03 - FemtoCell

Introdução

Conceitos básicos

FemtoCells, também conhecidas por Access Point Base Station, são pequenas estações radio-base (ERBs) desenvolvidas para operar dentro de residências ou pequenas empresas, oferecendo o serviço móvel através das tecnologias CDMA, GSM ou 3G. São elas que promovem o roteamento das chamadas de voz ou dados dentro de suas áreas de cobertura. As FemtoCells operam nas mesmas frequências que as operadoras de telefonia celular, em baixa potência, e em vez de usarem a rede de transmissão da operadora móvel, se conectam através de banda larga fixa via ADSL, cabo ou fibra ótica. Podem ser instaladas pelos próprios usuários e provêm uma cobertura de aproximadamente 30 a 300 metros.

Fornecedores/desenvolvedores

Alguns dos fornecedores de FemtoCell são:

• NEC (japonesa)
• Qualcomm (americana)
• Alcatel-Lucent (francesa)
• NSN - Nokia Siemens Networks (finlandesa/alemã)
• Contela (sul-coreana)

Cronologia

O conceito de um site celular compacto residencial tem sido documentado desde 1999. A Alcatel anunciou em março de 1999 que eles iriam trazer para o mercado uma estação base GSM que seria compatível com os telefones padrão GSM. Eles planejaram o lançamento do produto em 2000 e previam de capturar 50% do mercado de 120 milhões de unidades no ano seguinte.

O projeto do sistema era re-utilizar e modificar o padrão de telefonia sem fio da época (como o usado por telefones sem fios DECT digitais), que foi um precursor do padrão UMA usados ​​em soluções WiFi/celular hoje. Naquela época, o DECT/GSM (ao invés de GSM/WiFi) foi a abordagem dominante para resolver o problema.

Embora as unidades de demonstração foram construídas e comprovadas para funcionarem através de uma linha de telefone padrão POTS, o alto custo do equipamento (especialmente o cristal de freqüência necessária para manter a longo prazo com precisão de 50 partes por bilhão) se provou muito elevado para torná-lo comercialmente viável.

Vários projetos de pesquisa continuaram a trabalhar em produtos conceito FemtoCell, com os engenheiros da Motorola alegando ter construído a primeira estação de base completa 3G residencial em 2002.

Várias empresas também foram elevando o custo e diminuindo o tamanho de equipamentos 2G existentes. Estes foram denominados PicoCells (porque foram instalados e mantidos pelos operadores, e foram destinadas a grandes clientes empresariais) e eram simplesmente versões menores e de menor custo de equipamentos maiores.

Pesquisas em chipsets de baixo custo para resolver o problema dos custos continuou, e uma nova empresa de design de chipsets - picoChip - estava demonstrando chipsets 3G em 2003. Em meados de 2004, duas empresas do Reino Unido estavam usando esses chipsets para desenvolver suas próprias estações 3G celulares residenciais.

Por volta de 2005, o termo FemtoCell foi adotado por uma estação base independente, auto-configurável. Rupert Baines, VP de marketing da picoChip e Will Franks, CTO da Ubiquisys, ambos disseram ter cunhado o termo durante este período, embora a picoChip registrou a URL www.femtocell.com antes (em abril de 2006).

O uso do termo FemtoCell termo é documentado pela primeira vez pelo analista Dean Bubley, tendo ouvido o termo em uma conferência VoIP em novembro de 2005.

O serviço comercial foi inaugurado inicialmente pela Sprint nos EUA em agosto de 2008. A Softbank do Japão anunciou o lançamento previsto para a sua FemtoCell 3G em janeiro de 2009.

Pontos relevantes

Dentre os vários benefícios proporcionados aos usuários pelo FemtoCell, destacam-se os seguintes:

• Uma ótima qualidade de sinal proporcionada, mesmo em locais onde não existe sinal ou onde a cobertura da operadora não é satisfatória;
• Desafoga a rede de dados da operadora, provendo assim uma maior capacidade de transferência de dados;
• Substitui o ponto de acesso WiFi e consegue suportar conexões banda larga de alta velocidade com 4 a 6 usuários simultâneos ativos;
• Implementa de forma transparente para o usuário a convergência fixo-móvel, permitindo a oferta pelas operadoras de planos de serviço com preços diferenciados quando ele se encontra em casa.

As operadoras também são beneficiadas por essa tecnologia, destancando os seguintes benefícios:

• Permite que haja um menor investimento para a ampliação da rede, visto que o FemtoCell, salvo suas limitações, funciona como uma ERB, e seu custo é arcado pelo usuário;
• Ajuda a promover uma fidelização dos clientes da operadora, caso esta oferte serviços diferenciados para esses clientes que estiverem efetuando ligações dentro da área de cobertura da FemtoCell.

Funcionamento

Princípios básicos de funcionamento

Uma vez conectado a conexão banda larga da residência, o FemtoCell se conecta a rede móvel da operadora e passa a oferecer uma cobertura extra. Da perspectiva do usuário, ele é um plug-and-play, pois não há nenhuma especificação para a instalação e não é necessário nenhum conhecimento técnico para tal.

Na maior parte dos casos, o usuário deve então declarar quais números de telefone móveis podem se conectar à sua FemtoCell, geralmente através de uma interface web fornecida pela operadora. Isso só precisa ser feito uma vez. Quando esses telefones móveis passam a ser cobertos pela FemtoCell ocorre o handover e eles passam da macrocélula (ERBs usuais) para a FemtoCell automaticamente. A maioria das operadoras fornecem uma maneira para que o usuário saiba que isso aconteceu, o que se dá normalmente indicando no próprio aparelho um novo nome para a rede. A partir desse momento, todas as chamadas feitas a partir desse aparelho passarão automaticamente pela FemtoCell. Quando o usuário deixa a área de cobertura da FemtoCell (seja em uma chamada ou não), ocorre novamente o handover e o usuário passa novamente a ser atendido pela macrocélula da operadora.

Uma vez instalado em um local específico, a maioria das FemtoCells possuem mecanismos de proteção para que uma mudança de localização seja comunicada à operadora. Se a operadora permite que as FemtoCells operem em um local diferente do especificado depende da política da operadora. Alterar a localização internacional de uma FemtoCell não é permitido pois ela transmite freqüências licenciadas, que pertencem a operadores de rede diferentes em países diferentes.

Fluxo de transmissão/recepção

Quando o ponto de acesso é ligado, vários passos ocorrem:

• O oscilador é sincronizado.
• Redes 2G/3G são procuradas nas proximidades.
• As informações da célula vizinha são decodificadas e uma lista é gerada. As informações da célula estão disponíveis no canal de broadcast.
• A localização física do ponto de acesso é verificada (código do país).

Após isso, o ponto de acesso FemtoCell passa a funcionar basicamente como uma ERB usual, exceto pelo fato de que todo o fluxo de transmissão e recepção, seja de dados ou voz, é feito através de pacotes.

Topologia/arquitetura

Elementos

A arquitetura do FemtoCell conta com 3 elementos básicos:

• Os pontos de acesso FemtoCell propriamente ditos, que englobam a funcionalidade de rede, assim como as funções de controle dos recursos de rádio;
• O gateway FemtoCell, contando com um gateway de segurança que finaliza grandes números de conexões de dados IP criptografados de centenas de milhares de FemtoCells, e um gateway de sinalização, que agrega e valida o tráfico de sinalização, autentica cada FemtoCell e promove a interface com o núcleo da rede móvel;
• O sistema operacional e de gerenciamento, que permite atualizações de software e a administração de testes de diagnóstico.

Protocolos e tipos de acesso

Alguns dos protocolos usados pela tecnologia FemtoCell são:

• Iu;
• HNBAP;
• RUA;
• SIP;
• NTP;
• IPsec.

A função de cada um desses protocolos será explicada mais a frente.

Estágio atual

Estado da arte

De acordo com o The Wall Street Journal, as FemtoCells não vão nada bem. As vendas estão em ritmo lento e a demanda é muito pequena. As fabricantes esperam um aumento de demanda, e os usuários esperam uma baixa nos preços.

No Brasil a regulamentação atual dificulta a adoção de FemtoCells porque existe uma cobrança de taxa anual por ERB instalada, independente do seu tamanho e da área atendida. Para células de pequeno porte, como as FemtoCells, essa taxa torna o negócio inviável economicamente.

Problemas

Apesar da simplicidade conceitual das FemtoCells, elas tiveram de superar desafios tecnológicos para se tornarem uma realidade, entre eles questões como segurança, escalabilidade, controle de acesso, seleção automática pelo celular da zona da FemtoCell e handover com outras células.

Porém alguns problemas ainda persistem, como por exemplo, o de que a instalação de uma FemtoCell tem um efeito crítico sobre o desempenho de toda a rede, e esta é uma questão-chave a ser abordada para uma implantação bem sucedida. Devido às FemtoCells poderem usar as mesmas faixas de frequência da rede convencional de celular, tem havido a preocupação de que ao invés de melhorar a situação ela poderia causar problemas. Para contornar isso, as FemtoCells incorporam técnicas de diminuição de interferências, detectando macrocélulas nas proximidades e controlando sua potência e criptografia em conformidade. Porém, Ralph de la Vega, presidente da AT & T, informou em junho de 2011 que não recomenda o uso de FemtoCells onde a intensidade do sinal era média ou forte devido a problemas de interferência que foram descobertos após a implantação em larga escala. Isso diverge de pareceres anteriores expressos pela própria AT & T e outros.

Outro problema diz respeito aos requisitos legais de operação que qualquer sistema público de telecomunicações devem atender, o que muitas vezes é um empecilho para uma implantação com sucesso de uma tecnologia em um país em específico.

A Qualidade de Serviço (QoS) também pode ser um problema, uma vez que as FemtoCells compartilham a mesma conexão banda larga que outros serviços, como navegação na Internet, video-games, aparelhos de TV, entre outros. A utilização dos serviços FemtoCell dependerão da confiabilidade e qualidade de ambas as redes da operadora de telefonia celular e da conexão de banda larga. Quando algo dá errado, os assinantes se voltarão para as operadoras de celular para apoio, mesmo que a causa do problema seja na conexão banda larga. Assim, os efeitos de quaisquer problemas nas redes banda larga de provedores de internet ou políticas de monitoramento de tráfico devem ser rigorosamente monitorados e quaisquer ramificações devem ser automaticamente comunicadas aos clientes.

Exemplos

Características técnicas

Espectro de frequência

Utiliza o mesmo espectro de frequência licenciado para as operadoras de celular (850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz, 2100 MHz).

Modulação

• OFDM - Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
• AMC - Adaptive Code Modulation

Acesso

O FemtoCell utiliza como método de acesso o OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access).

Potência (W)

A potência das FemtoCells é variável, se adaptando conforme o nível de sinal da operadora no local de sua instalação. Uma célula residencial varia sua potência entre 5 e 50 mW, enquanto uma empresarial pode variar de 50 a 200 mW.

Alcance (m)

O alcance do sinal do FemtoCell varia de cerca de 30 metros para células residenciais a 300 metros para células empresariais.

Consumo (Autonomia)

As femtocells consomem pouquíssima energia, menos de 0,1 watts e, em algumas aplicações de ponto de acesso, menos de 0,02 watts, semelhantes a vários outros itens, como por exemplo, roteadores wireless e telefones sem fio.

Protocolos

Detalhes sobre protocolos

• Iu - Promove a interface da FemtoCell com o núcleo da rede móvel.
• HNBAP - Promove a interface entre o ponto de acesso FemtoCell com o gateway FemtoCell.
• RUA - Transferência transparente de mensagens RANAP. Substitui os protocolos SCCP e M3UA.
• SIP - Configura uma conexão entre o FemtoCell e um servidor de convergência FemtoCell.
• NTP - Provê uma estabilidade na frequência de portadora, de maneira a cumprir com o alto grau de precisão na geração dessa portadora exigido pelos orgãos regulamentadores.
• IPsec - Protocolo que permite o FemtoCell estabelecer conexões seguras.

Formato dos protocolos

???

Normas

O FemtoCell é uma tecnologia que promove uma convergência entre outras tecnologias, como Internet, GSM, 3G, LTE, etc. Sendo assim, ele deve seguir os padrões e normas estabelecidos para tais tecnologias. Porém, normas específicas para o FemtoCell ainda estão em fase de discussão.

Órgão Normatizador

Como já foi citado, o FemtoCell deve seguir os padrões e normas estabelecidos para as tecnologias com as quais ele se relaciona. Porém, o FemtoForum está trabalhando em algumas normas que irão caber especificamente ao FemtoCell.

Endereços de consulta à norma

FemtoForum - Regulatory library

Serviços

Serviços básicos

O serviço prestado pelo FemtoCell é o de permitir uma expansibilidade da rede móvel convencional, permitindo uma maior cobertura de sinal, tanto de redes GSM, 3G, LTE ou até mesmo WiFi.

• Automaticamente sincroniza coleções de músicas nos dispositivos móveis com um PC quando o usuário volta para casa
• Controla a TV a partir do dispositivo móvel
• Permite que mensagens sejam entregues aos vários destinos quando o usuário chega no escritório ou volta para casa
• Controla remotamente aplicações caseiras como condicionamento de ar

Interação com Internet

O FemtoCell apresenta interação com a Internet, sendo inclusive um dos serviços dos quais ele permite uma expansão de cobertura.

Serviços avançados

O FemtoCell implementa serviços por meio do protocolo IPsec que permitem a conexão segura tanto para acesso à Internet quanto para acesso às redes móveis de celular, criando um túnel que carrega a voz ou dados criptografados do ponto de acesso até o gateway.

Aplicações futuras

O FemtoCell ainda enfrenta muitos problemas, que envolvem tanto regulamentação quanto marketing, principalmente. Tal fato faz com que o desenvolvimento de aplicações futuras fique em segundo plano no momento, deixando espaço em um primeiro momento para uma massificação do serviço.

Referências

Artigo

[1] Radio over Telephone Lines in Femtocell Systems. Acessado em 29/11/2011.

Revista

[2] Femtocell Networks. Acessado em 29/11/2011.

Internet

[3] Eduardo Tude. O que é FemtoCell?. Acessado em 09/11/2011.

[4] Wikipedia. Acessado em 09/11/2011.

[5] Post - FemtoCell

[6] Like Fixed-Mobile Convergence, Femtocells Are on a Road to Nowhere. Acessado em 10/11/2011.

[7] Femtocell History. Acessado em 10/11/2011.

[8] Femtocell: Indoor Cellular Communication Redefined. Acessado em 10/11/2011

[9] http://femtoforum.org/