entre LTE-UE e o receptor de TVRO e também para todos os enlaces do ambiente de small cell (cenário USm) é dada por  [25]:

(3)

Na Equação (3), PL_LOS = 102,93 + 20log10(d), PL_NLOS = 153,5 + 40log10(d), d é a distância entre o transmissor e o receptor em km, d_m é a mesma distância em metros, X_3.89 é uma variável aleatória Gaussiana de média 0 e desvio padrão 3,89 dB. p_LOS(d_m) é dado por:

Nas Equações (1) e (3), após adicionar o efeito do desvanecimento lento, seria possível que a perda de propagação fosse menor do que a do espaço livre. Por isso, se limitou que a menor perda de propagação é dada pelo modelo de espaço livre.

Observe que os seguintes parâmetros são descritos por variáveis aleatórias: ângulo de elevação da antena do TVRO (distribuição uniforme), modelos de propagação (distribuição Gaussiana), se o terminal do usuário está em ambiente indoor ou não (distribuição binomial) e a posição dos interferentes (distribuição uniforme). Além disso, foram testados cenários com diferentes raios de células e diagramas de radiação da antena receptora do TVRO.

Com essas especificações, foram definidas 8 configurações para os sistemas transmissores (cenários SMa e UMa com 3 raios de células e cenário USm com 2 raios de células distintos) e 6 configurações para os sistemas receptores (G_env ⊂ {0 dBi, -4 dBi, -10 dBi} e O_th ⊂ {-60 dBm, -45 dBm}). Dessa forma, foram simulados 48 configurações distintas.

Resultados

Saturação do receptor de TVRO mantendo a distância mínima entre os receptores de TVRO e os interferentes em 10 metros

Cada configuração descrita na seção anterior foi simulada usando o Seamcat v.5.0.1. Para cada uma das configurações, o software executará uma simulação contendo 20.000 eventos, sendo que em cada evento os parâmetros dos sistemas são escolhidos aleatoriamente de acordo com sua função densidade de probabilidade.

Após cada simulação, o Seamcat irá calcular dois sinais de interferência. O primeiro é o sinal transmitido pelos sistemas interferentes em sua própria faixa de operação (neste caso, a faixa de 3.560-3.600 MHz, tanto para o downlink quanto para o uplink, visto que trata-se de sistema TDD). Devido ao ACS (Adjacent Channel Selectivity) do filtro de recepção do TVRO, o receptor do sistema vítima também recebe parte do sinal transmitido pelos sistemas interferentes em sua faixa de frequência designada (o Seamcat chama esse sinal de "blocking"). O segundo sinal interferente calculado pelo Seamcat é chamado de "unwanted" e refere-se ao ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio) dos sistemas interferentes, ou seja, devido às emissões espúrias e/ou fora-de-faixa dos sistemas interferentes que são recebidos dentro da faixa de operação do sistema vítima. A Figura 3 mostra um diagrama desses sinais. Observe que o Seamcat considera o ACS do filtro de recepção do sistema vítima apenas dentro da faixa de transmissão dos sistemas interferentes. Além disso, considera o efeito do ACLR apenas dentro da faixa de operação do sistema vítima. Isso é uma aproximação da fonte completa de interferência, que pode ser calculada computacionalmente através do cálculo do FDR (Frequency Dependence Rejection) [26].

Figura 3 - Sinais blocking e unwanted (fora de escala).

Para verificar se o receptor de TVRO é saturado devido à presença do sistema LTE-A na faixa adjacente, é analisado se a potência do interferente no receptor de TVRO é maior ou igual algum limiar de saturação (O_th). No mercado brasileiro, um valor comum é O_th = -60 dBm. Entretanto, há também receptores de melhor qualidade com O_th = -45 dBm (ou até menos -40 dBm [27]). Esses LNBF são normalmente vendidos como "LNB robustos que protegem contra outros sinais terrestres".

Para cada cenário (SMa, UMa e USm), será avaliado o efeito de um LNBF com filtro passa-faixa na Banda C com diferentes taxas de rejeição (de 5 a 30 dB) na faixa de frequência do LTE-A. Esse filtro impacta no sinal blocking, mas não altera o sinal unwanted. As Figuras 4, 5 e 6 mostram a porcentagem de receptores TVRO impactados (potência do sinal interferente maior do que O_th) para filtros com diferentes taxas de rejeição na faixa abaixo de 3.600 MHz.

Este Informe considera que até 5% de interferência é uma porcentagem considerada aceitável. Este valor é utilizado em diversos estudos de interferência [28-31]. Além disso, em uma análise recente também utilizando o Seamcat, a Anatel verificou a porcentagem de interferência prejudicial causada por uma BS LTE operando na faixa de 700 MHz em receptores de TV. As simulações mostraram  probabilidade de interferência da ordem de 5% para uma BS com erp de 54 dBm [29]. Apesar disso, até o presente momento não foi detectada nenhuma interferência crítica nos receptores de TV causada pelas redes LTE-700 MHz que estão sendo implantadas. Esse fenômeno também foi verificado em outros países [32].

Conforme pode ser verificado nas Figuras 4, 5 e 6, o uso de LNBF com O_th = -60 dBm (linhas sólidas) não são aceitáveis sem o uso de filtros na Banda C. Por outro lado, se o sistema receptor é formado por equipamentos de boa qualidade (G_env = -10 dBi e O_th = -45 dBm) , ambos os sistemas podem coexistir em diversas configurações, mesmo sem a presença de filtros na faixa abaixo de 3.600 MHz. Por exemplo, macrocélulas em ambientes suburbanos (cenário SMa) com eirp = 53 dBm/40 MHz e densidade de BS de 4,3 BS/km² (Figura 4c) podem ser utilizadas. Em ambientes urbanos, macrocélulas com eirp = 46 dBm/40 MHz e densidade de BS de 17,1 BS/km² (Figura 5c) podem ser implantadas. Até mesmo em ambientes urbanos, small cells podem ser implantadas com eirp = 35 dBm/40 MHz e densidade de BS de 38,5 BS/km² (Figura 6c).

Importante ressaltar que, em todos os casos, filtragem na Banda-C com 30 dB de taxa de rejeição é suficiente para resolver todos os problemas de saturação nos cenários analisados.

Uma observação importante pode ser vista a partir das Figuras 5c (cenário UMa - macrocélula em ambiente urbano) e 6a (cenário USm - small célula em ambiente urbano). Em ambos os cenários, o raio da célula é o mesmo. A potência da LTE-BS no cenário UMa é maior do que no cenário USm e, mesmo assim, a porcentagem de receptores TVRO interferidos no cenário UMa é menor do que no cenário USm. Isso ocorre devido à configuração da BS nos diferentes cenários. No caso da macrocélula, a BS está a 20 metros de altura, com tilt. No caso da small cell, a BS está a 6 metros de altura (mesma altura da antena de recepção do TVRO), sem tilt.

Figura 4 - Cenário SMa. a) R = 1 km; b) R = 600 m; c) R = 300 m.

Figura 5 - Cenário UMa. a) R = 600 m; b) R = 300 m; c) R = 150 m.

Figura 6 - Cenário USm. a) R = 150 m; b) R = 100 m.

Outra observação importante nessas simulações é que o efeito da saturação, nessas condições, é causado principalmente pelas BSs, e não pelos terminais do usuário. Para ilustrar isso, todos os cenários foram simulados novamente sem os terminais do usuário. O resultado é mostrado na Figura 7, que mostra, para cada cenário (SMa, UMa, USm), a porcentagem de receptores TVRO afetados (nessa Figura, G_env = 0 dBi e O_th = -60 dBm em todos os casos).

Figura 7 - Porcentagem de receptores TVRO afetados por LTE-BS e (LTE-BS + LTE-UE).

Encontrando a distância mínima entre receptores de TVRO e BS LTE-A para que a porcentagem de receptores TVRO saturados seja menor ou igual ao nível aceitável

Os resultados da seção anterior foram calculados considerando uma distância mínima entre a LTE-BS e a antena receptora do sistema TVRO de d_min = 10 m. Se essa distância for aumentada, ambos os sistemas podem coexistir em algumas situações mesmo sem a presença de um filtro passa-faixa na Banda C. As Tabelas 4, 5 e 6 mostram os valores de d_min para permitirem a coexistência entre os dois sistema (foi mantido o percentual de 5% de saturação dos receptores TVRO como um valor aceitável). A distância mínima entre os terminais móveis e a antena receptora do TVRO foi mantida (10 metros). Para encontrar o valor de d_min, todas as simulações foram refeitas considerando distâncias entre os receptores TVRO e as LTE-BS maiores do que 10 metros. Apenas distâncias múltiplas de 5 metros foram consideradas. Nas Tabelas, o sinal "-" indica que não é possível manter uma distância mínima menor do que o raio da célula para isolar a antena de TVRO de forma que o percentual de interferência seja menor do que 5% sem o uso de equipamentos com filtros.

Para macrocélulas em ambientes suburbanos (cenários SMa), a coexistência entre ambos os sistemas sem um filtro na Banda C não é possível para receptores TVRO de baixa qualidade. Para uma certa localidade, se o sistema de recepção for de boa qualidade (G_env = -10 dBi e O_th = -45 dBm), uma separação de 10 metros entre a LTE-BS e o receptor TVRO é suficiente para permitir uma eirp = 53 dBm/40 MHz para 4,3 BS/km² (ou até mesmo uma eirp = 59 dBm/40 MHz para 1,1 BS/km²). Se uma cobertura maior for necessária (0,38 BS/km²), uma distância mínima de 75 metros da BS é necessária para usar eirp de 64 dBm/40 MHz.

Para macrocélulas em ambientes urbanos (cenário UMa), a altura da LTE-BS diminui e a perda de propagação aumenta. Para cobrir a mesma área de um ambiente suburbano, uma eirp maior deve ser utilizada. Assim como no ambiente suburbano, a coexistência entre ambos os sistemas utilizando sistemas receptores de TVRO de baixa qualidade não é possível. Entretanto, é possível implantar estações radiobase mantendo uma certa distância dos receptores de TVRO, desde que estes sejam de boa qualidade. Por exemplo, para uma densidade de BS de 1,1 BS/km², uma eirp de 64 dBm/40 MHz é aceitável se a distância mínima entre os sistemas for de 55 metros. Para uma densidade de 4,3 BS/km², a distância mínima reduz para 45 metros para uma eirp de 58 dBm/40 MHz. No caso de uma densidade de 17,1 BS/km², 10 metros de separação são suficientes para utilizar eirp de 46 dBm/40 MHz.

O cenário USm representa small cell em ambientes urbanos (altura da LTE-BS de 6 metros, sem tilt e baixa cobertura). Para esse cenário, em todos os casos, mantendo uma distância mínima de 80 metros de uma região com receptores TVRO, a coexistência entre os sistemas é possível mesmo se receptores forem de baixa qualidade. Para receptores de boa qualidade, uma distância mínima de 10 metros garante a coexistência entre ambos os serviços se a densidade de LTE-BS for de 38,5 BS/km² para eirp de 35 dBm/40 MHz (se a distância mínima for aumentada para 20 metros, a convivência é possível até mesmo para densidade de LTE-BS de 17,1 BS/km² operando com eirp de 43 dBm/40 MHz).

O cenário USm considera uma rede celular (uma célula rodeada por outras). Em algumas situações, small cells são utilizadas para suportar uma alta demanda de tráfego em determinada área. Nesses casos, apenas uma célula pode ser utilizada para escoar o tráfego da área. Nessa situação o nível total de interferência é reduzido e a distância mínima para coexistência entre ambos os sistemas pode ser ainda menor do que aquelas listados na Tabela 6.

CONCLUSÃO

Este Informe descreveu o problema de coexistência entre redes LTE-Advanced (faixa de 3400-3600 MHz) e TVRO (faixa de 3625-4200 MHz) no Brasil. Devido à baixa qualidade dos receptores de TVRO, existem algumas restrições para a convivência entre ambos os sistemas.

Foram analisados cenários de redes LTE-Advanced em ambientes urbanos e suburbanos, para macrocélulas e small cells. Sem um filtro de recepção adequado no sistema de recepção do TVRO, a coexistência é possível utilizando equipamentos de recepção TVRO robustos se for implantada small cells em ambientes urbanos ou, em algumas configurações, macrocélulas.

Utilizando filtragem adequada na recepção dos sistemas TVRO, a coexistência entre os sistemas é possível em todos os cenários analisados. Dependendo do decaimento do filtro, o gap de 25 MHz entre o fim da faixa de frequência utilizada por sistemas LTE-A e o início da faixa de operação do TVRO pode não ser suficiente para desenvolver filtros de baixo custo. Nesse caso, um conjunto de medidas pode ser adotado (por exemplo, uso de melhores antenas, LNB mais robustos, diminuir a eirp das LTE-BS etc).

Em alguns casos, a implantação de LTE-BS mantendo uma distância mínima de receptores TVRO é suficiente para mitigar a saturação desses receptores. Isso é especialmente relevante na implementação de small cells. Como a distância mínima é relativamente baixa e as antenas de TVRO são facilmente identificáveis (normalmente são antenas parabólicas com 1,5 metros de diâmetro ou um pouco mais), é possível identificá-las através de uma simples inspeção visual.

Os cenários analisados são definidos pela União Internacional das Telecomunicações como cenários de referência para estudo de interferência. Cenários representando cidades específicas podem ter resultados diversos. Entretanto, mesmo nesses casos é de se esperar que a conclusão principal deste trabalho prevaleça: o uso de melhores equipamentos (antenas e um LNB(F) otimizado) com uma separação adequada entre os sistemas podem mitigar significativamente o problema de saturação nos receptores de TVRO.

Mesmo com as técnicas propostas anteriormente, casos pontuais de interferência podem ocorrer e devem ser analisados em uma análise caso-a-caso. Técnicas de mitigação adicionais podem (e não estão restritas a) incluir filtros mais robustos, alteração da posição da antena, shielding da antena etc.

As conclusões deste trabalho se aplicam não apenas para as TVRO, mas também para as demais estações terrenas em banda C devidamente licenciadas e reguladas, sendo que por se tratarem de equipamentos profissionais, já possuem características mais robustas.

---

Documento assinado eletronicamente por Leandro Carisio Fernandes, Especialista em Regulação, em 06/07/2017, às 12:54, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 23, inciso II, da Portaria nº 912/2017 da Anatel.

---

Documento assinado eletronicamente por Agostinho Linhares de Souza Filho, Gerente de Espectro, Órbita e Radiodifusão, em 06/07/2017, às 15:25, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 23, inciso II, da Portaria nº 912/2017 da Anatel.

---

A autenticidade deste documento pode ser conferida em http://www.anatel.gov.br/autenticidade, informando o código verificador 1555589 e o código CRC A6AB26EB.

---