monografia paulo lourinho wi max
DESCRIPTION
Monografia Paulo Lourinho Wi-maxTRANSCRIPT
UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA
REDES METROPOLITANAS SEM FIO:
APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA WI-MAX
Paulo Lourinho
2006
UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA – UNAMA
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA, PÓS-GRADUAÇÃO E EXTENSÃO
CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM REDES DE COMPUTADORES
REDES METROPOLITANAS SEM FIO:
APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA WI-MAX
Paulo Roberto Lourinho dos Santos
Monografia apresentada ao
Departamento de Pós-graduação da
Universidade da Amazônia, como
quesito parcial a obtenção do título de
Especialista em Redes de computadores.
Belém-Pa
março de 2006
PAULO ROBERTO LOURINHO DOS SANTOS
REDES METROPOLITANAS SEM FIO:
APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA WI-MAX
Monografia aprovada como
exigência parcial para a obtenção do
título de especialista em redes de
computadores à comissão julgadora da
Universidade da Amazônia.
Estudante:
Data da provação:
Comissão Julgadora:
DEDICATÓRIA
Para Isabela: Filha, perdoe a minha ausência
AGRADECIMENTOS
Ao Mestre JORGE
BECHARA, pelos conselhos breves, mas
significativos para a conclusão desta
tarefa.
“Os teimosos são os
sublimes. Quem é apenas bravo tem
um só assomo, quem é apenas valente
tem só um temperamento, quem é
apenas corajoso tem só uma virtude; o
obstinado, na verdade, tem a
grandeza.”
Victor Hugo
in “Os trabalhadores do mar”
SUMÁRIO
2.1 Modulação Complexa.................................................................................20
2.2 Modulação Adaptativa.................................................................................26
3.1 Redes Pessoais Sem Fio ..............................................................................35
3.2 Redes Locais Sem Fio..................................................................................36
3.3 Redes de Longo Acance Sem Fio................................................................36
3.3.1 Padrão 802.16 (WiMAX)..........................................................................36
3.3.2 Padrão 802.20 (Mobile-fi).........................................................................37
4.1 A Camada Física..........................................................................................47
4.1.1 Duplexação dos Canais de Dados.............................................................49
4.1.2 Circuitos LOS X NLOS............................................................................51
4.1.2.1 Circuitos LOS.........................................................................................51
4.1.2.2 Circuitos NLOS......................................................................................52
4.2. A camada de Enlace....................................................................................57
4.2.1 Protocolo de Acesso ao Meio....................................................................57
4.2.2. Estabelecendo Conexões no 802.16........................................................58
6 ARQUITETURA DE SEGURANÇA.............................................................61
6.1 Associações de Segurança............................................................................61
6.2 Certificação X.509.......................................................................................62
6.3 Autorização PKM (Privacy and Key Management)....................................63
6.4 Gerenciamento de Chave de Privacidade.....................................................64
6.5. Confidencialidade e Integridade.................................................................64
6.6 Ameaças e Vulnerabilidades........................................................................65
7.1 Freqüências de Uso no Brasil.......................................................................67
9.1 Antenas Utilizadas em Wi-Fi.......................................................................72
10.1 OFDM e OFDMA.....................................................................................76
10.2 Handoff e Roaming....................................................................................77
10.3 IEEE 802.16-2004 x IEEE 802.16e...........................................................77
10.4 Trajetos de Migração Para o 802.16e.........................................................80
11.1. Os pré-padrões .........................................................................................82
11.2. Aplicações do WiMAX.............................................................................84
11.3. Certificação Wi-MAX...............................................................................85
RESUMO
A comunicação sem fio permite uma vasta gama de possibilidades para instalação de sistemas de telecomunicações. Assim como a telefonia celular foi um salto evolutivo na telefonia, as redes sem fio (wireless) serão um salto na comunicação de dados.
Já é possível hoje encontrar aplicações baseadas em rádio. Em poucos anos, contudo, mais de um padrão para redes sem fio estará disponível no mercado. Alguns limitados a poucos metros (WPAN), outros no âmbito de redes locais (WLAN) e haverá ainda as redes metropolitanas (WMAN) e as redes de longa distância sem fio (WWAN). Obviamente que na prática, haverá sobreposições entre esses padrões, mas à risca, cada qual tem sua abrangência bem determinada.
No escopo deste trabalho, será estudado o padrão IEEE 802.16, definido tecnicamente como WMAN, e seus principais sub-padrões, conhecidos comercialmente como WiMAX, uma tecnologia que suporta acesso fixo, nomâdico, portável e móvel.
Funcionando numa topologia semelhante à de uma malha de telefonia celular, este padrão apresenta uma série de características que o colocam como forte candidato a ser o padrão de facto para as redes sem fio em alguns anos. Dentre as características mais destacáveis estão: esquema de modulação em OFDM, OFDMA e S-OFDMA, cujas definições permitem througput elevado e modulação adaptativa de acordo com a distância do ponto de acesso às estações base, resultando em pontos com canais de melhor qualidade, garantindo rendimentos elevados na transferência do sinal, enquanto canais menos favorecidos não perdem a conexão mesmo transmitindo a taxas de dados menores.
Outras características são: a qualidade de serviço, que determina prioridades no sistema; a segurança intrínseca através da criptografia de dados, além do acesso com ou sem linha de visada dentro do intervalo de freqüência de 2 a 66 GHz. Todas indispensáveis para o acesso sem fio a longa distância.
Para garantir as propriedades do padrão, são redefinidas somente subcamadas física e MAC, correspondentes às camadas 1 e 2 do modelo de referência OSI da ISO, conseguindo assim obter transparência na conexão com os sistemas de comunicação de dados baseados em TCP/IP. Isto denota que esta tecnologia terá um grande potencial para permitir a convergência dos sistemas das mais diversas origens, tais como redes locais ethernet com telefonia celular, por exemplo.
Diante destas definições inerentes à tecnologia, o protocolo 802.16 deverá tornar-se o padrão de mercado, com dois sub-padrões principais: o 802.16-2004 para acesso fixo e nomâdico e o 802.16e para acesso portável e móvel.
Algumas soluções proprietárias baseadas nas definições do protocolo 802.16 já são encontradas, e estão sendo aplicadas em substituição à instalação de redes wi-fi (implementações do protocolo 802.11 para redes locais sem fio) hoje utilizadas no mercado, com grandes vantagens em relação a esta tecnologia. Entretanto se fazem necessários ainda os testes de conformidade e interoperabilidade, cujo objetivo é disponibilizar para o mercado, uma série de equipamentos que atendam aos requisitos da tecnologia e sejam compatíveis entre si, o que permitirá que o usuário não fique dependente de um fornecedor, e ainda fomentará a expansão da tecnologia WiMAX.
ABSTRACT
The communication wireless allows the vast screeches of possibilities goes installation of systems of telecommunications. The well the cellular telephony it was an evolutionary jump in the telephony, the wireless networks they will be the jump in the data communications.
Today is already possible to find based applications in radiate. In few years, however, live than the pattern goes wireless networks will be available in the market. It adds limited the few meters (WPAN), other in the extent of local area networks (WLAN) and there will still be the metropolitan area networks (WMAN) and the networks of long distance wireless (WWAN). Obviously that in practice, there will be overlap among those patterns; but, precisely, each one has their very certain inclusion.
In the mark of this work, it will be studied the pattern IEEE 802.16, defined technically WMAN, and their main sub-patterns, known commercially WiMAX, the technology that supports fixed access, nomadic, portable and piece of furniture.
Working in the topology similar to the one of the mesh of cellular telephony, this pattern presents serializes her of characteristics that you put him the fort runs goes office the being the facto pattern goes the nets without thread in adds years. Among the most prominent characteristics they plows: modulation outline in OFDM, OFDMA and S-OFDMA, whose definitions allow high throughput, adaptative modulation in agreement with the distance of the access point to the stations base, resulting in points with channels of better quality, guaranteeing high incomes in the transfer of the sign, while less favored channels don't lose the connection even transmitting to rate of smaller date.
Others characteristics plows: the service quality that determines priorities in the system; the intrinsic safety through the date encryption, besides the access with or without stamped line inside of the frequency interval from 2 to 66 GHz. All, indispensable goes the access without thread the long distance.
To guarantee the properties of the pattern, they plows redefined only physicals sublevels and MAC, corresponding to the layers 1 and 2 of the reference model OSI of ISO, getting like this to obtain transparency in the connection with the communications systems of based date in TCP/IP. This denotes that this technology will have the great potential to allow the convergence of the systems of the most several origins, such the place area networks Ethernet with cellular telephony, it goes instance.
Due to these inherent definitions to the technology, the protocol 802.16 should become the market pattern, with two main sub-patterns: the 802.16-2004 goes fixed access and nomadic and the 802.16e goes portable and movable access.
It adds solutions based landladies in the definitions of the protocol 802.16 plows already found and they plows being applied in substitution to the installation of wi-fi networks (implementations of the protocol 802.11 goes Wireless LAN), today used attn the market, with great advantages in relation to this technology. However they plows done necessary still the conformity tests and interoperability, whose objective is to make available goes the market, serialize her of equipments that they assist to the requirements of the technology and that they plows compatible amongst themselves, what will allow the user not to be dependent of the supplier, and it will still foment the expansion of the technology WiMAX.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.1 – LINHAS DE FORÇA DE UMA ONDA ELETROMAGNÉTICA
(OLEXA, 2005)........................................................................................................................18
FIGURA 1.2 – ELEMENTOS FUNDAMENTAIS DA ONDA (OLEXA, 2005)19
FIGURA 1.3 – GRÁFICO DA MODULAÇÃO DE UM SINAL DIGITAL
SOBRE UMA PORTADORA ANALÓGICA COM ASK, FSK E PSK (SOARES, LEMOS,
COLCHER 1995)......................................................................................................................20
FIGURA 1.4 – MODULAÇÃO BPSK (OLEXA, 2005).......................................22
FIGURA 1.5 – MODULAÇÃO QPSK (OLEXA, 2005)......................................23
FIGURA 1.6 – MODULAÇÃO QAM (OLEXA,2005)........................................24
FIGURA 1.8 – DIAGRAMA DE COMPARAÇÃO DE MODULAÇÕES
(OLEXA, 2005)........................................................................................................................25
FIGURA 1.9 – MULTIPLEXAÇÃO NA FREQÜÊNCIA (FDM) (SOARES,
LEMOS, COLCHER, 1995).....................................................................................................28
FIGURA 1.10 – ILUSTRAÇÃO DE UM ESPECTRO DE TRÊS PORTADORAS
OFDM (OLEXA, 2005)............................................................................................................29
FIGURA 1.11 – SINAL DE PORTADORA ÚNICA E OFDM (WIMAX FORUM
[3]) 30
FIGURA 1.12 – SINAIS RECEBIDOS EM PORTADORA ÚNICA E OFDM
(WIMAX FORUM [3]).............................................................................................................31
FIGURA 1.13 – CANAL COM PORTADORA OFDM: TODAS AS
SUBPORTADORAS POSSUEM A MESMA AMPLITUDE (WIMAX FORUM, 2005)......32
FIGURA 1.14 – CANAL COM PORTADORA OFDMA: UM PILOTO POR
GRUPO (WIMAX FORUM, 2005)..........................................................................................32
FIGURA 1.15 – UPLINK EM OFDM E OFDMA (WIMAX FORUM 2005).....33
FIGURA 2.1 – ABRANGÊNCIA DOS PADRÕES DE REDES SEM FIO
(INTEL[3])................................................................................................................................38
FIGURA 2.2 – COMPARAÇÃO ALCANCE X VELOCIDADE X
MOBILIDADE DOS PADRÕES DE COMUNICAÇÃO NÃO CABEADOS.......................38
FIGURA 3.1 - ARQUITETURA 802.16 (INTEL [3])..........................................43
FIGURA 3.2 – TOPOLOGIA EM MESH (INTEL [1])........................................44
FIGURA 3.3 – INTERCONEXÇÃO DE SISTEMAS COM WIMAX (INTEL [1])
46
FIGURA 3.4- PILHA DE PROTOCOLOS 802.16...............................................47
FIGURA 3.5 - DIVISÃO DO ESPAÇO DE TRANSMISSÃO NO PADRÃO
802.16 (INTEL)........................................................................................................................48
FIGURA 3.6 - DIVISÃO DOS QUADROS PARA DUPLEXAÇÃO POR
DIVISÃO DE TEMPO.............................................................................................................50
FIGURA 3.7 - DUPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE FREQÜÊNCIA.................50
FIGURA 3.8 – CIRCUITO COM LINHA DE VISADA E ZONA DE
LIBERAÇÃO DEFRESNEL (WIMAX FORUM [3] )............................................................52
FIGURA 3.9 - PROPAGAÇÃO SEM LINHA DE VISADA...............................53
FIGURA 3.10 - OS EFEITOS DA SUBCANALIZAÇÃO (WIMAX FORUM
[3] ) 55
FIGURA 3.11 – ANTENAS DIRECIONAIS PARA LEVAR O ALCANCE ATÉ
A ÚLTIMA MILHA EM REDES WI-FI PONTO A PONTO (INTEL [1])............................72
FIGURA 3.12 – AUMENTO DO ALCANCE DE REDE WI-FI UTILIZANDO
TOPOLOGIA EM MESH (INTEL [1])....................................................................................73
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 – Relação entre banda e freqüência com comprimento de onda 2
1Tabela 3.1 – Diferenças entre os padrões IEEE 802.11 e IEEE 802.16 7
6Tabela 3.2 – Tipos de acesso para redes WiMAX 7
7
LISTA DE ABREVIATURAS
3G : Tecnologias de telefonia celular de terceira geraçãoADS : Assymmetric Digital Subscriber LineAES : Advanced Encryption StandardBPSK : Binary Phase Shifit KeyingBRAN : Broadband Radio Access NetworkBWA : Broadband Wireless AccessCA : Autoridade CertificadoraCCMP : Counter Mode With Cipher Block Chaining Message Authentication ProtocolCDMA : Code-Division Multiple AccessCP : Cyclic PrefixCPE : Customer Premisses EquipmentCSMA/CA : Carrier Sense Multiple Access with Colision AvoidanceDAMA : Demand Assigned Multiple AccessD-AMPS : Digital-Advanced Mobile Phone ServiceDES-CBC : Data Encryption Standard - Cipher Block ChainingDoS : Denial of ServiceDSL : Digital Subscriber LineDSSS : Direct Sequence Spread SpectrumEB : Estação-BaseETRI : Eletronics ad Telecomunications Research InstituteETSI : European Telecomunications Standards InstituteFDD : Frequency Division DuplexingFDM : Frequency Division MultiplexingFFT : Fast Fourrier TransformGMRS : General Móbile Radio ServiceGSM : Global System for Mobile CommunicationsID : IdentificationIEEE : Institute of Eletrical and Eletronic EngineersIP : Internet ProtocolIpv6 : IP versão 6ISI : Inter-Simbol InterferenceISO : International Standard OrganizationITU-T : International Telecomunications Union – Telecomunication Standarization
SectorLOS : Line of SightMAC : Medium Access ControlMIMO : Multiple Input Multiple OutputNIST : National Institute of Standards and Tecnology
NLOS : Non Line of SightOFDM : Orthogonal Frequency Division DuplexingOFDMA : Orthogonal Frequency Division Multiple AccessOSI : Open System InterconectPDU : Protocol Data UnitPKM : Privace Key ManagementQAM : Quadrature Amplitude ModulationQoS : Qualy of ServiceQPSK : Quadrature Phase Shifit KeyingRF : Rádio FreqüênciaRSA : Rivest and Shamir AlgorithmSDU : Service Data UnitSHA : Secure Hash AlgorithmSLA : Service Level AgreementsSME : Small/Medium EnterpriseS-OFDMA : Scalable- Orthogonal Frequency Division Multiple AccessSOHO : Small Office/ Home OfficeTDD : Time Division DuplexingTDMA : Time Division Multiple AccessTLS : Transport Layer SecurityTTL : Time To LiveUWB : Ultra Wide BandVoIP : Voice over IPWi-Fi : Wireless FidelityWiMAX : Wireless interoperability for Microwave Access WISP : Wireless Internet Service ProviderWLAN : Wireless Local Area NetworkWMAN : Wireless Metropolitan Area NetworkWPAN : Wireless Personal Area NetworkWWAN : Wiereless Wide Area Network
16
INTRODUÇÃO
A comunicação sem fio apresenta-se, quase sempre, como uma evolução aos
sistemas de comunicação sedimentados. Bons exemplos dessas evoluções são o telégrafo sem
fio e a telefonia celular, ambos utilizando ondas de rádio para transmitir informação que num
estado anterior utilizavam cabos para esse fim.
Com as redes de computadores não está sendo diferente: O próximo estágio da
comunicação em sistemas de informação é a utilização de enlaces não cabeados. Redes de
alcance limitado, como redes pessoais e redes locais, já são hoje uma realidade na vida de
muitas pessoas. Os obstáculos tecnológicos, entretanto, ainda existem para a comunicação
sem fio em redes de longo alcance, pois a persistência, confiabilidade e segurança do sinal de
dados são bem mais complexos para as redes de longa distância.
Para atender estes aspectos, surgem os padrões conhecidos como WMAN
(Wireless Metropolitan Area Network – Redes metropolitanas sem fio) e WWAN ( Wireless
Wide Area Network – Redes de longo alcance sem fio) que se apresentam como propostas
com soluções efetivas para a comunicação de dados sem fio em longo alcance.
Em regiões onde a implantação de sistemas cabeados não é técnica ou
economicamente viável, a possibilidade de se utilizar um sistema de comunicação de dados
aplicando a tecnologia sem fio é vista com grande entusiasmo pela comunidade técnica.
O estado do Pará, em especial por se tratar da realidade local, é uma região onde a
utilização de redes de longo alcance sem fio traz, certamente, muitos benefícios quando de
sua utilização, já que a região se caracteriza pela presença maciça de florestas e rios. A
passagem de cabos entre cidades do interior do estado pode tornar proibitivo o investimento
em um sistema de comunicação com as instalações cabeadas tradicionais por conta destes
empecilhos naturais.
O novo padrão IEEE 802.16 surge como uma alternativa viável economicamente
e tecnicamente para a implantação de sistemas de comunicação de dados privados e públicos
de longa distância, já que as definições do padrão determinam que este deve transpor
intempéries climáticas, e de ordem física como barreiras causadas por densidade florestal ou
urbana mesmo sem linha de visada.
Soluções adotadas hoje utilizando tecnologia do padrão 802.11 não suprimem
necessidades reais de comunicação de longo alcance, já que o protocolo foi planejado para
17
comunicação em ambientes fechados e de curto alcance, atenuações e interferências tornam o
rendimento e resiliência da comunicação, inaceitáveis para sistemas de comunicações reais. O
alcance é outro fator não contemplado para o padrão de rede local sem fio.
A tecnologia comercialmente conhecida como WiMAX (Worldwide
Interoperability for Microwave Access) cujas definições vem de encontro às necessidades da
comunicação de longo alcance fixo, nomândico e móvel pois apresenta resiliência do canal de
dados e atende a critérios de segurança utilizando criptografia no nível físico além da
possibilidade de trabalhar com freqüências na faixa não licenciada o que pode ser entendido
como economia para implantação dos circuitos.
A interoperabilidade é garantida mantendo transparência do padrão com as
camadas superiores da arquitetura de protocolos baseadas no padrão TCP/IP. Aspectos que a
indicam como forte candidata a ser o padrão de facto para a comunicação de longo alcance
sem fio.
O padrão 802.16 pode ainda promover a convergência entre sistemas de
comunicação de dados tradicionais cabeados e não cabeados, como por exemplo, entre as
redes ethernet e a telefonia celular, possibilitando com isso uma gama interminável de
aplicações entre sistemas de comunicação distintos.
Acreditando nestas premissas, pretende-se neste trabalho detalhar os princípios
necessários para a comunicação sem fio, dando atenção ao que requer a tecnologia em estudo.
Após o qual apresentar-se-á as características da tecnologia, cujo padrão ainda está em
desenvolvimento, observando-se as camadas da arquitetura que são exclusivas à estrutura do
padrão.
A comparação do padrão com outras tecnologias de comunicação sem fio,
pretende esclarecer vantagens e desvantagens da tecnologia, indicando seu campo de atuação
de forma coerente.
Mesmo sem estar terminado, fabricantes já apresentam equipamentos que operam
com as definições do padrão 802.16. Alguns destes equipamentos serão apresentados como do
“pré-padrão”, onde serão comentadas questões como o intercâmbio entre equipamentos de
diferentes fabricantes.
Para finalizar a pesquisa, serão discutidas tendências para o futuro do padrão
analisando os prós e contras da adoção de WiMAX, em quais campos esta tecnologia deve
apresentar mais ganhos e quais as perspectivas para sua utilização a curto e médio prazo.
18
1 TÓPICOS DE COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO
Neste capítulo serão discutidas noções de comunicação por ondas de rádio,
enfocando nos conceitos pertinentes ao estudo de redes metropolitanas sem fio, buscando
fornecer subsídios para o estudo da tecnologia que é o objetivo deste trabalho.
1 ENERGIA DE RÁDIO FREQÜÊNCIA.
Energia de rádio freqüência pode ser definida como um sinal de corrente alternada
que cria um campo móvel de força elétrica e magnética que se propaga pelo espaço (OLEXA,
2005, p27). Dentro deste campo, as linhas de força magnéticas estão sempre em ângulo reto
em relação às linhas de força elétrica e ambas as forças são perpendiculares à direção de
propagação da onda.
A onda pode tomar qualquer posição com relação à terra, e ao plano sobre o qual
se propaga chama-se frente de onda.
Figura 1.1 – Linhas de força de uma onda eletromagnética (OLEXA, 2005)
As principais características de uma onda são: a freqüência (f), que é definida
como a quantidade de vezes em que se completa o ciclo da onda na unidade de tempo. A
freqüência é medida em cliclos por segundo ou Hertz (Hz) ; e o comprimento de onda (w), do
inglês, wavelength definido como o comprimento da senóide1 formada pela onda, que é, na
realidade, o ciclo de onda completo medido em metros. Estas duas características são
inversamente proporcionais entre si na seguinte relação:
w = 300/f
1 É chamada assim porque lembra o gráfico de uma função seno
Campoelétrico
Campomagnético
Direção de propagação
da onda
19
Onde: a freqüência (f) é medida em Hz e o comprimento de onda (w) medido em
metros.
Outra propriedade de uma onda á amplitude, que representa a máxima distância
da onda perpendicular à sua frente de onda.
Figura 1.2 – Elementos fundamentais da onda (OLEXA, 2005)
O campo de RF é definido pelas faixas de freqüências, agrupadas segundo
propriedades comuns de atenuação e propagação dos espectros (tabela 1.1). Os intervalos de
freqüências são divididos em canais individuais. Estes canais não são nada mais do que
pequenos espectros destinados a um transmissor e a um receptor com a atribuição exata de sua
freqüência, podendo variar seu tamanho e quantidade espectral, características ditadas pela
faixa e tipo de serviço a ser oferecido em um canal de comunicação.
Designação Abreviação FreqüênciasComprimento de onda (intervalos)
Very Low Frequency VLF 9 kHz − 30 kHz 33 km − 10 kmLow Frequency LF 30 kHz − 300 kHz 10 km − 1 kmMedium Frequency MF 300 kHz − 3 MHz 1 km − 100 mHigh Frequency HF 3 MHz − 30 MHz 100 m − 10 mVery High Frequency VHF 30MHz − 300 MHz 10 m − 1 mUltra High Frequency UHF 300 MHz − 3 GHz 1 m − 100 mmSuper High Frequency SHF 3 GHz − 30 GHz 100 mm − 10 mmExtremely High Frequency EHF 30 GHz − 300 GHz 10 mm − 1 mmTabela 1.1 – Relação entre banda e freqüência com comprimento de onda correspondente (OLEXA, 2005)
Ondas portadoras são ondas eletromagnéticas que trafegam à velocidade da luz.
Estas ondas têm o formato de um gráfico senóide (figura 1.2) e podem ser utilizadas para
transportar mensagens digitais sobre longas distâncias. Ondas com diferentes freqüências
possuem propriedades diferentes. Por exemplo, ondas luminosas são visíveis a olho nu e não
atravessam paredes, já as ondas de rádio, especialmente as de baixa freqüência podem
atravessar paredes e são difratadas em estruturas de concreto. Entretanto, são absorvidas por
estruturas metálicas.
Freqüência ou
Comprimento de onda
tempoA
mp
litud
e
20
2. MODULAÇÃO
A Modulação é o processo através do qual uma onda portadora transmite uma
mensagem em forma de sinal digital (séries de zeros e uns). Existem, basicamente, três
métodos de modulação para sinais digitais:
Modulação por chaveamento de amplitude (ASK - Amplitude shift keying)
envolve o incremento da amplitude da onda com o sinal digital, ou seja: baixo=0 e alto 1, este
tipo de modulação é utilizado em transmissoras de rádio AM.
A modulação por chaveamento de freqüência (FSK - Frequency shift keying)
desloca a freqüência para transmissão do sinal. Os sistemas que utilizam este tipo de
modulação, como difusoras de rádio FM tendem a ser mais resilientes do que os sistemas q
utilizam AM.
A Modulação por chaveamento de fase (PSK – Phase shift keyin) troca a fase da
portadora de acordo com a mensagem digital q está sendo transportada.
Figura 1.3 – Gráfico da modulação de um sinal digital sobre uma portadora analógica com ASK, FSK e PSK (SOARES, LEMOS, COLCHER 1995)
2.1 Modulação Complexa
Sinal digital
Portadora analógica
Sinal ASK
Sinal FSK
Sinal PSK
21
As modulações AM, FM e PM provêem maneiras simples para converter o único
tipo de informação disponível na época de sua invenção: o áudio. Quando a informação
digital tornou-se disponível, estas técnicas de modulação tiveram que ser adaptadas para
transmitir também informação digital.
É importante lembrar que uma portadora de RF é uma senóide, portanto, um sinal
analógico por natureza. Para transmitir uma informação digital numa portadora de RF, é
necessário que esta informação seja convertida para analógica. Isso foi alcançado no início,
com a utilização do modem (de MOdulador DEModulador), cuja única função era converter a
informação digital para tons de freqüência de áudio que assim poderiam ser transmitidos e
recebidos em um canal de rádio ou uma portadora telefônica. Originalmente, os modems
geravam apenas duas freqüências de áudio distintas, cada tom associado a um binário distinto:
0 ou 1. Assim as informações binárias eram convertidas em tons e então transmitidas por
modems seriais (OLEXA, 2005).
A quantidade de dados a serem transmitidos, aumentou com o decorrer do tempo
e o modem simples de dois tons tornou-se incapaz de confrontar-se com as exigências
crescentes de throughput2. O desenvolvimento da lógica digital e o aumento no poder de
processamento responsável pela exigência crescente de largura de banda permitiram
manipular e modular a onda portadora de maneiras mais complexas. “Preferencialmente, as
portadoras devem ser moduladas de tal maneira que representem apenas bits e bytes”
(OLEXA, 2005, pg 47).
Existem várias técnicas de modulação, porém em qualquer uma manipula-se
algum dos seguintes elementos da portadora: tempo, amplitude, freqüência e fase. Estes
valores são regidos pelo princípio universal de TINSTAAFL existente em comunicações via
rádio. Qualquer técnica de modulação selecionada faz intercâmbios entre a ocupação
espectral, taxa máxima de informação, exigência de potência e a robustez do sinal.
O princípio de TINSTAAFL é conhecido atualmente como “Teoria de Informação
de Shannon”. Em um artigo entitulado “A Mathematical Theory of Communication”
publicado em 1948, encontrado em Olexa (2005), Shannon afirma que “Devido a entropia, a
incerteza é um fato da vida em um canal de comunicação”. Em outras palavras: a modulação
simples é bastante robusta, entretanto esta robustez trás severas limitações à capacidade de
transmissão, já que não há garantia de chegada do sinal no receptor. Sistemas complexos são
2 É a quantidade de dados transmitida na unidade de tempo. Quanto maior o thoughput, mais dados são transmitidos.
22
menos robustos, portanto têm um potencial maior. Os receptores, todavia, necessitam de mais
potência a fim de garantir o recebimento da transmissão.
A transmissão de uma informação é regida por variáveis que determinam a
transação. Entre elas estão: largura de banda do sinal digital, taxa de transferência, capacidade
do canal de transmissão, ruído, interferência, complexidade da modulação, atraso de
propagação, confiabilidade do canal, potência de transmissão, sensibilidade do receptor e
algoritmos de verificação e correção de erros. Estas variáveis têm efeitos na precisão e taxa de
erros do sinal recebido. Uma das mais importantes aplicações da teoria de Shanon, é
determinar a negociação entre as variáveis envolvidas (Olexa, 2005). Isto permite que o
projetista faça o balanceamento do sistema para a situação ótima.
A comunicação digital moderna tem elevadas exigências de throughput, já que
devido a grande quantidade de informação a ser transmitida, os espectros ficam
sobrecarregados. Técnicas mais avançadas de modulação são necessárias a fim de obter o
throughput desejado nos canais disponíveis. Tais técnicas ainda utilizam características da
modulação em fase e amplitude, porém com implementações mais complexas a fim de
permitir o aumento do throughput no canal de dados.
As transmissões digitais necessitam transmitir simplesmente zeros e uns. Não se
faz necessário modular para suportar sinais analógicos. Isto é obtido simplesmente com dois
estados de fase e amplitude: um representando 0 (zero) e outro representando 1 (um). Esta
técnica é conhecida como chaveamento binário de fase (BPSK - binary phase shift keying),.
Nela cada símbolo pode indicar dois diferentes estados ou um bit por transição, em outras
palavras, 0º transmite o bit 0 180º transmite o bit 1.
Figura 1.4 – Modulação BPSK (OLEXA, 2005)
A fim de transmitir os dados mais rapidamente, são necessárias mais transições.
Teoricamente, o número de ângulos de fase discretos disponíveis chega a 360 (quantidade de
0º
90º
180º
270º
0º = 0180º = 1
23
graus de um círculo completo), enquanto o número de estados de amplitude disponíveis é
teoricamente infinito (OLEXA, 2005), [sic] já que se trata de portadoras analógicas.
Modulações atuais permitem a codificação de mais bits por transição, fazendo com que no
mesmo intervalo de tempo mais informações sejam enviadas em um dado canal de dados.
De acordo com a teoria de Shannon, se houver mais potência disponível é possível
transmitir mais às mesmas distâncias.
Baseada nesta teoria, a modulação QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) utiliza
quatro fases distintas (adiciona 90 e 270 graus) à BPSK separadas 90º entre si. Assim podem
ser transmitidos dois bits por símbolo. Cada fase de símbolo e comparada relativamente ao
símbolo anterior. Caso não haja deslocamento de fase (0 graus) os bits 00 são representados.
Caso haja um deslocamento de fase de 180 graus, os bits 11 são representados.
Analogamente, é possível ainda utilizar 8 níveis de transição separados entre si
45º onde serão representados 3 bits por transição, a chamada modulação 8PSK.
Cada uma destas modulações é mais eficiente que a anterior, pois transmite mais
bits por segunto. Em contra-partida, segundo a teoria de Shannon, quanto mais bits
transmitidos mais susceptível será o sinal à perda de informação em um meio que não esteja
nas condições ideais para transmissão de sinais de rádio.
Figura 1.5 – Modulação QPSK (OLEXA, 2005)
No caso da necessidade da correção de sinais transmitidos, é bem mais simples
corrigir apenas dois estados distintos entre si em 180º do que corrigir oito estados distintos
entre si apenas 45º. Na prática 8PSK é a modulação de taxa mais elevada em uso.
Mesmo com a utilização da 8PSK o espectro permanece congestionado, pois o
througput necessário para aplicações atuais ainda não foi alcançado (OLEXA, 2005). Para
superar estas limitações a amplitude da portadora volta a ser utilizada para transmitir bits
adicionais.
0º
90º
180º
270º
Fase Padrão0º = 0090º = 01180º = 10270º = 11
24
A técnica de modulação conhecida como QAM (Quadrature Amplitude
Modulation) além de modular a fase, modula conjuntamente a amplitude em um processo
bastante simples: se estão disponíveis dois estados de fase (BPSK) a modulação QAM
adiciona duas amplitudes distintas para cada fase, tendo então disponíveis 4 transições de
sinal, cada uma com dois bits, equivalendo portando à modulação QPSK Conforme ilustra a
figura 1.6.
Figura 1.6 – Modulação QAM (OLEXA,2005)
Logicamente, adicionando duas amplitudes à modulação QPSK, é possível obter
uma taxa de transmissão de QAM 8 , equivalente a 8PSK. Na 16-QAM cada símbolo
representa quatro bits ao invés de dois bits representados com o QPSK. Na figura 1.7, cada
ponto indica uma única amplitude e fase da onda.
Figura 1.7 – Quadrature Amplitude Modulation 16-QAM (Intel [4])
A incerteza associada com a recepção, interpretação e correção de um único
estado acima de 256 é extremamente alta. Na verdade a portadora deve ter no mínimo 30 dB
0º
90º
180º
270º
Fase amplitude Padrão0º 0 000º 1 01180º 0 10180º 1 11
Amplitude 0
Amplitude 1
0-1-3 1 3
-1
-3
1
3
0000
0001
0011
0010
0100
0111
0101
0110
1100
1101
1111
1110
1000
1001
1011
1010
Fase
Am
plitu
de
25
ou ser 1000 vezes mais potente que o ruído no canal, para que o sinal seja recebido e
demodulado corretamente na recepção (OLEXA.2005), por isso, estas modulações complexas
somente devem operar em meios livres de ruídos e que necessitam de um incremento
significativo de potência em relação às modulações com menor grau de complexidade. Links
de microondas fixos e comunicações que utilizam cabos coaxiais como cable modems podem
utilizar este tipo de modulação por apresentarem ruído e atenuação muito baixos.
Transmissões utilizando BPSK necessitam somente de 6 dB ou quatro vezes maiores que o
ruído do meio. Por esta razão, para planejar sistemas móveis são preferíveis modelos mais
simples de modulação, uma vez que com eles é mais fácil garantir a recepção da informação.
Figura 1.8 – Diagrama de comparação de modulações (OLEXA, 2005)
A ação de balanceamento é o equilíbrio entre a potência e o espectro de banda
para um dado throughput. Quanto mais simples a modulação envolvida, mais baixa é a
potência requerida para cobrir determinada área, sem esquecer que o limite do throughput
será reduzido.
Por outro lado, modulações complexas requerem mais potência para cobrir
determinada área, entretanto aumentam a capacidade de transmissão dentro do canal. Uma
modulação muito complexa pode exigir muita potência, o que é prejudicial para dispositivos
portáteis pois será muito curto o período de funcionamento do dispositivo fornecedor de
Modulação
Bits por transição
Tolerância àatenuação
Exigência deInterferência de
portadora e atenuação
Tolerância a ruídos e interferências
Área de serviço
BPSK QPSK 8PSK 16QAM 64QAM
1 2 3 4 6
altobaixo
altobaixo
6dB 12dB 18dB 18dB 24+dB
grande pequena
26
potência (bateria). Desta forma, ou o sistema terá severos limites de cobertura, ou no pior
caso, o sistema será frágil e haverá muitos erros, não admitidos em uma transmissão eficaz.
2.2 Modulação Adaptativa
Diferentemente de um sistema de comunicação de voz, um sistema de
comunicação de dados não pode tolerar erros. Caso o sinal transmitido não seja recebido
100% corretamente, a transmissão estará inutilizada e a informação deve ser retransmitida.
Como a incerteza está associada com qualquer recepção de sinal, todos os sistemas de
comunicação digital implementam algoritmos para checagem e correção de erros causados na
transferência do sinal. Eles provêem algum nível de tolerância a erros, além de ação corretiva.
Para que possam ter parâmetros de avaliação dos erros, estes algoritmos inserem overhead3 na
informação transmitida, fazendo com que a quantidade de informação transmitida seja, na
realidade, maior do que a informação útil.
Diferentes ordens de modulação permitem que sejam enviados mais bits por
símbolo, conseguindo assim throughputs mais elevados ou melhores eficiências espectrais.
Entretanto, deve-se notar que ao utilizar uma técnica de modulação como QAM 64, que
apresenta elevada taxa de transmissão, é necessário que a relação sinal/ruído seja bastante
favorável para superar toda a interferência e manter uma taxa aceitável de erros. Se a distância
aumenta, a relação sinal/ruído diminui, devido ao aumento de interferências, então o canal
fica impróprio para transmitir altas taxas de dados já que os erros recebidos irão muitas vezes
exigir retransmissão, o que faz com que todo o esforço de transmissão seja em vão. Para
situações onde a relação/sinal ruído é desfavorável à transmissão, é sempre mais adequado
utilizar esquemas de modulação com menor taxa de transmissão, como o BPSK. Assim, se a
distância aumenta, a taxa de transmissão deve ser diminuída para garantir a resiliência da
comunicação.
O Uso de modulação adaptativa permite que sistemas de comunicação sem fio
adotem a modulação mais adequada, dependendo das condições do canal de dados,
permitindo a maior ordem de comunicação possível em cada trecho.
Os sistemas de comunicação sem fio atuais tais como os baseados no IEEE 802.11
(Wi-Fi) e 802.16 (WiMAX) utilizam as técnicas de modulação QAM e PSK adaptáveis à
distância do ponto de origem do sinal.
3 Overhead é o acréscimo de informação numa mensagem.
27
3 DUPLEXAÇÃO
Tanto receptores quanto transmissores são dispositivos autônomos capazes de se
comunicar em um único sentido. Os sistemas de comunicação de dados wireless necessitam
comunicar-se em ambos os sentidos (sistemas duplex). Um canal duplex, é uma via de
comunicação “em mão dupla”, ou seja, em ambos os sentidos da transmissão, tornando o
sistmea de comunicação mais eficaz.
Chama-se duplexação às técnicas que permitem tornar um canal, uma via de
comunicação duplex. Existem dois tipos de duplexação:
TDD - Time Division Duplexing (duplexação por divisão de tempo)
FDD - Frequency Division Duplexing (duplexação por divisão de freqüência).
3.1 Duplexação por Divisão de Tempo.
A TDD permite o uso de uma única freqüência para acomodar todos os sinais
recebidos e transmitidos. Isto é realizado pela divisão do tempo de canal de forma rápida o
suficiente para que tanto transmissores quanto receptores vejam um fluxo contínuo de
informação. O canal é temporariamente dividido em slots4 de tempo para transmissão e slots
de tempo para recepção com um intervalo de tempo entre eles para guarda do tempo de troca
da sinalização.
TDD é uma técnica muito utilizada em sistemas que experimentam tráfego
assimétrico, porque os slots de tempo podem ser alocados assimetricamente, atendendo à
necessidade real de transmissão. Não obstante, devido ao método utilizado, tanto a estação
base quanto o usuário remoto deverão ter transmissores e receptores ou transceptores.
Equipamentos baseados no protocolo 802.11, 802.16 e alguns telefones sem fio,
por exemplo, utilizam TDD.
3.2 Duplexação por Divisão de Freqüência
A FDD aloca dois subcanais de mesma capacidade porém com freqüências
distintas e com uma separação entre eles para que não hajam interferências no canal de
comunicação. Uma das freqüências é transmitida da estação base para o ponto remoto e a
4 É um intervalo de tempo muito pequeno de tamanho padrão para as operações de transmissão de dados.
28
outra faz o caminho inverso, sendo transmitida da estação do usuário para a estação base.
Estes sistemas duplex tem a vantagem de compartilharem uma antena comum, já que a
separação entre as freqüências de 45 MHz, ou mais, assegura que não haverão interferências
entre transmissor e receptor.
4 MULTIPLEXAÇÃO
Multiplexação são técnicas que permitem a transmissão de em um mesmo meio
físico (SOARES, LEMOS, COLCHER, 1995). Analogamente à duplexação, a multiplexação
pode ser feita na divisão do tempo (TDM - Time Division Multiplexing) ou na divisão da
freqüência (FDM – Frequency Division Multiplexing).
Assim como acontece na duplexação na divisão do tempo (TDD), a TMD é feita
pela divisão de pequenos intervalos de tempo (slots) entre todos os canais que desejam
transmitir.
A multiplexação na divisão da freqüência é conseguida com os seguintes passos:
1. Os sinais que deverão ser multiplexados são filtrados, de maneira a preservar
somente a faixa necessária a cada um deles (figura 1.9)
2. As faixas de freqüências originais do segundo e terceiro sinais é deslocada de
maneira que todos ocupem faixas diferentes e sem sobreposições (figura 1.9).
Figura 1.9 – Multiplexação na freqüência (FDM) (SOARES, LEMOS, COLCHER, 1995)
Assim, todos os sinais poderão ser transmitidos simultaneamente no mesmo meio
físico, já que cada um deles ocupa agora um canal (banda) distinto com o tamanho específico
para sua sua transmissão, o que garante que não haverão interferências.
4.1 Multiplexação por Divisão Ortogonal de Freqüência (OFDM)
C0
C1
C2
C0 C1 C2
0Hz
29
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é uma técnica de
transmissão baseada na idéia de multiplexação por divisão de frequencia (FDM). Porém, ao
invés de utilizar uma portadora única, a modulção OFDM utiliza um grande número de
pequenos canais sobrepostos para transmissão de dados. Cada um destes sub-canais (também
chamados “tons”) de forma que cada ton aparenta ser uma portadora independente. Há entre
eles uma sobreposição precisa de freqüências para prover ortogonalidade. O pico da portadora
modulada é alinhado com o vale das portadoras adjacentes(figura 1.9). Esta técnica faz com
que demoduladores distintos não vejam outros sinais que não sejam seu próprios. As
vantagens da OFDM são:
Alta eficiência de espectro;
Alta Flexibilidade para conformar a largura de banda disponível;
Baixa susceptibilidade para distorções de múltiplos canais.
Isto é útil porque num ambiente típico de propagação terrestre existem reflexões
perceptíveis, ou seja, o sinal enviado chega ao receptor por vários caminhos percorrendo
distâncias diferentes, o que causa distorção no sinal recebido.
Figura 1.10 – Ilustração de um espectro de três portadoras OFDM (OLEXA, 2005)
A desvantagem é que a OFDM é mais susceptível a interferências, especialmente
em dispositivos de banda básica, o que requer osciladores extremamente estáveis e que
possam tolerar uma pequena variação de freqüência.
Em OFDM, cada uma das portadoras ortogonais pode ser modulada com um sinal
BPSK ou QAM, isto pode ser feito graças à característica dos canais funcionarem como
independentes, a modulação escolhida em cada canal pode ser relacionada de acordo com a
Primeira subportadora
Segunda subportadora
Terceira subportadora
30
área de perda do sinal. A implementação desta flexibilidade aumenta a complexidade do
sistema, porém, em contra-partida permite o máximo throughput já que é capaz de alocar a
freqüência dinamicamente, de acordo com a área de queda do sinal. Assim, se uma certa
portadora ocupa uma freqüência com distorção, o sinal pode ser comutado para uma
freqüência mais baixa; se em contrapartida não houver queda do sinal da portadora, ela pode
operar no nível máximo de modulação.
A modulação por divisão ortogonal de freqüência oferece operações com meios
eficientes para superar as dificuldades da transmissão sem linha de visada. O formato da onda
utilizada na OFDM tem a vantagem de operar com maior atraso de propagação para o
ambiente NLOS. Em virtude do tempo de sinalização do FDM e o uso de um prefixo cíclico,
o formato da onda OFDM elimina a interferência entre sinais - ISI (inter-symbol
interference), problemas e complexidades da equalização adaptativa. Como o OFDM é
composto por múltiplas portadoras ortogonais de faixa estreita, a perda seletiva é localizada
em um subconjunto das portadoras que são relativamente fáceis de se equalizar.
Figura 1.11 – Sinal de portadora única e OFDM (WiMAX FORUM [3])
Numa comparação entre um sinal de OFDM e um sinal de portadora única. A
informação é enviada em série num sinal de portadora única e em paralelo para um sinal de
OFDM. (figura 1.11) (WiMAX FORUM [3])
31
A habilidade para superar o aumento de atraso para múltiplos caminhos e a ISI de
maneira eficiente, permite maior taxa de tráfego de dados. Como mostra a figura 1.12, é mais
fácil pois existem menos perdas, equalizar as portadoras de OFDM individuais que equalizar
um único sinal de banda larga.
Figura 1.12 – Sinais recebidos em portadora única e OFDM (WiMAX FORUM [3])
Por suas características de flexibilidade e eficiência espectral, o OFDM é
considerado a tecnologia para a quarta geração de sistemas de telefonia celular, e
equipamentos para comunicação de dados padronizados sendo cada vez mais utilizado pelos
fabricantes (OLEXA, 2005). Estas razões levaram orgãos como o IEEE 802.16, ETSI BRAN ,
e ETRI, a estabelecerem o padrão OFDM como a melhor tecnologia disponível (WiMAX
FORUM [3]).
4.2 Divisão Ortogonal de Freqüência para Múltiplos Acessos (OFDMA)
Como evolução à técnica OFDM, surge a OFDMA (Orthogonal Frequency
Division Multiple Access), que implementa vantagens em relação a primeira: Em OFDM os
dispositivos de usuário assumem slots de tempo para transmissão, mas somente um
dispositivo poderá transmitir durante determinado slot. Nesta técnica, todas as portadoras são
transmitidas em paralelo com a mesma amplitude (figrua 1.13). A OFDMA divide a portadora
em grupos (Ng), cada um com uma quantidade de portadoras Ne e Ne subcanais. Cada canal
com um piloto por grupo utilizando 2048 portadoras por instância, isto significa que Ne=32 e
Ng=48 em downlink e Ne=32 e Ng=53 em uplink. As portadoras remanescentes são usadas
para guardar as bandas (figura 1.14). Assim, codificação e modulação em amplitude são
32
configurados separadamente para cada sub-canal, de acordo com as condições do canal para
otimizar o uso dos recursos na rede, outra vantagem é que em OFDMA, a subcanalização
permite que vários dispositivos transmitam simultaneamente sobre os subcanais alocados.
(Figura 1.15)
Figura 1.13 – Canal com portadora OFDM: Todas as subportadoras possuem a mesma amplitude (WiMAX FORUM, 2005)
Figura 1.14 – Canal com portadora OFDMA: um piloto por grupo (WiMAX FORUM, 2005)
...
OFDM
Portadora OFDM Freqüência (portadoras)
...... ... ... ...
Freqüência (portadoras)Ne Portadoras
Grupo 1 Grupo 2 Grupo Ng
PilotoSubcanal 1Subcanal 2Subcanal 3
Portadoras OFDMA
33
Figura 1.15 – Uplink em OFDM e OFDMA (WiMAX FORUM 2005)p
orta
dora
s
Su
b-ca
nais
tempo tempo
Usuário 1
Usuário 2
Usuário 3
Usuário 4
... ...
Símbolo FFT
34
2 REDES SEM FIO
Neste capítulo será dada uma introdução aos aspectos gerais de redes redes de
comuniçãçao sem fio, mostrando conceitos e avaliando necessidades, bem como classificando
as redes sem fio para focar no escopo real deste trabalho.
1 O QUE SÃO REDES SEM FIO
As redes sem fio (do inglês wireless), como o prórpio nome indica, são
tecnologias que permitem a comunicação de equipamentos por meio de enlaces de
comunicação não cabeados, isto é, utilizando somente o ar como meio de transmissão, através
da emissão e recepção de ondas eletromagnéticas, em oposição à maioria das redes de
comunicação hoje utilizadas, que necessitam de cabeamento para efetivarem comunicação. A
tecnologia de comunicação sem fio já faz parte do cotidiano das pessoas em aparelhos como
controles-remotos e telefones celulares. A aplicação de canais sem fio para a comunicação de
dados apresenta-se hoje como uma tecnologia emergente (INTEL [1]).
2 PORQUE REDES SEM FIO
A utilização da tecnologia de redes não cabeadas (sem fio) é, à primeira vista, um
grande facilitador para provimento de comunição de dados, pois a instalação de um parque de
comunicação de dados baseado nesta tecnologia exime a necessidade de se transpassar cabos
de comunicação através dos pontos que deverão se comunicar. Esta característica em
particular é muito promissora em regiões como o estado do Pará, que possui extensa área
territorial onde, muitas vezes, a passagem de cabeação, seja metálica ou óptica, é um
complicador de grande complexidade, pois além da dá já citada distância, existem regiões
com matas fechadas e grande quantidades de rios e córregos, o que dificulta mais ainda a
utilização de enlaces cabeados.
Os padrões propostos para redes não cabeadas de longo alcance, visam permitir
fonecimento de um serviço de comunicação de qualidade a distâncias consideráveis e com
custos reduzidos, pois o custo de instalação inicial dos equipamentos será diluído ao longo do
35
tempo. Em OLIVEIRA (2005) os consultores estratégicos da Siemens, Marilson Soares e
Eduardo Lima colocam que “Se levarmos em conta que mais de 80% dos municípios
brasileiros possuem um raio médio de 15 quilômetros de extensão, sabemos que com uma
única antena WiMAX conseguirá cobrir toda a cidade. É realmente muito convidativo”.
Assim, o raio de alcance desta tecnologia conta como ponto a favor, pois vários dos pequenos
municípios paraenses serão perfeitamente atendidos com uma única estação-base.
O custo de instalação do sistema não é capaz de inviabilizar a sua aplicabilidade.
Segundo OLIVEIRA (2005) “Estima-se que, até o fim 2006, os preços começarão a se tornar
atraentes e as operadoras chegarão às residências que precisam de acesso em banda larga com
um modem ADSL e um WiMAX...”. A autora do artigo também afirma que “...projeções do
instituto de pesquisas Pyramid Research apontam que a tecnologia WiMAX dominará 60% do
mercado mundial de banda larga sem fio em 2008.”
Deve se ter em mente que uma vez substituída a tecnologia cabeada pela
tecnologia sem fio, a manutenção destes circuitos tem um valor bem abaixo do custo mensal
de linhas privativas de comunicação de dados, já que estas exigem investimento mensal com a
as concessionárias de telecomunicações, o que se torna desnecessário com utilização de redes
sem fio metropolitanas, principalmente se forem utilizadas freqüências não licenciadas.
3 CLASSIFICAÇÃO E PADRÕES
IEEE publicou os padrões para redes não cabeadas como subcategorias do padrão
802. nos subpadrões existentes são contemplados, basicamente, quatro classes de redes sem
fio segundo a abrangência demonstradas a seguir: (www.teleco.com.br/ em 14/11/2005 ).
3.1 Redes Pessoais Sem Fio
As redes pessoais sem fio (WPAN – Wireless Personal Area Network) tem
alcance de comunicação de até algumas dezenas de metros, o que sugere a abrangência em
torno do indivíduo, nestas redes a comunicação se dá entre dispositivos pessoais como
telefones celulares, notebooks, PDA’s ou fones de ouvido, equipamentos que mesmo estando
em locais diferentes como bolsos, pastas e etc, não necessitam de tanta velocidade de
comunicação e o alcance necessário para seu funcionamento é bastante limitado.
36
O Padrão mais conhecido de WPAN é o Bluetooth, definido pelo protocolo IEEE
802.15.1 – revisão de 2002 (IEEE [a]). Com alcance sugerido de 10m e velocidade
aproximada de 1Mbps.
Há também na classificação WPAN, a tecnologia de rede definida pelo padrão
IEEE 802.15 conhecida como UWB Ultra Wide Band (banda ultra larga). Uma tecnologia de
baixo consumo de energia (cerca de 1/10 000 a potência de um celular convencional), e com
alta taxa de transmissão, pois é capaz de alcançar 500 Mbps por até 4m de distância. Estas
características fazem com que 1) o sinal transmitido pelo UWB se misture com outros sinais
wireless, como um ruído e; 2) ele é tão poderoso que é capaz de transmitir filmes através das
paredes "Moving Through the Wall". Segundo PRADO[2], “Ele será "campeão" (ou killer
technology) na eliminação de cabos” pois será capaz de conectar equipamentos como
filmadoras e câmeras fotográficas sem a necessidade de cabo. PRADO [2] também afirma que
“O UWB é um forte candidato a aniquilar o Bluetooth por que a velocidade deste é muito
pequena (de apenas 1 Megabit por segundo - Mbps).”
3.2 Redes Locais Sem Fio
As redes WLAN (Wireless Local Area Network) sugerem a mesma abrangência
das LAN’s, ou seja distâncias limitadas por um prédio comercial, ou talvez um campus. A
normatização da WLAN é definida no padrão IEEE 802.11 conhecido comercialmente como
Wi-Fi. (Wireless Fidelity) Este padrão provê a comunicação entre estações a uma velocidade
de até 11 Mbps num raio de cobertura de 100m. Atualmente grande maioria das soluções sem
fio disponibilizadas no mercado são baseadas nesta tecnologia que foi projetada para
ambientes internos mas, na prática, está sendo utilizada muitas vezes como solução para
comunicação externa, especialmente na versão 802.11g deste protocolo.
3.3 Redes de Longo Acance Sem Fio
3.3.1 Padrão 802.16 (WiMAX)
Também conhecido como redes redes metropolitanas não cabeadas WMAN
(Wireless Metropolitan Area Network) estão limitadas à velocidade de 70 Mbps por um raio
de até 50 Km, o que sugere a área de uma cidade. O padrão que normatiza as WMAN’s é o
IEEE 802.16. As definições deste protocolo inserem características desejaveis para a
37
interligação de redes locais entre prédios localizados na mesma cidade ou em cidades
próximas. Um bom exemplo seria uma rede WiMAX atendendo à região metropolitana de
Belém.
Segundo PRADO [3], “o padrão IEEE 802.16 [sic] (inicial) utiliza um esquema de
modulação de portadora única e que opera numa faixa de rádio freqüência entre 10 e 66 GHz,
requerendo uma linha de visada entre as torres para a conexão funcionar”. Uma nova
extensão, definida no padrão IEEE 802.16a, que foi ratificada em janeiro de 2003 opera numa
faixa de freqüência menor, de 2 a 11 GHz e não precisa de visada direta para funcionar.
Outras versões para o padrão 802.16 estão disponíveis, e serão estudadas com
detalhes no capítulo 3 deste trabalho. Por se tratrar do enfoque desta pesquisa.
3.3.2 Padrão 802.20 (Mobile-fi)
O padrão 802.20, conhecido comercialmente como Mobile-Fi é especificado para
tráfego nativo de IP com acesso à banda larga de forma completamente móvel (até 250
Km/h). Este padrão foi estabelecido em fevereiro de 2002 , um pouco antes da ratificação do
802.16. Segundo PRADO[4], “...ele proporcionará taxas de transmissão simétricas de 1 Mbps
a 4 Mbps em espectros licenciados abaixo de 3,5 GHZ em distâncias de 15 km, utilizando
modulação OFDM”.
O grupo do 802.20 foi criado antes do início do 802.16e. entretanto conflitos no
comitê fizeram com que o desenvolvimento fosse relativamente lento. Por suas características,
este padrão pode vir a ser um concorrente direto das tecnologias de telefonia celular de
terceira geração (3G) como CDMA2000 (Code-Division Multiple Access – Múltiplos acessos
por divisão de código) e GMRS (General Mobile Radio Service – Serviço geral de rádio
móvel) (OLEXA, 2005). Mas, segundo PRADO[1], se este padrão vier a ser concorrente do
WiMAX, não deverá suplantá-lo, uma vez que o WiMAX já estará consolidado.
A figura a seguir ilustra a abrangêngia das redes não cabeadas:
38
Figura 2.1 – Abrangência dos padrões de redes sem fio (INTEL[3])
Algumas tecnologias sem fio permitem acesso móvel, como o WiMAX móvel
(802.16e) e o padrão 802.20, que por suas características são candidatos a padrões para
comunicação em telefonia celular. A figura a seguir ilustra os padrões de comunicação sem
fio em alcance, velocidade e mobilidade.
Figura 2.2 – Comparação alcance X velocidade X Mobilidade dos padrões de comunicação não cabeados.
39
3 O PADRÃO 802.16 E SUAS TECNOLOGIAS
Neste capítulo, será dado o enfoque especial à tecnologia WiMAX, baseada no
prococolo 802.16, com estudos de seus conceitos, características, variações, aplicações e
persprctivas para esta tecnologia de comunicação sem fio.
1 BREVE HISTÓRICO DO PADRÃO 802.16
Em agosto de 1998 o NIST (U.S. National Institute of Standards and Tecnhology
–Instituto americano de padronização e tecnologia ) da associação americana de normas
técnicas, promoveu uma reunião conhecida como N-WEST (National Wireless Eletronics
Systems Testbed) que deu início as atividades do comitê responsável por definir os padrões
802.16. Após quatro anos o grupo havia desenvolvido a base necessária para os padrões
subseqüentes.
O IEEE 802.16 WMANs (também chamado IEEE802.16-2001) “Air Interface for
Fixed Broadband Wireless Access Systems” foi aprovado em 6 de dezembro de 2001 (IEEE
Std 802.16-2001™ ) e publicado em 8 de abril de 2002. Este padrão especifica a interface
aérea para sistemas de banda larga do tipo ponto-multiponto, estacionárias operando no
intervalo de freqüência entre 10,0 e 66,0 GHz.
O IEEE 802.16.2, aprovado em 6 de julho de 2001 e publicado em 10 de setembro
de 2001, “Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access Systems” (Coexistência para
Acesso de sistemas sem fio de banda larga) (IEEE Std 802.16.2-2001™) especifica práticas
recomendadas para minimizar a interferência em sistemas estacionários de banda larga para
acessos sem fio, conhecidos como BWA (Broadband Wireless Access – Acesso de banda
larga) no intervalo de freqüência de 10,0 e 66,0 GHz. Neste documento há um foco particular
para o intervalo de 23,5 a 43,5 GHz, analisando a coexistência entre os cenários e fornecendo
orientação para projeto, desenvolvimento e coordenação do sistema e freqüência de uso.
O padrão 802.16a “Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems.
Amendment 2: Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer
Specifications for 2 - 11 GHz” que foi aprovado em 29 de janeiro de 2003 e publicado em 1
de abril de 2003, é um aditivo ao 802.16-2001. Este novo padrão enfatiza a camada de acesso
40
ao meio e fornece novas especificações à camada física, o que resulta na possibilidade de
operação em banda larga no intervalo de freqüências licenciada e não licenciada entre 2 a 11
GHz utilizando instalações estacionárias para serviços múltiplos. A camada de enlace, é capaz
de suportar várias especificações da camada física otimizadas para as faixas de freqüência das
aplicações. Esse padrão inclui ainda especificações para camada física aplicáveis aos sistemas
que funcionam entre 2 e 66 GHz. (IEEE Std 802.16a™-2003)
Em março de 2003 foi acrescentado ao 802.16a, uma extensão para o acesso
NLOS (Non-Line of Sigh – sem linha de visada) em bandas de freqüência mais baixas de 2,0 a
10,0 GHz, algumas das quais não licenciadas5, com suporte para as tecnologias de PMP
(Point-to-Multipoint) e malha (Mesh), A nova extensão visa também ampliar o raio de
cobertura de 50 para 80 Km. Até então o padrão 802.16 suportava apenas o padrão LOS (Line
of Sight – com linha de visada) nas freqüências licenciadas da faixa de 10,0 a 66,0 GHz.
O IEEE 802.16c, “Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems -
Amendment 1: Detailed System Profiles for 10–66 GHz” aprovado em 11 dezembro de 2002,
e publicado em 15 de janeiro de 2003 visa prover a interoperabilidade através da
especificação de perfis de sistema no intervalo de bandas entre 10 e 66 GHz. Neste aditivo são
corrigidos erros e inconsistências existentes no 802.16-2001.
O IEEE 802.16d foi publicado em 29 de setembro de 2003, e teve sua extinção
publicada em 01 de outubro de 2004 (http://grouper.ieee.org/groups/802/16pubs
/P80216d.html). Substituído pelo 802.16-2004 que foi publicado na mesma data e teve sua
aprovação prévia em 24 de junho de 2004. Este é um dos padrões atualmente em vigor, ele
revisa e substitui as especificações 802.16-2001, 802.16a-2003 e 802.16c-2002. Neste padrão,
para as freqüências operacionais entre 10 e 11 GHz a camada física é baseada em modulação
por portadora única. Para freqüências abaixo de 11 GHz é viável prover transmissão de sinal
sem linha de visada com três tipos de modulação possíveis OFDM, OFDMA e modulação por
portadora única (IEEE Std 802.16 TM- 2004).
O IEEE 802.16e, também conhecido como IEEE 802.16-2005, foi aprovado em 7
de dezembro de 2005, e publicado em 28 de fevereiro de 2006 (http://grouper.ieee.org/groups/
802/16/pubs/P80216e.html em 06/03/2006). O padrão 802.16e facilitará o desenvolvimento
global para o acesso de banda larga sem fio. Ele repara e completa o padrão anterior que
contemplava o acesso MANs sem fio, mas suportava somente o acesso fixo e nomâdico. A
emenda ao padrão especifica um sistema para contemplar acesso BWA para assinantes fixos e
5 Consultar o item 7 capítulo 3: freqüências de uso em WiMAX
41
móveis inclusive com velocidades veiculares (até 100 Km/h) utilizando freqüências abaixo de
6 GHz.
Outras modificações básicas que ocorreram na mudança do 802.16d para o
802.16e são a) A Camada física utiliza um esquema de modulação S-OFDMA (Scalable
Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cuja definição permite associar um
subconjunto de subportadoras para diferentes usuários possibilitando com isso que vários
usuários conectem-se simultaneamente com a mesma freqüência sem que hajam
interferências. Cada usuário será tratado isoladamente independendo de localização, distância
da EB, interferência e requisitos de potência. É importante ressaltar que a utilização desta
modulação, que altera a especificação original do padrão, o tornou incompatível com
WiMAX fixo e nomâdico, o que vai: a) impedir a interoperabilidade entre estes dois padrões;
e b) A camada de acesso ao meio introduz funcionalidades para permitir o intercâmbio
(handoff) entre as células garantindo a mobilidade.
O Padrão 802.16f foi aprovado em 22 de setembro de 2005 e publicado em
primeiro de dezembro de 2005. Este, padrão é uma emenda ao IEEE 802.16-2004. Ainda
estão em andamento nos pré-padrões o 802.16h e 802.16i, e em desenvolvimento o padrão
802.16g. (IEEE 802.16).
Em resumo, conforme informação da organização responsável pela especificação
dos padrões (IEEE) encontradas em (IEEE 802.16), a utilização dos documentos referentes à
padronização atual (06/03/2006),é a seguinte:
Padrões Aprovados Aguardando Publicação:
• IEEE Standard 802.1 6e aprovado em 7 de dezembro de 2005
• IEEE Standard 802.16-2004 /Cor1
Padrões em vigor:
• IEEE Standard 802.16f
• IEEE Standard 802.16-2004
• IEEE Standard 802.16.2-2004
• IEEE Standard 802.16/Conformance01-2003
• IEEE Standard 802.16/Conformance02-2003
• IEEE Standard 802.16/Conformance03-2004
Padrões Obsoletos:
• IEEE Standard 802.16-2001
42
• IEEE Standard 802.16a-2003
• IEEE Standard 802.16c-2002
• IEEE Standard 802.16.2-2001
Padrões em desenvolvimento:
• Alta eficiência de espectro;
• IEEE Draft 802.16e
• IEEE Draft 802.16f
• IEEE Draft P802.16-2004/Cor1
• IEEE Draft P802.16/Conformance04
Projetos extintos:
• IEEE Draft P802.16d
2 A ARQUITETURA 802.16
A arquitetura sem fio para redes metropolitanas que, atualmente, utiliza os
padrões 802.16-2004 e 802.16e, comercialmente conhecida como WiMAX (Worldwide
Interoperability for Microwave Access - ou interoperabilidade mundial para acesso por
microondas), lembra a configuração de uma estrutura de comunicação tradicional para
telefonia celular (figura 3.1), com estações-base (EB) estrategicamente instaladas utilizando
conexões ponto-a-ponto entre sí e conexões ponto-multiponto entre as EB e os pontos de
acesso ao serviço.
Exatamente como na telefonia celular, a área de cobertura de uma antena é
chamada célula. Teoricamente, as células tem um acance de 75 Km porém, na prática, esse
alcance está limitado a cerca de 35 Km.
Os primeiros padrões definidos pelo comitê do 802.16 não ultrapassavam 10 Km
de alcance, isto porque a freqüência utilizada no padrão inicial (10 a 66 GHz) têm uma
dificuldade enorme em transpor obstáculos, como os encontrados em áreas urbanas.
Os padrões mais recentes (como o 802.16-2004 e 802.16 e) utilizam uma faixa de
freqüências mais baixas (entre 2 e 11GHz). Nesta faixa, as ondas de rádio conseguem penetrar
em prédios ou outros obstáculos, o que permite a comunicação mesmo que antenas dos
clientes não estejam necessariamente direcionadas para a estação base, tornando a transmissão
mais prática e condizente com o cenário envolvido.
43
O padrão 802.16 define que o serviço de comunicação deve persistir por um raio
de vários quilômetros. Obviamente, isto depende da freqüência e potência do transmissor e da
sensibilidade do receptor. Em áreas com elevada densidade populacional, o raio de alcance
pode ser reduzido para que haja a reutilização de freqüências exatamente da mesma forma que
acontece com a limitação no tamanho das células em telefonia celular. Isto é devido à
limitação do espectro disponível. Por conseguinte, se a quantidade de usuários inseridos no
alcance máximo do padrão ultrapassar a capacidade do espectro, o alcance do sinal será
reduzido para que não hajam interferêncaias nas EBs adjacentes adicionadas para prover a
reutilização das freqüências.
Figura 3.1 - Arquitetura 802.16 (INTEL [3])
Outra possibilidade das redes redes WiMax, é operar na tecnologia em mesh
(malha). Topologias em mesh estendem o alcance tradicional das WLANs e WMANs, pois
nesta topologia cada nó é conectado aos nodos adjacejntes, e os protocolos de comunicação
são compartilhados através deles. A topologia em mesh, também conhecida como “multi-hop”
provê uma arquitetura flexível capaz de transportar dados entre os nodos de maneira eficiente.
Em uma rede em mesh, pequenos nodos trabalham como roteadores simples.
Instalados através de uma grande área. Cada nodo transmite um sinal de baixa potência, capaz
Conexão da infra-estrutura com a Internet
Nível de serviço T1Para SME’s
ResidencialCanal de comunicação
Nível de Serviço DSLpara pequenas empresas
Internet
44
de ser recebido por nodos subseqüentes, que tornam a restransmití-lo e assim sucessivamente
até que os dados cheguem ao seu destino. Uma vantagem desta topologia é a habilidade de se
transpor grandes obstáculos tais como florestas ou montanhas. Assim, usuários a principio
obstruídos, podem conectar-se as estações base através de outros nodos.
A topologia em mesh provê muitas vantagens sobre implementações com linha de
visada já que podem adaptar-se quando da adição ou remoção de nodos. Cada vez mais,
necessidades de mobilidade são requeridas e novas classes de dispositivos devem ser
incluídos no futuro para atender a esta demanda crescente.
Na topologia em mesh melhores modelos de antenas a preços mais baixos são
capazes de tratar, de forma eficaz, o efeito de interferências e força do sinal. Isso se deve a
utilização de quatro antenas na estação base ao invés de somente uma.
Na figura 3.2 cada uma das quatro antenas transmite e recebe o mesmo sinal em
momentos diferentes e muito próximos, onde depois de processados de forma inteligente, o
melhor sinal será extraído. Esta mesma performance utilizando-se apenas de uma antena
acarretaria problemas de custo, pois seria necessária a obtenção de aparelhos que
aumentassem a força do sinal e tornaria o planejamento da área de cobertura mais difícil, e
com a iminência de interferências na recepção do sinal.
Figura 3.2 – Topologia em mesh (INTEL [1])
Outros benefícios da rede em mesh são:
• Balanceamento de tráfego: o balanceamento de tráfego pode ser conseguido
através da redundância inerente ao sistema em mesh. Em redes muito densas, como
Internet
Rede em mesh entre sistemas de assinantes
Estações base e antenas WiMAX
Usuários móveis
WLAN hotspotCanal entre
estações base
Usuários Fixos
45
em grandes centros comerciais ou industriais, cada dispositivo tem vários
dispositivos próximos, permitindo múltiplos caminhos entre os dispositivos de
comunicação. Assim, no caso de interferências uma rede “multi-hop” é configurada
utilizando caminhos alternativos.
• Mobilidade: a estação cliente pode estar localizada dentro de qualquer ponto da
rede. A estação base da estrutura em mesh que estiver mais apropriada no momento,
atenderá a solicitação do cliente.
• Disponibilidade: a redundância intrínseca da topologia também pode prover a
disponibilidade do serviço. Mesmo na existência de falha de alguma EB, o cliente
pode conectar-se com outra EB disponível.
3 INTERCONEXÃO DE SISTEMAS
O padrão 802.16 foi planejado desde o começo com a intenção de prover meios
para comunicação “até a última milha”, ou seja, permitir comunicação até o limite de alcance
da conexão, com qualidades iguais ou superiores ao modem DSL, ou circuitos dedicados E1/
T16 fornecidos pelas operadoras de comunicação.
As estações-base para comunicação de dados são normalmente acopladas às redes
locais através de canais de fibra óptica ou circuitos microondas não cabeados (figura 3.3).
Com este arranjo, é possível promover interconectividade com os sistemas existentes, como
por exemplo as redes ethernet, de forma transparente para o usuário.
O padrão 802.16-2004, que vem revisar e substituir os padrões IEEE 802.16a e
802.16d, caracteriza-se como uma solução sem fio fixa para acesso com banda larga à internet
que provê interoperabilidade com outros padrões como o ethernet, e solução de classe de
envio até a última milha.
6 Padrão norte-americano que define a linha digital de alta velocidade, com capacidade de
transmissão de 1,544 Mbps. Termo criado pela AT&T, T1 é amplamente utilizado em redes privadas e na
interconexão entre redes locais e redes públicas de telecomunicações
46
Figura 3.3 – Interconexção de sistemas com WiMAX (INTEL [1])
A solução WiMAX para acesso fixo sem fio opera em freqüências licenciadas de
2,5 GHz e 3,5 GHz e na faixa não-licenciada de 5,8 GHz. Esta tecnologia fornece uma
alternativa sem fio aos cables modens e aos circuitos ópticos de transmissão de dados.
O padrão 802.16-2004 define dois modelos para acesso fixo: um que utiliza
antenas externas instaladas nos clientes seguindo o modelo utilizado em antenas parabólicas
para TV por assinatura. E outro utilizado em instalações internas (indoor), ou seja dentro de
prédios que, obviamente, não são instalações tão robustas quanto as primeiras.
O Padrão 802.16e é uma emenda à especificação 802.16-2004 básica. Este padrão
contempla o mercado móvel provendo portabilidade e mobilidade. O 802.16-2004 utiliza
OFDMA que é similar ao OFDM pois divide a portadora em vários subcanais. O OFDMA,
entretanto, vai um pouco mais além, já que agrupa vários sinais transmitidos em um único
sub-canal, uma única estação cliente pode transmitir utilizando todos os subcanais na faixa da
portadora. Em outra situação vários clientes podem transmitir simultanemente, utilizando
cada um uma parte dos sub-canais disponíveis.
4 PILHA DE PROTOCOLOS 802.16
A pilha de protocolos 802.16 obedece à estrutura de outras redes padrão 802,
entretanto apresenta um número maior de subcamadas nas camadas um e dois do modelo de
referência OSI da ISO: a camada física é dividida em duas subcamadas, a subcamada inferior
refere-se à transmissão, é nesta subcamada que estão as técnicas de modulação aplicáveis ao
padrão. A segunda subcamanda da camada física trata da convergência, ou seja, é a
subcamada responsável por ocultar as diferentes tecnologias de transmissão da camada de
enlace.
47
A camada de enlace é composta por três subcamadas que, de baixo para cima tem
as seguintes funções:
• A primeira, subcamada de segurança, resolve problemas de segurança e
privacidade, uma função importante quando se tratam de redes externas. Nesta
camada são criptografados e descriptografados os dados além do gerenciamento das
chaves
• Acima desta, vem a subcamada MAC (Medium Access Control - Controle de
acesso ao meio). É nela que se localizam os principais protocolos tais como os de
gerenciamento de canais. O modelo IEEE 802.16 define que a estação-base controla
o os enlaces de comunicação gerenciando os canais de downstream (da estação-base
para o assinante) e upstream (do assinante para a estação-base). Uma característica
desta camada é que ela é totalmente orientada à conexão, recurso que permite
fornecer qualidade de serviço a aplicações como telefonia e vídeo-conferência,
aplicações que não admitem atrasos na comunicação. O recurso de orientação à
conexão não é comum nos outros padrões 802.
• E, finalmente, a subcamada de convergência de serviços que toma o lugar da
camada LLC (Logical Link Control – controle de enlace lógico) nas outras pilhas
802. Esta subcamada tem a função de definir a interface para comunicação com a
camada de rede.
A pilha de protocolos 802.16 é mostrada na figura abaixo:
Figura 3.4- Pilha de protocolos 802.16
4.1 A Camada Física
A primeira especificação do padrao IEEE 802.16 operava no intervalo de
freqüências de 10 a 66 GHz. A posteriori, uma nova especificação do 802.16 (o 802.16-2004)
48
estendeu uma faixa de freqüências para 2 a 11 GHz, passando o padrão a operar agora com
freqüências licenciadas e não licenciadas e, podendo utilizar canais sem linha de visada, pois
em frequêncais acima de 6 GHz, é mandatório que haja linha de visada (OLEXA, 2005) e em
freqüências mais baixas, a linha de visada não é exigida, muito embora a falta de linha de
visada force o sistema a buscar camininhos alternativos, causando perda de desempenho.
Considerando todos os subpadrões do 802.16, a faixa de freqüência está entre 2
66 GHz. As ondas produzidas nesta faixa têm comprimento milimétrico e a propriedade de
trafegarem em linha reta, diferente das ondas sonoras, porém muito semelhante às ondas
luminosas. Esta característica permite que as estações-base tenham várias antenas onde cada
uma aponta para uma área específica do terreno formando setores de circulos concêntricos à
antena (vide figura 3.5) cada setor delimitado é bastante independente dos setores adjacentes e
possui seus usuários bem definidos.
A atenuação na intensidade do sinal quando este se afasta da estação base provoca
a queda da relação sinal/ruído, ou seja, o sinal diminui e o ruído aumenta, o que significa
dizer que o sinal recebido pelo receptor será de baixa qualidade. Como esta relação é
influenciada pela distância da estação-base ao ponto de recepção do sinal, o padrão 802.16
utiliza três esquemas de modulação. Cada esquema de modulação é adotado para um intervalo
de distância em relação a EB.
• QAM-64, para assinantes próximos a ERB, com queda de 6 bits/ baud
• QAM-16, opera a uma queda de 4bits/baud para assinantes a uma distância média
• Para assinantes distantes, é usado o QPSK, com 2 bits/baud.
Os diferentes esquemas de modulação implicam em diferentes velocidades de
transmissão que variam inversamente com a distância, ou seja, quanto mais distante da ERB,
menor será a taxa de transmissão de dados. Para efeito de exemplo, em um espectro típico de
25 MHz o QAM-64 transmite a cerca de 150 Mbps, o QAM-16 a 100 Mbps e o QPSK a 50
Mbps. Contudo, será garantida a persistência do sinal.
Figura 3.5 - Divisão do espaço de transmissão no padrão 802.16 (INTEL)
49
4.1.1 Duplexação dos Canais de Dados
Quase sempre, a capacidade que um meio tem de transmitir (banda passante) é
bem maior do que a banda passante necessária para transmissão dos sinais de dados.O que
deixa ociosa a banda passante. Para evitar estes “desperdícios” de capacidade de transmissão,
é utilizada a multiplexação que, basicamente, é a transmissão “simultânea” de mais de um
sinal no mesmo meio físico, aproveitando assim a capacidade de transmissão.
Levando-se em consideração as restrições físicas da comunicação de dados sem
fio e os objetivos de criar um sistema de banda larga, era imperativo para o comitê do padrão
802.16 a utilização do espectro disponível de maneira eficiente. Fazia-se necessário, portanto,
um esquema adequado de duplexação.
A utilização dos esquemas de duplexação do tipo GSM (Global System for
Mobile Communications - Sistema Global para Comunicação Móvel) e D-AMPS (Digital-
Advanced Mobile Phone Service – Serviço digital avançado para telefonia móvel),
originalmente concebidos para telefonia, não foi bem sucedida para transmitir dados pois, no
caso de voz, o tráfego é praticamente simétrico e, apesar de ambos sistemas utilizarem
freqüências distintas, elas são equivalentes para os canais de upstream e downstream, já que
na comunicação telefônica a necessidade de trasmissão é similar em ambas as pontas. No caso
da comunicação de dados (como usuários conectados à Internet, por exemplo), a grande
maioria do tráfego é de downstream, não obstante há picos no tráfego de upstream. Por esta
característica, tornou-se necessária a utilização de um sistema capaz de alocar largura de
banda de uma forma mais flexível.
Para atender à demanda variável, são utilizados esquemas de duplexação. Os
esquemas adotados para a comunicação no 802.16 São: TDD - Time Division Duplexing e
FDD - Frequency Division Duplexing.
Na duplexação por divisão do tempo, utilizada na comunicação sem fio, a estação
base transmite quadros periodicamente. Cada quatro é formado por slots de tempo divididos
da seguinte forma: os primeiros, normalmente a maioria, são destinados ao tráfego de
downstream; logo a seguir, há um tempo de guarda, utilizado para proteção. Este tempo é
utilizado para que as estações comutem o sentido da transmissão; e, finalmente, os slots de
tempo utilizados para tráfego upstream (figura 3.6).
A quantidade de slots de tempo dedicados para cada sentido da transmissão pode
ser alterada dinamicamente, a fim de corresponder à largura de banda requerida em cada
sentido. Assim, mesmo sendo, via de regra, a transmissão de downstream bem maior que a de
50
upstream, em dado momento esta diferença pode diminuir ou até mesmo se inverter,
dependendo da necessidade de comunicação.
Figura 3.6 - Divisão dos quadros para duplexação por divisão de tempo
O downstream tem seu tráfego mapeado em slots pela estação base, que é a
responsável pelo controle do tráfego neste sentido. O controle do tráfego de upstream é mais
complexo, pois vai depender do nível de qualidade de serviço exigido pelos concorrentes que
desejam transmitir.
A duplexação por divisão de freqüência é feita para se alocar dois sinais iguais e
distintos com freqüências diferentes no mesmo canal de comunicação. Uma das freqüências é
transmitida pela estação-base e recebida pela estação remota, a outra faz ao contrário,
tornando-o um sistema de comunicação duplex. Considerando que este sistema duplo
compartilha antenas comuns, as freqüências utilizadas tem que ter uma separação entre elas
de, pelo menos, 45MHz para assegurar que a energia do transmissor possa ser facilmente ser
filtrada no receptor. A FDD é mais utilizada em sistemas onde o tráfego tende a ser simétrico,
pois ambos os canais possuem a mesma largura de banda (figura 3.7) (OLEXA, 2005).
Figura 3.7 - Duplexação por divisão de freqüência
51
4.1.2 Circuitos LOS X NLOS
Nas primeiras tentativas do 802.16, o alcance estava limitado entre 3e 10 Km, não
contemplando a determinação do padrão. Esta limitação se deve às freqüências utilizadas no
padrão inicial (10 a 66 GHz) incapazes de traspor obstáculos como tais estruturas de concreto,
o que obrigava a comunicação com linha de visada, ou seja, o sistema transmissor-receptor
precisa estar instalado em linha reta, e sem obstáculos entre os equipamentos de transmissão e
recepção.
A posteriori, a utilização de freqüências abaixo de 11 GHz, integrou ao padrão a
possibilidade de operar sem linha de visada, onde são permitidos obstáculos entre os
equipamentos transmissores e receptores.
Os canais para comunicação sem fio são, normalmente, descritos como sendo com
linha de visada LOS ou sem linha de visada NLOS.
4.1.2.1 Circuitos LOS
Em um circuito LOS, o sinal trafega sobre um caminho direto e desobstruído. Um
circuito LOS requer que o máximo da primeira zona de Fresnel7 esteja livre de qualquer
obstrução (WiMAX FORUM [3]). Se este critério não for obedecido há uma queda
significativa no sinal transmitido, dificultando sua recepção. A liberação necessária da zona
de Fresnel depende da freqüência operacional e da distância entre o transmissor e o receptor.
7 Ou Fresnelzone é o raio do campo eletromagnético entre duas antenas. A propagação das microondas forma um
campo elíptico envonvendo a linha de visada. O campo fica tão mais extenso quanto mais aumenta a distância
entre as antenas. (http://info.matik.com.br)
52
Figura 3.8 – Circuito com linha de visada e zona de liberação deFresnel (WiMAX FORUM [3] )
4.1.2.2 Circuitos NLOS
Em um circuito sem linha de visada os sinais enviados são refletidos e difratados.
Assim, os sinais que chegam ao receptor consistem em componentes do sinal enviado
originalmente já que tais sinais chegam através de caminhos diferentes o que causa atraso no
tempo de chegada de alguns sinais componentes do sinal original, além do que são percebidas
atenuações, polarizações e instabilidades relativas ao caminho original. (figura 3.9)
O fenômeno dos caminhos múltiplos pode inverter a polarização do sinal. A
polarização invertida é, às vezes, utilizada como reuso de freqüência em ambientes LOS, isto
pode ser problemático para aplicações NLOS. Assim, não se deve utilizar a inversão de
polarização como técnica de reuso de freqüências para sistemas sem linha de visada.
Como os sistemas de rádio utilizam o mesmo esquema de caminhos múltiplos,
esta vantagem parece ser a chave para comunicação sem linha de visada. “Um equipamento
que aumenta sua potência para vencer as obstruções na “força bruta” ainda não é uma
tecnologia NLOS porque ainda está utilizando um caminho direto” (WiMAX FORUM [3]).
Existem várias vantagens na utilização de sistema NLOS. Questões como
exigências de projeto e restrições de altura frequentemente não permitem que as antenas LOS
sejam posicionadas para NLOS. Em sistemas celulares extensos, onde o reuso de freqüência é
crítico, baixar a antena é vantajoso para reduzir interferências em co-canais8 de células
adjacentes. Baixar demais as antenas porém, obriga as estações base a operarem sem linha de
visada. Não é viável pois que se reduzam muito as alturas das antenas das estações base de
um sistema LOS, já que isso encobriria a linha de visada exigida do CPE para a EB.
8 Canais que utilizam a mesma freqüência que, entretanto, estão em células distintas.
53
Figura 3.9 - Propagação sem linha de visada
Outras vantagens da utilização de canais sem linha de visada, são a redução de
despesas de instalação da CPE e a facilidade para a escolha adequada do local onde a CPE
será montada.
É possível utilizar na tecnologia NLOS equipamentos projetados para funcionar
em ambiente fechado, melhorando algumas características. Esta solução incorpora dois
desafios principais: a) superar as perdas resultantes da penetração em estruturas e; b) cobrir
maiores distâncias com menos exigência de potência nos transmissores e ganhos em antenas,
o que normalmente ocorre em CPEs de ambiente fechado. Estas características podem ser
melhoradas através da otimização de algumas características opcionais do padrão 802.16.
Os problemas resultantes da comunicação sem visada são resolvidos pelo padrão
802.16, utilizando: Multiplexação por divisão ortogonal da freqüência; sub-canalização;
antenas direcionais; variação na transmissão e recebimento; modulação adaptativa; técnicas
de correção de erros e controle de potência.
• Multiplexação por divisão ortogonal de freqüência
Praticamente todos os padrões IEEE para comunicação sem fio utilizam
atualmente a técnica de multiplexação conhecida como OFDM. Apesar de ser uma técnica
que já existe há algum tempo, somente recentemente sua implementação se tornou praticável
por apresentar valores competitivos, uma vez que possibilita transmissões com elevadas taxas
de dados e a maximização da eficiência adaptando-se ao comportamento do canal. Esta
técnica é considerada uma técnica efetiva para transmissão digital sob condições severas em
54
caminhos múltiplos com atenuação. Outra vantagem pode ser adicionada ao esquema de
OFDM incluindo-se um componente de espectro de seqüência direta de propagação no
sistema. Tais características são muito apropriadas aos sistemas móveis, o que faz da OFDM
uma técnica passível de ser bastante utilizada no futuro.
Mesmo nos ambientes tipo indoor, o canal de radio é seriamente afetado pela
distorção do tipo multipath fading9 (atenuação por caminhos múltiplos). Esta é causada por
mudanças no ambiente físico originadas no movimento relativo entre o transmissor, o
receptor e as superfícies de refração/reflexão presentes no espaço circundante. Uma
alternativa robusta frente aos efeitos desta distorção corresponde à utilização da técnica de
multiplexação OFDM.
• Sub-Canalização
A subcanalização no circuito de envio do cliente é outra possibilidade na
arquiteutura WiMAX. Sem a subcanalização, são necessários restrições para o custo efetivo
da CPE. Tipicamente a assimetria do circuito limita a capacidade de tráfego upstream. A
subcanalização faz com que a banda passante seja balanceada equilibrando os circuitos de
envio e recebimento. Ela concentra a capacidade de transmissão numa quantidade menor de
portadoras OFDM, isto aumenta o ganho do sistema e pode ser utilizado para estender o seu
alcance, superando as perdas ocorrentes de penetração em estruturas. Pode também reduzir o
consumo de energia na CPE. O uso de subcanalização será utilizado no futuro com OFDMA
para prover um acesso mais flexível aos recursos que podem, inclusive, suportar operações
móveis.
9 Refere-se à perda de potência do sinal pela decomposição deste ao encontrar-se com obstáculos
no seu caminho.
55
Figura 3.10 - os efeitos da subcanalização (WiMAX FORUM [3] )
Antenas Direcionais
Antenas direcionais aumentam a margem de queda dos sinais incrementando
ganhos, isto melhora a persistência do circuito entre as antenas direcionais e omni-direcionais.
O atraso de propagação é reduzido tanto pelas antenas direcionais quanto nas EB ou nas CPE.
Os testes padrão da antena suprimem todos os sinais enviados por caminhos múltiplos que
chegarem aos lóbulos laterais ou aos lóbulos traseiros. A eficácia deste método foi aprovada e
utilizada com sucesso em instâncias desenvolvidas que operam sob significativa queda de
sinal em ambientes sem linha de visada. (WiMAX FORUM [3])
O sistema de antenas adaptáveis (AAS- Adaptive antenna systems) é uma opção
ao padrão 802.16. sistema conforma o feixe de ondas eletromagnéticas de tal forma que pode
direcionar seu foco em um ou vários sentidos determinados. Isto significa que, ao transmitir, o
sinal pode ser delimitado ao sentido requerido pelo receptor, como um feixe de luz pontual.
Em contrapartida, ao receber, o AAS pode focar apenas no sentido de origem do sinal. Este
sistema tem a capacidade de suprimir a interferência advinda dos co-canais de outras células.
Por isso, o AAS é considerado a tecnologia do futuro para transmissão de sianis. Nele será
possível melhorar a capacidade dos espectros e ainda reutiliza-los em uma rede sem fio.
Variação na transmissão e recebimento
Diversos esquemas de variação são utilizados para avaliar a vantagem dos sinais
de múltiplos caminhos e das reflexões ocorrentes em comunicação sem visada. A variação é
uma característica opcional da teconogia WMAN. Os algoritmos utilizados na tecnologia
oferecem um aumento na disponibilidade do sistema tanto no transmissor quanto no receptor.
O padrão transmite várias opções de codificação de espaço e tempo a serem
utilizadas para transmissão independente da origem, isto reduz a margem de dispersão do
sinal exigida e combate a interferência. Existem várias técnicas disponíveis que, combinadas,
melhoram a disponibilidade do sistema. Por exemplo, na máxima relação combinada há a
56
vantagem de existirem dois canais distintos de recepção para auxiliarem na recuperação do
sinal e reduzirem o caminho de propagação. A Variação mostrou-se como uma ferramenta
efetiva para lidar com as necessidades da propagação sem linha de visada.
Modulação adaptativa
A modulação adaptativa permite que o sistema ajuste o esquema de modulação de
acordo com a relação sinal/ruído (cap 1, item 2.2). Quando o circuito de rádio for de
qualidade elevada, o esquema de modulação de maior rendimento será utilizado, dando ao
sistema maior capacidade. Ao contrário, quando a dispersão do sinal for muito perceptível, o
padrão utiliza um esquema de modulação de menor rendimento que, no entanto, é capaz de
manter a estabilidade e persistência do enlace. Assim, o sistema adapta a modulação do sinal
conforme a qualidade do canal. A principal característica do esquema de modulação
adaptativa é que ela provê uma variação no esquema de modulação. Segundo este sistema
flexível, é possível ter altas taxas de transmissão que, irão diminuir conforme a qualidade do
sinal, ao contrário do que ocorreria num esquema fixo de modulação que teria que ser
projetado para operar no pior caso, portanto com baixa taxa de transmissão. (OLEXA, 2005)
Técnicas de correção de erro
Técnicas de correção de erros foram incorporadas ao sistema para reduzir os
prejuízos resultantees da relação sinal/ruído. Algoritmos são utilizados para detectar e corrigir
erros, melhorando assim o throughput. Técnicas robustas de correção de erros ajudam a
recuperar quadros de dados danificados que podem ter sido perdidos devido a queda de
freqüência ou estouro de tempo de chegada. O pedido de reenvio automático (Automatic
repeat request – ARQ) é usado para corrigir os erros que não puderam ser corrigidos no
recptor. Isto melhora significativamente a taxa transmissão, mantendo-a num nível adequado.
(WiMAX FORUM [3])
Controle de potência
Os algoritmos de controle de potência são utilizados para melhorar o desempenho
do sistema como um todo. Eles são executados a partir da estação base que envia a
informação de controle de força a todos os CPEs para que estes regulem seu nível de
transmissão de sorte que o nível do sinal recebido pela EB esteja em um patamar pré-
determinado. Em ambientes onde varia a intensidade da dispersão do sinal a CPE transmite
apenas o suficiente para ir de encontro ao patamar de intensidade determinado. O inverso
acontece quando a CPE determina o nível de transmissão. Nesta situação as CPEs estão
baseadas no pior caso. O controle de potência reduz o consumo de energia da CPE e, por
conseguinte, a interferência com outras estações base próximas. Para ambientes com linha de
57
visada, a potência requerida é proporcional à distância entre a CPE e a EB, enfatizando que
ambientes sem linha de visada são extremamente dependentes da distância e obstruções.
(WiMAX FORUM [3]).
4.2. A camada de Enlace
Das três subcamadas que compõe a camada de enlace, a primeira, subcamada de
segurança, utiliza criptografia para os dados, assim, apenas a carga útil dos pacotes é
criptografada, mantendo os cabeçalhos não criptografados. Isto é importante do ponto de vista
do gerenciamento das comunicações uma vez que, sendo os cabeçalhos planos, será possível
observar quem está se comunicando, mas sendo os dados criptografados, não será possível
conhecer o conteúdo dos dados transmitidos.
A subcamada MAC do IEEE 802.16 foi projetada para acesso sem fio ponto-a-
ponto-multiponto com banda larga para aplicações que necessitem de elevadas taxas de dados
com qualidade de serviço. Os algoritmos de locação de largura de banda foram projetados
para prover comunicação de centenas de terminais por canal. O Padrão permite que cada canal
de comunicação seja compartilhado por diversos usuários finais, com exigências variáveis de
largura de banda e tempo de latência nos serviços. Isto exige do protocolo que roda na
subcamada MAC flexibilidade eficiente sobre uma vasta escala de tráfego e modelos de
dados diferentes. Este protocolo foi projetado para trabalhar com multiplexação na divisão do
tempo (TDM) e permitir comunicação de voz e dados sobre IP.
A subcamada MAC e dividida em outras duas: a subcamaca de convergência de
serviços específicos e a subcamada da parte comum. A primeira subcamada é utilizada para
mapear o tráfego específico da camada de transporte a um protocolo MAC que seja flexível o
bastante para carregar eficientemente qualquer tipo de tráfego. A parte comum da subcamada
MAC é independente do mecanismo de transporte, ela é responsável pela fragmentação e
segmentação das unidades de dados do serviço MAC (MAC-Service Data Units - SDUs) em
unidades de dados do protocolo MAC (MAC Protocol Data Units - PDUs). Nela também e
feito o controle de qualidade de serviço (QoS) e escalonamento e retransmissão dos MAC-
PDUs.
4.2.1 Protocolo de Acesso ao Meio
58
A camada de controle de acesso ao meio (MAC) do padrão 802.16 utiliza um
protocolo de unidade de dados (PDU – Protocol Data Unit) de tamanho10 variável juntamente
com outros conceitos que melhoram sobremaneira a eficiência do padrão. Na camada MAC,
várias unidades de PDU podem ser concatenadas para economizar a banda passante na
camada física. Além disso, várias unidades de dados de serviços (SDU ), desde que sejam do
mesmo serviço, devido a qualidade de serviço, podem ser concatenadas em um único PDU
economizando assim, espaço que seria necessário para cabeçalhos do protocolo da camada
MAC. A fragmentação variável permite que SDUs muito extensas sejam divididas em partes
para garantir a qualidade de serviço. Além disso, a diminuição da quantidade de cabeçalhos
emitidos implica em uma redução da carga efetiva de tráfego, o que culmina com a economia
da banda pela supressão de cabeçalhos de SDUs redundantes.
A camada MAC utiliza um algoritmo conhecido como Múltiplos acessos
atribuídos sob demanda/ Divisão do tempo para acessos múltiplos ( DAMA/ TDMA
-Demand Assigned Multiple Access /Time Division Multiple Access) de auto-correção de
largura de banda para solicitações/concessões que elimina as verificações periódicas
utilizadas no protocolo CSMA/CA que é protocolo de acesso ao meio do padrão 802.11.
O DAMA adapta-se para corresponder às necessidades de demanda variável dos
clientes. Com este protocolo, a atribuição dos slots de tempo aos canais varia dinamicamente
com base na necessidade dos clientes. Para transmissões da estação-base aos assinantes, o
padrão especifica dois modelos de operação: Um que tem o objetivo de suportar transmissão
contínua (modo A) tal como áudio ou vídeo, e outro especificado para picos de transmissão
(modo B) como serviço de e-mail, transferência de arquivos, ou consultas a bancos on-line,
todos baseados em IP. Os clientes têm várias opções disponíveis para solicitação de largura de
banda dependendo da qualidade de serviço requerida pela aplicação e dos parâmetros do
tráfego para o serviço em questão. Os usuários podem receber classes de serviço em grupos
ou individualmente, podendo indicar sua necessidade de largura de banda para o serviço que
estão utilizando no momento.
TDMA é uma técnica que divide o tempo de um canal de dados em uma
sequência de quadros, cada quadro consiste em determinada quantidade de slots. Há a
alocação de um ou mais slots por quadro para criar um canal lógico.
4.2.2. Estabelecendo Conexões no 802.16
10 Refere-se aos tamanhos dos pacotes que transmite os dados incluindo o cabeçalho da mensagem
59
A conexão de um cliente à estação-base, dá-se da seguinte forma: existe um
processo de autenticação mútua com criptografia que usa, para tanto, certificados de chave
pública. Durante as comunicações, somente as cargas úteis (os dados propriamente ditos) são
criptografadas com a utilização de um sistema de chave simétrica.
Os quadros MAC ocupam um número inteiro de slots de tempo da camada física.
Tais quadros são formados por subquadros, sendo que os dois primeiros subquadros são os
mapas de downstream e upstream que informam o que está contido nos slots de tempo, desta
forma, é possível saber quais slots de tempo estão livres para então utilizá-los.
O canal de downstream é bastante direto e contém em seu mapa vários parâmetros
do sistema que são passados às estações quando estas se conectam à rede. Neste canal, a
estação-base simplesmente decide o que inserir em cada subquadro. No canal de upstream
existem assinantes concorrentes não coordenados que precisam de acesso à rede, o que o torna
mais complexo. A alocação do canal de upstream está relacionada à qualidade de serviço
suportada pelo padrão 802.16.
Para que uma estação cliente conecte-se à rede, é executada a seguinte seqüência
de passos:
• A estação cliente busca um sinal transmitido pela estação base que serve para
estabelecer os parâmetros do canal de comunicação.
• A área de cobertura do sinal permite que a estação cliente configure corretamente
os parâmetros da camada física, para então estabelecer um canal de “gerenciamento
primário” com a estação base. Este canal é usado para a negociação das capacidades,
tais como: número máximo de estações clientes e carga, além de parâmetros de
autorização e gerenciamento de chaves;
• O protocolo de gerenciamento de chave de privacidade (PKM – Privacy Key
Management) autoriza a estação cliente a conectar-se com a estação base;
• A estação cliente efetua seu registro enviando mensagens de requisição para a
estação base. A resposta da estação base envia um ID da conexão associado a uma
conexão de gerenciamento; e
• Tanto a estação cliente quanto a estação base criam conexões de transporte
dinâmicas usando uma requisição MAC_create_connection, o que indica que a
criptografia no nível MAC está sendo requisitada.
60
Uma vez completada essa seqüência de passos, a estação cliente está apta a
comunicar-se com outra estação cliente ligada direta, ou indiretamente com a estação base a
qual está conectada.
5 QUALIDADE DE SERVIÇO NO IEEE 802.16
No padrão 802.16, todo serviço é orientado à conexão. Assim, cada uma das
conexões recebe uma das quatro classes de serviço: Serviço de taxa de bits constante; Serviço
de taxa de bits de tempo real; Serviço de taxa de bits variável de tempo não-real; Serviço de
melhor esforço. A classe de serviço é determinada no momento em que é estabelecido o canal
de comunicação.
Cada uma das classes de serviço disponível tem uma finalidade específica, a
saber:
• Serviço de taxa de bits constante
Destina-se à transmissão de voz não-compactada. Neste serviço é necessário o
envio de quantidades de dados pré-determinadas em intervalos de tempo pré-determinados.
Para tanto são reservados slots de tempo no momento em que uma conexão dessa classe é
estabelecida, assim, os slots de tempo ficam à disposição e são utilizados quando necessários,
não havendo necessidade de solicitação no momento da transmissão.
• Serviço de taxa de bits variável de tempo real
É utilizado para transmissão multimídia compactada ou outras aplicações de
tempo real onde a largura de banda necessária a cada instante seja passiva de variação. Os
slots de tempo são determinados fazendo-se a estação-base consultar o assinante para
determinar a largura de banda necessária a cada instante.
• Serviço de taxa de bits variável de tempo não-real
Elaborado para transmissões pesadas onde taxa constante não é fator
determinante da qualidade do serviço, tal como transferências de grandes arquivos. Para
prover este serviço, a estação-base consulta o assinante com freqüência, entretanto não efetua
o polling a intervalos de tempo prescritos com rigidez. Um cliente que esteja utilizando uma
taxa de bits constante pode definir um bit em um de seus quadros solicitando uma consulta
para transmitir tráfego adicional (de taxa de bits variável). Se não houver resposta de uma
estação a uma consulta solicitada n vezes seguidas, a estação-base a colocará em um grupo de
multidifusão, retirando-a do polling pessoal. Em vez disso, quando o grupo de multidifusão
61
for consultado, qualquer das estações que ele contém poderá responder, disputando o serviço.
Desse modo, estações com tráfego não irão desperdiçar valiosos períodos de polling.
• Serviço de melhor esforço
Aplicável a todos os outros casos. Nenhum polling é feito, assim o assinante deve
disputar a largura de banda com outros assinantes do serviço de melhor esforço. As
solicitações de largura de banda são feitas nos slots de tempo marcados como disponíveis para
disputa no mapa upstream. Caso uma solicitação seja bem sucedida, seu sucesso será notado
no próximo mapa downstream. Se não houver sucesso, os assinantes mau sucedidos terão de
tentar de novo mais tarde. Para minimizar colisões, é usado o algoritmo de recuo binário
exponencial da Ethernet. O padrão define duas formas de alocação de largura de banda: por
estação e por conexão. No primeiro caso, a estação do assinante agrega as necessidades de
todos os usuários do cliente e faz solicitações coletivas por eles. Quando a largura de banda é
concedida, a estação reparte essa largura de banda entre seus usuários, conforme seus
critérios. No segundo caso, a estação-base administra diretamente cada conexão.
6 ARQUITETURA DE SEGURANÇA
O WiMAX é um padrão que objetiva conexões rápidas a longas distâncias. Neste
contexto, a captação do sinal por usuários não autorizados, é uma realidade pertinente que
deve ser prevenida. Para garantir a usabilidade das soluções baseadas no protocolo 802.16, a
primeira subcamada (mais baixa) da camada de controle de acesso ao meio (MAC)
implementa a segurança no protocolo IEEE 802.16, com o objetivo principal de controle de
acesso e confidencialidade do enlace de dados. Para tanto, são utilizados cinco componentes:
Associações de segurança, certificação X509, autorização PKM (Privacy Key Management),
gerenciamento de chave de privacidade e criptografia.
6.1 Associações de Segurança
As associações de segurança explicitamente definidas pelo padrão controlam o
estado relevante à conexção, mantendo seguras as conexões de transporte entre uma EB, e
uma ou mais estações cliente. As associações são formadas por:
• Um identificador de 16 bits;
• Criptografia simétrica para salvaguardar os dados trocados nas sessões;
62
• Duas chaves de criptografia, uma operacional corrente, e outra utilizada quando
expira a chave corrente
• Dois identificadores de chave: um para cada chave de criptografia
• Um valor de tempo de vida (TTL – time to live) para a chave corrente;
• Um vetor de inicialização; e,
• Uma indicação do tipo de associação definida, que pode ser: primária, quando é
estabelecida durante a inicialização do enlace ou estática quando configurada pela
estação base ou ainda dinâmica, cuja necessidade está nas conexões de transporte que
são estabelecidas sob demanda.
Para que uma conexão de transporte torne-se segura são tomados os seguintes
passos: A estação cliente inicia uma associação de segurança usando uma requisição
(create_connection), como é necessário o suporte a multicast, o padrão garante o
compartilhamento de muitos IDs por uma associação. Quando entra na rede, o IEEE 802.16
cria, automaticamente, uma associação de segurança para o canal de gerenciamento
secundário. Uma estação cliente fixa possui, normalmente, duas ou três associações de
segurança, uma responsável pelo gerenciamento do canal secundário e outras para as
conexões de transporte tanto de recepção quanto de envio. O processo de associação de
segurança na autorização consiste de um certificado padrão X.509 que deve identificar a
estação cliente e de uma chave de autorização compartilhada entre duas estações. É a partir
deste processo de autorização que a estação base consegue permissão de configurar dados nas
estações cliente, por exemplo, quando precisa configurar dados de associações de segurança.
6.2 Certificação X.509
O WiMAX suporta autenticação com certificados X.509, cuja recomendação do
ITU-T descreve dois níveis de autenticação: Uma simples, utilizando senha para verificação
de uma identidade; e outra forte, envolvendo credenciais consolidadas por técnicas
criptográficas. Este segundo nível define uma estrutura para o fornecimento de serviços de
autenticação controlado por um paradigma central representado por um diretório.
Certificados X.509 identificam as partes em uma comunicação com os seguintes
campos: certificado X.509 versão 3; número serial; algoritmo de assinatura do emissor –
criptografia de chave pública: RSA (Rivest and Shamir Algorithm) com hashing SHA1
(Secure Hash Algorithm); emissor do certificado; período de validade; identificação do dono
63
do certificado; chave pública do certificado; algoritmo de assinatura usada pelo dono do
certificado e assinatura do emissor.
O padrão IEEE 802.16 não especifica extensões ao certificado X.509, mas define
dois tipos de certificados: o certificado do fabricante e o certificado da estação cliente, não
definindo o certificado da estação-base
O certificado do fabricante identifica o fabricante do dispositivo 802.16. Pode ser
um certificado auto-assinado ou emitido por uma terceira parte. Um certificado da estação
cliente identifica uma estação cliente em particular e inclui o seu endereço MAC no campo de
identificação do dono do certificado. Normalmente, os fabricantes emitem e assinam os
certificados das estações cliente. A estação-base usa tipicamente a chave pública do
certificado do fabricante para verificar o certificado da estação cliente e identificar
originalidade do dispositivo. Esta abordagem assume que a chave privada da estação cliente,
originária de sua chave pública, está armazenada de forma protegida, prevenindo que
atacantes comprometam-na.
O X.509 reconhece três entidades para procedimentos de certificação. O CA,
nome genérico de qualquer entidade que controla serviços de autenticação e que administra
certificados, o assinante, entidade que fornece as informações que devem constar em seu
próprio certificado assinado por uma CA e o usuário, qualquer entidade que utiliza os
certificados emitidos por um CA para obter informações de um assinante. Em outras palavras,
o diretório é implementado por uma Autoridade Certificadora (CA) que emite certificados
para que assinantes (clientes da CA) possam ser verificados por usuários (público em geral).
6.3 Autorização PKM (Privacy and Key Management)
O protocolo de autorização PKM distribui um token de autorização a uma estação
cliente da rede. Este protocolo de autorização consiste de três mensagens trocadas entre a
estação cliente e a estação base:
A estação cliente inicia o protocolo, enviando a primeira mensagem (1) para a
estação base, fornecendo o certificado do fabricante do seu dispositivo. A estação base, por
sua vez, utiliza os dados desta mensagem para reconhecer o fabricante da estação cliente; se a
estação base ignorar a mensagem recebida e não enviar a resposta, significa que sua política
de segurança não permite acesso para aquela estação cliente. Imediatamente após a mensagem
(1), a estação cliente envia a mensagem (2) composta de seu certificado X.509, que a
identifica. Se a estação base verificar e reconhecer o certificado da estação cliente, então esta
64
é autorizada e a estação base responde com a mensagem (3), autorizando a estação cliente a
conectar-se ao sistema.
6.4 Gerenciamento de Chave de Privacidade
O Gerenciamento de chave de privacidade ocorre em uma instância do protocolo
PKM onde é estabelecida uma associação de segurança de dados entre estação-base e estação
cliente. Da mesma forma que o PKM, este protocolo, também, consiste de três mensagens
trocadas entre a estação cliente e a estação base. A estação base utiliza a mensagem (1), que é
opcional, para forçar um rechaveamento ou criar uma nova associação de segurança. Por
outro lado, a estação cliente inicia o protocolo enviando uma segunda mensagem e a estação
base responde com a terceira mensagem. A segunda mensagem é usada para requisitar os
parâmetros da associação de segurança e a estação base por sua vez, responde e configura a
associação de segurança usando a mensagem 3.
6.5. Confidencialidade e Integridade
O padrão inicial do 802.16 define criptografia com DES-CBC (Data Encryption
Standard – Cipher Block Chaining), com ganchos para uso de criptografias mais robustas
como AES (Advanced Encryption Standard), sobre o campo de payload. Isso garante a
confidencialidade dos dados trafegados na rede.
O DES possui o algoritmo de encriptação de dados mais utilizado no mundo. Este
algoritmo continua em larga utilização em governos e instituições financeira, agora numa
versão denominada "triple-DES".
O padrão 802.16 não provê autenticidade dos dados. No entanto, implementações
atuais do WiMAX requerem que todo o tráfego sejar criptografado com CCMP (Counter
Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol –AES-CCM). O
CCMP usa AES para prover confidencialidade (criptografia) bem como integridade
(autenticação) dos dados. E desta forma, para autenticação fim-a-fim o WiMAX utiliza o
PKM-EAP (Extensible Authentication Protocol), o qual confia no padrão TLS (Transport
Layer Security) usando criptografia de chave pública.
65
6.6 Ameaças e Vulnerabilidades
As ameaças previstas no padrão são identificadas tanto na camada física quanto na
sub-camada de controle de acesso ao meio (MAC). As ameaças comuns na camada física
podem ser advindas de:
• Ataques de tortura de água - “water torture”: neste tipo, o atacante envia uma série
de quadros a qualquer estação da rede a fim de descarregar sua bateria;
• Jamming: é uma forma de ataque de DoS (Denial of Service) e ocorre quando um
atacante deliberadamente emite sinal com o objetivo de criar congestionamento para
os sinais legítimos.
A inclusão de mobilidade no padrão através do IEEE 802.16e traz facilidades para
um possível invasor, uma vez que sua localização não se configura mais como um fator
limitante, já que o padrão 802.16e suporta conexões móveis e sem linha de visada. Desta
forma os sinais de rádio, poderão ser interceptados por um atacante posicionado
apropriadamente.Para evitar isto, o padrão define o uso de mecanismo de confidencialidade.
Uma outra ameaça importante consiste na fabricação de dados ou modificação dos
dados enviados no meio. Como o padrão 802.16 não define mecanismos para garantir a
autenticidade e integridade da informação que trafega. É possível, a um atacante, reenviar
dados antigos, pois o padrão, também, não contempla um mecanismo de atualidade
(freshness) dos dados que trafegam no ambiente de rede.
Uma outra falha importante do protocolo é a inexistência de autenticação mútua
entres as partes em uma comunicação. Como pode ser observado anteriormente, somente a
estação cliente possui certificados que a identificam, enquanto a estação base não possui
qualquer tipo de certificação. Um modo de proteger uma estação cliente de não se comunicar
com estações-base falsas é através do processo de autenticação mútua.
Outras vulnerabilidades estão na autorização, gerenciamento de chave e proteção
de dados. Quanto a vulnerabilidades na autorização, a associação de segurança na autorização
é considerada fraca, pois o protocolo PKM, que gerencia a autorização, possui
vulnerabilidades. Como não há autenticação mútua, uma estação cliente não tem como
verificar se as mensagens recebidas do protocolo de autorização foram realmente enviadas
pela estação-base autorizada. Assim, qualquer estação-base falsa (rougue) pode criar uma
resposta para a estação cliente. E uma vez que a estação-base participa do processo de geração
66
de chave secreta para criptografia dos dados trocados, o sistema como um todo fica
comprometido.
O padrão IEEE 802.16 possui diversas falhas de segurança. Muitas destas
vulnerabilidades existem devido a especificações iniciais do padrão 802.16, que são
erradicadas através das definições de novos sub-padrões e das novas implementações
previstas.
7 FREQÜÊNCIAS DE USO EM WiMAX
O protocolo IEEE 802.16 define, considerando todos os padrões, a faixa de
freqüências de 2 a 66 GHz. As soluções que realmente devem conquistar o mercado são as
baseadas no 802.16-2004 e 802.16e, operando em faixas licenciadas e não licenciadas, entre 2
e 11 GHz. Contudo os equipamentos WiMAX na prática devem operar nas bandas de 2,5 e
3,5 GHz, onde os desenvolvedores estão de fato concentrando seus esforços. A freqüência de
10,5 GHz, apesar de estar definida não deve ser utilizada em WiMAX padrões, mas poderá
ser utilizada em soluções proprietárias para acesso a banda larga sem fio.
A proposta dos fabricantes é padronizar as faixas de freqüências dos
equipamentos, provendo assim interoperabilidade. Contudo, como as regulamentações sobre o
uso de freqüências variam de acordo com o país, de forma que mesmo em países onde a
divisão das freqüências é similar, há variações nas aplicações a que elas se destinam, o que
torna a padronização de freqüência um empecilho para disseminação do WiMAX. Assim
sendo, a dificuldade de padronização não está nas freqüências em si, mas sim na
regulamentação dos espectros dentro de uma nação.
Segundo PRADO [5], o WiMAX Vai operar em duas situações distintas: Uma
utilizando a banda licenciada e outra utilizando a banda não licenciada. A tendência no uso
das freqüências licenciadas no mundo, exceto EUA está na faixa de 2,5 e 3,5 GHz, enquanto
que as freqüências de 2,5 a 2,7 GHz, devem ser a faixa licenciada a operar nos EUA. A
freqüência de 5,8 GHz deve ser a banda não licenciada no mundo todo.
Deve-se entender por freqüências licenciadas, aquelas que são controladas por um
órgão regulador dentro de um país (no caso do Brasil, a ANATEL) Para os equipamentos que
funcionam na faixa licenciada faz-se necessário registro no órgão regulador, bem como o
atendimento a regras de irradiação como, máxima potência, ruído, etc.
As freqüências não licenciadas ou livres não necessitam de registro algum para
funcionar, porém são mais limitadas que as anteriores. Obviamente que como as regras de
67
divisão dos espectros variam em cada país, a faixa de freqüências livres e licenciadas é
diferente, o que remonta na dificuldade supra.
Tradicionalmente existe uma grande massa de usuários que definem o espectro
não licenciado como não confiável, uma vez que se utilizam equipamentos sem registro
algum, conseqüentemente o espectro não licenciado não deveria ser utilizado, tornando as
faixas de freqüências licenciadas as preferidas. Com a ascensão da tecnologia de banda larga
sem fio implementando criptografia na camada de enlace, esse conceito começa a mudar,
provocando desta maneira um grande crescimento na utilização do espectro não licenciado.
Segundo PRADO [5], “Todos os países hoje enfrentam problemas de alocação de
espectro com serviços não nobres ocupando muita banda”. Também segundo o autor, é
necessário um processo de reengenhearia para alocação dos espectros de maneira mais
racional. Processo este que já está ocorrendo de maneira paulatina em todo o mundo.
7.1 Freqüências de Uso no Brasil
No Brasil, a ANATEL tem trabalhado intensamente na regulamentação das
freqüências para uso em transmissão de dados sem fio como WiMAX e Wi-Fi. Em um leilão
ocorrido em 2003, a ANATEL vendeu os direitos de uso das freqüências a serem utilizadas
por redes de banda larga sem fio aos seguintes grupos ou empresas: EMBRATEL,
DirectNET, Grupo Editorial Sinos, Inforwave, Universal Telecom, Vant e WKVE.
Os pontos mais importantes da divisão destas freqüências são:
• A EMBRATEL ficou com a freqüência licenciada de 3,5GHz no Brasil inteiro;
• A Brasil Telecom ficou com o uso destas freqüências nas capitais dos estados
Ceará, Pernambuco, Bahia, Minas Gerais, Rio de Janeiro, São Paulo, Paraná e Rio
Grande do Sul e em mais 04 localidades.
• Outras empresas também garantiram faixas de 3,5Ghz para atuarem em regiões
específicas
• A licença para operar na freqüência dos 10,5GHz também foi leiloada, e adquirida
por algumas empresas em regiões específicas
8. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO PADRÃO 802.16
68
As mudanças introduzidas no 802.16-2004 (que inclui o que já existia nas versões
anteriores: 802.16-2001, 802.16c-2002 e 02.16a em 2003) são focadas em aplicações para
acesso fixo e nomâdico no intervalo de freqüências de 2-11 GHz, com ou sem linha de visada.
Para atender a estes requisitos, duas técnicas de modulação de multi-portadoras são
suportadas: OFDM com 256 portadoras e OFDMA com 2048 portadoras. Estas mudanças
propostas no padrão aplicam-se somente às camadas física e MAC, mantendo constante o
restante da pilha 802.16.
Uma das principais características do padrão IEEE 802.16 é a entrega até a última
milha. O IEEE 802.16-2004 melhora a entrega até a última milha em vários aspectos:
• Interferência Multi-caminhos
• Atraso de propagação
• Robustez
A interferência multi-caminho e o atraso de propagação melhoram o desempenho
nos casos onde não há linha de visada direta entre a estação base e a estação do cliente. No
padrão 802.16-2004 o Controle de Acesso Ao meio – MAC é otimizado para ligações de
longa distância porque foi projetado para tolerar longos atrasos com variações .
A especificação 802.16 inclui gerenciamento de mensagens do controle de acesso
ao meio que permitem a EB solicitar retransmissão da estação do cliente, para tanto há um
limite no tempo de atraso.
Os Equipamentos deste padrão que operam em faixas de freqüência não
licenciadas utilizam a duplexação por divisão de tempo (TDD - time-division duplexing). Os
equipamentos que operam em faixas licenciadas, utilizam a duplexação por divisão de
freqüência (FDD - frequency-division duplexing).
O IEEE 802.16 utiliza OFDM para otimização do serviço de transmissão de dados
sem fio. Sistemas baseados neste padrão são os únicos a utilizar OFDM para plataformas de
redes metropolitanas sem fio.
No caso do 802.16, o sinal de OFDM é dividido em 256 portadoras ao invés das
64 portadoras no padrão 802.11. O maior número de subcanais na mesma faixa, implica em
subcanais mais estreitos o que equivale a períodos maiores de sinalização. A mesma
percentagem de tempo de espera ou prefixo cíclico (CP - cyclic prefix) fornece maiores
valores absolutos de tempo para maiores atrasos de propagação e imunidade multi-caminhos.
69
Por exemplo, para uma largura de banda de 20 MHz, entre o 802.11 e o 802.16 no
¼ prefixo cíclico seria um fator de 4, por conta da relação 256/64. Em OFDMA que tem o
tamanho de 2048 FFT a relação é de 32. (INTEL, ).
A camada física para o 802.16 foi projetada para tolerar atrasos de propagação.
Enquanto o 802.11 consegue tolerar um atraso de 900 nanosegundos, o 802.16 tem um atraso
de até 10 microsegundos, mais de 1000 vezes o padrão de redes locais sem fio. Isto porque o
padrão LAN sem fio foi projetado para um alcance máximo de 100 metros, portanto, muito
menor que o padrão para redes metropolitanas.
O protocolo de acesso ao meio do 802.16-2004, confia no pedido de concessão ,
ao contrário do protocolo do padrão 802.11que não permite colisões dos dados. Como
conseqüência o 802.11 não utiliza a largura de banda disponível eficiententemente. Nenhuma
colisão não significa que não há nenhuma perda por retransmissão de dados. No 802.16, toda
comunicação é coordenada pela estação base. Outras características deste padrão são:
a)Melhor conectividade: O 802.16-2004 suporta mais usuários conectados em
virtude das suas larguras de banda flexíveis e modulação adaptativa.
Como o 802.16 utiliza canais mais estreitos que os 20 MHz fixos utilizados pelo
padrão 802.11, o padrão para redes metropolitanas pode atender assinantes com baixa taxa de
transferência de dados sem desperdiçar largura de banda. Quando ocorrem interferências ou
ruídos nos canais de transmissão dos usuários, o esquema de modulação adaptável os mantém
conectados mesmo com taxas menores, não permitindo queda na conexão.
b) Melhor qualidade de serviço: Este padrão permite que WISPs (Wireless
Internet Service Provider – Provedor de serviços Internet sem fio) assegurem a qualidade de
serviço para seus clientes que solicitam diferentes níveis de serviço mantendo, por exemplo
baixo tempo de latência para voz e vídeo, alta taxa de transmissão para clientes de negócios e
serviço de melhor esforço para usuários residenciais.
c) Suporte total para serviço WMAN: Em sua concepção, o padrão 802.16-2004
foi projetado para fornecer serviço de WMAN, portanto pode suportar mais usuários a mais
elevadas taxas de dados por maiores distâncias que as implementações baseadas no padrão
802.11g.
d) Operação de classe de portadora robusta: Este padrão foi projetada para
operação de classe de portadora. Quanto mais usuários compartilham a banda passante, mais
diminui seu throughput individual linear. Esta diminuição, entretanto, é muito menos
70
dramática que a experimentada no 802.11. A esta potencialidade chama-se “aceso múltiplo
eficiente”
e) Largura de banda flexível: Quando a distância entre o assinante e a EB aumenta
ou quando o assinante é móvel, existem mais empecilhos para que este assinante transmita
corretamente. Para plataformas sensíveis como notebooks ou handhelds, frequentemente não
é possível transmitir a longas distâncias da EB se a banda passante do canal for larga. No
padrão 802.11, a banda passante do canal é fixa em 20 MHz. Ao contrário, em aplicações
moderadas na terceira geração, a banda é limitada em aproximadamente 1,5 MHz para
fornecer um intervalo maior.
Os Padrões IEEE 802.16 -2004 e IEEE 802.16e têm as larguras de banda dos
canais variando entre 1,5 e 20 MHz para facilitar a transmissão sobre longas distâncias à
diferentes tipos de clientes e plataformas. Além desta flexibilidade, a largura de banda do
canal também é crucial para a equalização (planificação) da célula, especialmente no espectro
licenciado. Por exemplo, um operador com 14 MHz de espectro disponível pode dividir esse
espectro em 4 setores de 3,5 MHz, formando assim múltiplos setores (pares
transmissão/recepção) em uma única estação base.
Com antenas dedicadas, cada setor terá potencial de alcançar usuários a maiores
distâncias com maior throughput que uma antena omnidirecional11. Um canal flexível rede-a-
rede é imperativo para a planificação da célula.
A variação proposta pelo 802.16e, para proporcionar acesso portável e móvel
utilizando freqüências abaixo de 6 GHz, também para acesso com ou sem linha de visada,
utiliza a modulação SOFDMA, que é uma especialização da OFDMA com a possibilidade de
um número variável de portadoras. A Alocação da portadora no modo SOFDMA, é utilizada
para minimizar o efeito da interferência nos dispositivos de usuários com antenas
omnidirecionais. Esta característica importantíssima para garantir o serviço de usuários
móveis.
Segundo o fórum WiMAX (www.wimaxforum.org), futuramente o IEEE 802.16e
oferecerá suporte melhorado para antenas MIMO (Multiple Input multiple output) e sistema
de antenas adaptáveis (AAS - Adaptative Antenna Systems) assim como hardware e software
para prover handoff. Tanto o AAS como o MIMO, fornecerão substancial incremento de
througput e de capacidade NLOS, que também são características indispensáveis para o
funcionamento de usuários móveis, uma vez que não é previsível o local onde determinado
usuário irá realizar sua conexão com o sistema.
11 Que se propaga em todas ou que capta sons de todas as direções
71
Entretanto, mesmo com os padrões 802.16-2004 e 802.16e mantendo definições
das especificações anteriores, ambos não são compatíveis entre si, porque utilizam duas
técnicas distintas de modulação. Como resultado, uma CPE que utiliza OFDM não trabalha
em redes com SOFDMA e inversamente, uma CPE que trabalha com SOFDMA não irá
trabalhar em uma rede com modulação OFDM, o que pode ser caracterizado como uma
desvantagem para futuros usuários da tecnologia.
Portanto, um projeto que utilize a tecnologia WiMAX, deve ter sua especificação
cuidadosamente planejada para determinar qual das duas versões será aplicável na situação
em questão, garantindo desta forma que não hajam incompatibilidades na comunicação dos
sistemas no futuro.
9 DIFERENÇAS ENTRE 802.11 E 802.16
Até o momento, o desenvolvimento de soluções com tecnologia sem fio para
comunicação de dados está mais avançado no padrão para redes locais WLAN, que é
suportado pelo protocolo IEEE 802.11 apresentado três revisões significativas:
• 802.11a que suporta larguras de banda com velocidades de até 54 Mbps, com
multiplexação OFDM operando a freqüência de 5 GHz.
• 802.11b que suporta larguras de banda com velocidades de até 11 Mbps, com
multiplexação DSSS e freqüência de 2.4GHz.
• 802.11g que suporta larguras de banda com velocidades de até 54 Mbps a
freqüências de 2.4 GHz e multiplexação OFDM.
As definições técnicas do padrão 802.11 o direcionam para a utilização em redes
locais, com alcance previsto para cerca de 100 m e normalmente em aplicações indoor.
Tecnicamente, cada padrão deveria corresponder a um alcance, entretanto na prática existem
sobreposições de padrões. Por exemplo: o UWB suporta altas taxas de transferência e pode
permitir que um usuário com esta tecnologia, transporte arquivos mais rapidamente do que
utilizando as tecnologias Wi-Fi e WiMAX.
No caso das tecnologias Wi-MAX e Wi-Fi, na prática, a linha que as separa é
muito tênue, apesar destas tecnologias serem extremamente diferentes. Pois já é possível
WISPs utilizando soluções Wi-Fi com antenas direcionais ou utilizando topologias Wi-Fi
mesh transmitirem à velocidade de 54 Mbps por um raio de até 10 Km (INTEL [1]) o que
sobrepõe as especificações do padrão 802.16.
72
9.1 Antenas Utilizadas em Wi-Fi
Com a intenção de incrementar o alcance das redes WLANs baseadas em Wi-Fi,
são utilizados, basicamente, dois tipos de antenas, conforme a necessidade do ambiente
desenvolvido.
Antenas direcionais transmitem e recebem energia de RF mais em uma direção do
que em outras. O modelo desta radiação é similar a um feixe de luz produzido por um ponto, e
tipicamente apresentam ganhos muito maiores que antenas omni-direcionais. Ao se estreitar o
feixe de antenas direcionais, estas torna-se-ão antenas de alto desempenho, porque o sinal
recebido estará mais concentrado.Antenas de alto desempenho são utilizadas para cobertura
em longa distância com visada, ou para suportar enlaces ponto-a-ponto entre edifícios. Em
alguns casos antenas direcionais podem reduzir o número de pontos de acessos necessários.
Antenas omnidirecionais são mais utilizadas para comunicações LOS com
estações móveis em todas as direções porque antenas direcionais propagam sinais de RF de
maneira igualitária no plano horizontal. Porém estas antenas apresentam limites no plano
vertical. Antenas ominidirecionais são normalmente utilizadas em WLANs tradicionais e
Redes em mesh.
Figura 3.11 – Antenas direcionais para levar o alcance até a última milha em redes Wi-FI ponto a ponto (INTEL [1])
Uma infra-estrutura Wi-Fi é formada com uma coleção de nós base 802.11a, b ou
g interconectados. O padrão 802.11a é mais comumente utilizado em links ponto-a-ponto,
porém, alcances maiores para redes Wi-Fi são obtidos utilizando-se a topologia em mesh (cap
Internet
Ethernet (802.3)
Wi-Fi
(802.11)
Ethernet
Estação do usuário com antena de alto ganho
Wi-Fi
Estação base Wi-Fi
Internet
Ethernet (802.3)
Wi-Fi
(802.11)
Ethernet
Estação do usuário com antena de alto ganho
Estação base Wi-Fi
Protocolo inter pontos de acesso
Premissa do usuário
73
3 item 2) (figura 3.12) cuja estutura pode ser formada utilizando-se as versões “b” e “g” do
protocolo 802.11.
Figura 3.12 – Aumento do alcance de rede Wi-Fi utilizando topologia em mesh (INTEL [1])
Uma arquitetura “multi-hop” provê uma estrutura flexível para transmissão dos
dados entre os nodos de maneira eficiente, provendo ainda uma série de vantagens sobre
implementações com linha de visada direta, entre as quais estão:
• Baixo custo inicial: o baixo custo ocorre porque normalmente os clientes (como
um laptop, por exemplo) já trazem alguns dispositivos Wi-Fi.
• Tráfego balanceado: através da disponibilidade de uma grande quantidade de
nodos ao longo da malha.
• Mobilidade: já que os clientes podem conectar-se a qualquer estação base
disponível na malha.
• Disponibilidade e Robustez: mesmo quando uma estação base está fora do ar, o
cliente pode ser atendido por outra estação base adjacente. Isto torna o sistema de
comunicação tolerante à falhas.
• Resiliência: como o sinal é regenerado a cada retransmissão pelos nós da malha, é
possível comunicar-se por longas distâncias mesmo com sinais emitidos a baixa
potência;
• Reuso do espectro: não há interferência entre os canais das células, assim o
espectro pode ser reutilizado adotando-se o sistema de co-canais, o que “economiza”
faixas de freqüências.
Por outro lado, a aplicação das redes mesh para o padrão 802.11, trás algumas
limitações, tais como:
• Uma grande quantidade de estações base é necessária para cobrir longas áreas
• Como a banda é compartilhada entre todos os usuários, quanto mais usuários,
menor será velocidade de cada um deles.
• Latência causada pela grande quantidade de saltos entre as estações base.
• Somente implementações proprietárias comtemplam esta solução, o que torna
o usuário dependente de um desenvolvedor. A topologia em mesh Wi-Fi padronizada não
estará disponível ainda no padrão 802.11s.
74
• A qualidade de serviço (QoS) também não está disponível em nenhuma
implementação do padrão, o que torna qualquer tipo de aplicação concorrente com todas as
outras aplicações na rede.
Porém, o alcance não se constitui no único elemento determinante da classificação
de um padrão. Diversas outras variáveis como a distância entre os pontos de acesso, a
quantidade de usuários, protocolos de acesso ao meio e segurança implementada são também
parâmetros norteadores da classificação de uma solução.
Hoje, a popularidade, o custo-benefício e o throughput associados às redes Wi-Fi
tem causado nesta tecnologia um crescimento no desenvolvimento, uso e adoção. Fazendo
dela mais uma opção disponível para acesso até a última milha. Os WISPs estão levando o
Wi-Fi ao seu limite, tentando cobrir alcances de MANs, não esquecendo que circuitos
utilizando esta tecnologia não podem garantir a resiliência do sinal e nem tampouco a
segurança exigida para comunicações sem fio a longas distâncias. Algumas das características
que apontam o padrão 802.16 como não adequado para redes metropolitanas são mostradas na
tabela3.1.
802.11 802.16
Alcance Otimizado para usuários num raio de até 100 mAdiciona pontos de acesso ou antenas elevadas para ganho de cobertura
Otimizado para células típicas de 7a 10 Km Alcance de até 50 Km
Tipo de Cobertura
Otimizada para ambientes indoor
Otimizada para ambientes outdoorPadrão suporta técnicas de antenas avançadas e mesh
Escalabilidade Canal de largura de banda fixo de 20 MHz
Canal flexível de 1,5 a 20 MHz para faixas licenciadas e não licenciadasReutilização de freqüênciasHabilita planificação de célula para provedores de serviços comerciais
Taxa de Dados 2,7 bps/Hz com taxa de dados de até 54 Mbps em um canal de 20 MHz
3,8 bps/Hz até 75 Mbps em 20 MHz
Qualidade de serviço
Não suportada Qos planejada para voz/ vídeo e serviços diferenciados
Tabela 3.1 – Diferenças entre os padrões IEEE 802.11 e IEEE 802.16
As Redes Wi-Fi tem atendido a demanda gerada para comunicação até a última
milha em redes metropolitanas sem fio. Entretanto com a proliferação das WMANs, os
75
sistemas baseados no protocolo 802.11 não devem suportar as exigências de comunicação
para sistemas metropolitanos.
Depois da aprovação do padrão 802.16e, os analistas mais otimistas prevêem o
lançamento dos primeiros equipamentos padrão WiMAX já para o final de 2006. A
expectativa gerada sobre a relação entre WiMAX e Wi-Fi, para que ambas competissem pelo
mesmo mercado não é real, uma vez que ambas por definição devem atuar em nichos
diferentes sendo, portanto, complementares. Assim ao contrário de concorrentes, será possível
utilizando WiMAX, estender o alcance de redes Wi-Fi já que estas foram planejadas para
alcance limitado como redes locais, enquanto WiMAX foi concebido implementando QoS e
desenvolvido para operar em ambientes outdoor com longo alcance, sendo por isso uma
tecnologia mais complexa.
10 COMPARAÇÃO ENTRE 802.16-2004 E 802.16e
As duas versões do WiMAX que devem dominar o mercado, refletem na demanda
dos produtos desenvolvidos para acesso fixo ou móvel. As necessidades dos dois tipos de
acesso variam e cada uma delas requer uma solução diferente.
Diversas características serão comuns a ambas tecnologias (tabela 3.2) mas serão
provavelmente implementadas apenas nos dispositivos 802.16e, isto porque os serviços
móveis devem ganhar mais funcionalidades que os serviços fixos. Como exemplo destas
funcionalidades estão as antenas MIMO e o AAS que trarão melhorias ao througput e ao
acesso sem linha de visada.
Definição Dispositivo Localização/VelocidadeHandoffs
802.16-2004
802.16e
Fixo Outdoor e indoor CPEs
Simples/ estacionário Não Sim sim
Nomâdico Indoor CPEs, e Cartões PCMCIA
Multiplos/ Estacionários Não Sim sim
Portável PCMCIA de laptops ou minicards de PDAs
Multiplos / Velocidade em espera
handoff por hardware
Não sim
Mobilidade simples
PCMCIA de laptops, minicards de PDAs ou
Multiplos/ Velocidade veicular baixa
handoff por hardware
Não sim
76
smartphones
Mobilidade Total
PCMCIA de laptops, minicards de PDAs ou smartphones
Multiplos/ Velocidade veicular alta
handoff por software
Não sim
Tabela 3.2 – Tipos de acesso para redes WiMAX
10.1 OFDM e OFDMA
A chave da diferença entre 802.16 2004 e o 802.16e é a técnica de multiplexação
empregada. Os perfis baseados no 802.16-2004 são melhores para aplicações fixas já que
utilizam antenas direcionais, além do que OFDM é inerentemente menos complexa que a
SOFDMA. Como resultado, Equipamentos com características do 802.16-2004 podem ser
desenvolvidas mais rapidamente e as redes baseadas neste padrão terão um custo mais baixo.
Além disso os produtos certificados para o 802.16-2004 devem estar disponíveis o mais breve
possível, devendo ser adotados para instalação de redes em um futuro próximo.
As características do 802.16e utilizando OFDMA são perfis com maior
flexibilidade para o gerenciamento de diferentes dispositivos de usuários com uma variedade
de tipos de antena além de outros fatores. O que significa uma redução nas interferências para
usuários com antenas omnidirecionais e melhorias para o acesso NLOS. A subcanalização
define subcanais que podem ser alocados para diferentes assinantes dependendo das
condições do canal e da necessidade dos dados. Isto dá ao operador mais flexibilidade no
gerenciamento da banda e transmissão de potência, levando a um uso mais eficiente dos
recursos.
Por exemplo, dentro do mesmo slot de tempo, mais potência de transmissão pode
ser disponibilizada a um usuário com condições de canal menos favoráveis, baixando a
potência para usuários em melhores localizações.
A Subcanalização nos uplinks traz performance adicional já que a potência do
transmissor do usuário é bastante limitada. Em OFDM os dispositivos de usuários transmitem
utilizando toda a portadora de uma única vez, já OFDMA suporta acessos múltiplos, o que faz
com que o dispositivo de usuário transmita somente através do subcanal alocado a ele. Em
OFDMA, com 2048 portadoras e 32 sub-canais, se um único canal for alocado a determinado
dispositivo, todo o poder de transmissão será concentrado em 1/32 do espectro disponível e
77
trará cerca de 15 dB de ganho sobre OFDM. Acessos múltiplos são particularmente
vantajosos quando vários canais são utilizados.
10.2 Handoff e Roaming
O suporte a handoff é outra característica crucial adicionada ao 802.16e para
prover acesso móvel. A habilidade de manter uma conexão enquanto circula entre as células é
um pré-requisito para a mobilidade. O 802.16-2004 oferece capacidades de handoff opcionais,
ou seja, não é requerido nos sistemas deste protocolo. O 802.16 suportará handoff por
hardware e por software.
O handoff por hardware usa a técnica break-before-make, onde o dispositivo do
usuário é conectado a somente uma EB em uma sessão, o que o torna menos complexo que o
handoff por software que tem uma alta latência. Estes são comparados à técnica utilizada por
redes de telefonia celular, que permitem que um dispositivo retenha a conexão à estação base
até que esteja apto a associar-se a outra, assim reduzindo a latência break-before-make. As
aplicações móveis como voz sobre IP se beneficiam da baixa latência dos handoffs por
software enquanto os hardware handoffs são utilizados tipicamente para serviços de
transmissão de dados. Qualidade de serviço e níveis de acordo de serviço (Service Level
Agreements -SLAs) são mantidos durante os handoffs.
Potencialidades de roaming podem ser implementadas tanto no 802.16-2004
como no 802.16e, entretanto esta funcionalidade não deve ser incluída no 802.16e (artigo) já
que está fora do escopo do programa de certificação.
10.3 IEEE 802.16-2004 x IEEE 802.16e
Acessos fixos e móveis têm claramente diferentes necessidades de
funcionalidades e segmentos de mercado substancialmente diferentes. Com diferentes tipos de
usuários em diferentes localizações, diferentes throughputs necessários para os dispositivos
de usuários e SLAs. As duas vertentes do WiMAX são definidas para atender demandas
distintas para ambos segmentos de mercado e requisitos variáveis para aplicações diferentes.
Na necessidade de acesso fixo com funcionalidades básicas, tanto o 802.16-2004
quanto o 802.16e oferecem performance similar. O throughput máximo para um setor em
ambas as versões é de 15 Mbps para um canal de 5 MHz ou 35 Mbps para um canal de 10
MHz. O Alcance da estação base em áreas populosas pode percorrer vários quilômetros
78
dependendo do tipo da CPE, da banda de freqüência, mobilidade e morfologia. Em redes onde
a capacidade é limitada, o número de EBs instaladas depende da demanda de throughput
assim como o alcance planejado.
Como as performances das duas versões Wi-MAX são substancialmente similares
para aplicações específicas, já que o 802.16 é otimizado para acesso fixo e o 802.16 para
acesso móvel, ambos podem ser utilizados para acesso fíxo.
Redes fixas podem se beneficiar de várias vantagens oferecidas para os produtos
certificados no padrão 802.2004:
• Modulação sem complexidade: OFDM é uma técnica simples de modulação, sendo
muito utilizada por sistemas que não requerem mobilidade.
• Faixas não licenciadas: Serviços móveis requerem espectros licenciados para
prover cobertura em áreas extensas. Para o acesso fixo, entretanto, frequentemente
são utilizadas faixas não licenciadas em áreas onde o nível de interferência é
aceitável. Por esta razão, a maioria dos projetos cujo objetivo seja as faixas não
licenciadas, provavelmente serão baseados no padrão 802.16-2004.
• Alto throughput: Espectros de bandas mais elevadas selecionadas para o perfil
802.16-2004 resultam em um alto throughput. Isto é uma clara vantagem,
especialmente quando se deseja atender usuários empresariais com níveis elevados
de tráfego e CPEs com antenas outdoor.
Por outro lado, alguns operadores podem decidir pelo padrão 802.16e mesmo para
acesso fixo, pelos seguintes motivos.
• Suporte à mobilidade: os produtos 802.16e, são planejados para prover mobilidade
e permitir suporte a handoffs em velocidades de até cerca de 120 Km/h. O suporte a
economia de energia e modo sleep, irão extender a vida das baterias para usuários
móveis.
• Melhor cobertura interna: Conseguida com a subcanalização e opção de AAS que
beneficia tanto aplicações fixas quanto móveis, uma vez que frequentemente os
usuários internos não possuem linha de visada, antenas externas podem compensar
para cobertura indoor em ambientes fixos. Isto não é claramente uma opção para
usuários móveis com um laptop ou PDA, por exemplo.
• Maior flexibilidade para o gerenciamento dos recursos do espectro: a
subcanalização elenca a habilidade de usar a inteligência da rede para alocar recursos
aos dispositivos de usuário que mais necessitarem. Efetivamente, isto resulta em um
79
uso mais eficiente do espectro, permitindo um throughput mais elevado e
melhorando a cobertura interna. Além de, em alguns casos, baixar o custo de
desenvolvimento o que é particularmente importante para usuários com espectro
limitado.
• Maior escala de produtos para os dispositivos de usuários: Enquanto CPEs indoor e
outdoor e cartões PCMCIA para laptops são esperados para dominar o mercado do
802.16-2004, Cartões PCMCIA para laptops, mini cards, modems internos, PDAs e
telefones estarão disponíveis para usuários 802.16e. Esta variedade permitirá que
operadoras estendam seus serviços para novos segmentos de mercado, dando maior
liberdade para seus assinantes. Segundo o fórum WiMAX, é provável que mesmo
com a entrada atrasada no mercado, os preços dos produtos para o padrão 802.16e
caiam mais rapidamente do que os produtos para o 802.16-2004 já que os primeiros
alcançam um segmento muito maior de mercado. Como o custo é tipicamente, a
variável mais importante em todo o planejamento de um negócio. A disponibilidade
de dispositivos de baixo custo será um dos fatores que norteará qual das versões de
Wi-MAX adotar-se.
A escolha entre os produtos do 802.16-2004 ou 802.16e dependerá muito do tipo
de serviços oferecidos e do modelo de negócios do operador. Em alguns casos a escolha será
obvia. Um operador móvel que construa uma rede para complementar uma rede 3G seguirá
diretamente para 802.16e. Um provedor de serviços Wireless internet ( WISP - Wireless
Internet Service Provider ) que pretende atender a uma comunidade rural, escolherá o sistema
menos complexo de modulação (OFDM), optando por tanto pelo padrão WiMAX 802.16-
2004.
Além disso, muitos outros fatores podem afetar a escolha entre os produtos do
802.16-200 ou 802.16e, a saber:
• Se a faixa de mercado da operadora são usuários empresariais e domésticos, em
sua maior parte, com acesso LOS, CPEs com antenas outdoor tem um thoughput
mais elevado e a performance LOS pode ser mais apropriada. Isto levará a operadora
a adotar alguma solução baseada em 802.1.-2004. No entanto se a operadora
pretende atingir uma faixa de mercado móvel em sua maior parte, CPEs de baixo
custo podem ser adquiridos para tornar o negócio viável.
• Como o fórum WiMAX deve continuar a adicionar novos perfis em resposta as
exigências de mercado, é provável que hajam somente os perfis 802.16-2004 e
80
802.16e em algumas faixas. Na maioria dos casos a operadora terá pouco o que
escolher no que se refere aos espectros de faixas disponíveis. E a escolha do sabor
Wi-MAX pode depender da disponibilidade do produto.
• Regulamentação: Alguns órgãos regulamentadores exigem tipos específicos que
podem ser oferecidos em determinada faixa do espectro. Por exemplo, alguns
regulamentadores na Europa limitam em 3,5 GHz o espectro para serviços fixos e
nomâdicos, que podem prejudicar a adoção do 802.16e que suporta serviços móveis,
mesmo que as licenças do espectro não sejam limitadas a uma tecnologia em
particular.
• Linha de tempo: A disponibilidade adiantada do 802.16-2004 para produtos na
faixa de 3,5 GHz será um importante fator para os provedores de serviço que
desejam instalar uma rede WiMAX rapidamente.
10.4 Trajetos de Migração Para o 802.16e
A migração para redes que suportam serviços portáveis e móveis dever ser
suportada, segundo o WiMAX fórum. As operadoras que desejarem migrar de forma eficaz de
uma rede 802.16-2004 para uma rede 802.16e, terão para tanto várias opções disponíveis, entre
as quais:
• Overlay de rede: em áreas onde a operadora deseja implantar acessos portáveis e
móveis, um overlay para uma rede 802.16e operando em paralelo com 802.16-2004
pode ser implementado se forem suficientes os recursos de espectro disponíveis. Isto
permite que a operadora forneça simultaneamente acesso fixo e móvel na mesma
área. Porém requer assinatura para as duas CPEs caso o usuário deseje acesso às duas
redes.
• Dual-mode CPEs: Operadoras que precisem comutar para o 802.16e podem utilizar
o dual-mode CPEs que suporta tanto o 802.16-2004 como o 802.16e. Inicialmente a
operadora utilizará o 802.16-2004 nas estações base e CPEs. Quando estiverem
disponíveis produtos padrão 802.16e será introduzida a modalidade dupla para CPEs.
Então quando todos os assinantes operarem em dual-mode CPEs, a operadora trocará
as EB do 802.16-2004 para o 802.16e e as CPEs serão automaticamente comutadas.
81
• Sofware atualizável de EBs: esta solução poderá ser utilizada em conjunto com o
dual-mode CPE. Neste caso, ao invés de substituir a EB, a operadora implantará um
upgrade de sofware para o modo 802.16e.
• Dual-mode de EBs: se as CPEs suportam um único modo, e a operadora planejar
mudar gradualmente para o padrão 802.16e. EBs dual-mode podem ser instaladas.
Onde o overlay de rede não é aplicável ou a operadora não possui o espectro
necessário, as EBs dual-mode provém uma maneira de suportar ambos os modos e
eventualmente comutar totalmente para 802.16e quando todas as CPEs estiverem
nesta tecnologia.
11 PERSPECTIVAS PARA A TECNOLOGIA WiMAX
Segundo PRADO [1],o WiMAX tem tido um forte começo para se transformar no
padrão principal AWB nos próximos anos. Também segundo o autor esta possibilidade é fruto
da consciência entre Operadoras de telefonia e WISPs além do potencial inerente à banda
larga do WiMAX, porque estas estão fomentando investimentos em equipamentos fixos e
móveis sem fio, mesmo que não sejam necessariamente WiMAX.
Juntamente com o Wi-Fi, ZigBee, UWB e Mobile-Fi, todos também tecnologia de
comunicação sem fio, o WiMAX deverá contribuir para uma revolução na comunicação sem
fio nos próximos cinco anos.
Acreditando nessa suposição, algumas das maiores empresas de tecnologia no
mundo estão investindo esforços no desenvolvimento dos primeiros chips para suportar a
tecnologia WiMAX. Para que as soluções proprietárias desenvolvidas tornem-se realmente
um padrão, serão necessários os testes de conformação com o padrão e interoperabilidade
entre os fabricantes, garantindo assim ao mercado, a funcionalidade necessária para uma
tecnologia mundial.
Os padrões atualmente me vigor são o IEEE 802.16-2004 para acesso fixo e
nomâdico e o IEEE 802.16e para acesso móvel. Nos dois grandes nichos que vão surgir no
mercado com o desenvolvimento da tecnologia.
Os fornecedores típicos para a tecnologia fixa, por ser mais simples, são as
pequenas empresas como: Alvarion, Airspan Networks, Aperto Networks, Redline
Communications, Proxim e Wi-LAN. As empresas grandes tais como: Alcatel, Motorola,
82
Siemens, Nokia, e Nortel Networks, entre outras, estão investindo seus esforços no WiMAX
móvel, tecnologia mais complexa, que no entanto pode atender usuários fixos e móveis e
portanto cobre uma faixa de mercado muito maior.
11.1. Os pré-padrões
Para que as soluções sejam compatíveis, há a necessidade de conformidade dos
equipamentos com os padrões definidos pelo IEEE, no caso os IEEE 802.16-2004 e IEEE
802.16e, e os pretendentes a fabricantes desses equipamentos ou chipsets, devem estar
sintonizados para que seus equipamentos sejam compatíveis, o que no Caso do WiMAX
ocorre no Fórum WiMAX, onde o fabricante deve ser consorciado. Os três principais
fabricantes de chipsets para a tecnologia WiMAX atualmente, são a já consagrada na
fabricação de chips Intel, a Fujitsu, e a canadense Wavesat Wireless. Estas empresas estão
fechando parcerias com os fornecedores de solução em WiMAX, conhecidos na linguagem
mercantilista como vendors para que estes desenvolvam suas soluções utilizando os chipsets
fabricados por elas.
O desenvolvimento das primeiras soluções proprietárias baseadas em WiMAX já
tem disponibilizado ao mercado equipamentos “pré-padrão”, chamados assim porque ainda
não existem equipamentos “certificados WiMAX”. A primeira rodada de testes de
conformação e interoperabilidade começou em agosto de 2005, mas não foram concluídos os
testes principalmente no que tange a compatibilidade, pela falta de equipamentos a serem
testados enviados por fornecedores.
Um produto será totalmente compatível com WiMAX (ou full compliant
WiMAX) quando for comprovadamente aderente ao padrão, sendo aprovado tanto em
conformidade (conformance) quanto inter-operabilidade (Interoperability), enfatizando que
para estes testes de interoperabilidade são necessários no mínimo, equipamentos de três
fabricantes diferentes.
Para atender à demanda de equipamentos WiMAX é necessário antes de mais
nada a criação de chips compatíveis. Os chips são a base do hardware para o
desenvolvimento da tecnologia, a partir dos quais vão ser desenvolvidos os equipamentos.
Alguns dos fabricantes de chips já consolidados no mercado estão investindo no padrão
WiMAX, como os citados acima: Intel, a Fjitsu e Wavesat Wireless. No escopo dos pré-
padrões, consumindo os chips desenvolvidos, estão alguns vendors associados aos
desenvolvedores fabricantes dos chips compatíveis com a tecnologia.
83
Alguns exemplos de equipamentos desenvolvidos segundo o padrão 802.16, mas
ainda sem conformidade com o padrão ou interoperabilidade certificadas, são:
• O BreezeMAX, da empresa Israelense Alvarion
(http://www.alvarion.com) está disponível desde de o segundo semestre de 2004. Este
equipamento utiliza o chip PRO/Wireless 5116 da Intel. Baseado no IEEE 802.16-2004,
o BreezeMAX suporta acesso fixo, nomâdico e portável, com possibilidade de emergir
para o WiMAX móvel, segundo o fabricante. Projetado para trabalhar tanto em
freqüências licenciadas como não licenciadas no espectro entre 2 e 6 GHz operando
tanto em FDD como TDD. Utilizando tecnologia de rádio OFDM, o equipamento é
suficientemente robusto para trabalhar em condições adversas do canal e sem linha de
visada. Com rádios de alta potência ele suporta intempéries utilizando técnicas de
antenas inteligentes permitindo instalação de CPEs indoor tanto em ambientes urbanos
densos como em ambientes suburbanos. Atende a uma alta gama de clientes tais como
residenciais, SOHO, SME e grandes empresas.
• A Aperto Networks (http://www.apertonetworks.com/products/pmax.html)
coloca no mercado uma família de equipamentos, que incluem estações-base, unidades
de usuários, rádios e antenas para EBs para prover comunicação utilizando as
premissas do WiMAX. Utilizando o chipset MB87M3400 WiMAX SoC (abreviação de
System-on-Chip) fabricado pela Fujitsu, a solução batizada pela empresa de
PacketMAX, oferece vários tipos de elementos para EBs, permitindo um
custo/benefício eficaz pois permite a escalabilidade partindo desde poucos assinantes
até altas densidades de clientes. Projetados para suportar tanto padrão o IEEE 802.16-
2004 quanto o IEEE 802.16e, incluindo a qualidade de serviço (QoS), o pacote foi
produzido para suportar comunicação fixa e emergir para o uso de dispositivos móveis
sem muitos custos adicionais. Seus equipamentos operam nas bandas de 2.5, 3.5 e
5GHz, utilizando TDD, OFDM e 256 FFT.
• Outra solução pré-WiMAX é o WIDAX, (http://www.widax.com.tw) da
empresa Gen-WAN Technology, de Taywan. Baseado no padrão IEEE 802.16a, o
WIDAX oferece estações rádio-base e terminais fixos e móveis, o equipamento trabalha
na faixa não licenciada de 5.2 a 5.9 GHz utilizando tecnologia OFDM para operação
NLOS num raio de até 10 KM, e até 35 Km para comunicação LOS, ambos com
antenas ponto-a-ponto, e modulações do tipo QPSK, 16QAM, 64QAM. Podendo
84
alcançar velocidades de até 56 Mbps. O WIDAX trabalha tanto com duplexação FDD
quando TDD.
• A Redline Communications (http://www.redlinecommunications.com/),
implementou a solução RedMAX, com uma família de produtos para acesso em banda
larga sem fio com conexões ponto-a-ponto e ponto-multiponto para áreas urbanas e
rurais. A solução da Redline utiliza tecnologia OFDM com uma rede de EBs (modelo
AN 100U) para construir o backbone de comunicação do sistema que suporta
aplicações avançadas como voz, vídeo, VoIP e priorização de tráfego. A solução é
composta pelas EBs, unidades de assinante internas (SU-I), Unidades de assinante
externa (SU-O) e unidades de transporte (backhaul), os equipamentos são baseados no
processador PRO/Wireless 5116 da Intel. O produto é compatível com o padrão 802.16-
2004, com possibilidade de migração para 802.16e, além de suportar Ipv6, classe de
serviço e padrões alternativos de criptografia. Utiliza FDD e OFDM e por isso pode
funcionar em tanto em ambiente LOS quanto em NLOS, de acordo com o equipamento
determinado.
Também com o objetivo de atender a demanda para banda larga sem fio com
acesso fixo e móvel, muitos outros fabricantes de solução estão desenvolvendo seus produtos
baseados na determinação dos padrões 802.16. Uma prova deste empenho é o Fórun WiMAX
(http://www.wimaxforum.org/home/), uma organização internacional para fomentar a
tecnologia WiMAX que hoje conta com mais de 150 membros, Entre os quais, Universidades,
organizações governamentais e desenvolvedores como os discriminados acima.
11.2. Aplicações do WiMAX
Dentre as várias possibilidades de aplicações novas que podem advir com a
popularização do WiMAX, algumas são perceptiveis em primeira mão. Entre estas, podem
ser citadas:
• Canal de comunicação para acesso à Internet em alta velocidade. Hoje o acesso
resisencial depende de um canal DSL de comunicação que utiliza cabo como meio de
transmissão de dados. Esta tecnologia deixa a desejar em requisitos de performance
sem contar que muitas vezes estes serviços são caros em demasia. Em áreas rurais, os
clientes residenciais estão limitados a conexões discadas, que sempre fornecem
comunicação a velocidades baixas. Em locais mais afastados dos grandes centros,
85
muitas vezes não existe nenhum meio disponível para comunicação de dados. A
utilização de redes metropolitanas sem fio fornecerá comunicação com qualidade de
serviço a um custo de instalação relativamente reduzido quando comparado à
instalações cabeadas.
• Pequenas e médias empresas: Este segmento de mercado normalmente está situado
fora de ambientes urbanos muito competitivos. A tecnologia de comunicação sem fio
pode trazer um custo/benefício requerido em pequenas e médias empresas situadas
fora dos grandes centros comerciais, competindo com a comunicação DSL
• Canais de comunicação entre redes locais sem fio: As instalações de redes locais
sem fio estão crescendo em rítmo acelereado. Entretanto, um dos obstáculos para o
crescimento continuado destas instalações é a falta de disponibilidade de serviços
com capacidade elevada e custo acessível. As redes metropolitanas sem fio podem
prover esse serviço, conectando ainda redes locais sem fio dispersas em áreas que o
padrão 802.11 não atinge.
Mesmo com demora na certificação de produtos full WiMAX, algumas soluções
proprietárias como as acima, já podem ser vista em pleno funcionamento. Atualmente as
soluções WiMAX se configuram em sua grande maioria como serviços de internet de banda
larga sem fio. Contudo, algumas aplicações no segmento corporativo já podem ser
encontradas.
Como exemplo, a aplicação da tecnologia em bancos pode trazer inúmeras
vantagens com a utilização de banda larga sem fio. Uma característica do WiMAX, desejável
pelas instituições financeiras é a segurança já inerente ao sistema incorporada pela
criptografia. Como no Wi-Fi, que é o padrão atualmente mais disseminado, a segurança
intrínseca deve estar disponível apenas no IEEE 802.11i ainda não concluído, estas
instituições foram reticentes quanto ao uso deste padrão.
A convergência de tecnologias possibilitada pelo uso de WiMAX, como por
exemplo servindo como backbone para conectar redes wi-fi, conectando redes ethernet a redes
sem fio, ou servindo de backbone entre redes locais sem fio e ainda sistemas de comunicação
de dados integrados à telefonia celular entre outras inúmeras possibilidades, pode fazer deste
padrão o grande avanço nos sistemas de informação e comunicação da próxima década.
11.3. Certificação Wi-MAX
86
Até o momento, são encontradas apenas soluções proprietárias para aplicações
WiMAX, o que em outras palavras significa dizer que os equipamentos existentes atendem
aos requisitos de uma comunicação baseada no protocolo que define a categoria, tais como
velocidade e freqüência do canal, alcance do sinal e operação com ou sem linha de visada,
entretanto não se pode afirmar que equipamentos estão em conformidade com o protocolo.
Some-se a isso o fato de que soluções proprietárias funcionam apenas com seu próprio
equipamento, ou seja será necessário adquirir estações base, estações de usuários, antenas e
todos os outros hardwares e softwares necessários para a infra-estrutura de um sistema de
WLAN do mesmo fabricante, pois a adição de produtos de outro fabricante no sistema, não
terá seu funcionamento garantido.
Para garantir que um produto seja de fato padrão WiMAX, o fórum WiMAX está
trabalhando no desenvolvimento da certificação WiMAX (WiMAX Certified) com o apoio
das organizações de padronização IEEE e ETSI. Segundo estas organizações um produto será
considerado WiMAX certified, quando for aprovado nos testes de conformidade e
interoperabilidade.
Os testes de conformidade são para garantir que um produto WiMAX esteja
aderente à padronização, ou seja, realmente atenda às especificações determinadas pelo
protocolo do IEEE 802.16 (a, 2004 ou e) conforme o caso ao qual se destina um equipamento.
Os testes de interoperabilidade, são para garantir a padronização de fato com outros
equipamentos também conformes, garantindo assim que numa solução WiMAX poderão ser
utilizados equipamentos de diversos fabricantes.
Em suma, a conformidade é feita do produto contra a norma, onde o produto deve
estar de acordo com a norma, e a interoperabilidade, e feita entre, no mínimo produtos de três
fabricantes diferentes, para garantir a funcionalidade entre eles.
• Outras diferenças entre conformidade e interoperabilidade são:
• A conformidade pode ser atestada por organizações individuais, laboratórios
independentes, agências de certificação etc. Enquanto a interoperabilidade é atestada
pelas organizações regulamentadoras que testam os aparelhos de fabricantes
diferentes entre si em rodadas de testes chamados plugfests.
• A conformidade Pode ser baseada na interpretação pessoal do padrão IEEE ou
ETSI
• O objetivo da interoperabilidade é remover ambigüidades nos padrões e
implementações deste num estágio mais avançado.
87
Dentre as vantagens mais evidentes no uso de produtos certificados, podem ser
citadas as seguintes:
• Um produto certificado terá qualidade garantida, podendo funcionar em soluções
onde operam equipamentos de vários vendors, tais como EBs e estações de
assinantes de origens diferentes, o que minimiza os riscos de determinado usuário ou
provedor de solução não evoluir seu sistema de comunicação por não encontrar
equipamentos disponíveis de determinado vendor.
• Um produto só poderá ser certificado WiMAX se for aprovado nos testes de
conformidade e interoperabilidade, garantindo assim seu funcionamento dentro do
padrão estabelecido.
Para que a tecnologia WiMAX torne-se um padrão produtivo, com custo-
benefício competivo no mercado, é imprescindível a interoperabilidade entre os vendors. A
primeira rodada de testes do padrão 802.16 foi realizada no laboratório Cetecom em Málaga,
na Espanha. Agora em 2006, outras rodadas de testes são esperadas para que se garanta, até o
final de 2007 a consolidação de produtos, uma vez que os analistas apontam o ano de 2008
como o ano do WiMAX.
88
CONCLUSÃO
A utilização de redes sem fio para redes metropolitanas baseadas no padrão IEEE
802.16, surge como uma tecnologia cuja promessa é atender a todas as demandas para
comunicação de dados e tráfego multimída, como voz e vídeo, funcionado em sistemas
baseados em TCP/IP versão quatro (IPv4) ou seis (IPv6). Esta característica de transparência
quanto aos protocolos das camadas de rede e transporte, certamente fará do WiMAX, uma
solução atraente para a migração dos sistemas atuais de comunicação de dados e telefonia,
sobretudo os móveis.
São inúmeras as possibilidades de aplicações sobre a tecnologia WiMAX, o que
deve contribuir sobremaneira para a migração de serviços existentes para uma infra-estrutura
de comunicação não cabeada, bem como para o aparecimento de novos serviços. A
capacidade de transmissão desse padrão unida a facilidade de instalação dos sistemas, fará
desta tecnologia um forte fomentador da convergência para sistemas robustos de comunicação
de dados.
As técnicas de modulação utilizadas na tecnologia, fazem um uso racional do
espectro, provendo maneiras mais eficientes para transmissão de elevadas taxas de dados
através de sinais de rádio, aproveitando ao máximo as freqüências disponíveis. A má
utilização de freqüências hoje, com serviços que apresentam menores exigências, deve ser um
empecilho para o avanço da tecnologia. Esta situação deve exigir dos órgãos
regulamentadores de telecomunicações uma reengenharia na divisão dos espectros para que
sejam usados com mais cautela, evitando perdas.
No Brasil, a ANATEL vem trabalhando no intuito de prover um esquema de
divisão dos espectros que atenda à nova demanda gerada por tecnologias como Wi-Fi,
WiMAX, UWB e etc.
A possibilidade de operar tanto em freqüências licenciadas quanto em freqüências
livres, colocará o WiMAX como um padrão capaz de atender tanto necessidades de usuários
domésticos quanto necessidades de instituições como financeiras ou militares, pois mesmo
utilizando freqüências não licenciadas, a segurança intrínseca garantida pela criptografia da
carga de dados úteis do sistema conferirá a este o nível de segurança exigido pelas mais
diversas categorias de usuários. Uma das primeiras aplicações vislumbradas para as soluções
89
baseadas no protocolo IEEE 802.16 é a substituição dos atuais sistemas baseados em Wi-Fi,
interligando redes com ou sem fio para comunicação de dados em áreas metropolitanas,
inserindo a estes esquemas de comunicação resiliência, qualidade de serviço e segurança, os
que tornará mais confiáveis que as atuais aplicações em comunicação sem fio.
A incompatibilidade entre os dois principais padrões atuais IEEE 802.16 e IEEE
802.16e, por utilizarem modulações diferentes para a transmissão dos dados, será um ponto
prejudicial na tecnologia, uma vez que operadoras e clientes devem ter em mente exatametne
o que desejam do sistema de comunicação sem fio sob o risco de verem perdidos seus
investimentos.
Contudo, como as primeiras soluções WiMAX devem funcionar baseadas no
acesso fixo e nomâdico providos pelo 802.16-2004, os vendors estão criando soluções que
permitam a migração desses sistemas para o padrão móvel baseado no 802.16e, uma vez que
por serem naturalmente mais simples, as primeiras soluções baseadas em WiMAX devem
contemplar as características do padrão 802.16-2004, mas as exigências dos usuários e a
demanda devem impor uma mudança para o padrão móvel.
A manutenção dos sistemas não cabeados, uma vez instalados é baixa, já que
haverá diluição do custo de instalação ao longo do tempo, mesmo onde forem utilizadas
freqüências licenciadas, o que deve fazer do padrão em estudo um concorrente para outras
tecnologias de banda larga sem fio como o Mobile-Fi, e para tecnologias cabeadas como o
modem DSL.
O Estado do Pará surge como usuário potencial para esta tecnologia, já que as
características do estado, que apresenta diversas áreas de florestas e rios, impede muitas vezes
que sejam instalados sistemas de comunicações cabeados, além do que a vasta área territorial
do Pará não é atendida em sua totalidade pelas operadoras de comunicação credenciadas para
a região. A utilização do Wi-MAX, pode trazer para esta região, como para tantas outras, a
possibilidade de comunicação de banda larga para áreas rurais afastadas dos grandes centros
provendo, há um custo acessível, além da comunicação necessária para empresas e órgãos
governamentais, a inclusão digital em comunidades afastadas.
90
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
SOARES, L. F G; LEMOS, G.; COLCHER, S. Redes de Computadores: Das LANs MANs e
WANs às Redes ATM. 7.ed. Rio de Janeiro: Campus, 1995.
OLEXA, R. Implementing 802.11, 802.16, and 802.20 Wireless Networks – Planning
Troubleshooting and Operations. Burlington: Elsevier, 2005.
INTEL CORPORATION [1]. Understanding Wi-Fi and WiMAX as Metro-Access Solutions,
2004.http://www.intel.com/business/bss/industry/government/wimaxandmeshwhitepaper.pdf.
Acesso em 12/09/2005.
-------[2]. Understanding WiMAX and 3G for Portable/Mobile Broadband Wireless. 2004.
http://www.itr-rescue.org/bin/pubdocs/mtg-weekly/9-16-05%20Intel_ WiMAX_White_Paper
%20(Hassib).pdf. Acesso em 12/09/2005.
-------[3]. IEEE 802.16 and WiMAX –Broadband Wireless Access for Everyone. 2003. http://
www.intel.com/netcomms/technologies/wimax/253623.pdf. Acesso em 20/07/2005
-------[4]. Adaptative Modulation (QPSK, QAM). 2004. Ordem Number 303788-001.
www.intel.com/netcomms/technologies/wimax/index.htm. Acesso em 24/07/2005.
WiMAX FORUM [1]. WiMAX Forum Certification of Broadband Wireless System. 2005.
http://www.wimaxforum.org/news/downloads/Certification_FAQ_final.pdf. Acesso em
06/12/2005.
------- [2]. Fixed, Nomandic, Portable and mobile applications for 802.16-2004 and 802.16e
WiMAX networks. 2005. http://www.wimaxforum.org/news/downloads/
Applications_for_802.16 -2004_and_802.16e_WiMAX_networks_final.pdf. Acesso em
15/12/2005.
91
--------[3]. WiMAX’s technology for LOS and NLOS environments.
http://www.wimaxforum.org/news/downloads/WiMAXNLOSgeneral-versionaug04.pdf.
Acesso em 06/09/2005.
Institute of Eletrical and Eletronic Engineers and IEEE Microwave Theory and Techniques
Society. IEEE 802.16.2 2001 ™ : Recommended Practice for Local and metropolitan area
networks - Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access Systems. 2004.
http://standards.ieee.org/getieee802/802.16.html. Acesso em 12/07/2005.
-------- . IEEE P802.16-REVd/D4-2004. IEEE Standard for Local and metropolitan area
networks Part 16: Air Interface for FixedBroadband Wireless Access Systems. 2002.
http://standards.ieee.org/getieee802/802.16.html. Acesso em 12/07/2005.
--------. IEEE Std 802.16a™-2003. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks
Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems—Amendment 2:
Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2–11
GHz. 2003. http://standards.ieee.org/getieee802/802.16.html. Acesso em 12/07/2005.
-------. IEEE Std 802.16c™-2002. Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access
Systems— Amendment 1: Detailed System Profiles for 10–66 GHz. 2002.
http://standards.ieee.org/getieee802/802.16.html. Acesso em 12/07/2005.
PRADO [1]. Casos de WiMAX no Mundo.
http://www.wirelessbrasil.org/wirelessbr/colaboradores/eduardo_prado/artigo_39.html.
Acesso em 13/01/2006.
PRADO [2] . O irresistível padrão UWB.
http://www2.idgnow.com.br/adportalv5/ColunistaInterna.aspx?GUID=8D45B455-B804-
41DA-BB27-047E94153520&ChannelID=21080130. acesso em 03/08/2005
PRADO [3] O "Dia Seguinte" do Wi-Fi.
http://www.wirelessbrasil.org/wirelessbr/colaboradores/eduardo_prado/artigo_07.html.
Acesso em 15/07/2005
92
PRADO [4]. IEEE 802.20 – Móbile-Fi.
http://www.wirelessbrasil.org/wirelessbr/secoes/sec_802_20.html. Acesso em 15/07/2005.
PRADO [5]. Regulamentação do Uso de Freqüências para WiMAX no Brasil.
http://www.wirelessbrasil.org/eduardo_prado/revista_wimax/espectro.html. Acesso em em
25/02/06
OLIVEIRA, C. http://www-iconsultores.com.br Acesso em 14/07/2005.
INSTITUTE OF ELETRICAL AND ELETRONIC ENGINEERS. IEEE 802.15 WPAN Task
Group 1 (TG1). http://www.ieee802.org/15/pub/TG1.html. Acesso em 28/12/2005
93
APÊNDICE
Definições do forum WiMAX para acesso fixo, nomâdico, portável e móvel.
Acesso fixo: assume-se que o dispositivo do usuário está fixo em uma única
localização geográfica por toda a duração de sua inscrição na rede. O dispositivo do usuário
pode conectar e desconectar da rede, podendo ele selecionar a melhor estação base no tempo
da conexão. O referido dispositivo tipicamente está associado com o setor ou célula de
alguma estação base, e nenhuma associação com outro setor ou célula será controlada pela
rede por instância, mesmo que hajam falhas ou macro diversidade no sistema.
Acesso nomâdico: o dispositivo de usuário tem uma localização geográfica fixa
pelo período de uma sessão de operação. Se o dispositivo do usuário for movido para uma
localização diferente na mesma rede sem fio, a subscrição do assinante é reorganizada e uma
nova sessão de dados é estabelecida. O dispositivo pode estar habilitado a selecionar a melhor
estação base no momento para conectá-lo à rede. Durante a sessão, cada dispositivo estará
tipicamente associado a algum setor ou célula de uma estação base. E nenhuma re-associação
com outro setor ou célula será controlada pela rede, por instância, pela ocorrência de falhas ou
macro-diversidade.
Acesso portável: Neste tipo de acesso, o dispositivo do usuário manterá uma
operação com uma sessão de serviço de dados móvel à velocidade de um pedestre com uma
área de rede limitada. A capacidade de handover, também limitada, é utilizada durante uma
sessão de serviço da rede, enquanto o dispositivo de usuário trafega entre diferentes células
ou setores na mesma célula, mantendo a conexão ativa.
Acesso móvel simples: O dispositivo de usuário irá manter uma operação de
sessão para aplicações que não sejam tempo real, movimentando-se a velocidades veiculares
dentro da área de convergência de uma rede. São permitidos handover entre setores e estações
base neste serviço continuamente para todas as aplicações que não sejam de tempo real.
Acesso com mobilidade total: O dispositivo do usuário manterá uma sessão a
altas velocidades veiculares na área da rede. A performance do handover é garantida entre
setores e estações base continuamente para todas as aplicações.