Small cells baseadas em FlexRAN

O artigo apresenta uma solução de small cells LTE desenvolvida pela empresa chinesa Baicells, baseada no design de referência do FlexRAN da Intel. Otimizada para serviços de acesso wireless fixo, a solução tem o objetivo de facilitar o caminho para o sucesso comercial de operadoras e provedores de Internet sem fio.

Baicells, Intel e QUBEE

Data: 10/09/2017

Edição: RTI Setembro 2017 - Ano XVIII - N^o 208

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Small preparadacell para acesso fixo sem fio: para o 5G

A indústria de acesso sem fio fixo (FWA Fixed Wireless Access) está passando por uma transformação da rede. Por isso, muitas operadoras estão assumindo o LTE como o novo padrão de fato, uma vez que é o único globalmente aceito, com amplo ecossistema e clara evolução para o 5G.

Entretanto, como é projetado, principalmente, para os requisitos da rede móvel, o LTE impõe vários desafios comerciais às operadoras de FWA, incluindo os custos gerais desnecessários da compra de sistemas e riscos financeiros, como os custos de aquisição de novo espectro. Isso levou algumas operadoras de FWA a diminuírem o ritmo de transição para o LTE, enquanto muitos o abandonaram e mudaram para soluções WiFi proprietárias, apesar da falta de um roteiro evolutivo como do LTE.

Devido aos requisitos do mercado e à necessidade de um design adaptável, foi desenvolvida a solução de small cells LTE baseada no design de referência do FlexRAN da Intel, otimizada para serviços de FWA. A solução pavimentará o caminho para o sucesso comercial das operadoras de FWA, bem como dos provedores de Internet sem fio.

Oportunidades e desafios

Há várias razões e vantagens pelas quais as operadoras de FWA escolheram o TD-LTE como o caminho para rearquitetar as suas redes, incluindo:

LTE é o único padrão aberto global para sistema TDD em espectro licenciado com uma clara evolução para o 4,5G que se estende ao 5G.
LTE-U em espectro não licenciado também está previsto para implantação no futuro próximo e trará uma capacidade adicional sem qualquer custo de licença.
O ecossistema LTE está maduro, com mais de 350 operadoras e quase 500 milhões de assinantes, segundo o GSMA.

Fig. 1 - Solução de FWA baseada em smallcell do FlexRAN

Apesar das muitas razões convincentes em relação ao LTE, há vários obstáculos para as operadoras de FWA, incluindo:

Alto Capex: embora a evolução para o LTE seja bastante clara, em muitos casos a licença pode ser somente para o acesso wireless fixo, ou só há disponibilidade de terminais fixos (CPE) em alguns espectros, por exemplo, faixa 42/43, etc. A tradicional rede macro LTE é projetada para mobilidade total como prioridade máxima e herda tanto componentes de software quanto de hardware na RAN e no núcleo (core) que não são requisitados para negócios de FWA. Isso resulta em um investimento inicial mais alto.
Alto Opex: as tradicionais redes macro LTE oferecem um thoughput maior e latência menor, com o elevado custo de uma rede backhaul de alta qualidade, uma vez que adota uma rede com núcleo centralizado. Isso é fundamental para redes móveis, mas requer um sistema de billing muito complexo. Os serviços de FWA precisam de um billing muito simples, mas teriam de suportar esse alto custo, que pode não ser economicamente viável, especialmente em áreas rurais.
Falta de serviços de valor agregado no LTE tradicional. Para permanecer competitivo no mercado e conquistar clientes corporativos de alto valor, a melhor solução cabível deverá ser capaz de migrar esses clientes ao mesmo tempo em que suportam os modos de operação de intranet L2 e L da rede. Entretanto, as funções VPN de camada 2 não podem ser suportadas unicamente pelo padrão LTE, e isso irá impor um grande desafio às operadoras de banda larga sem fio para inscrever clientes empresariais.

Fig. 2 - Vendasde small cell (Fonte: Fórum Smallcell)

Small cell de FWA baseada no FlexRAN

Para combater os muitos desafios que as operadoras de FWA enfrentarão, o design do FlexRAN oferece uma plataforma ágil que permitirá maior flexibilidade e redução nos custos. As características abaixo mostram os componentes da rede que podem ser implantados como parte da arquitetura do FlexRAN.

eNodeB compacto

Design de caixa multifuncional (all in one)
Capacidade de usuário otimizada por célula
Potência e cobertura de transmissão de RF otimizadas
Suporte a espectro licenciado e não licenciado

Núcleo da rede superleve

Baseada na plataforma comum de hardware de TI.
Rede definida por software, incluindo o EPC Evolved Packet Core, NMS Sistemas de Gerenciamento de Rede, BOSS Sistemas de Suporte Operacional e de Billing.
EPC pode ser distribuído para reduzir o custo de backhaul.
Recursos de camada 2 da rede, como VPN, suportados.
Software atualizável para tecnologias futuras.

O design de referência do FlexRAN permite implantações adaptáveis do EPC virtual. Os gateways e EPCs podem ser centralizados, distribuídos ou até incorporados ao eNodeB que seja apropriado para os vários casos.

Fig. 3 - Eficiência de espectro. Dados coletados de 3GPP TR 36.819

A demanda empurra os custos para baixo

A small cell já é uma parte vital do ecossistema do LTE e terá um papel ainda mais importante nas futuras redes heterogêneas 5G. O mercado tem assistido a um grande crescimento de suas vendas e há previsão de expansão em futuro próximo (figura 2), o que deverá resultar na redução do custo por bit.

Total conformidade com os padrões 3GPP e otimizada para negócios de FWA

Interface padrão

S1 é a interface pública que permite fáceis testes de interoperabilidade de EPC e eNodeB entre diferentes fornecedores.
Interfaces aéreas padrão entre o eNodeB e CPE permitem que fornecedores de CPEs terceirizados interoperem com a rede.

Ao mesmo tempo, a solução de small cell do FlexRAN é otimizada para suportar os negócios de FWA, eliminando as funcionalidades e custos desnecessários de sistemas relacionados à mobilidade.

Benefícios comerciais da solução de small cell baseada no FlexRAN

Dados os muitos benefícios técnicos da instalação da solução de small cell FlexRAN, abaixo mostramos como a implantação de redes futuras sobre a mesma arquitetura pode ajudar nos aspectos comerciais das operadoras, enquanto aceleram o tempo para a chegada ao mercado.

Capacidade e redução de Capex

É bastante rentável para as operadoras iniciar ou expandir rapidamente os negócios de FWA, graças a recursos específicos da arquitetura do FlexRAN baseada em LTE, como veremos a seguir.

Conexões disponíveis para serviço de FWA

O modelo de tráfego do assinante FWA é totalmente diferente daquele dos assinantes móveis. As redes FWA exigem alta largura de banda a todo momento, mesmo com usuários limitados; enquanto o acesso sem fio móvel requer mais capacidade de simultaneidade de usuários ativos com largura de banda menor.

Normalmente, o pico de throughput de 20 MHz é de 110 Mbit/s e o do serviço popular de banda larga fixo é de cerca de 10 Mbit/s por usuário. A capacidade para 64 usuários ativos já é mais do que suficiente para uma operadora de 20 MHz. Esse é um requisito muito diferente do wireless móvel, onde são necessários 400 ou mais usuários ativos por carrier de 20 MHz.

Potência Tx razoável

O tradicional eNodeB macro serve principalmente a conexões de smartphone que tenham um ganho de antena de apenas 0 dBi ou até mesmo de -2 dBi. A potência necessária é maior para fornecer melhor cobertura interna. Por exemplo, um Tx de 60 W ou mesmo de 80 W é normal. Em contraste, uma vez que o FWA conecta principalmente CPE, o ganho de antena normal é de 5-11dBi. Não é necessária uma potência maior, o que significa que uma configuração de 2x10w eNodeB é adequada para o wireless fixo.

Remoção de canais Tx/Rx desnecessários

Há duas opções de canais Tx/Rx comumente comparadas, o 2T2R e 4T4R. Após extensas análises, comparações técnicas e testes de campo, os resultados mostram que há uma diferença marginal em termos de desempenho de cobertura e capacidade. Além disso, em redes comerciais FDD usa-se apenas o 2T2R, uma vez que não há qualquer diferença entre TDD e FDD. Ou seja, o 2T2R também é uma boa escolha para TDD. Veja a figura 3 com relação à eficiência espectral.

O ganho seria de menos de 20% na implantação real (ou seja, modo de tráfego não buffer total). Esse ganho poderia ser facilmente compensado com uma antena de maior ganho (4 dB adicionais). Além disso, o CPE de antena de maior ganho reduzirá a potência necessária pra o eNodeB, reduzindo também a interferência entre células.

Comparada com a solução 1 (4T4R com CPE de baixo ganho), a solução 3 (2T2R com CPE de alto ganho) tem a maior cobertura para DL e UL.

Fig. 4 - Escoamento (offload) do tráfego local (LIPA/SIPTO)

Núcleo da rede “superlight” baseado em SDN

Todos os sistemas EPC, NMS e BOSS baseiam-se em software, que pode ser executado em qualquer servidor comercial. A expansão da capacidade da rede pode ser tão fácil quanto acrescentar mais servidores sem interrupção do serviço.

Economia de Opex

Os requisitos de backhaul são bastante reduzidos com o breakout do tráfego local.

O tráfego e a sinalização de controle do LTE podem ser separados e o tráfego escoado diretamente para a Internet (figura 4). Isso reduzirá o custo de backhaul do eNodeB para o EPC e também o Opex.

Fácil implantação

O eNodeB integrado economizará a torre e evitar o aluguel de espaço. Em alguns casos, é possível economizar US$ 300 a 400/mês/site, que paga o investimento em tempo menor.

Fácil manutenção

O NMS é capaz de monitorar, controlar e modificar todos os elementos da rede, incluindo o núcleo, eNodeB e CPE. E ainda, o rastreamento da sinalização permitirá uma rápida solução de problemas, facilitando a manutenção e diminuindo o Opex.

VPN de camada 2 para mais oportunidades de negócios

Os recursos de camada 2 podem ser suportados com um cliente interno no CPE cooperando com um servidor integrado no EPC (centralizado ou distribuído), permitindo que as operadoras lancem com rapidez negócios L2 WBB para clientes corporativos.

Conclusão

Com base no design de referência do FlexRAN da Intel, a solução de small cell apresentada oferece uma solução inovadora de LTE fixo, que remove as barreiras técnicas e comerciais e pavimenta o caminho para o sucesso comercial das operadoras de FWA e ISPs sem fio. A arquitetura aberta também permite que se preparem para tecnologias futuras, incluindo o 5G.