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UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA – UNAMAPRÓ-REITORIA DE PESQUISA, PÓS-GRADUAÇÃO E EXTENSÃOCURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM REDES DE COMP...
PAULO ROBERTO LOURINHO DOS SANTOS  REDES METROPOLITANAS SEM FIO:APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA WI-MAX                         ...
DEDICATÓRIA              Para Isabela: Filha, perdoe a minha ausência
AGRADECIMENTOS                                     Ao Mestre JORGE                 BECHARA, pelos conselhos breves, mas   ...
“Os teimosos são os  sublimes. Quem é apenas bravo temum só assomo, quem é apenas valente    tem só um temperamento, quem ...
SUMÁRIO          2.1 Modulação Complexa.................................................................................20...
11.2. Aplicações do WiMAX.............................................................................8411.3. Certificação...
RESUMO             A comunicação sem fio permite uma vasta gama de possibilidades para instalaçãode sistemas de telecomuni...
ABSTRACT             The communication wireless allows the vast screeches of possibilities goesinstallation of systems of ...
LISTA DE FIGURAS                 FIGURA 1.1 – LINHAS DE FORÇA DE UMA ONDA ELETROMAGNÉTICA(OLEXA, 2005).......................
FIGURA 3.2 – TOPOLOGIA EM MESH (INTEL [1])........................................44                 FIGURA 3.3 – INTERCON...
LISTA DE TABELASTabela 1.1 – Relação entre banda e freqüência com comprimento de onda       2                             ...
LISTA DE ABREVIATURAS3G        :   Tecnologias de telefonia celular de terceira geraçãoADS       :   Assymmetric Digital S...
NLOS      :   Non Line of SightOFDM      :   Orthogonal Frequency Division DuplexingOFDMA     :   Orthogonal Frequency Div...
16INTRODUÇÃO           A comunicação sem fio apresenta-se, quase sempre, como uma evolução aossistemas de comunicação sedi...
17comunicação em ambientes fechados e de curto alcance, atenuações e interferências tornam orendimento e resiliência da co...
181 TÓPICOS DE COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO               Neste capítulo serão discutidas noções de comunicação por ondas de rádi...
19             Onde: a freqüência (f) é medida em Hz e o comprimento de onda (w) medido emmetros.             Outra propri...
202. MODULAÇÃO            A Modulação é o processo através do qual uma onda portadora transmite umamensagem em forma de si...
21            As modulações AM, FM e PM provêem maneiras simples para converter o únicotipo de informação disponível na ép...
22menos robustos, portanto têm um potencial maior. Os receptores, todavia, necessitam de maispotência a fim de garantir o ...
23graus de um círculo completo), enquanto o número de estados de amplitude disponíveis éteoricamente infinito (OLEXA, 2005...
24              A técnica de modulação conhecida como QAM (Quadrature AmplitudeModulation) além de modular a fase, modula ...
25ou ser 1000 vezes mais potente que o ruído no canal, para que o sinal seja recebido edemodulado corretamente na recepção...
26potência (bateria). Desta forma, ou o sistema terá severos limites de cobertura, ou no piorcaso, o sistema será frágil e...
273 DUPLEXAÇÃO                Tanto receptores quanto transmissores são dispositivos autônomos capazes de secomunicar em u...
28outra faz o caminho inverso, sendo transmitida da estação do usuário para a estação base.Estes sistemas duplex tem a van...
29            OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é uma técnica detransmissão baseada na idéia de multiplexa...
30área de perda do sinal. A implementação desta flexibilidade aumenta a complexidade dosistema, porém, em contra-partida p...
31           A habilidade para superar o aumento de atraso para múltiplos caminhos e a ISI demaneira eficiente, permite ma...
32configurados separadamente para cada sub-canal, de acordo com as condições do canal paraotimizar o uso dos recursos na r...
33portadoras                 Figura 1.15 – Uplink em OFDM e OFDMA (WiMAX FORUM 2005)                                      ...
342 REDES SEM FIO            Neste capítulo será dada uma introdução aos aspectos gerais de redes redes decomuniçãçao sem ...
35tempo. Em OLIVEIRA (2005) os consultores estratégicos da Siemens, Marilson Soares eEduardo Lima colocam que       “Se le...
36           O Padrão mais conhecido de WPAN é o Bluetooth, definido pelo protocolo IEEE802.15.1 – revisão de 2002 (IEEE [...
37interligação de redes locais entre prédios localizados na mesma cidade ou em cidadespróximas. Um bom exemplo seria uma r...
38                 Figura 2.1 – Abrangência dos padrões de redes sem fio (INTEL[3])           Algumas tecnologias sem fio ...
393 O PADRÃO 802.16 E SUAS TECNOLOGIAS           Neste capítulo, será dado o enfoque especial à tecnologia WiMAX, baseada ...
40ao meio e fornece novas especificações à camada física, o que resulta na possibilidade deoperação em banda larga no inte...
41móveis inclusive com velocidades veiculares (até 100 Km/h) utilizando freqüências abaixo de6 GHz.           Outras modif...
42       •   IEEE Standard 802.16a-2003       •   IEEE Standard 802.16c-2002       •   IEEE Standard 802.16.2-2001        ...
43              O padrão 802.16 define que o serviço de comunicação deve persistir por um raiode vários quilômetros. Obvia...
44de ser recebido por nodos subseqüentes, que tornam a restransmití-lo e assim sucessivamenteaté que os dados cheguem ao s...
45            em grandes centros comerciais ou industriais, cada dispositivo tem vários            dispositivos próximos, ...
46                  Figura 3.3 – Interconexção de sistemas com WiMAX (INTEL [1])           A solução WiMAX para acesso fix...
47             A camada de enlace é composta por três subcamadas que, de baixo para cima temas seguintes funções:       • ...
48estendeu uma faixa de freqüências para 2 a 11 GHz, passando o padrão a operar agora comfreqüências licenciadas e não lic...
494.1.1 Duplexação dos Canais de Dados           Quase sempre, a capacidade que um meio tem de transmitir (banda passante)...
50upstream, em dado momento esta diferença pode diminuir ou até mesmo se inverter,dependendo da necessidade de comunicação...
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  1. 1. UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA REDES METROPOLITANAS SEM FIO:APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA WI-MAX Paulo Lourinho 2006
  2. 2. UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA – UNAMAPRÓ-REITORIA DE PESQUISA, PÓS-GRADUAÇÃO E EXTENSÃOCURSO 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
  3. 3. 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:
  4. 4. DEDICATÓRIA Para Isabela: Filha, perdoe a minha ausência
  5. 5. AGRADECIMENTOS Ao Mestre JORGE BECHARA, pelos conselhos breves, mas significativos para a conclusão desta tarefa.
  6. 6. “Os teimosos são os sublimes. Quem é apenas bravo temum só assomo, quem é apenas valente tem só um temperamento, quem éapenas corajoso tem só uma virtude; o obstinado, na verdade, tem a grandeza.” Victor Hugo in “Os trabalhadores do mar”
  7. 7. 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
  8. 8. 11.2. Aplicações do WiMAX.............................................................................8411.3. Certificação Wi-MAX...............................................................................85
  9. 9. RESUMO A comunicação sem fio permite uma vasta gama de possibilidades para instalaçãode sistemas de telecomunicações. Assim como a telefonia celular foi um salto evolutivo natelefonia, 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. Algunslimitados a poucos metros (WPAN), outros no âmbito de redes locais (WLAN) e haverá aindaas 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 qualtem sua abrangência bem determinada. No escopo deste trabalho, será estudado o padrão IEEE 802.16, definidotecnicamente como WMAN, e seus principais sub-padrões, conhecidos comercialmente comoWiMAX, uma tecnologia que suporta acesso fixo, nomâdico, portável e móvel. Funcionando numa topologia semelhante à de uma malha de telefonia celular, estepadrão apresenta uma série de características que o colocam como forte candidato a ser opadrão de facto para as redes sem fio em alguns anos. Dentre as características maisdestacáveis estão: esquema de modulação em OFDM, OFDMA e S-OFDMA, cujasdefinições permitem througput elevado e modulação adaptativa de acordo com a distância doponto de acesso às estações base, resultando em pontos com canais de melhor qualidade,garantindo rendimentos elevados na transferência do sinal, enquanto canais menosfavorecidos não perdem a conexão mesmo transmitindo a taxas de dados menores. Outras características são: a qualidade de serviço, que determina prioridades nosistema; a segurança intrínseca através da criptografia de dados, além do acesso com ou semlinha de visada dentro do intervalo de freqüência de 2 a 66 GHz. Todas indispensáveis para oacesso sem fio a longa distância. Para garantir as propriedades do padrão, são redefinidas somente subcamadasfísica 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 dadosbaseados em TCP/IP. Isto denota que esta tecnologia terá um grande potencial para permitir aconvergência dos sistemas das mais diversas origens, tais como redes locais ethernet comtelefonia 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 enomâdico e o 802.16e para acesso portável e móvel. Algumas soluções proprietárias baseadas nas definições do protocolo 802.16 jásão 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 ostestes de conformidade e interoperabilidade, cujo objetivo é disponibilizar para o mercado,uma série de equipamentos que atendam aos requisitos da tecnologia e sejam compatíveisentre si, o que permitirá que o usuário não fique dependente de um fornecedor, e aindafomentará a expansão da tecnologia WiMAX.
  10. 10. ABSTRACT The communication wireless allows the vast screeches of possibilities goesinstallation of systems of telecommunications. The well the cellular telephony it was anevolutionary jump in the telephony, the wireless networks they will be the jump in the datacommunications. 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 addslimited the few meters (WPAN), other in the extent of local area networks (WLAN) and therewill still be the metropolitan area networks (WMAN) and the networks of long distancewireless (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, definedtechnically WMAN, and their main sub-patterns, known commercially WiMAX, thetechnology that supports fixed access, nomadic, portable and piece of furniture. Working in the topology similar to the one of the mesh of cellular telephony, thispattern presents serializes her of characteristics that you put him the fort runs goes office thebeing the facto pattern goes the nets without thread in adds years. Among the most prominentcharacteristics they plows: modulation outline in OFDM, OFDMA and S-OFDMA, whosedefinitions allow high throughput, adaptative modulation in agreement with the distance ofthe 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 dont losethe connection even transmitting to rate of smaller date. Others characteristics plows: the service quality that determines priorities in thesystem; the intrinsic safety through the date encryption, besides the access with or withoutstamped line inside of the frequency interval from 2 to 66 GHz. All, indispensable goes theaccess without thread the long distance. To guarantee the properties of the pattern, they plows redefined only physicalssublevels 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 ofbased date in TCP/IP. This denotes that this technology will have the great potential to allowthe convergence of the systems of the most several origins, such the place area networksEthernet with cellular telephony, it goes instance. Due to these inherent definitions to the technology, the protocol 802.16 shouldbecome the market pattern, with two main sub-patterns: the 802.16-2004 goes fixed accessand nomadic and the 802.16e goes portable and movable access. It adds solutions based landladies in the definitions of the protocol 802.16 plowsalready found and they plows being applied in substitution to the installation of wi-finetworks (implementations of the protocol 802.11 goes Wireless LAN), today used attn themarket, with great advantages in relation to this technology. However they plows donenecessary still the conformity tests and interoperability, whose objective is to make availablegoes the market, serialize her of equipments that they assist to the requirements of thetechnology and that they plows compatible amongst themselves, what will allow the user notto be dependent of the supplier, and it will still foment the expansion of the technologyWiMAX.
  11. 11. 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 DIGITALSOBRE 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 PORTADORASOFDM (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 ASSUBPORTADORAS POSSUEM A MESMA AMPLITUDE (WIMAX FORUM, 2005)......32 FIGURA 1.14 – CANAL COM PORTADORA OFDMA: UM PILOTO PORGRUPO (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 XMOBILIDADE DOS PADRÕES DE COMUNICAÇÃO NÃO CABEADOS.......................38 FIGURA 3.1 - ARQUITETURA 802.16 (INTEL [3])..........................................43
  12. 12. 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 PADRÃO802.16 (INTEL)........................................................................................................................48 FIGURA 3.6 - DIVISÃO DOS QUADROS PARA DUPLEXAÇÃO PORDIVISÃO DE TEMPO.............................................................................................................50 FIGURA 3.7 - DUPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE FREQÜÊNCIA.................50 FIGURA 3.8 – CIRCUITO COM LINHA DE VISADA E ZONA DELIBERAÇÃO 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 ATÉA ÚLTIMA MILHA EM REDES WI-FI PONTO A PONTO (INTEL [1])............................72 FIGURA 3.12 – AUMENTO DO ALCANCE DE REDE WI-FI UTILIZANDOTOPOLOGIA EM MESH (INTEL [1])....................................................................................73
  13. 13. LISTA DE TABELASTabela 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
  14. 14. LISTA DE ABREVIATURAS3G : 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
  15. 15. 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 AccessWISP : Wireless Internet Service ProviderWLAN : Wireless Local Area NetworkWMAN : Wireless Metropolitan Area NetworkWPAN : Wireless Personal Area NetworkWWAN : Wiereless Wide Area Network
  16. 16. 16INTRODUÇÃO A comunicação sem fio apresenta-se, quase sempre, como uma evolução aossistemas de comunicação sedimentados. Bons exemplos dessas evoluções são o telégrafo semfio e a telefonia celular, ambos utilizando ondas de rádio para transmitir informação que numestado anterior utilizavam cabos para esse fim. Com as redes de computadores não está sendo diferente: O próximo estágio dacomunicação em sistemas de informação é a utilização de enlaces não cabeados. Redes dealcance limitado, como redes pessoais e redes locais, já são hoje uma realidade na vida demuitas pessoas. Os obstáculos tecnológicos, entretanto, ainda existem para a comunicaçãosem fio em redes de longo alcance, pois a persistência, confiabilidade e segurança do sinal dedados 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 ( WirelessWide Area Network – Redes de longo alcance sem fio) que se apresentam como propostascom soluções efetivas para a comunicação de dados sem fio em longo alcance. Em regiões onde a implantação de sistemas cabeados não é técnica oueconomicamente viável, a possibilidade de se utilizar um sistema de comunicação de dadosaplicando 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 autilização de redes de longo alcance sem fio traz, certamente, muitos benefícios quando desua utilização, já que a região se caracteriza pela presença maciça de florestas e rios. Apassagem de cabos entre cidades do interior do estado pode tornar proibitivo o investimentoem um sistema de comunicação com as instalações cabeadas tradicionais por conta destesempecilhos naturais. O novo padrão IEEE 802.16 surge como uma alternativa viável economicamentee tecnicamente para a implantação de sistemas de comunicação de dados privados e públicosde longa distância, já que as definições do padrão determinam que este deve transporintempéries climáticas, e de ordem física como barreiras causadas por densidade florestal ouurbana mesmo sem linha de visada. Soluções adotadas hoje utilizando tecnologia do padrão 802.11 não suprimemnecessidades reais de comunicação de longo alcance, já que o protocolo foi planejado para
  17. 17. 17comunicação em ambientes fechados e de curto alcance, atenuações e interferências tornam orendimento e resiliência da comunicação, inaceitáveis para sistemas de comunicações reais. Oalcance é outro fator não contemplado para o padrão de rede local sem fio. A tecnologia comercialmente conhecida como WiMAX (WorldwideInteroperability for Microwave Access) cujas definições vem de encontro às necessidades dacomunicação de longo alcance fixo, nomândico e móvel pois apresenta resiliência do canal dedados e atende a critérios de segurança utilizando criptografia no nível físico além dapossibilidade de trabalhar com freqüências na faixa não licenciada o que pode ser entendidocomo economia para implantação dos circuitos. A interoperabilidade é garantida mantendo transparência do padrão com ascamadas superiores da arquitetura de protocolos baseadas no padrão TCP/IP. Aspectos que aindicam como forte candidata a ser o padrão de facto para a comunicação de longo alcancesem fio. O padrão 802.16 pode ainda promover a convergência entre sistemas decomunicação de dados tradicionais cabeados e não cabeados, como por exemplo, entre asredes ethernet e a telefonia celular, possibilitando com isso uma gama interminável deaplicações entre sistemas de comunicação distintos. Acreditando nestas premissas, pretende-se neste trabalho detalhar os princípiosnecessários 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 emdesenvolvimento, observando-se as camadas da arquitetura que são exclusivas à estrutura dopadrão. A comparação do padrão com outras tecnologias de comunicação sem fio,pretende esclarecer vantagens e desvantagens da tecnologia, indicando seu campo de atuaçãode forma coerente. Mesmo sem estar terminado, fabricantes já apresentam equipamentos que operamcom as definições do padrão 802.16. Alguns destes equipamentos serão apresentados como do“pré-padrão”, onde serão comentadas questões como o intercâmbio entre equipamentos dediferentes fabricantes. Para finalizar a pesquisa, serão discutidas tendências para o futuro do padrãoanalisando os prós e contras da adoção de WiMAX, em quais campos esta tecnologia deveapresentar mais ganhos e quais as perspectivas para sua utilização a curto e médio prazo.
  18. 18. 181 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, buscandofornecer 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 alternadaque 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 retoem relação às linhas de força elétrica e ambas as forças são perpendiculares à direção depropagação da onda. A onda pode tomar qualquer posição com relação à terra, e ao plano sobre o qualse propaga chama-se frente de onda. Campo elétrico Direção de Campo propagação magnético da 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 definidacomo a quantidade de vezes em que se completa o ciclo da onda na unidade de tempo. Afreqüência é medida em cliclos por segundo ou Hertz (Hz) ; e o comprimento de onda (w), doinglês, wavelength definido como o comprimento da senóide1 formada pela onda, que é, narealidade, o ciclo de onda completo medido em metros. Estas duas características sãoinversamente proporcionais entre si na seguinte relação: w = 300/f1 É chamada assim porque lembra o gráfico de uma função seno
  19. 19. 19 Onde: a freqüência (f) é medida em Hz e o comprimento de onda (w) medido emmetros. Outra propriedade de uma onda á amplitude, que representa a máxima distânciada onda perpendicular à sua frente de onda. Amplitude tempo Freqüência ou Comprimento de onda Figura 1.2 – Elementos fundamentais da onda (OLEXA, 2005) O campo de RF é definido pelas faixas de freqüências, agrupadas segundopropriedades comuns de atenuação e propagação dos espectros (tabela 1.1). Os intervalos defreqüências são divididos em canais individuais. Estes canais não são nada mais do quepequenos espectros destinados a um transmissor e a um receptor com a atribuição exata de suafreqüência, podendo variar seu tamanho e quantidade espectral, características ditadas pelafaixa e tipo de serviço a ser oferecido em um canal de comunicação. Comprimento de ondaDesignação Abreviação Freqüências (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 paratransportar mensagens digitais sobre longas distâncias. Ondas com diferentes freqüênciaspossuem propriedades diferentes. Por exemplo, ondas luminosas são visíveis a olho nu e nãoatravessam paredes, já as ondas de rádio, especialmente as de baixa freqüência podematravessar paredes e são difratadas em estruturas de concreto. Entretanto, são absorvidas porestruturas metálicas.
  20. 20. 202. MODULAÇÃO A Modulação é o processo através do qual uma onda portadora transmite umamensagem em forma de sinal digital (séries de zeros e uns). Existem, basicamente, trêsmétodos 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, estetipo 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 demodulação, como difusoras de rádio FM tendem a ser mais resilientes do que os sistemas qutilizam AM. A Modulação por chaveamento de fase (PSK – Phase shift keyin) troca a fase daportadora de acordo com a mensagem digital q está sendo transportada. Sinal digital Portadora analógica Sinal ASK Sinal FSK Sinal PSK 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
  21. 21. 21 As modulações AM, FM e PM provêem maneiras simples para converter o únicotipo de informação disponível na época de sua invenção: o áudio. Quando a informaçãodigital tornou-se disponível, estas técnicas de modulação tiveram que ser adaptadas paratransmitir também informação digital. É importante lembrar que uma portadora de RF é uma senóide, portanto, um sinalanalógico por natureza. Para transmitir uma informação digital numa portadora de RF, énecessário 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 ainformação digital para tons de freqüência de áudio que assim poderiam ser transmitidos erecebidos em um canal de rádio ou uma portadora telefônica. Originalmente, os modemsgeravam 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 pormodems seriais (OLEXA, 2005). A quantidade de dados a serem transmitidos, aumentou com o decorrer do tempoe o modem simples de dois tons tornou-se incapaz de confrontar-se com as exigênciascrescentes de throughput2. O desenvolvimento da lógica digital e o aumento no poder deprocessamento responsável pela exigência crescente de largura de banda permitirammanipular e modular a onda portadora de maneiras mais complexas. “Preferencialmente, asportadoras 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-sealgum dos seguintes elementos da portadora: tempo, amplitude, freqüência e fase. Estesvalores são regidos pelo princípio universal de TINSTAAFL existente em comunicações viarádio. Qualquer técnica de modulação selecionada faz intercâmbios entre a ocupaçãoespectral, taxa máxima de informação, exigência de potência e a robustez do sinal. O princípio de TINSTAAFL é conhecido atualmente como “Teoria de Informaçãode Shannon”. Em um artigo entitulado “A Mathematical Theory of Communication”publicado em 1948, encontrado em Olexa (2005), Shannon afirma que “Devido a entropia, aincerteza é um fato da vida em um canal de comunicação”. Em outras palavras: a modulaçãosimples é bastante robusta, entretanto esta robustez trás severas limitações à capacidade detransmissão, já que não há garantia de chegada do sinal no receptor. Sistemas complexos são2 É a quantidade de dados transmitida na unidade de tempo. Quanto maior o thoughput, mais dados sãotransmitidos.
  22. 22. 22menos robustos, portanto têm um potencial maior. Os receptores, todavia, necessitam de maispotência a fim de garantir o recebimento da transmissão. A transmissão de uma informação é regida por variáveis que determinam atransação. Entre elas estão: largura de banda do sinal digital, taxa de transferência, capacidadedo canal de transmissão, ruído, interferência, complexidade da modulação, atraso depropagação, confiabilidade do canal, potência de transmissão, sensibilidade do receptor ealgoritmos de verificação e correção de erros. Estas variáveis têm efeitos na precisão e taxa deerros do sinal recebido. Uma das mais importantes aplicações da teoria de Shanon, édeterminar a negociação entre as variáveis envolvidas (Olexa, 2005). Isto permite que oprojetista faça o balanceamento do sistema para a situação ótima. A comunicação digital moderna tem elevadas exigências de throughput, já quedevido a grande quantidade de informação a ser transmitida, os espectros ficamsobrecarregados. Técnicas mais avançadas de modulação são necessárias a fim de obter othroughput desejado nos canais disponíveis. Tais técnicas ainda utilizam características damodulação em fase e amplitude, porém com implementações mais complexas a fim depermitir o aumento do throughput no canal de dados. As transmissões digitais necessitam transmitir simplesmente zeros e uns. Não sefaz necessário modular para suportar sinais analógicos. Isto é obtido simplesmente com doisestados de fase e amplitude: um representando 0 (zero) e outro representando 1 (um). Estatécnica 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 outraspalavras, 0º transmite o bit 0 180º transmite o bit 1. 90º 0º = 0 180º = 1 180º 0º 270º 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
  23. 23. 23graus de um círculo completo), enquanto o número de estados de amplitude disponíveis éteoricamente infinito (OLEXA, 2005), [sic] já que se trata de portadoras analógicas.Modulações atuais permitem a codificação de mais bits por transição, fazendo com que nomesmo 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 possíveltransmitir mais às mesmas distâncias. Baseada nesta teoria, a modulação QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) utilizaquatro fases distintas (adiciona 90 e 270 graus) à BPSK separadas 90º entre si. Assim podemser transmitidos dois bits por símbolo. Cada fase de símbolo e comparada relativamente aosímbolo 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 si45º onde serão representados 3 bits por transição, a chamada modulação 8PSK. Cada uma destas modulações é mais eficiente que a anterior, pois transmite maisbits por segunto. Em contra-partida, segundo a teoria de Shannon, quanto mais bitstransmitidos mais susceptível será o sinal à perda de informação em um meio que não estejanas condições ideais para transmissão de sinais de rádio. 90º Fase Padrão 0º = 00 90º = 01 180º = 10 270º = 11 180º 0º 270º Figura 1.5 – Modulação QPSK (OLEXA, 2005) No caso da necessidade da correção de sinais transmitidos, é bem mais simplescorrigir apenas dois estados distintos entre si em 180º do que corrigir oito estados distintosentre 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 othrougput necessário para aplicações atuais ainda não foi alcançado (OLEXA, 2005). Parasuperar estas limitações a amplitude da portadora volta a ser utilizada para transmitir bitsadicionais.
  24. 24. 24 A técnica de modulação conhecida como QAM (Quadrature AmplitudeModulation) além de modular a fase, modula conjuntamente a amplitude em um processobastante simples: se estão disponíveis dois estados de fase (BPSK) a modulação QAMadiciona duas amplitudes distintas para cada fase, tendo então disponíveis 4 transições desinal, cada uma com dois bits, equivalendo portando à modulação QPSK Conforme ilustra afigura 1.6. 90º Fase amplitude Padrão 0º 0 00 0º 1 01 180º 0 10 180º 1 11 180º 0º 270º Amplitude 0 Amplitude 1 Figura 1.6 – Modulação QAM (OLEXA,2005) Logicamente, adicionando duas amplitudes à modulação QPSK, é possível obteruma taxa de transmissão de QAM 8 , equivalente a 8PSK. Na 16-QAM cada símbolorepresenta quatro bits ao invés de dois bits representados com o QPSK. Na figura 1.7, cadaponto indica uma única amplitude e fase da onda. 0110 3 1010 0010 1110 1 Amplitude 0011 0111 1111 1011 0 -3 -1 1 3 -1 1001 0001 0101 1101 -3 0000 0100 1100 1000 Fase Figura 1.7 – Quadrature Amplitude Modulation 16-QAM (Intel [4]) A incerteza associada com a recepção, interpretação e correção de um únicoestado acima de 256 é extremamente alta. Na verdade a portadora deve ter no mínimo 30 dB
  25. 25. 25ou ser 1000 vezes mais potente que o ruído no canal, para que o sinal seja recebido edemodulado corretamente na recepção (OLEXA.2005), por isso, estas modulações complexassomente devem operar em meios livres de ruídos e que necessitam de um incrementosignificativo de potência em relação às modulações com menor grau de complexidade. Linksde microondas fixos e comunicações que utilizam cabos coaxiais como cable modems podemutilizar este tipo de modulação por apresentarem ruído e atenuação muito baixos.Transmissões utilizando BPSK necessitam somente de 6 dB ou quatro vezes maiores que oruído do meio. Por esta razão, para planejar sistemas móveis são preferíveis modelos maissimples de modulação, uma vez que com eles é mais fácil garantir a recepção da informação. Modulação BPSK QPSK 8PSK 16QAM 64QAM Bits por transição 1 2 3 4 6 Tolerância à atenuação alto baixo Exigência de Interferência de 6dB 12dB 18dB 18dB 24+dB portadora e atenuação Tolerância a ruídos e interferências alto baixo Área de serviço grande pequena Figura 1.8 – Diagrama de comparação de modulações (OLEXA, 2005) A ação de balanceamento é o equilíbrio entre a potência e o espectro de bandapara um dado throughput. Quanto mais simples a modulação envolvida, mais baixa é apotência requerida para cobrir determinada área, sem esquecer que o limite do throughputserá reduzido. Por outro lado, modulações complexas requerem mais potência para cobrirdeterminada área, entretanto aumentam a capacidade de transmissão dentro do canal. Umamodulação muito complexa pode exigir muita potência, o que é prejudicial para dispositivosportáteis pois será muito curto o período de funcionamento do dispositivo fornecedor de
  26. 26. 26potência (bateria). Desta forma, ou o sistema terá severos limites de cobertura, ou no piorcaso, 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 decomunicação de dados não pode tolerar erros. Caso o sinal transmitido não seja recebido100% corretamente, a transmissão estará inutilizada e a informação deve ser retransmitida.Como a incerteza está associada com qualquer recepção de sinal, todos os sistemas decomunicação digital implementam algoritmos para checagem e correção de erros causados natransferência 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 nainformação transmitida, fazendo com que a quantidade de informação transmitida seja, narealidade, maior do que a informação útil. Diferentes ordens de modulação permitem que sejam enviados mais bits porsímbolo, conseguindo assim throughputs mais elevados ou melhores eficiências espectrais.Entretanto, deve-se notar que ao utilizar uma técnica de modulação como QAM 64, queapresenta elevada taxa de transmissão, é necessário que a relação sinal/ruído seja bastantefavorável para superar toda a interferência e manter uma taxa aceitável de erros. Se a distânciaaumenta, a relação sinal/ruído diminui, devido ao aumento de interferências, então o canalfica impróprio para transmitir altas taxas de dados já que os erros recebidos irão muitas vezesexigir retransmissão, o que faz com que todo o esforço de transmissão seja em vão. Parasituações onde a relação/sinal ruído é desfavorável à transmissão, é sempre mais adequadoutilizar esquemas de modulação com menor taxa de transmissão, como o BPSK. Assim, se adistância aumenta, a taxa de transmissão deve ser diminuída para garantir a resiliência dacomunicação. O Uso de modulação adaptativa permite que sistemas de comunicação sem fioadotem 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 àdistância do ponto de origem do sinal. 3 Overhead é o acréscimo de informação numa mensagem.
  27. 27. 273 DUPLEXAÇÃO Tanto receptores quanto transmissores são dispositivos autônomos capazes de secomunicar em um único sentido. Os sistemas de comunicação de dados wireless necessitamcomunicar-se em ambos os sentidos (sistemas duplex). Um canal duplex, é uma via decomunicação “em mão dupla”, ou seja, em ambos os sentidos da transmissão, tornando osistmea de comunicação mais eficaz. Chama-se duplexação às técnicas que permitem tornar um canal, uma via decomunicação 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 sinaisrecebidos e transmitidos. Isto é realizado pela divisão do tempo de canal de forma rápida osuficiente para que tanto transmissores quanto receptores vejam um fluxo contínuo deinformação. O canal é temporariamente dividido em slots4 de tempo para transmissão e slotsde tempo para recepção com um intervalo de tempo entre eles para guarda do tempo de trocada sinalização. TDD é uma técnica muito utilizada em sistemas que experimentam tráfegoassimétrico, porque os slots de tempo podem ser alocados assimetricamente, atendendo ànecessidade real de transmissão. Não obstante, devido ao método utilizado, tanto a estaçãobase 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 freqüênciasdistintas e com uma separação entre eles para que não hajam interferências no canal decomunicação. Uma das freqüências é transmitida da estação base para o ponto remoto e a4 É um intervalo de tempo muito pequeno de tamanho padrão para as operações de transmissão de dados.
  28. 28. 28outra 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 aseparação entre as freqüências de 45 MHz, ou mais, assegura que não haverão interferênciasentre transmissor e receptor.4 MULTIPLEXAÇÃO Multiplexação são técnicas que permitem a transmissão de em um mesmo meiofísico (SOARES, LEMOS, COLCHER, 1995). Analogamente à duplexação, a multiplexaçãopode ser feita na divisão do tempo (TDM - Time Division Multiplexing) ou na divisão dafreqüência (FDM – Frequency Division Multiplexing). Assim como acontece na duplexação na divisão do tempo (TDD), a TMD é feitapela divisão de pequenos intervalos de tempo (slots) entre todos os canais que desejamtransmitir. A multiplexação na divisão da freqüência é conseguida com os seguintes passos: 1. Os sinais que deverão ser multiplexados são filtrados, de maneira a preservarsomente a faixa necessária a cada um deles (figura 1.9) 2. As faixas de freqüências originais do segundo e terceiro sinais é deslocada demaneira que todos ocupem faixas diferentes e sem sobreposições (figura 1.9). C0 C1 C2 0 Hz C0 C1 C2 Figura 1.9 – Multiplexação na freqüência (FDM) (SOARES, LEMOS, COLCHER, 1995) Assim, todos os sinais poderão ser transmitidos simultaneamente no mesmo meiofísico, já que cada um deles ocupa agora um canal (banda) distinto com o tamanho específicopara sua sua transmissão, o que garante que não haverão interferências.4.1 Multiplexação por Divisão Ortogonal de Freqüência (OFDM)
  29. 29. 29 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é uma técnica detransmissão baseada na idéia de multiplexação por divisão de frequencia (FDM). Porém, aoinvés de utilizar uma portadora única, a modulção OFDM utiliza um grande número depequenos canais sobrepostos para transmissão de dados. Cada um destes sub-canais (tambémchamados “tons”) de forma que cada ton aparenta ser uma portadora independente. Há entreeles uma sobreposição precisa de freqüências para prover ortogonalidade. O pico da portadoramodulada é alinhado com o vale das portadoras adjacentes(figura 1.9). Esta técnica faz comque demoduladores distintos não vejam outros sinais que não sejam seu próprios. Asvantagens 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 reflexõesperceptíveis, ou seja, o sinal enviado chega ao receptor por vários caminhos percorrendodistâncias diferentes, o que causa distorção no sinal recebido. Primeira subportadora Segunda subportadora Terceira subportadora Figura 1.10 – Ilustração de um espectro de três portadoras OFDM (OLEXA, 2005) A desvantagem é que a OFDM é mais susceptível a interferências, especialmenteem dispositivos de banda básica, o que requer osciladores extremamente estáveis e quepossam tolerar uma pequena variação de freqüência. Em OFDM, cada uma das portadoras ortogonais pode ser modulada com um sinalBPSK ou QAM, isto pode ser feito graças à característica dos canais funcionarem comoindependentes, a modulação escolhida em cada canal pode ser relacionada de acordo com a
  30. 30. 30área de perda do sinal. A implementação desta flexibilidade aumenta a complexidade dosistema, porém, em contra-partida permite o máximo throughput já que é capaz de alocar afreqüência dinamicamente, de acordo com a área de queda do sinal. Assim, se uma certaportadora ocupa uma freqüência com distorção, o sinal pode ser comutado para umafreqüência mais baixa; se em contrapartida não houver queda do sinal da portadora, ela podeoperar no nível máximo de modulação. A modulação por divisão ortogonal de freqüência oferece operações com meioseficientes para superar as dificuldades da transmissão sem linha de visada. O formato da ondautilizada na OFDM tem a vantagem de operar com maior atraso de propagação para oambiente 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-symbolinterference), problemas e complexidades da equalização adaptativa. Como o OFDM écomposto por múltiplas portadoras ortogonais de faixa estreita, a perda seletiva é localizadaem 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. Ainformação é enviada em série num sinal de portadora única e em paralelo para um sinal deOFDM. (figura 1.11) (WiMAX FORUM [3])
  31. 31. 31 A habilidade para superar o aumento de atraso para múltiplos caminhos e a ISI demaneira eficiente, permite maior taxa de tráfego de dados. Como mostra a figura 1.12, é maisfácil pois existem menos perdas, equalizar as portadoras de OFDM individuais que equalizarum 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 éconsiderado a tecnologia para a quarta geração de sistemas de telefonia celular, eequipamentos para comunicação de dados padronizados sendo cada vez mais utilizado pelosfabricantes (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 (WiMAXFORUM [3]).4.2 Divisão Ortogonal de Freqüência para Múltiplos Acessos (OFDMA) Como evolução à técnica OFDM, surge a OFDMA (Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access), que implementa vantagens em relação a primeira: Em OFDM osdispositivos de usuário assumem slots de tempo para transmissão, mas somente umdispositivo poderá transmitir durante determinado slot. Nesta técnica, todas as portadoras sãotransmitidas em paralelo com a mesma amplitude (figrua 1.13). A OFDMA divide a portadoraem grupos (Ng), cada um com uma quantidade de portadoras Ne e Ne subcanais. Cada canalcom um piloto por grupo utilizando 2048 portadoras por instância, isto significa que Ne=32 eNg=48 em downlink e Ne=32 e Ng=53 em uplink. As portadoras remanescentes são usadaspara guardar as bandas (figura 1.14). Assim, codificação e modulação em amplitude são
  32. 32. 32configurados separadamente para cada sub-canal, de acordo com as condições do canal paraotimizar o uso dos recursos na rede, outra vantagem é que em OFDMA, a subcanalizaçãopermite 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) OFDM ... Portadora OFDM Freqüência (portadoras) Figura 1.14 – Canal com portadora OFDMA: um piloto por grupo (WiMAX FORUM, 2005) Grupo 1 Grupo 2 Grupo Ng ... ... ... ... ... Freqüência (portadoras) Ne Portadoras Piloto Subcanal 1 Portadoras Subcanal 2 OFDMA Subcanal 3
  33. 33. 33portadoras Figura 1.15 – Uplink em OFDM e OFDMA (WiMAX FORUM 2005) Sub-canais ... ... Usuário 1 Usuário 2 Usuário 3 Usuário 4 Símbolo FFT tempo tempo
  34. 34. 342 REDES SEM FIO Neste capítulo será dada uma introdução aos aspectos gerais de redes redes decomuniçãçao sem fio, mostrando conceitos e avaliando necessidades, bem como classificandoas 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, sãotecnologias que permitem a comunicação de equipamentos por meio de enlaces decomunicação não cabeados, isto é, utilizando somente o ar como meio de transmissão, atravésda emissão e recepção de ondas eletromagnéticas, em oposição à maioria das redes decomunicação hoje utilizadas, que necessitam de cabeamento para efetivarem comunicação. Atecnologia de comunicação sem fio já faz parte do cotidiano das pessoas em aparelhos comocontroles-remotos e telefones celulares. A aplicação de canais sem fio para a comunicação dedados 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, umgrande facilitador para provimento de comunição de dados, pois a instalação de um parque decomunicação de dados baseado nesta tecnologia exime a necessidade de se transpassar cabosde comunicação através dos pontos que deverão se comunicar. Esta característica emparticular é muito promissora em regiões como o estado do Pará, que possui extensa áreaterritorial onde, muitas vezes, a passagem de cabeação, seja metálica ou óptica, é umcomplicador de grande complexidade, pois além da dá já citada distância, existem regiõescom matas fechadas e grande quantidades de rios e córregos, o que dificulta mais ainda autilização de enlaces cabeados. Os padrões propostos para redes não cabeadas de longo alcance, visam permitirfonecimento de um serviço de comunicação de qualidade a distâncias consideráveis e comcustos reduzidos, pois o custo de instalação inicial dos equipamentos será diluído ao longo do
  35. 35. 35tempo. Em OLIVEIRA (2005) os consultores estratégicos da Siemens, Marilson Soares eEduardo Lima colocam que “Se levarmos em conta que mais de 80% dos municípiosbrasileiros possuem um raio médio de 15 quilômetros de extensão, sabemos que com umaúnica 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 pequenosmunicípios 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 tornaratraentes e as operadoras chegarão às residências que precisam de acesso em banda larga comum modem ADSL e um WiMAX...”. A autora do artigo também afirma que “...projeções doinstituto de pesquisas Pyramid Research apontam que a tecnologia WiMAX dominará 60% domercado mundial de banda larga sem fio em 2008.” Deve se ter em mente que uma vez substituída a tecnologia cabeada pelatecnologia sem fio, a manutenção destes circuitos tem um valor bem abaixo do custo mensalde linhas privativas de comunicação de dados, já que estas exigem investimento mensal com aas concessionárias de telecomunicações, o que se torna desnecessário com utilização de redessem fio metropolitanas, principalmente se forem utilizadas freqüências não licenciadas.3 CLASSIFICAÇÃO E PADRÕES IEEE publicou os padrões para redes não cabeadas como subcategorias do padrão802. nos subpadrões existentes são contemplados, basicamente, quatro classes de redes semfio 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) temalcance de comunicação de até algumas dezenas de metros, o que sugere a abrangência emtorno do indivíduo, nestas redes a comunicação se dá entre dispositivos pessoais comotelefones celulares, notebooks, PDA’s ou fones de ouvido, equipamentos que mesmo estandoem locais diferentes como bolsos, pastas e etc, não necessitam de tanta velocidade decomunicação e o alcance necessário para seu funcionamento é bastante limitado.
  36. 36. 36 O Padrão mais conhecido de WPAN é o Bluetooth, definido pelo protocolo IEEE802.15.1 – revisão de 2002 (IEEE [a]). Com alcance sugerido de 10m e velocidadeaproximada de 1Mbps. Há também na classificação WPAN, a tecnologia de rede definida pelo padrãoIEEE 802.15 conhecida como UWB Ultra Wide Band (banda ultra larga). Uma tecnologia debaixo consumo de energia (cerca de 1/10 000 a potência de um celular convencional), e comalta taxa de transmissão, pois é capaz de alcançar 500 Mbps por até 4m de distância. Estascaracterísticas fazem com que 1) o sinal transmitido pelo UWB se misture com outros sinaiswireless, como um ruído e; 2) ele é tão poderoso que é capaz de transmitir filmes através dasparedes "Moving Through the Wall". Segundo PRADO[2], “Ele será "campeão" (ou killertechnology) na eliminação de cabos” pois será capaz de conectar equipamentos comofilmadoras 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 muitopequena (de apenas 1 Megabit por segundo - Mbps).”3.2 Redes Locais Sem Fio As redes WLAN (Wireless Local Area Network) sugerem a mesma abrangênciadas LAN’s, ou seja distâncias limitadas por um prédio comercial, ou talvez um campus. Anormatização da WLAN é definida no padrão IEEE 802.11 conhecido comercialmente comoWi-Fi. (Wireless Fidelity) Este padrão provê a comunicação entre estações a uma velocidadede até 11 Mbps num raio de cobertura de 100m. Atualmente grande maioria das soluções semfio disponibilizadas no mercado são baseadas nesta tecnologia que foi projetada paraambientes internos mas, na prática, está sendo utilizada muitas vezes como solução paracomunicação externa, especialmente na versão 802.11g deste protocolo.3.3 Redes de Longo Acance Sem Fio3.3.1 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 raiode até 50 Km, o que sugere a área de uma cidade. O padrão que normatiza as WMAN’s é oIEEE 802.16. As definições deste protocolo inserem características desejaveis para a
  37. 37. 37interligação de redes locais entre prédios localizados na mesma cidade ou em cidadespróximas. Um bom exemplo seria uma rede WiMAX atendendo à região metropolitana deBelém. Segundo PRADO [3], “o padrão IEEE 802.16 [sic] (inicial) utiliza um esquema demodulação 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 novaextensão, definida no padrão IEEE 802.16a, que foi ratificada em janeiro de 2003 opera numafaixa 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 comdetalhes 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 paratráfego nativo de IP com acesso à banda larga de forma completamente móvel (até 250Km/h). Este padrão foi estabelecido em fevereiro de 2002 , um pouco antes da ratificação do802.16. Segundo PRADO[4], “...ele proporcionará taxas de transmissão simétricas de 1 Mbpsa 4 Mbps em espectros licenciados abaixo de 3,5 GHZ em distâncias de 15 km, utilizandomodulação OFDM”. O grupo do 802.20 foi criado antes do início do 802.16e. entretanto conflitos nocomitê 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 deterceira geração (3G) como CDMA2000 (Code-Division Multiple Access – Múltiplos acessospor divisão de código) e GMRS (General Mobile Radio Service – Serviço geral de rádiomóvel) (OLEXA, 2005). Mas, segundo PRADO[1], se este padrão vier a ser concorrente doWiMAX, não deverá suplantá-lo, uma vez que o WiMAX já estará consolidado. A figura a seguir ilustra a abrangêngia das redes não cabeadas:
  38. 38. 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 paracomunicação em telefonia celular. A figura a seguir ilustra os padrões de comunicação semfio em alcance, velocidade e mobilidade.Figura 2.2 – Comparação alcance X velocidade X Mobilidade dos padrões de comunicação não cabeados.
  39. 39. 393 O PADRÃO 802.16 E SUAS TECNOLOGIAS Neste capítulo, será dado o enfoque especial à tecnologia WiMAX, baseada noprococolo 802.16, com estudos de seus conceitos, características, variações, aplicações epersprctivas 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 normastécnicas, promoveu uma reunião conhecida como N-WEST (National Wireless EletronicsSystems Testbed) que deu início as atividades do comitê responsável por definir os padrões802.16. Após quatro anos o grupo havia desenvolvido a base necessária para os padrõessubseqüentes. O IEEE 802.16 WMANs (também chamado IEEE802.16-2001) “Air Interface forFixed Broadband Wireless Access Systems” foi aprovado em 6 de dezembro de 2001 (IEEEStd 802.16-2001™ ) e publicado em 8 de abril de 2002. Este padrão especifica a interfaceaérea para sistemas de banda larga do tipo ponto-multiponto, estacionárias operando nointervalo 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 setembrode 2001, “Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access Systems” (Coexistência paraAcesso de sistemas sem fio de banda larga) (IEEE Std 802.16.2-2001™) especifica práticasrecomendadas para minimizar a interferência em sistemas estacionários de banda larga paraacessos sem fio, conhecidos como BWA (Broadband Wireless Access – Acesso de bandalarga) no intervalo de freqüência de 10,0 e 66,0 GHz. Neste documento há um foco particularpara o intervalo de 23,5 a 43,5 GHz, analisando a coexistência entre os cenários e fornecendoorientação 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 LayerSpecifications for 2 - 11 GHz” que foi aprovado em 29 de janeiro de 2003 e publicado em 1de abril de 2003, é um aditivo ao 802.16-2001. Este novo padrão enfatiza a camada de acesso
  40. 40. 40ao meio e fornece novas especificações à camada física, o que resulta na possibilidade deoperação em banda larga no intervalo de freqüências licenciada e não licenciada entre 2 a 11GHz utilizando instalações estacionárias para serviços múltiplos. A camada de enlace, é capazde suportar várias especificações da camada física otimizadas para as faixas de freqüência dasaplicações. Esse padrão inclui ainda especificações para camada física aplicáveis aos sistemasque funcionam entre 2 e 66 GHz. (IEEE Std 802.16a™-2003) Em março de 2003 foi acrescentado ao 802.16a, uma extensão para o acessoNLOS (Non-Line of Sigh – sem linha de visada) em bandas de freqüência mais baixas de 2,0 a10,0 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 decobertura de 50 para 80 Km. Até então o padrão 802.16 suportava apenas o padrão LOS (Lineof 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 daespecificação de perfis de sistema no intervalo de bandas entre 10 e 66 GHz. Neste aditivo sãocorrigidos erros e inconsistências existentes no 802.16-2001. O IEEE 802.16d foi publicado em 29 de setembro de 2003, e teve sua extinçãopublicada 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 suaaprovação prévia em 24 de junho de 2004. Este é um dos padrões atualmente em vigor, elerevisa 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 modulaçãopor portadora única. Para freqüências abaixo de 11 GHz é viável prover transmissão de sinalsem linha de visada com três tipos de modulação possíveis OFDM, OFDMA e modulação porportadora única (IEEE Std 802.16 TM- 2004). O IEEE 802.16e, também conhecido como IEEE 802.16-2005, foi aprovado em 7de 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 desenvolvimentoglobal para o acesso de banda larga sem fio. Ele repara e completa o padrão anterior quecontemplava o acesso MANs sem fio, mas suportava somente o acesso fixo e nomâdico. Aemenda 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. 41. 41móveis inclusive com velocidades veiculares (até 100 Km/h) utilizando freqüências abaixo de6 GHz. Outras modificações básicas que ocorreram na mudança do 802.16d para o802.16e são a) A Camada física utiliza um esquema de modulação S-OFDMA (ScalableOrthogonal Frequency Division Multiple Access) cuja definição permite associar umsubconjunto de subportadoras para diferentes usuários possibilitando com isso que váriosusuários conectem-se simultaneamente com a mesma freqüência sem que hajaminterferências. Cada usuário será tratado isoladamente independendo de localização, distânciada EB, interferência e requisitos de potência. É importante ressaltar que a utilização destamodulação, que altera a especificação original do padrão, o tornou incompatível comWiMAX 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 emprimeiro de dezembro de 2005. Este, padrão é uma emenda ao IEEE 802.16-2004. Aindaestão em andamento nos pré-padrões o 802.16h e 802.16i, e em desenvolvimento o padrão802.16g. (IEEE 802.16). Em resumo, conforme informação da organização responsável pela especificaçãodos padrões (IEEE) encontradas em (IEEE 802.16), a utilização dos documentos referentes àpadronização atual (06/03/2006),é a seguinte: Padrões Aprovados Aguardando Publicação: • IEEE Standard 802.16e 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. 42. 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 P802.16d2 A ARQUITETURA 802.16 A arquitetura sem fio para redes metropolitanas que, atualmente, utiliza ospadrões 802.16-2004 e 802.16e, comercialmente conhecida como WiMAX (WorldwideInteroperability for Microwave Access - ou interoperabilidade mundial para acesso pormicroondas), lembra a configuração de uma estrutura de comunicação tradicional paratelefonia celular (figura 3.1), com estações-base (EB) estrategicamente instaladas utilizandoconexões ponto-a-ponto entre sí e conexões ponto-multiponto entre as EB e os pontos deacesso ao serviço. Exatamente como na telefonia celular, a área de cobertura de uma antena échamada célula. Teoricamente, as células tem um acance de 75 Km porém, na prática, essealcance está limitado a cerca de 35 Km. Os primeiros padrões definidos pelo comitê do 802.16 não ultrapassavam 10 Kmde alcance, isto porque a freqüência utilizada no padrão inicial (10 a 66 GHz) têm umadificuldade 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 defreqüências mais baixas (entre 2 e 11GHz). Nesta faixa, as ondas de rádio conseguem penetrarem prédios ou outros obstáculos, o que permite a comunicação mesmo que antenas dosclientes não estejam necessariamente direcionadas para a estação base, tornando a transmissãomais prática e condizente com o cenário envolvido.
  43. 43. 43 O padrão 802.16 define que o serviço de comunicação deve persistir por um raiode vários quilômetros. Obviamente, isto depende da freqüência e potência do transmissor e dasensibilidade do receptor. Em áreas com elevada densidade populacional, o raio de alcancepode ser reduzido para que haja a reutilização de freqüências exatamente da mesma forma queacontece com a limitação no tamanho das células em telefonia celular. Isto é devido àlimitação do espectro disponível. Por conseguinte, se a quantidade de usuários inseridos noalcance máximo do padrão ultrapassar a capacidade do espectro, o alcance do sinal seráreduzido para que não hajam interferêncaias nas EBs adjacentes adicionadas para prover areutilização das freqüências. Nível de serviço T1 Nível de Serviço DSL Para SME’s para pequenas empresas Conexão da infra- estrutura com a Internet ResidencialCanal de comunicação Internet 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, poisnesta topologia cada nó é conectado aos nodos adjacejntes, e os protocolos de comunicaçãosão 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
  44. 44. 44de ser recebido por nodos subseqüentes, que tornam a restransmití-lo e assim sucessivamenteaté que os dados cheguem ao seu destino. Uma vantagem desta topologia é a habilidade de setranspor grandes obstáculos tais como florestas ou montanhas. Assim, usuários a principioobstruídos, podem conectar-se as estações base através de outros nodos. A topologia em mesh provê muitas vantagens sobre implementações com linha devisada 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 serincluídos no futuro para atender a esta demanda crescente. Na topologia em mesh melhores modelos de antenas a preços mais baixos sãocapazes de tratar, de forma eficaz, o efeito de interferências e força do sinal. Isso se deve autilização 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 emmomentos diferentes e muito próximos, onde depois de processados de forma inteligente, omelhor sinal será extraído. Esta mesma performance utilizando-se apenas de uma antenaacarretaria problemas de custo, pois seria necessária a obtenção de aparelhos queaumentassem a força do sinal e tornaria o planejamento da área de cobertura mais difícil, ecom a iminência de interferências na recepção do sinal. Rede em mesh entre sistemas Internet de assinantes WLAN hotspot Estações base e Canal entre antenas WiMAX estações base Usuários Usuários móveis Fixos 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
  45. 45. 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 meiospara comunicação “até a última milha”, ou seja, permitir comunicação até o limite de alcanceda 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 redeslocais 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, comopor 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 e802.16d, caracteriza-se como uma solução sem fio fixa para acesso com banda larga à internetque provê interoperabilidade com outros padrões como o ethernet, e solução de classe deenvio até a última milha. 6 Padrão norte-americano que define a linha digital de alta velocidade, com capacidade detransmissão de 1,544 Mbps. Termo criado pela AT&T, T1 é amplamente utilizado em redes privadas e nainterconexão entre redes locais e redes públicas de telecomunicações
  46. 46. 46 Figura 3.3 – Interconexção de sistemas com WiMAX (INTEL [1]) A solução WiMAX para acesso fixo sem fio opera em freqüências licenciadas de2,5 GHz e 3,5 GHz e na faixa não-licenciada de 5,8 GHz. Esta tecnologia fornece umaalternativa 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 utilizaantenas externas instaladas nos clientes seguindo o modelo utilizado em antenas parabólicaspara TV por assinatura. E outro utilizado em instalações internas (indoor), ou seja dentro deprédios que, obviamente, não são instalações tão robustas quanto as primeiras. O Padrão 802.16e é uma emenda à especificação 802.16-2004 básica. Este padrãocontempla o mercado móvel provendo portabilidade e mobilidade. O 802.16-2004 utilizaOFDMA 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 únicosub-canal, uma única estação cliente pode transmitir utilizando todos os subcanais na faixa daportadora. Em outra situação vários clientes podem transmitir simultanemente, utilizandocada 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 dereferência OSI da ISO: a camada física é dividida em duas subcamadas, a subcamada inferiorrefere-se à transmissão, é nesta subcamada que estão as técnicas de modulação aplicáveis aopadrão. A segunda subcamanda da camada física trata da convergência, ou seja, é asubcamada responsável por ocultar as diferentes tecnologias de transmissão da camada deenlace.
  47. 47. 47 A camada de enlace é composta por três subcamadas que, de baixo para cima temas 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 802.164.1 A Camada Física A primeira especificação do padrao IEEE 802.16 operava no intervalo defreqüências de 10 a 66 GHz. A posteriori, uma nova especificação do 802.16 (o 802.16-2004)
  48. 48. 48estendeu uma faixa de freqüências para 2 a 11 GHz, passando o padrão a operar agora comfreqüências licenciadas e não licenciadas e, podendo utilizar canais sem linha de visada, poisem frequêncais acima de 6 GHz, é mandatório que haja linha de visada (OLEXA, 2005) e emfreqüências mais baixas, a linha de visada não é exigida, muito embora a falta de linha devisada force o sistema a buscar camininhos alternativos, causando perda de desempenho. Considerando todos os subpadrões do 802.16, a faixa de freqüência está entre 266 GHz. As ondas produzidas nesta faixa têm comprimento milimétrico e a propriedade detrafegarem em linha reta, diferente das ondas sonoras, porém muito semelhante às ondasluminosas. Esta característica permite que as estações-base tenham várias antenas onde cadauma aponta para uma área específica do terreno formando setores de circulos concêntricos àantena (vide figura 3.5) cada setor delimitado é bastante independente dos setores adjacentes epossui seus usuários bem definidos. A atenuação na intensidade do sinal quando este se afasta da estação base provocaa queda da relação sinal/ruído, ou seja, o sinal diminui e o ruído aumenta, o que significadizer que o sinal recebido pelo receptor será de baixa qualidade. Como esta relação éinfluenciada pela distância da estação-base ao ponto de recepção do sinal, o padrão 802.16utiliza três esquemas de modulação. Cada esquema de modulação é adotado para um intervalode 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 detransmissão 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 de25 MHz o QAM-64 transmite a cerca de 150 Mbps, o QAM-16 a 100 Mbps e o QPSK a 50Mbps. Contudo, será garantida a persistência do sinal. Figura 3.5 - Divisão do espaço de transmissão no padrão 802.16 (INTEL)
  49. 49. 494.1.1 Duplexação dos Canais de Dados Quase sempre, a capacidade que um meio tem de transmitir (banda passante) ébem maior do que a banda passante necessária para transmissão dos sinais de dados.O quedeixa 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 umsinal no mesmo meio físico, aproveitando assim a capacidade de transmissão. Levando-se em consideração as restrições físicas da comunicação de dados semfio e os objetivos de criar um sistema de banda larga, era imperativo para o comitê do padrão802.16 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 forMobile 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, nocaso de voz, o tráfego é praticamente simétrico e, apesar de ambos sistemas utilizaremfreqüências distintas, elas são equivalentes para os canais de upstream e downstream, já quena comunicação telefônica a necessidade de trasmissão é similar em ambas as pontas. No casoda comunicação de dados (como usuários conectados à Internet, por exemplo), a grandemaioria do tráfego é de downstream, não obstante há picos no tráfego de upstream. Por estacaracterística, tornou-se necessária a utilização de um sistema capaz de alocar largura debanda de uma forma mais flexível. Para atender à demanda variável, são utilizados esquemas de duplexação. Osesquemas adotados para a comunicação no 802.16 São: TDD - Time Division Duplexing eFDD - Frequency Division Duplexing. Na duplexação por divisão do tempo, utilizada na comunicação sem fio, a estaçãobase transmite quadros periodicamente. Cada quatro é formado por slots de tempo divididosda seguinte forma: os primeiros, normalmente a maioria, são destinados ao tráfego dedownstream; logo a seguir, há um tempo de guarda, utilizado para proteção. Este tempo éutilizado para que as estações comutem o sentido da transmissão; e, finalmente, os slots detempo utilizados para tráfego upstream (figura 3.6). A quantidade de slots de tempo dedicados para cada sentido da transmissão podeser alterada dinamicamente, a fim de corresponder à largura de banda requerida em cadasentido. Assim, mesmo sendo, via de regra, a transmissão de downstream bem maior que a de
  50. 50. 50upstream, 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 aresponsável pelo controle do tráfego neste sentido. O controle do tráfego de upstream é maiscomplexo, pois vai depender do nível de qualidade de serviço exigido pelos concorrentes quedesejam transmitir. A duplexação por divisão de freqüência é feita para se alocar dois sinais iguais edistintos com freqüências diferentes no mesmo canal de comunicação. Uma das freqüências étransmitida pela estação-base e recebida pela estação remota, a outra faz ao contrário,tornando-o um sistema de comunicação duplex. Considerando que este sistema duplocompartilha antenas comuns, as freqüências utilizadas tem que ter uma separação entre elasde, pelo menos, 45MHz para assegurar que a energia do transmissor possa ser facilmente serfiltrada 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

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