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  • 1. UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA REDES METROPOLITANAS SEM FIO:APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA WI-MAX Paulo Lourinho 2006
  • 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. 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. DEDICATÓRIA Para Isabela: Filha, perdoe a minha ausência
  • 5. AGRADECIMENTOS Ao Mestre JORGE BECHARA, pelos conselhos breves, mas significativos para a conclusão desta tarefa.
  • 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. 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. 11.2. Aplicações do WiMAX.............................................................................8411.3. Certificação Wi-MAX...............................................................................85
  • 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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 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. 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 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. 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. 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 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. 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. 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. 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. 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 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. 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 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. 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. 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. 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. 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 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. 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 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. 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. 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. 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 • 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 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. 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 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 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 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. 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. 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. 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
  • 51. 514.1.2 Circuitos LOS X NLOS Nas primeiras tentativas do 802.16, o alcance estava limitado entre 3e 10 Km, nãocontemplando a determinação do padrão. Esta limitação se deve às freqüências utilizadas nopadrão 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-receptorprecisa estar instalado em linha reta, e sem obstáculos entre os equipamentos de transmissão erecepção. A posteriori, a utilização de freqüências abaixo de 11 GHz, integrou ao padrão apossibilidade de operar sem linha de visada, onde são permitidos obstáculos entre osequipamentos transmissores e receptores. Os canais para comunicação sem fio são, normalmente, descritos como sendo comlinha 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. Umcircuito LOS requer que o máximo da primeira zona de Fresnel7 esteja livre de qualquerobstrução (WiMAX FORUM [3]). Se este critério não for obedecido há uma quedasignificativa no sinal transmitido, dificultando sua recepção. A liberação necessária da zonade 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 umcampo elíptico envonvendo a linha de visada. O campo fica tão mais extenso quanto mais aumenta a distânciaentre as antenas. (http://info.matik.com.br)
  • 52. 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 enviadooriginalmente já que tais sinais chegam através de caminhos diferentes o que causa atraso notempo de chegada de alguns sinais componentes do sinal original, além do que são percebidasatenuações, polarizações e instabilidades relativas ao caminho original. (figura 3.9) O fenômeno dos caminhos múltiplos pode inverter a polarização do sinal. Apolarização invertida é, às vezes, utilizada como reuso de freqüência em ambientes LOS, istopode ser problemático para aplicações NLOS. Assim, não se deve utilizar a inversão depolarização 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 equipamentoque aumenta sua potência para vencer as obstruções na “força bruta” ainda não é umatecnologia NLOS porque ainda está utilizando um caminho direto” (WiMAX FORUM [3]). Existem várias vantagens na utilização de sistema NLOS. Questões comoexigências de projeto e restrições de altura frequentemente não permitem que as antenas LOSsejam posicionadas para NLOS. Em sistemas celulares extensos, onde o reuso de freqüência écrítico, baixar a antena é vantajoso para reduzir interferências em co-canais8 de célulasadjacentes. Baixar demais as antenas porém, obriga as estações base a operarem sem linha devisada. Não é viável pois que se reduzam muito as alturas das antenas das estações base deum 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. 53 Figura 3.9 - Propagação sem linha de visada Outras vantagens da utilização de canais sem linha de visada, são a redução dedespesas de instalação da CPE e a facilidade para a escolha adequada do local onde a CPEserá montada. É possível utilizar na tecnologia NLOS equipamentos projetados para funcionarem ambiente fechado, melhorando algumas características. Esta solução incorpora doisdesafios principais: a) superar as perdas resultantes da penetração em estruturas e; b) cobrirmaiores distâncias com menos exigência de potência nos transmissores e ganhos em antenas,o que normalmente ocorre em CPEs de ambiente fechado. Estas características podem sermelhoradas através da otimização de algumas características opcionais do padrão 802.16. Os problemas resultantes da comunicação sem visada são resolvidos pelo padrão802.16, utilizando: Multiplexação por divisão ortogonal da freqüência; sub-canalização;antenas direcionais; variação na transmissão e recebimento; modulação adaptativa; técnicasde correção de erros e controle de potência. • Multiplexação por divisão ortogonal de freqüência Praticamente todos os padrões IEEE para comunicação sem fio utilizamatualmente a técnica de multiplexação conhecida como OFDM. Apesar de ser uma técnicaque já existe há algum tempo, somente recentemente sua implementação se tornou praticávelpor apresentar valores competitivos, uma vez que possibilita transmissões com elevadas taxasde dados e a maximização da eficiência adaptando-se ao comportamento do canal. Estatécnica é considerada uma técnica efetiva para transmissão digital sob condições severas em
  • 54. 54caminhos múltiplos com atenuação. Outra vantagem pode ser adicionada ao esquema deOFDM incluindo-se um componente de espectro de seqüência direta de propagação nosistema. Tais características são muito apropriadas aos sistemas móveis, o que faz da OFDMuma técnica passível de ser bastante utilizada no futuro. Mesmo nos ambientes tipo indoor, o canal de radio é seriamente afetado peladistorção do tipo multipath fading9 (atenuação por caminhos múltiplos). Esta é causada pormudanças no ambiente físico originadas no movimento relativo entre o transmissor, oreceptor e as superfícies de refração/reflexão presentes no espaço circundante. Umaalternativa robusta frente aos efeitos desta distorção corresponde à utilização da técnica demultiplexação OFDM. • Sub-Canalização A subcanalização no circuito de envio do cliente é outra possibilidade naarquiteutura WiMAX. Sem a subcanalização, são necessários restrições para o custo efetivoda CPE. Tipicamente a assimetria do circuito limita a capacidade de tráfego upstream. Asubcanalização faz com que a banda passante seja balanceada equilibrando os circuitos deenvio e recebimento. Ela concentra a capacidade de transmissão numa quantidade menor deportadoras OFDM, isto aumenta o ganho do sistema e pode ser utilizado para estender o seualcance, superando as perdas ocorrentes de penetração em estruturas. Pode também reduzir oconsumo de energia na CPE. O uso de subcanalização será utilizado no futuro com OFDMApara prover um acesso mais flexível aos recursos que podem, inclusive, suportar operaçõesmóveis. 9 Refere-se à perda de potência do sinal pela decomposição deste ao encontrar-se com obstáculosno seu caminho.
  • 55. 55 Figura 3.10 - os efeitos da subcanalização (WiMAX FORUM [3] ) Antenas Direcionais Antenas direcionais aumentam a margem de queda dos sinais incrementandoganhos, 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 quechegarem aos lóbulos laterais ou aos lóbulos traseiros. A eficácia deste método foi aprovada eutilizada com sucesso em instâncias desenvolvidas que operam sob significativa queda desinal em ambientes sem linha de visada. (WiMAX FORUM [3]) O sistema de antenas adaptáveis (AAS- Adaptive antenna systems) é uma opçãoao padrão 802.16. sistema conforma o feixe de ondas eletromagnéticas de tal forma que podedirecionar seu foco em um ou vários sentidos determinados. Isto significa que, ao transmitir, osinal 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. Estesistema 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 serápossível 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 sinaisde múltiplos caminhos e das reflexões ocorrentes em comunicação sem visada. A variação éuma característica opcional da teconogia WMAN. Os algoritmos utilizados na tecnologiaoferecem um aumento na disponibilidade do sistema tanto no transmissor quanto no receptor. O padrão transmite várias opções de codificação de espaço e tempo a seremutilizadas para transmissão independente da origem, isto reduz a margem de dispersão dosinal 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. 56vantagem de existirem dois canais distintos de recepção para auxiliarem na recuperação dosinal e reduzirem o caminho de propagação. A Variação mostrou-se como uma ferramentaefetiva 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 deacordo com a relação sinal/ruído (cap 1, item 2.2). Quando o circuito de rádio for dequalidade elevada, o esquema de modulação de maior rendimento será utilizado, dando aosistema maior capacidade. Ao contrário, quando a dispersão do sinal for muito perceptível, opadrão utiliza um esquema de modulação de menor rendimento que, no entanto, é capaz demanter a estabilidade e persistência do enlace. Assim, o sistema adapta a modulação do sinalconforme a qualidade do canal. A principal característica do esquema de modulaçãoadaptativa é que ela provê uma variação no esquema de modulação. Segundo este sistemaflexível, é possível ter altas taxas de transmissão que, irão diminuir conforme a qualidade dosinal, ao contrário do que ocorreria num esquema fixo de modulação que teria que serprojetado 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 osprejuízos resultantees da relação sinal/ruído. Algoritmos são utilizados para detectar e corrigirerros, melhorando assim o throughput. Técnicas robustas de correção de erros ajudam arecuperar quadros de dados danificados que podem ter sido perdidos devido a queda defreqüência ou estouro de tempo de chegada. O pedido de reenvio automático (Automaticrepeat request – ARQ) é usado para corrigir os erros que não puderam ser corrigidos norecptor. 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 desempenhodo sistema como um todo. Eles são executados a partir da estação base que envia ainformação de controle de força a todos os CPEs para que estes regulem seu nível detransmissão 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 transmiteapenas o suficiente para ir de encontro ao patamar de intensidade determinado. O inversoacontece quando a CPE determina o nível de transmissão. Nesta situação as CPEs estãobaseadas no pior caso. O controle de potência reduz o consumo de energia da CPE e, porconseguinte, a interferência com outras estações base próximas. Para ambientes com linha de
  • 57. 57visada, a potência requerida é proporcional à distância entre a CPE e a EB, enfatizando queambientes 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 desegurança, utiliza criptografia para os dados, assim, apenas a carga útil dos pacotes écriptografada, mantendo os cabeçalhos não criptografados. Isto é importante do ponto de vistado gerenciamento das comunicações uma vez que, sendo os cabeçalhos planos, será possívelobservar quem está se comunicando, mas sendo os dados criptografados, não será possívelconhecer 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 dadoscom qualidade de serviço. Os algoritmos de locação de largura de banda foram projetadospara prover comunicação de centenas de terminais por canal. O Padrão permite que cada canalde comunicação seja compartilhado por diversos usuários finais, com exigências variáveis delargura de banda e tempo de latência nos serviços. Isto exige do protocolo que roda nasubcamada MAC flexibilidade eficiente sobre uma vasta escala de tráfego e modelos dedados diferentes. Este protocolo foi projetado para trabalhar com multiplexação na divisão dotempo (TDM) e permitir comunicação de voz e dados sobre IP. A subcamada MAC e dividida em outras duas: a subcamaca de convergência deserviços específicos e a subcamada da parte comum. A primeira subcamada é utilizada paramapear o tráfego específico da camada de transporte a um protocolo MAC que seja flexível obastante para carregar eficientemente qualquer tipo de tráfego. A parte comum da subcamadaMAC é independente do mecanismo de transporte, ela é responsável pela fragmentação esegmentação das unidades de dados do serviço MAC (MAC-Service Data Units - SDUs) emunidades de dados do protocolo MAC (MAC Protocol Data Units - PDUs). Nela também efeito o controle de qualidade de serviço (QoS) e escalonamento e retransmissão dos MAC-PDUs.4.2.1 Protocolo de Acesso ao Meio
  • 58. 58 A camada de controle de acesso ao meio (MAC) do padrão 802.16 utiliza umprotocolo de unidade de dados (PDU – Protocol Data Unit) de tamanho10 variável juntamentecom outros conceitos que melhoram sobremaneira a eficiência do padrão. Na camada MAC,várias unidades de PDU podem ser concatenadas para economizar a banda passante nacamada física. Além disso, várias unidades de dados de serviços (SDU ), desde que sejam domesmo serviço, devido a qualidade de serviço, podem ser concatenadas em um único PDUeconomizando assim, espaço que seria necessário para cabeçalhos do protocolo da camadaMAC. A fragmentação variável permite que SDUs muito extensas sejam divididas em partespara garantir a qualidade de serviço. Além disso, a diminuição da quantidade de cabeçalhosemitidos implica em uma redução da carga efetiva de tráfego, o que culmina com a economiada banda pela supressão de cabeçalhos de SDUs redundantes. A camada MAC utiliza um algoritmo conhecido como Múltiplos acessosatribuídos sob demanda/ Divisão do tempo para acessos múltiplos ( DAMA/ TDMA-Demand Assigned Multiple Access /Time Division Multiple Access) de auto-correção delargura de banda para solicitações/concessões que elimina as verificações periódicasutilizadas 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 dosclientes. Com este protocolo, a atribuição dos slots de tempo aos canais varia dinamicamentecom base na necessidade dos clientes. Para transmissões da estação-base aos assinantes, opadrão especifica dois modelos de operação: Um que tem o objetivo de suportar transmissãocontínua (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 debanda dependendo da qualidade de serviço requerida pela aplicação e dos parâmetros dotráfego para o serviço em questão. Os usuários podem receber classes de serviço em gruposou individualmente, podendo indicar sua necessidade de largura de banda para o serviço queestão utilizando no momento. TDMA é uma técnica que divide o tempo de um canal de dados em umasequência de quadros, cada quadro consiste em determinada quantidade de slots. Há aalocação 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. 59 A conexão de um cliente à estação-base, dá-se da seguinte forma: existe umprocesso de autenticação mútua com criptografia que usa, para tanto, certificados de chavepública. Durante as comunicações, somente as cargas úteis (os dados propriamente ditos) sãocriptografadas 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 osmapas de downstream e upstream que informam o que está contido nos slots de tempo, destaforma, 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 parâmetrosdo sistema que são passados às estações quando estas se conectam à rede. Neste canal, aestação-base simplesmente decide o que inserir em cada subquadro. No canal de upstreamexistem assinantes concorrentes não coordenados que precisam de acesso à rede, o que o tornamais complexo. A alocação do canal de upstream está relacionada à qualidade de serviçosuportada pelo padrão 802.16. Para que uma estação cliente conecte-se à rede, é executada a seguinte seqüênciade 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. 60 Uma vez completada essa seqüência de passos, a estação cliente está apta acomunicar-se com outra estação cliente ligada direta, ou indiretamente com a estação base aqual está conectada.5 QUALIDADE DE SERVIÇO NO IEEE 802.16 No padrão 802.16, todo serviço é orientado à conexão. Assim, cada uma dasconexões recebe uma das quatro classes de serviço: Serviço de taxa de bits constante; Serviçode taxa de bits de tempo real; Serviço de taxa de bits variável de tempo não-real; Serviço demelhor esforço. A classe de serviço é determinada no momento em que é estabelecido o canalde comunicação. Cada uma das classes de serviço disponível tem uma finalidade específica, asaber: • Serviço de taxa de bits constante Destina-se à transmissão de voz não-compactada. Neste serviço é necessário oenvio 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 éestabelecida, 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 detempo real onde a largura de banda necessária a cada instante seja passiva de variação. Osslots de tempo são determinados fazendo-se a estação-base consultar o assinante paradeterminar 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 fatordeterminante da qualidade do serviço, tal como transferências de grandes arquivos. Paraprover este serviço, a estação-base consulta o assinante com freqüência, entretanto não efetuao polling a intervalos de tempo prescritos com rigidez. Um cliente que esteja utilizando umataxa de bits constante pode definir um bit em um de seus quadros solicitando uma consultapara transmitir tráfego adicional (de taxa de bits variável). Se não houver resposta de umaestação a uma consulta solicitada n vezes seguidas, a estação-base a colocará em um grupo demultidifusão, retirando-a do polling pessoal. Em vez disso, quando o grupo de multidifusão
  • 61. 61for 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 devedisputar a largura de banda com outros assinantes do serviço de melhor esforço. Assolicitações de largura de banda são feitas nos slots de tempo marcados como disponíveis paradisputa no mapa upstream. Caso uma solicitação seja bem sucedida, seu sucesso será notadono próximo mapa downstream. Se não houver sucesso, os assinantes mau sucedidos terão detentar de novo mais tarde. Para minimizar colisões, é usado o algoritmo de recuo binárioexponencial da Ethernet. O padrão define duas formas de alocação de largura de banda: porestação e por conexão. No primeiro caso, a estação do assinante agrega as necessidades detodos os usuários do cliente e faz solicitações coletivas por eles. Quando a largura de banda éconcedida, a estação reparte essa largura de banda entre seus usuários, conforme seuscritérios. 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. Nestecontexto, a captação do sinal por usuários não autorizados, é uma realidade pertinente quedeve ser prevenida. Para garantir a usabilidade das soluções baseadas no protocolo 802.16, aprimeira 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 deacesso 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 oestado relevante à conexção, mantendo seguras as conexões de transporte entre uma EB, euma ou mais estações cliente. As associações são formadas por: • Um identificador de 16 bits; • Criptografia simétrica para salvaguardar os dados trocados nas sessões;
  • 62. 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 seguintespassos: A estação cliente inicia uma associação de segurança usando uma requisição(create_connection), como é necessário o suporte a multicast, o padrão garante ocompartilhamento de muitos IDs por uma associação. Quando entra na rede, o IEEE 802.16cria, automaticamente, uma associação de segurança para o canal de gerenciamentosecundário. Uma estação cliente fixa possui, normalmente, duas ou três associações desegurança, uma responsável pelo gerenciamento do canal secundário e outras para asconexões de transporte tanto de recepção quanto de envio. O processo de associação desegurança na autorização consiste de um certificado padrão X.509 que deve identificar aestação cliente e de uma chave de autorização compartilhada entre duas estações. É a partirdeste processo de autorização que a estação base consegue permissão de configurar dados nasestações 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 doITU-T descreve dois níveis de autenticação: Uma simples, utilizando senha para verificaçãode uma identidade; e outra forte, envolvendo credenciais consolidadas por técnicascriptográficas. Este segundo nível define uma estrutura para o fornecimento de serviços deautenticação controlado por um paradigma central representado por um diretório. Certificados X.509 identificam as partes em uma comunicação com os seguintescampos: 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. 63do certificado; chave pública do certificado; algoritmo de assinatura usada pelo dono docertificado e assinatura do emissor. O padrão IEEE 802.16 não especifica extensões ao certificado X.509, mas definedois tipos de certificados: o certificado do fabricante e o certificado da estação cliente, nãodefinindo o certificado da estação-base O certificado do fabricante identifica o fabricante do dispositivo 802.16. Pode serum certificado auto-assinado ou emitido por uma terceira parte. Um certificado da estaçãocliente identifica uma estação cliente em particular e inclui o seu endereço MAC no campo deidentificação do dono do certificado. Normalmente, os fabricantes emitem e assinam oscertificados das estações cliente. A estação-base usa tipicamente a chave pública docertificado do fabricante para verificar o certificado da estação cliente e identificaroriginalidade do dispositivo. Esta abordagem assume que a chave privada da estação cliente,originária de sua chave pública, está armazenada de forma protegida, prevenindo queatacantes 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 administracertificados, o assinante, entidade que fornece as informações que devem constar em seupróprio certificado assinado por uma CA e o usuário, qualquer entidade que utiliza oscertificados emitidos por um CA para obter informações de um assinante. Em outras palavras,o diretório é implementado por uma Autoridade Certificadora (CA) que emite certificadospara 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 estaçãocliente da rede. Este protocolo de autorização consiste de três mensagens trocadas entre aestação cliente e a estação base: A estação cliente inicia o protocolo, enviando a primeira mensagem (1) para aestação base, fornecendo o certificado do fabricante do seu dispositivo. A estação base, porsua vez, utiliza os dados desta mensagem para reconhecer o fabricante da estação cliente; se aestação base ignorar a mensagem recebida e não enviar a resposta, significa que sua políticade 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 aidentifica. Se a estação base verificar e reconhecer o certificado da estação cliente, então esta
  • 64. 64é autorizada e a estação base responde com a mensagem (3), autorizando a estação cliente aconectar-se ao sistema.6.4 Gerenciamento de Chave de Privacidade O Gerenciamento de chave de privacidade ocorre em uma instância do protocoloPKM onde é estabelecida uma associação de segurança de dados entre estação-base e estaçãocliente. Da mesma forma que o PKM, este protocolo, também, consiste de três mensagenstrocadas entre a estação cliente e a estação base. A estação base utiliza a mensagem (1), que éopcional, para forçar um rechaveamento ou criar uma nova associação de segurança. Poroutro lado, a estação cliente inicia o protocolo enviando uma segunda mensagem e a estaçãobase responde com a terceira mensagem. A segunda mensagem é usada para requisitar osparâmetros da associação de segurança e a estação base por sua vez, responde e configura aassociação de segurança usando a mensagem 3.6.5. Confidencialidade e Integridade O padrão inicial do 802.16 define criptografia com DES-CBC (Data EncryptionStandard – Cipher Block Chaining), com ganchos para uso de criptografias mais robustascomo AES (Advanced Encryption Standard), sobre o campo de payload. Isso garante aconfidencialidade dos dados trafegados na rede. O DES possui o algoritmo de encriptação de dados mais utilizado no mundo. Estealgoritmo continua em larga utilização em governos e instituições financeira, agora numaversão denominada "triple-DES". O padrão 802.16 não provê autenticidade dos dados. No entanto, implementaçõesatuais do WiMAX requerem que todo o tráfego sejar criptografado com CCMP (CounterMode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol –AES-CCM). OCCMP usa AES para prover confidencialidade (criptografia) bem como integridade(autenticação) dos dados. E desta forma, para autenticação fim-a-fim o WiMAX utiliza oPKM-EAP (Extensible Authentication Protocol), o qual confia no padrão TLS (TransportLayer Security) usando criptografia de chave pública.
  • 65. 656.6 Ameaças e Vulnerabilidades As ameaças previstas no padrão são identificadas tanto na camada física quanto nasub-camada de controle de acesso ao meio (MAC). As ameaças comuns na camada físicapodem 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 paraum possível invasor, uma vez que sua localização não se configura mais como um fatorlimitante, já que o padrão 802.16e suporta conexões móveis e sem linha de visada. Destaforma os sinais de rádio, poderão ser interceptados por um atacante posicionadoapropriadamente.Para evitar isto, o padrão define o uso de mecanismo de confidencialidade. Uma outra ameaça importante consiste na fabricação de dados ou modificação dosdados enviados no meio. Como o padrão 802.16 não define mecanismos para garantir aautenticidade e integridade da informação que trafega. É possível, a um atacante, reenviardados 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 mútuaentres as partes em uma comunicação. Como pode ser observado anteriormente, somente aestação cliente possui certificados que a identificam, enquanto a estação base não possuiqualquer tipo de certificação. Um modo de proteger uma estação cliente de não se comunicarcom estações-base falsas é através do processo de autenticação mútua. Outras vulnerabilidades estão na autorização, gerenciamento de chave e proteçãode dados. Quanto a vulnerabilidades na autorização, a associação de segurança na autorizaçãoé considerada fraca, pois o protocolo PKM, que gerencia a autorização, possuivulnerabilidades. Como não há autenticação mútua, uma estação cliente não tem comoverificar se as mensagens recebidas do protocolo de autorização foram realmente enviadaspela estação-base autorizada. Assim, qualquer estação-base falsa (rougue) pode criar umaresposta para a estação cliente. E uma vez que a estação-base participa do processo de geração
  • 66. 66de chave secreta para criptografia dos dados trocados, o sistema como um todo ficacomprometido. O padrão IEEE 802.16 possui diversas falhas de segurança. Muitas destasvulnerabilidades existem devido a especificações iniciais do padrão 802.16, que sãoerradicadas através das definições de novos sub-padrões e das novas implementaçõesprevistas.7 FREQÜÊNCIAS DE USO EM WiMAX O protocolo IEEE 802.16 define, considerando todos os padrões, a faixa defreqüências de 2 a 66 GHz. As soluções que realmente devem conquistar o mercado são asbaseadas no 802.16-2004 e 802.16e, operando em faixas licenciadas e não licenciadas, entre 2e 11 GHz. Contudo os equipamentos WiMAX na prática devem operar nas bandas de 2,5 e3,5 GHz, onde os desenvolvedores estão de fato concentrando seus esforços. A freqüência de10,5 GHz, apesar de estar definida não deve ser utilizada em WiMAX padrões, mas poderáser utilizada em soluções proprietárias para acesso a banda larga sem fio. A proposta dos fabricantes é padronizar as faixas de freqüências dosequipamentos, provendo assim interoperabilidade. Contudo, como as regulamentações sobre ouso de freqüências variam de acordo com o país, de forma que mesmo em países onde adivisão das freqüências é similar, há variações nas aplicações a que elas se destinam, o quetorna a padronização de freqüência um empecilho para disseminação do WiMAX. Assimsendo, a dificuldade de padronização não está nas freqüências em si, mas sim naregulamentação dos espectros dentro de uma nação. Segundo PRADO [5], o WiMAX Vai operar em duas situações distintas: Umautilizando a banda licenciada e outra utilizando a banda não licenciada. A tendência no usodas freqüências licenciadas no mundo, exceto EUA está na faixa de 2,5 e 3,5 GHz, enquantoque as freqüências de 2,5 a 2,7 GHz, devem ser a faixa licenciada a operar nos EUA. Afreqüência de 5,8 GHz deve ser a banda não licenciada no mundo todo. Deve-se entender por freqüências licenciadas, aquelas que são controladas por umórgão regulador dentro de um país (no caso do Brasil, a ANATEL) Para os equipamentos quefuncionam na faixa licenciada faz-se necessário registro no órgão regulador, bem como oatendimento a regras de irradiação como, máxima potência, ruído, etc. As freqüências não licenciadas ou livres não necessitam de registro algum parafuncionar, porém são mais limitadas que as anteriores. Obviamente que como as regras de
  • 67. 67divisão dos espectros variam em cada país, a faixa de freqüências livres e licenciadas édiferente, o que remonta na dificuldade supra. Tradicionalmente existe uma grande massa de usuários que definem o espectronão licenciado como não confiável, uma vez que se utilizam equipamentos sem registroalgum, conseqüentemente o espectro não licenciado não deveria ser utilizado, tornando asfaixas de freqüências licenciadas as preferidas. Com a ascensão da tecnologia de banda largasem 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 deespectro com serviços não nobres ocupando muita banda”. Também segundo o autor, énecessário um processo de reengenhearia para alocação dos espectros de maneira maisracional. 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 dasfreqüências para uso em transmissão de dados sem fio como WiMAX e Wi-Fi. Em um leilãoocorrido em 2003, a ANATEL vendeu os direitos de uso das freqüências a serem utilizadaspor 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 específicas8. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO PADRÃO 802.16
  • 68. 68 As mudanças introduzidas no 802.16-2004 (que inclui o que já existia nas versõesanteriores: 802.16-2001, 802.16c-2002 e 02.16a em 2003) são focadas em aplicações paraacesso 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 sãosuportadas: OFDM com 256 portadoras e OFDMA com 2048 portadoras. Estas mudançaspropostas no padrão aplicam-se somente às camadas física e MAC, mantendo constante orestante da pilha 802.16. Uma das principais características do padrão IEEE 802.16 é a entrega até a últimamilha. 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 desempenhonos casos onde não há linha de visada direta entre a estação base e a estação do cliente. Nopadrão 802.16-2004 o Controle de Acesso Ao meio – MAC é otimizado para ligações delonga distância porque foi projetado para tolerar longos atrasos com variações . A especificação 802.16 inclui gerenciamento de mensagens do controle de acessoao meio que permitem a EB solicitar retransmissão da estação do cliente, para tanto há umlimite no tempo de atraso. Os Equipamentos deste padrão que operam em faixas de freqüência nãolicenciadas utilizam a duplexação por divisão de tempo (TDD - time-division duplexing). Osequipamentos que operam em faixas licenciadas, utilizam a duplexação por divisão defreqüência (FDD - frequency-division duplexing). O IEEE 802.16 utiliza OFDM para otimização do serviço de transmissão de dadossem fio. Sistemas baseados neste padrão são os únicos a utilizar OFDM para plataformas deredes metropolitanas sem fio. No caso do 802.16, o sinal de OFDM é dividido em 256 portadoras ao invés das64 portadoras no padrão 802.11. O maior número de subcanais na mesma faixa, implica emsubcanais mais estreitos o que equivale a períodos maiores de sinalização. A mesmapercentagem de tempo de espera ou prefixo cíclico (CP - cyclic prefix) fornece maioresvalores absolutos de tempo para maiores atrasos de propagação e imunidade multi-caminhos.
  • 69. 69 Por exemplo, para uma largura de banda de 20 MHz, entre o 802.11 e o 802.16 no¼ prefixo cíclico seria um fator de 4, por conta da relação 256/64. Em OFDMA que tem otamanho 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 atrasode até 10 microsegundos, mais de 1000 vezes o padrão de redes locais sem fio. Isto porque opadrão LAN sem fio foi projetado para um alcance máximo de 100 metros, portanto, muitomenor 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. Comoconseqüência o 802.11 não utiliza a largura de banda disponível eficiententemente. Nenhumacolisão não significa que não há nenhuma perda por retransmissão de dados. No 802.16, todacomunicação é coordenada pela estação base. Outras características deste padrão são: a)Melhor conectividade: O 802.16-2004 suporta mais usuários conectados emvirtude das suas larguras de banda flexíveis e modulação adaptativa. Como o 802.16 utiliza canais mais estreitos que os 20 MHz fixos utilizados pelopadrão 802.11, o padrão para redes metropolitanas pode atender assinantes com baixa taxa detransferência de dados sem desperdiçar largura de banda. Quando ocorrem interferências ouruídos nos canais de transmissão dos usuários, o esquema de modulação adaptável os mantémconectados mesmo com taxas menores, não permitindo queda na conexão. b) Melhor qualidade de serviço: Este padrão permite que WISPs (WirelessInternet Service Provider – Provedor de serviços Internet sem fio) assegurem a qualidade deserviço para seus clientes que solicitam diferentes níveis de serviço mantendo, por exemplobaixo tempo de latência para voz e vídeo, alta taxa de transmissão para clientes de negócios eserviço de melhor esforço para usuários residenciais. c) Suporte total para serviço WMAN: Em sua concepção, o padrão 802.16-2004foi projetado para fornecer serviço de WMAN, portanto pode suportar mais usuários a maiselevadas taxas de dados por maiores distâncias que as implementações baseadas no padrão802.11g. d) Operação de classe de portadora robusta: Este padrão foi projetada paraoperação de classe de portadora. Quanto mais usuários compartilham a banda passante, maisdiminui seu throughput individual linear. Esta diminuição, entretanto, é muito menos
  • 70. 70dramática que a experimentada no 802.11. A esta potencialidade chama-se “aceso múltiploeficiente” e) Largura de banda flexível: Quando a distância entre o assinante e a EB aumentaou quando o assinante é móvel, existem mais empecilhos para que este assinante transmitacorretamente. Para plataformas sensíveis como notebooks ou handhelds, frequentemente nãoé possível transmitir a longas distâncias da EB se a banda passante do canal for larga. Nopadrão 802.11, a banda passante do canal é fixa em 20 MHz. Ao contrário, em aplicaçõesmoderadas na terceira geração, a banda é limitada em aproximadamente 1,5 MHz parafornecer um intervalo maior. Os Padrões IEEE 802.16 -2004 e IEEE 802.16e têm as larguras de banda doscanais variando entre 1,5 e 20 MHz para facilitar a transmissão sobre longas distâncias àdiferentes tipos de clientes e plataformas. Além desta flexibilidade, a largura de banda docanal também é crucial para a equalização (planificação) da célula, especialmente no espectrolicenciado. Por exemplo, um operador com 14 MHz de espectro disponível pode dividir esseespectro em 4 setores de 3,5 MHz, formando assim múltiplos setores (parestransmissão/recepção) em uma única estação base. Com antenas dedicadas, cada setor terá potencial de alcançar usuários a maioresdistâncias 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 móvelutilizando 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 deum número variável de portadoras. A Alocação da portadora no modo SOFDMA, é utilizadapara minimizar o efeito da interferência nos dispositivos de usuários com antenasomnidirecionais. Esta característica importantíssima para garantir o serviço de usuáriosmóveis. Segundo o fórum WiMAX (www.wimaxforum.org), futuramente o IEEE 802.16eoferecerá suporte melhorado para antenas MIMO (Multiple Input multiple output) e sistemade antenas adaptáveis (AAS - Adaptative Antenna Systems) assim como hardware e softwarepara prover handoff. Tanto o AAS como o MIMO, fornecerão substancial incremento dethrougput e de capacidade NLOS, que também são características indispensáveis para ofuncionamento de usuários móveis, uma vez que não é previsível o local onde determinadousuário irá realizar sua conexão com o sistema. 11 Que se propaga em todas ou que capta sons de todas as direções
  • 71. 71 Entretanto, mesmo com os padrões 802.16-2004 e 802.16e mantendo definiçõesdas especificações anteriores, ambos não são compatíveis entre si, porque utilizam duastécnicas distintas de modulação. Como resultado, uma CPE que utiliza OFDM não trabalhaem redes com SOFDMA e inversamente, uma CPE que trabalha com SOFDMA não irátrabalhar em uma rede com modulação OFDM, o que pode ser caracterizado como umadesvantagem para futuros usuários da tecnologia. Portanto, um projeto que utilize a tecnologia WiMAX, deve ter sua especificaçãocuidadosamente planejada para determinar qual das duas versões será aplicável na situaçãoem questão, garantindo desta forma que não hajam incompatibilidades na comunicação dossistemas no futuro.9 DIFERENÇAS ENTRE 802.11 E 802.16 Até o momento, o desenvolvimento de soluções com tecnologia sem fio paracomunicação de dados está mais avançado no padrão para redes locais WLAN, que ésuportado 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 redeslocais, com alcance previsto para cerca de 100 m e normalmente em aplicações indoor.Tecnicamente, cada padrão deveria corresponder a um alcance, entretanto na prática existemsobreposições de padrões. Por exemplo: o UWB suporta altas taxas de transferência e podepermitir que um usuário com esta tecnologia, transporte arquivos mais rapidamente do queutilizando as tecnologias Wi-Fi e WiMAX. No caso das tecnologias Wi-MAX e Wi-Fi, na prática, a linha que as separa émuito tênue, apesar destas tecnologias serem extremamente diferentes. Pois já é possívelWISPs utilizando soluções Wi-Fi com antenas direcionais ou utilizando topologias Wi-Fimesh transmitirem à velocidade de 54 Mbps por um raio de até 10 Km (INTEL [1]) o quesobrepõe as especificações do padrão 802.16.
  • 72. 729.1 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 ambientedesenvolvido. Antenas direcionais transmitem e recebem energia de RF mais em uma direção doque em outras. O modelo desta radiação é similar a um feixe de luz produzido por um ponto, etipicamente apresentam ganhos muito maiores que antenas omni-direcionais. Ao se estreitar ofeixe de antenas direcionais, estas torna-se-ão antenas de alto desempenho, porque o sinalrecebido estará mais concentrado.Antenas de alto desempenho são utilizadas para coberturaem longa distância com visada, ou para suportar enlaces ponto-a-ponto entre edifícios. Emalguns casos antenas direcionais podem reduzir o número de pontos de acessos necessários. Antenas omnidirecionais são mais utilizadas para comunicações LOS comestações móveis em todas as direções porque antenas direcionais propagam sinais de RF demaneira igualitária no plano horizontal. Porém estas antenas apresentam limites no planovertical. Antenas ominidirecionais são normalmente utilizadas em WLANs tradicionais eRedes em mesh. Estação do usuário com antena de alto ganho Wi-Fi Internet i Wi-F ) .11 (802 Ethernet Ethernet (802.3) Estação base Wi-Fi 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 oug 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 Estação do usuário com antena de alto ganho Internet i Wi-F ) .11 (802 Ethernet Ethernet Protocolo inter (802.3) pontos de acesso Estação base Wi-Fi Premissa do usuário
  • 73. 733 item 2) (figura 3.12) cuja estutura pode ser formada utilizando-se as versões “b” e “g” doprotocolo 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 dosdados entre os nodos de maneira eficiente, provendo ainda uma série de vantagens sobreimplementações 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 algumaslimitações, 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. 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 classificaçãode um padrão. Diversas outras variáveis como a distância entre os pontos de acesso, aquantidade de usuários, protocolos de acesso ao meio e segurança implementada são tambémparâmetros norteadores da classificação de uma solução. Hoje, a popularidade, o custo-benefício e o throughput associados às redes Wi-Fitem causado nesta tecnologia um crescimento no desenvolvimento, uso e adoção. Fazendodela mais uma opção disponível para acesso até a última milha. Os WISPs estão levando oWi-Fi ao seu limite, tentando cobrir alcances de MANs, não esquecendo que circuitosutilizando esta tecnologia não podem garantir a resiliência do sinal e nem tampouco asegurança exigida para comunicações sem fio a longas distâncias. Algumas das característicasque apontam o padrão 802.16 como não adequado para redes metropolitanas são mostradas natabela3.1. 802.11 802.16 Alcance Otimizado para usuários Otimizado para células típicas num raio de até 100 m de 7a 10 Km Adiciona pontos de Alcance de até 50 Km acesso ou antenas elevadas para ganho de cobertura Tipo de Otimizada para ambientesOtimizada para ambientes Cobertura indoor outdoor Padrão suporta técnicas de antenas avançadas e mesh Escalabilidade Canal de largura de banda Canal flexível de 1,5 a 20 MHz fixo de 20 MHz para faixas licenciadas e não licenciadas Reutilização de freqüências Habilita planificação de célula para provedores de serviços comerciais Taxa de Dados 2,7 bps/Hz com taxa de 3,8 bps/Hz até 75 Mbps em 20 dados de até 54 Mbps em MHz um canal de 20 MHz Qualidade de Não suportada Qos planejada para voz/ vídeo e serviço 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 últimamilha em redes metropolitanas sem fio. Entretanto com a proliferação das WMANs, os
  • 75. 75sistemas baseados no protocolo 802.11 não devem suportar as exigências de comunicaçãopara sistemas metropolitanos. Depois da aprovação do padrão 802.16e, os analistas mais otimistas prevêem olançamento dos primeiros equipamentos padrão WiMAX já para o final de 2006. Aexpectativa gerada sobre a relação entre WiMAX e Wi-Fi, para que ambas competissem pelomesmo mercado não é real, uma vez que ambas por definição devem atuar em nichosdiferentes sendo, portanto, complementares. Assim ao contrário de concorrentes, será possívelutilizando WiMAX, estender o alcance de redes Wi-Fi já que estas foram planejadas paraalcance limitado como redes locais, enquanto WiMAX foi concebido implementando QoS edesenvolvido para operar em ambientes outdoor com longo alcance, sendo por isso umatecnologia mais complexa.10 COMPARAÇÃO ENTRE 802.16-2004 E 802.16e As duas versões do WiMAX que devem dominar o mercado, refletem na demandados produtos desenvolvidos para acesso fixo ou móvel. As necessidades dos dois tipos deacesso variam e cada uma delas requer uma solução diferente. Diversas características serão comuns a ambas tecnologias (tabela 3.2) mas serãoprovavelmente implementadas apenas nos dispositivos 802.16e, isto porque os serviçosmóveis devem ganhar mais funcionalidades que os serviços fixos. Como exemplo destasfuncionalidades estão as antenas MIMO e o AAS que trarão melhorias ao througput e aoacesso sem linha de visada. Handoff 802.16 Definição Dispositivo Localização/Velocidade 802.16e s -2004 Fixo Outdoor e Simples/ estacionário Não Sim sim indoor CPEs Nomâdico Indoor Multiplos/ Estacionários Não Sim sim CPEs, e Cartões PCMCIA Portável PCMCIA de Multiplos / Velocidade handoff Não sim laptops ou em espera por minicards hardwar de PDAs e Mobilidade PCMCIA de Multiplos/ Velocidade handoff Não sim simples laptops, veicular baixa por minicards hardwar de PDAs ou e
  • 76. 76 smartphone s Mobilidade PCMCIA de Multiplos/ Velocidade handoff Não sim Total laptops, veicular alta por minicards software de PDAs ou smartphone s Tabela 3.2 – Tipos de acesso para redes WiMAX10.1 OFDM e OFDMA A chave da diferença entre 802.16 2004 e o 802.16e é a técnica de multiplexaçãoempregada. Os perfis baseados no 802.16-2004 são melhores para aplicações fixas já queutilizam antenas direcionais, além do que OFDM é inerentemente menos complexa que aSOFDMA. Como resultado, Equipamentos com características do 802.16-2004 podem serdesenvolvidas 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 brevepossível, devendo ser adotados para instalação de redes em um futuro próximo. As características do 802.16e utilizando OFDMA são perfis com maiorflexibilidade para o gerenciamento de diferentes dispositivos de usuários com uma variedadede tipos de antena além de outros fatores. O que significa uma redução nas interferências parausuários com antenas omnidirecionais e melhorias para o acesso NLOS. A subcanalizaçãodefine subcanais que podem ser alocados para diferentes assinantes dependendo dascondições do canal e da necessidade dos dados. Isto dá ao operador mais flexibilidade nogerenciamento da banda e transmissão de potência, levando a um uso mais eficiente dosrecursos. Por exemplo, dentro do mesmo slot de tempo, mais potência de transmissão podeser disponibilizada a um usuário com condições de canal menos favoráveis, baixando apotência para usuários em melhores localizações. A Subcanalização nos uplinks traz performance adicional já que a potência dotransmissor do usuário é bastante limitada. Em OFDM os dispositivos de usuários transmitemutilizando toda a portadora de uma única vez, já OFDMA suporta acessos múltiplos, o que fazcom que o dispositivo de usuário transmita somente através do subcanal alocado a ele. EmOFDMA, com 2048 portadoras e 32 sub-canais, se um único canal for alocado a determinadodispositivo, todo o poder de transmissão será concentrado em 1/32 do espectro disponível e
  • 77. 77trará cerca de 15 dB de ganho sobre OFDM. Acessos múltiplos são particularmentevantajosos quando vários canais são utilizados.10.2 Handoff e Roaming O suporte a handoff é outra característica crucial adicionada ao 802.16e paraprover acesso móvel. A habilidade de manter uma conexão enquanto circula entre as células éum 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 porhardware e por software. O handoff por hardware usa a técnica break-before-make, onde o dispositivo dousuário é conectado a somente uma EB em uma sessão, o que o torna menos complexo que ohandoff por software que tem uma alta latência. Estes são comparados à técnica utilizada porredes de telefonia celular, que permitem que um dispositivo retenha a conexão à estação baseaté que esteja apto a associar-se a outra, assim reduzindo a latência break-before-make. Asaplicações móveis como voz sobre IP se beneficiam da baixa latência dos handoffs porsoftware enquanto os hardware handoffs são utilizados tipicamente para serviços detransmissão de dados. Qualidade de serviço e níveis de acordo de serviço (Service LevelAgreements -SLAs) são mantidos durante os handoffs. Potencialidades de roaming podem ser implementadas tanto no 802.16-2004como no 802.16e, entretanto esta funcionalidade não deve ser incluída no 802.16e (artigo) jáque 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 defuncionalidades e segmentos de mercado substancialmente diferentes. Com diferentes tipos deusuários em diferentes localizações, diferentes throughputs necessários para os dispositivosde usuários e SLAs. As duas vertentes do WiMAX são definidas para atender demandasdistintas para ambos segmentos de mercado e requisitos variáveis para aplicações diferentes. Na necessidade de acesso fixo com funcionalidades básicas, tanto o 802.16-2004quanto o 802.16e oferecem performance similar. O throughput máximo para um setor emambas as versões é de 15 Mbps para um canal de 5 MHz ou 35 Mbps para um canal de 10MHz. O Alcance da estação base em áreas populosas pode percorrer vários quilômetros
  • 78. 78dependendo do tipo da CPE, da banda de freqüência, mobilidade e morfologia. Em redes ondea capacidade é limitada, o número de EBs instaladas depende da demanda de throughputassim como o alcance planejado. Como as performances das duas versões Wi-MAX são substancialmente similarespara aplicações específicas, já que o 802.16 é otimizado para acesso fixo e o 802.16 paraacesso móvel, ambos podem ser utilizados para acesso fíxo. Redes fixas podem se beneficiar de várias vantagens oferecidas para os produtoscertificados 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 paraacesso 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. 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 tipode serviços oferecidos e do modelo de negócios do operador. Em alguns casos a escolha seráobvia. Um operador móvel que construa uma rede para complementar uma rede 3G seguirádiretamente para 802.16e. Um provedor de serviços Wireless internet ( WISP - WirelessInternet Service Provider ) que pretende atender a uma comunidade rural, escolherá o sistemamenos 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 do802.16-200 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. 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 sersuportada, segundo o WiMAX fórum. As operadoras que desejarem migrar de forma eficaz deuma rede 802.16-2004 para uma rede 802.16e, terão para tanto várias opções disponíveis, entreas 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. 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 nopadrão principal AWB nos próximos anos. Também segundo o autor esta possibilidade é frutoda consciência entre Operadoras de telefonia e WISPs além do potencial inerente à bandalarga do WiMAX, porque estas estão fomentando investimentos em equipamentos fixos emóveis sem fio, mesmo que não sejam necessariamente WiMAX. Juntamente com o Wi-Fi, ZigBee, UWB e Mobile-Fi, todos também tecnologia decomunicação sem fio, o WiMAX deverá contribuir para uma revolução na comunicação semfio nos próximos cinco anos. Acreditando nessa suposição, algumas das maiores empresas de tecnologia nomundo estão investindo esforços no desenvolvimento dos primeiros chips para suportar atecnologia WiMAX. Para que as soluções proprietárias desenvolvidas tornem-se realmenteum padrão, serão necessários os testes de conformação com o padrão e interoperabilidadeentre os fabricantes, garantindo assim ao mercado, a funcionalidade necessária para umatecnologia mundial. Os padrões atualmente me vigor são o IEEE 802.16-2004 para acesso fixo enomâdico e o IEEE 802.16e para acesso móvel. Nos dois grandes nichos que vão surgir nomercado com o desenvolvimento da tecnologia. Os fornecedores típicos para a tecnologia fixa, por ser mais simples, são aspequenas empresas como: Alvarion, Airspan Networks, Aperto Networks, RedlineCommunications, Proxim e Wi-LAN. As empresas grandes tais como: Alcatel, Motorola,
  • 82. 82Siemens, Nokia, e Nortel Networks, entre outras, estão investindo seus esforços no WiMAXmóvel, tecnologia mais complexa, que no entanto pode atender usuários fixos e móveis eportanto cobre uma faixa de mercado muito maior.11.1. Os pré-padrões Para que as soluções sejam compatíveis, há a necessidade de conformidade dosequipamentos com os padrões definidos pelo IEEE, no caso os IEEE 802.16-2004 e IEEE802.16e, e os pretendentes a fabricantes desses equipamentos ou chipsets, devem estarsintonizados para que seus equipamentos sejam compatíveis, o que no Caso do WiMAXocorre no Fórum WiMAX, onde o fabricante deve ser consorciado. Os três principaisfabricantes de chipsets para a tecnologia WiMAX atualmente, são a já consagrada nafabricação de chips Intel, a Fujitsu, e a canadense Wavesat Wireless. Estas empresas estãofechando parcerias com os fornecedores de solução em WiMAX, conhecidos na linguagemmercantilista como vendors para que estes desenvolvam suas soluções utilizando os chipsetsfabricados por elas. O desenvolvimento das primeiras soluções proprietárias baseadas em WiMAX játem disponibilizado ao mercado equipamentos “pré-padrão”, chamados assim porque aindanão existem equipamentos “certificados WiMAX”. A primeira rodada de testes deconformação e interoperabilidade começou em agosto de 2005, mas não foram concluídos ostestes principalmente no que tange a compatibilidade, pela falta de equipamentos a seremtestados enviados por fornecedores. Um produto será totalmente compatível com WiMAX (ou full compliantWiMAX) quando for comprovadamente aderente ao padrão, sendo aprovado tanto emconformidade (conformance) quanto inter-operabilidade (Interoperability), enfatizando quepara estes testes de interoperabilidade são necessários no mínimo, equipamentos de trêsfabricantes diferentes. Para atender à demanda de equipamentos WiMAX é necessário antes de maisnada a criação de chips compatíveis. Os chips são a base do hardware para odesenvolvimento da tecnologia, a partir dos quais vão ser desenvolvidos os equipamentos.Alguns dos fabricantes de chips já consolidados no mercado estão investindo no padrãoWiMAX, como os citados acima: Intel, a Fjitsu e Wavesat Wireless. No escopo dos pré-padrões, consumindo os chips desenvolvidos, estão alguns vendors associados aosdesenvolvedores fabricantes dos chips compatíveis com a tecnologia.
  • 83. 83 Alguns exemplos de equipamentos desenvolvidos segundo o padrão 802.16, masainda 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. 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 comacesso fixo e móvel, muitos outros fabricantes de solução estão desenvolvendo seus produtosbaseados na determinação dos padrões 802.16. Uma prova deste empenho é o Fórun WiMAX(http://www.wimaxforum.org/home/), uma organização internacional para fomentar atecnologia 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 apopularização do WiMAX, algumas são perceptiveis em primeira mão. Entre estas, podemser 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. 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 soluçõesproprietárias como as acima, já podem ser vista em pleno funcionamento. Atualmente assoluções WiMAX se configuram em sua grande maioria como serviços de internet de bandalarga sem fio. Contudo, algumas aplicações no segmento corporativo já podem serencontradas. Como exemplo, a aplicação da tecnologia em bancos pode trazer inúmerasvantagens com a utilização de banda larga sem fio. Uma característica do WiMAX, desejávelpelas instituições financeiras é a segurança já inerente ao sistema incorporada pelacriptografia. Como no Wi-Fi, que é o padrão atualmente mais disseminado, a segurançaintrínseca deve estar disponível apenas no IEEE 802.11i ainda não concluído, estasinstituições foram reticentes quanto ao uso deste padrão. A convergência de tecnologias possibilitada pelo uso de WiMAX, como porexemplo servindo como backbone para conectar redes wi-fi, conectando redes ethernet a redessem fio, ou servindo de backbone entre redes locais sem fio e ainda sistemas de comunicaçãode dados integrados à telefonia celular entre outras inúmeras possibilidades, pode fazer destepadrão o grande avanço nos sistemas de informação e comunicação da próxima década.11.3. Certificação Wi-MAX
  • 86. 86 Até o momento, são encontradas apenas soluções proprietárias para aplicaçõesWiMAX, o que em outras palavras significa dizer que os equipamentos existentes atendemaos requisitos de uma comunicação baseada no protocolo que define a categoria, tais comovelocidade 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 próprioequipamento, ou seja será necessário adquirir estações base, estações de usuários, antenas etodos os outros hardwares e softwares necessários para a infra-estrutura de um sistema deWLAN do mesmo fabricante, pois a adição de produtos de outro fabricante no sistema, nãoterá seu funcionamento garantido. Para garantir que um produto seja de fato padrão WiMAX, o fórum WiMAX estátrabalhando no desenvolvimento da certificação WiMAX (WiMAX Certified) com o apoiodas organizações de padronização IEEE e ETSI. Segundo estas organizações um produto seráconsiderado WiMAX certified, quando for aprovado nos testes de conformidade einteroperabilidade. Os testes de conformidade são para garantir que um produto WiMAX estejaaderente à padronização, ou seja, realmente atenda às especificações determinadas peloprotocolo 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 outrosequipamentos também conformes, garantindo assim que numa solução WiMAX poderão serutilizados equipamentos de diversos fabricantes. Em suma, a conformidade é feita do produto contra a norma, onde o produto deveestar de acordo com a norma, e a interoperabilidade, e feita entre, no mínimo produtos de trêsfabricantes 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. 87 Dentre as vantagens mais evidentes no uso de produtos certificados, podem sercitadas 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. Aprimeira 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 ofinal de 2007 a consolidação de produtos, uma vez que os analistas apontam o ano de 2008como o ano do WiMAX.
  • 88. 88CONCLUSÃO A utilização de redes sem fio para redes metropolitanas baseadas no padrão IEEE802.16, surge como uma tecnologia cuja promessa é atender a todas as demandas paracomunicação de dados e tráfego multimída, como voz e vídeo, funcionado em sistemasbaseados em TCP/IP versão quatro (IPv4) ou seis (IPv6). Esta característica de transparênciaquanto aos protocolos das camadas de rede e transporte, certamente fará do WiMAX, umasolução 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 quedeve contribuir sobremaneira para a migração de serviços existentes para uma infra-estruturade comunicação não cabeada, bem como para o aparecimento de novos serviços. Acapacidade de transmissão desse padrão unida a facilidade de instalação dos sistemas, farádesta tecnologia um forte fomentador da convergência para sistemas robustos de comunicaçãode dados. As técnicas de modulação utilizadas na tecnologia, fazem um uso racional doespectro, provendo maneiras mais eficientes para transmissão de elevadas taxas de dadosatravés de sinais de rádio, aproveitando ao máximo as freqüências disponíveis. A máutilização de freqüências hoje, com serviços que apresentam menores exigências, deve ser umempecilho para o avanço da tecnologia. Esta situação deve exigir dos órgãosregulamentadores de telecomunicações uma reengenharia na divisão dos espectros para quesejam usados com mais cautela, evitando perdas. No Brasil, a ANATEL vem trabalhando no intuito de prover um esquema dedivisão 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 freqüênciaslivres, colocará o WiMAX como um padrão capaz de atender tanto necessidades de usuáriosdomésticos quanto necessidades de instituições como financeiras ou militares, pois mesmoutilizando freqüências não licenciadas, a segurança intrínseca garantida pela criptografia dacarga de dados úteis do sistema conferirá a este o nível de segurança exigido pelas maisdiversas categorias de usuários. Uma das primeiras aplicações vislumbradas para as soluções
  • 89. 89baseadas 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, osque tornará mais confiáveis que as atuais aplicações em comunicação sem fio. A incompatibilidade entre os dois principais padrões atuais IEEE 802.16 e IEEE802.16e, por utilizarem modulações diferentes para a transmissão dos dados, será um pontoprejudicial na tecnologia, uma vez que operadoras e clientes devem ter em mente exatametneo que desejam do sistema de comunicação sem fio sob o risco de verem perdidos seusinvestimentos. Contudo, como as primeiras soluções WiMAX devem funcionar baseadas noacesso fixo e nomâdico providos pelo 802.16-2004, os vendors estão criando soluções quepermitam a migração desses sistemas para o padrão móvel baseado no 802.16e, uma vez quepor serem naturalmente mais simples, as primeiras soluções baseadas em WiMAX devemcontemplar as características do padrão 802.16-2004, mas as exigências dos usuários e ademanda devem impor uma mudança para o padrão móvel. A manutenção dos sistemas não cabeados, uma vez instalados é baixa, já quehaverá diluição do custo de instalação ao longo do tempo, mesmo onde forem utilizadasfreqüências licenciadas, o que deve fazer do padrão em estudo um concorrente para outrastecnologias de banda larga sem fio como o Mobile-Fi, e para tecnologias cabeadas como omodem DSL. O Estado do Pará surge como usuário potencial para esta tecnologia, já que ascaracterísticas do estado, que apresenta diversas áreas de florestas e rios, impede muitas vezesque sejam instalados sistemas de comunicações cabeados, além do que a vasta área territorialdo Pará não é atendida em sua totalidade pelas operadoras de comunicação credenciadas paraa região. A utilização do Wi-MAX, pode trazer para esta região, como para tantas outras, apossibilidade de comunicação de banda larga para áreas rurais afastadas dos grandes centrosprovendo, há um custo acessível, além da comunicação necessária para empresas e órgãosgovernamentais, a inclusão digital em comunidades afastadas.
  • 90. 90REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASSOARES, L. F G; LEMOS, G.; COLCHER, S. Redes de Computadores: Das LANs MANs eWANs às Redes ATM. 7.ed. Rio de Janeiro: Campus, 1995.OLEXA, R. Implementing 802.11, 802.16, and 802.20 Wireless Networks – PlanningTroubleshooting 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 em06/12/2005.------- [2]. Fixed, Nomandic, Portable and mobile applications for 802.16-2004 and 802.16eWiMAX networks. 2005. http://www.wimaxforum.org/news/downloads/Applications_for_802.16 -2004_and_802.16e_WiMAX_networks_final.pdf. Acesso em15/12/2005.
  • 91. 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 TechniquesSociety. IEEE 802.16.2 2001 ™ : Recommended Practice for Local and metropolitan areanetworks - 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 areanetworks 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 networksPart 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems—Amendment 2:Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2–11GHz. 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 AccessSystems— 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 03/08/2005PRADO [3] O "Dia Seguinte" do Wi-Fi.http://www.wirelessbrasil.org/wirelessbr/colaboradores/eduardo_prado/artigo_07.html.Acesso em 15/07/2005
  • 92. 92PRADO [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 em25/02/06OLIVEIRA, C. http://www-iconsultores.com.br Acesso em 14/07/2005.INSTITUTE OF ELETRICAL AND ELETRONIC ENGINEERS. IEEE 802.15 WPAN TaskGroup 1 (TG1). http://www.ieee802.org/15/pub/TG1.html. Acesso em 28/12/2005
  • 93. 93APÊNDICE Definições do forum WiMAX para acesso fixo, nomâdico, portável e móvel. Acesso fixo: assume-se que o dispositivo do usuário está fixo em uma únicalocalização geográfica por toda a duração de sua inscrição na rede. O dispositivo do usuáriopode conectar e desconectar da rede, podendo ele selecionar a melhor estação base no tempoda conexão. O referido dispositivo tipicamente está associado com o setor ou célula dealguma estação base, e nenhuma associação com outro setor ou célula será controlada pelarede por instância, mesmo que hajam falhas ou macro diversidade no sistema. Acesso nomâdico: o dispositivo de usuário tem uma localização geográfica fixapelo período de uma sessão de operação. Se o dispositivo do usuário for movido para umalocalização diferente na mesma rede sem fio, a subscrição do assinante é reorganizada e umanova sessão de dados é estabelecida. O dispositivo pode estar habilitado a selecionar a melhorestação base no momento para conectá-lo à rede. Durante a sessão, cada dispositivo estarátipicamente associado a algum setor ou célula de uma estação base. E nenhuma re-associaçãocom outro setor ou célula será controlada pela rede, por instância, pela ocorrência de falhas oumacro-diversidade. Acesso portável: Neste tipo de acesso, o dispositivo do usuário manterá umaoperação com uma sessão de serviço de dados móvel à velocidade de um pedestre com umaárea de rede limitada. A capacidade de handover, também limitada, é utilizada durante umasessão de serviço da rede, enquanto o dispositivo de usuário trafega entre diferentes célulasou setores na mesma célula, mantendo a conexão ativa. Acesso móvel simples: O dispositivo de usuário irá manter uma operação desessão para aplicações que não sejam tempo real, movimentando-se a velocidades veicularesdentro da área de convergência de uma rede. São permitidos handover entre setores e estaçõesbase neste serviço continuamente para todas as aplicações que não sejam de tempo real. Acesso com mobilidade total: O dispositivo do usuário manterá uma sessão aaltas velocidades veiculares na área da rede. A performance do handover é garantida entresetores e estações base continuamente para todas as aplicações.

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