Cadernos CPqD Tecnologia V4 Nº 2

Cadernos CPqD

Tecnologia

Cadernos CPqD

TecnologiaVol. 4 • n. 2 • julho/dezembro 2008

Edição Especial: Tecnologia WiMAXEdição Especial: Tecnologia WiMAX

Cadernos CPqD TecnologiaVol. 4, n. 2, julho/dezembro 2008

ApresentaçãoClaudio A. Violato, João Marcos Travassos Romano..............................................................................3

PrefácioFabrício Lira Figueiredo........................................................................................................................... 5

Tecnologia WiMAX: uma visão geralFabrício Lira Figueiredo, Luís Cláudio Palma Pereira..............................................................................7

Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-FiJosé Antonio Martins, Roberto Petry, Jadir Antônio da Silva, Luís Cláudio Palma Pereira...................27

Solução híbrida de acesso metropolitano sem fio banda largaLuís Cláudio Palma Pereira, Jadir Antônio da Silva, José Antonio Martins, Fabrício Lira Figueiredo....41

Desafios para a operação de redes WiMAXJosé Luiz Navarro Frauendorf.................................................................................................................53

Mobilidade em redes WiMAXPedro Eduardo de Oliveira Macedo, Carlos Henrique Rodrigues de Oliveira........................................61

Implantação de projetos WiMAX com segurançaDanilo Yoshio Suiama, Emilio Tissato Nakamura, Helen Mary Murphy Peres Teixeira, Sérgio LuísRibeiro.....................................................................................................................................................69

Tecnologia de múltiplas antenas em sistemas WiMAXGustavo Fraidenraich, Paulo Cardieri, Michel Daoud Yacoub................................................................79

Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula –SAPSA

Maria Salete Sartorio Loural, Hugo Cesar Crohare Lavalle, Dagberto de Proença Magalhães, VicenteDe Angelis Junior....................................................................................................................................87

Projeto de chipset para WiMAX móvel: desafios e oportunidadesJulio Leão da Silva Jr., Edelweis Helena Garcez Ritt, Laurent Courcelle...............................................95

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 1-104, jul./dez. 2008

ISSN 1809-1946

ApresentaçãoTemos o prazer de trazer aos nossos leitores, pela primeira vez, uma Edição Especial dos CadernosCPqD Tecnologia. Esta primeira Edição Especial tem como tema a tecnologia das redes sem fio bandalarga baseadas no padrão WiMAX, as quais vêm despertando muito interesse pelas novas possibilidadesde serviços e de negócios que proporciona.

O cenário tecnológico mundial das telecomunicações apresenta atualmente uma fase de intensatransição para novos paradigmas de sistemas e arquiteturas de redes, que incorporam aspectos comopadronização, interoperabilidade, multiplicidade de serviços, mobilidade e ubiqüidade, com profundosreflexos tecnológicos, econômicos, regulatórios e até mesmo sociais. Esse movimento tem sido induzidopelo crescimento extremamente acelerado da base de usuários de serviços banda larga em todo omundo e pelo papel cada vez mais central da Internet na sociedade globalizada, como elemento deintegração, informação, educação, entretenimento e negócios. Essa tendência tem apresentado reflexosdiretos nas tecnologias de redes de acesso sem fio banda larga, com o surgimento de tecnologiastotalmente abertas e padronizadas, com características inovadoras em termos de funcionalidades,desempenho, custo e flexibilidade, entre as quais pode ser destacada a tecnologia WiMAX.

O avanço tecnológico no segmento das redes sem fio representa uma importante oportunidade para aexpansão do acesso a serviços banda larga, principalmente nos países emergentes, contribuindo para aviabilização de políticas públicas voltadas à inclusão digital e social. De fato, levar a infra-estruturaconvencional de telecomunicações a lugares distantes, ou de relevo complicado, é um grande desafiopara países como o Brasil. A baixa densidade demográfica de algumas dessas localidades muitas vezestorna economicamente inviável o investimento em redes baseadas em cabos metálicos ou ópticos. Poresses motivos, a infra-estrutura de rede sem fio desponta como uma forte alternativa para facilitar ainclusão social e, mais do que isso, para atender às diferentes demandas do mercado.

Trata-se também, para a engenharia brasileira, de uma oportunidade de dominar uma tecnologia capazde proporcionar à indústria nacional especiais condições de competitividade, tanto no mercado domésticocomo no mercado internacional. Com foco nas necessidades específicas do País, e com recursos doFUNTTEL, o CPqD tem realizado investimentos significativos e utilizado toda a sua experiência emtecnologias de redes de telecomunicações para desenvolver uma solução completa de banda larga semfio baseada nos padrões internacionais do WiMAX Forum. Alguns de seus resultados mais importantesestão descritos nos artigos desta edição dos Cadernos. Com o objetivo de apresentar uma visão maiscompleta do panorama tecnológico na área, esta Edição Especial inclui, também, artigos que relatam aexperiência e os resultados alcançados em projetos realizados por outros grupos de pesquisa, os quaisnão fazem parte do programa de P&D do CPqD.

Agradecemos a todos os autores, que aceitaram o convite de apresentar seus trabalhos para publicaçãonos Cadernos, e queremos registrar nosso reconhecimento aos membros do Comitê Editorial e aosdemais revisores pelo esmerado trabalho de revisão e pelos comentários valiosos, que contribuíram paraa maior qualidade desta edição dos Cadernos.

Gostaríamos de registrar, ainda, nossos agradecimentos pelo cuidadoso e competente trabalho deFabrício Lira Figueiredo, que, como editor-convidado, procurou com sucesso proporcionar uma visãoabrangente e aprofundada das redes WiMAX, com ênfase nos aspectos tecnológicos, regulatórios eoperacionais.

Esperamos, com esta edição, atender a uma demanda dos nossos leitores, trazendo-lhes informaçõesatualizadas sobre um dos temas mais relevantes para as telecomunicações.

Claudio A. ViolatoVice-Presidente de Tecnologia

João Marcos Travassos RomanoPresidente do Fórum de P&D do CPqD

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 3, jul./dez. 2008

Prefácio

Apresentam-se, nesta Edição Especial da Revista Cadernos CPqD Tecnologia, nove novos artigosfocados na Tecnologia WiMAX, envolvendo trabalhos recentes em desenvolvimento no CPqD, bem comocontribuições de personalidades ou instituições atuantes deste segmento tecnológico no Brasil.

No primeiro artigo, Figueiredo e Pereira fornecem uma visão geral dos principais fundamentos datecnologia WiMAX, descrevendo seu posicionamento no cenário internacional das telecomunicações, seucaminho evolutivo e suas características essenciais, de modo a proporcionar ao leitor a oportunidade dese familiarizar rapidamente com os principais aspectos que norteiam as redes WiMAX.

O segundo artigo, de Martins e outros colaboradores, apresenta uma visão do atual cenário regulatóriobrasileiro referente às tecnologias de acesso sem fio banda larga, que compreende uma análise daregulamentação brasileira sobre condições de uso do espectro de freqüências, considerando asespecificações dos sistemas WiMAX e Wi-Fi, e apontando faixas de freqüências disponíveis no País.

O terceiro artigo, de Pereira e colaboradores, apresenta uma solução sistêmica para prover infra-estrutura de telecomunicações incluindo redes de acesso banda larga sem fio, integrando segmentosbaseados na tecnologia WiMAX e na tecnologia Wi-Fi mesh, de forma a suportar serviços de voz, dadose imagem.

No quarto artigo, Frauendorf descreve os principais desafios para a operação de redes WiMAX,destacando parâmetros importantes que devem ser considerados quando da implantação e operação deredes WiMAX fixas em países em desenvolvimento, de modo a viabilizar a construção de redes de baixocusto, bem como sua implantação tanto em áreas já cobertas por outras tecnologias, quanto em áreassem oferta desses serviços.

No quinto artigo, Macedo e outros colaboradores fornecem uma visão geral sobre os mecanismos decontrole e gerência de mobilidade nas redes baseadas em redes WiMAX, com foco nos mecanismos decontrole de roaming e mobilidade IP.

No sexto artigo, Suiama e outros colaboradores discutem as necessidades e as principaisvulnerabilidades na tecnologia WiMAX e apresentam uma abordagem sistêmica para a implantação deredes WiMAX com segurança.

No sétimo artigo, Fraidenraich, Cardieri e Yacoub apresentam uma revisão das principais técnicas deprocessamento de sinais utilizadas em sistemas de múltiplas antenas para sistemas WiMAX, com focoem codificação espaço-temporal, multiplexação por divisão no espaço e sistemas com antenasadaptativas, introduzindo a noção dos ganhos de diversidade, ganho de multiplexação e ganho dearranjo.

No oitavo artigo, Loural e outros colaboradores apresentam um estudo de caso para o Serviço de Apoioao Professor em Sala de Aula, o SAPSA, implantado sobre uma rede sem fio WiMAX na cidade deHortolândia e utilizado por professores, administradores e gestores de ensino público para aumentar ointeresse dos alunos, assim como para validar o serviço e identificar novas funcionalidades relevantes.

No nono e último artigo, Silva Jr. e outros colaboradores do CEITEC apresentam os desafios para aimplementação de um chipset que implementa as camadas física e de enlace de dados da tecnologiaWiMAX, destacando as oportunidades de inovação tecnológica e descrevendo alguns dos principaisparâmetros críticos para o desempenho da interface aérea e do dispositivo semicondutor.

Nossa revista confirma, no presente número, suas características de regularidade, diversidade de temase interesse técnico-científico de seus artigos. Agradeço a cada um dos autores que participam desteexemplar e aos meus colegas do Fórum de P&D pelo cuidadoso trabalho de revisão.

Fabrício Lira FigueiredoGerente de Sistemas de Comunicações Sem Fio do CPqD

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 5, jul./dez. 2008

Tecnologia WiMAX: uma visão geralFabrício Lira Figueiredo*, Luís Cláudio Palma Pereira

Este trabalho tem por objetivo fornecer uma visão geral da tecnologia WiMAX, descrevendo seuposicionamento em relação às tecnologias semelhantes presentes no cenário internacional dastelecomunicações, seu caminho evolutivo, o foco em interoperabilidade e principalmente suascaracterísticas essenciais. Foi elaborada uma síntese das principais funcionalidades especificadas nopadrão IEEE 802.16, compreendendo arquitetura e topologia da rede, arquitetura de protocolo, camadafísica OFDM, camada física OFDMA, estruturas de quadro, mobilidade, gerenciamento de QoS,segurança da informação, entre outras. Deste modo, é fornecida uma visão sistêmica completa dasredes WiMAX e são destacados os principais diferenciais em relação a outras tecnologias de redes deacesso sem fio banda larga.

Palavras-chave: WiMAX. OFDMA. Rede sem fio.

Introdução

Ao longo dos últimos anos, diversas tecnologiasavançadas de redes sem fio têm sidodesenvolvidas pelo IEEE, em conjunto com aindústria, com foco em interoperabilidade,suporte ao protocolo IP e a altas taxas detransmissão. Um exemplo é a tecnologia Wi-Fi, baseada nopadrão IEEE 802.11 (IEEE, 1999), que consisteem uma solução de rede local sem fio (WirelessLAN-WLAN) amplamente difundida. O Wi-Fisuporta operação em bandas não licenciadas(2.4 e 5.8 GHz, no Brasil) em áreas de coberturana ordem de centenas de metros e com taxas detransmissão de até 54 Mbit/s. Essa tecnologia deacesso pode ser adotada como base para redesmetropolitanas sem fio, especialmente seassociada a técnicas de roteamento quepermitam incorporar o conceito de redes Ad Hocou mesh sem fio.Na mesma linha da tecnologia Wi-Fi, o IEEE temespecificado a tecnologia WiMAX, por meio dopadrão IEEE 802.16 (IEEE, 2004). Trata-se deuma tecnologia de rede metropolitana sem fio,com suporte a cobertura na ordem dequilômetros e taxas de transmissão de até74 Mbit/s, além de qualidade de serviço (QoS) einterfaces para redes IP, ATM, E1/T1 e Ethernet. O termo WiMAX (Worldwide Interoperability forMicrowave Access) se refere ao WiMAX Forum,que tem como missão principal garantir ainteroperabilidade entre os equipamentosbaseados no padrão IEEE 802.16 e é compostopredominantemente por fabricantes deequipamentos e chipsets.Através das funcionalidades suportadas pelatecnologia WiMAX, uma grande variedade deserviços sem fio banda larga é viabilizada,incluindo VoIP (Voz sobre IP) e IPTV (vídeosobre IP).

1 WiMAX no cenário tecnológicointernacional das telecomunicações

A tecnologia WiMAX tem ocupado posição dedestaque cada vez maior no cenário tecnológicointernacional das telecomunicações, devido auma série de fatores que a tornam umaalternativa para viabilizar técnica eeconomicamente o acesso sem fio banda largaem diversos mercados, incluindo os paísesemergentes.De fato, trata-se de uma tecnologia baseada emum padrão aberto e com foco eminteroperabilidade, contemplando técnicasavançadas de transmissão, arquitetura einterfaces flexíveis. Suporta múltiplas faixas defreqüência de operação, além de mecanismosavançados de gerenciamento de qualidade deserviço, segurança da informação e mobilidade. Esse modelo aberto e baseado em um padrãointernacionalmente reconhecido permite a amplaparticipação da indústria de equipamentos detelecomunicações em todo o mundo,contribuindo para a ampliação dos volumes deprodução e rápida redução dos preços dosdispositivos. Como resultado, o ecossistemaconstruído em torno da tecnologia WiMAXcontribui para a redução dos custos da infra-estrutura de acesso sem fio banda larga,permitindo a implantação de novos modelos denegócios e serviços pelas operadoras. Esse cenário de diversidade de atores e reduçãode preços de equipamentos já se verifica naprimeira geração de equipamentos, apropriadapara soluções de redes metropolitanas sem fiofixas, e vários fabricantes, de diversos portes, jáofertam produtos globalmente, inclusive comcertificado de interoperabilidade do WiMAXForum.O envolvimento direto da indústria desemicondutores também tem contribuídofortemente para o desenvolvimento do

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected]


Tecnologia WiMAX: uma visão geral

ecossistema WiMAX em nível global. Nessecontexto, a adoção já anunciada dessatecnologia por grandes fabricantes deprocessadores, como Intel e Fujitsu, assegurauma base crescente de usuários potenciais emtodo o mundo, cada vez mais interessados emdispositivos portáteis com suporte ao acessosem fio banda larga. Em países emergentes, como o Brasil, atecnologia WiMAX começa a ser adotada comouma solução para viabilizar a difusão do acessoa serviços banda larga, inclusive para ascamadas da população com menor poderaquisitivo. Considerando a baixa penetração deserviços banda larga no País e a importânciacrescente do acesso à informação comoinstrumento de desenvolvimentosocioeconômico, a tecnologia WiMAX temgrande potencial de contribuir para a inclusãodigital e social dos cidadãos.

1.1 WiMAX e tecnologias celulares

No ambiente atual das telecomunicaçõesalgumas tecnologias competem com a tecnologiadefinida pelo padrão WiMAX. As principaisopções tecnológicas ao alcance dos provedoresde serviços constam da Tabela 1. Em oposição aos sistemas baseados natecnologia de acesso CDMA constantes dessatabela e centrados originalmente no provimentode serviços de voz, a tecnologia WiMAX possui avantagem da maior flexibilidade, implementandoum variado conjunto de funcionalidades e perfis

nas camadas física e de enlace, que tornampossível sua utilização no segmento de acessode redes multisserviços (voz, dados e imagem)sujeitas a padrões de desempenho, segurança egarantia contratual de qualidade. Além de prover uma infra-estrutura mais simplesquando comparada aos sistemas 3G baseadosem CDMA (EVDO, HSPA), incorporandomobilidade baseada em redes de pacotes IP, arede de acesso WiMAX apresenta as seguintesvantagens adicionais detalhadas nas seçõessubseqüentes:• Tolerância a degradações associadas a

ocorrências de multipercurso, ausência devisada entre terminal de usuário (SS/MS) eestação-base (BS) e interferênciasintersimbólicas.

• Flexibilidade na utilização do espectro defreqüências proporcionada pelo método deacesso SOFDMA através da adequação dalargura do canal, alocação de subcanais deacordo com as demandas e requisitos dedesempenho, bem como a seleção dosmodos de permutação de subportadoras(PUSC, FUSC, AMC, TUSC) condizentes coma arquitetura e condições de operação darede de acesso.

• Flexibilidade na alocação de símbolos para odownlink e uplink proporcionada pelo métodode duplexação temporal (TDD) e otimizaçãoda estrutura do quadro para serviços comcaracterísticas assimétricas e dos tiposmulticast e broadcast.

Tabela 1 Comparação entre tecnologias WiMAX móvel, EVDO e HSPA

Atributo 1xEVDORev A HSPA WiMAX Móvel

Padrão CDMA2000/IS-95 WCDMA IEEE 802.16e-2005Esquema de duplexação FDD FDD TDDMultiplexação downlink TDM CDM-TDM OFDMMúltiplo acesso no uplink CDMA CDMA OFDMALargura de canal 1.25 MHz 5.0 MHz 3, 5, 8.75, 10 MhzTamanho de quadrodownlink 1.67 ms 2 ms

Tamanho de quadro uplink 6.67 ms 2.10 ms5 ms (TDD)

Modulação downlink QPSK/8PSK/16QAM QPSK/16QAM QPSK/16QAM/64QAMModulação uplink BPSK/QPSK/8PSK BPSK/QPSK QPSK/16QAMCodificação Turbo CC,Turbo CC,TurboTaxa de transmissãomáxima no downlink 3.1 Mbps 14 Mbps 32 Mbps (UL/DL=1,

Canal 10 MHz)Taxa de transmissãomáxima no uplink 1.8 Mbps 5.8 Mbps 7 Mbps (UL/DL=1,

Canal 10 MHz)

H-ARQ Fast 4-Channel Synchronous IR Fast 6-ChannelAsynchronous CC

Multi-channelAsynchronous CC

Agendamento Fast scheduling (DL) Fast scheduling (DL) Fast scheduling(DL/UL)

Handoff Virtual Soft Handoff Network initiated hardhandoff

Network optimizedhard handoff

Diversidade Transmissão eMIMO

Diversidade simples de malhaaberta

Diversidade simples demalha aberta e fechada

Space-Time Coding,Spatial Multiplexing

Beamforming Não Sim (Pilotos dedicados) SimFonte: WiMAX Forum, 2006a

8 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 7-26, jul./dez. 2008


• Técnicas avançadas de utilização do canal derádio, através de implementação de conjuntosde antenas capazes de alterar o padrão deradiação (AAS) ou processar fluxos de dadosdistintos ou redundantes associados adiferentes percursos de propagação(MIMO/STC).

• A segurança do acesso e das comunicaçõesna interface aérea são providas através demecanismos de criptografia (AES) aplicadosaos dados transportados, bem como àsmensagens estabelecidas pelos métodosbaseados no protocolo de autenticação(EAP).

• A qualidade de serviço é implementada porum conjunto de classes de serviço capaz de,através de parâmetros associados a cadauma delas, acomodar o tratamentodiferenciado do tráfego de dados, voz eimagem e a aplicação de critérios declassificação e priorização.

As características comuns à tecnologia WiMAX eàs demais apresentadas na Tabela 1,apresentando variações nas suasimplementações, incluem:• modulação adaptativa e codificação;• retransmissão total ou parcial com

reconstrução de pacotes (ARQ/H-ARQ);• escalonamento dinâmico na transmissão de

dados de acordo com critérios de priorizaçãoe medidas de eficiência na utilização dosrecursos de banda disponíveis;

• handoff otimizado para redução de atraso.A tecnologia WiMAX apresenta um caminhoevolutivo mais suave, a partir da versão móvel,enquanto as tecnologias 3G apresentam aindanecessidade de ao menos um salto tecnológicoimportante para se aproximar em termos defuncionalidades, conforme Figura 1. Esse salto érepresentado pela tecnologia LTE, com previsãode lançamento comercial após 2011 (WiMAXForum, 2006).

Vale ainda salientar que a técnica OFDMA, baseda versão móvel da tecnologia WiMAX,corresponde à principal tendência para a próximageração de redes móveis. De fato, tanto o 3GPP(Third Generation Partnership Project) quanto o3GPP2 já incorporaram a interface aéreaOFDMA em sua especificação da tecnologiaLTE.Desse modo, o posicionamento da tecnologiaWiMAX no cenário internacional é bastantefavorável, uma vez que se encontra bastante àfrente da família de tecnologias celulares 3G, e játem sua principal abordagem para redes móveisreconhecida como solução para as redes 4G.

2 Evolução do padrão IEEE 802.16

A primeira versão do padrão IEEE 802.16 foiestabelecida em 2001, conforme Figura 2, apósdois anos do início do desenvolvimento danorma. O WiMAX cobriria apenas a faixa defreqüências de 10 a 66 GHz e só operaria emlinha de visada, o que significa que o receptorprecisa ser visível para o emissor. Em 2003, foipublicada a versão 802.16c, que especifica umconjunto de perfis para a operação do sistema nafaixa de 10 GHz a 66 GHz e contribui paragarantir a interoperabilidade entre diferentesfabricantes. No início de 2004, foi publicada aversão 802.16.2-2, que corresponde a umconjunto de “melhores práticas” para aimplantação da rede WiMAX em diversoscenários possíveis no mundo real. No entanto, a necessidade de operar em linha devisada representaria um fator limitante para aadoção da tecnologia, pois dificultaria suaimplantação, principalmente em áreas urbanas. Visando a superar essa limitação, o IEEEpublicou, ainda em 2003, a versão 802.16a, queespecifica a operação em faixas de freqüênciasentre 2 e 11 GHz, incluindo bandas licenciadas enão licenciadas, sem a necessidade de linha devisada.

3GPP WCDMA

R.99

3GPP HSDPA

R5

3GPP HSUPAR6

3GPP21xEVDO

Rev0

3GPP2 1xEVDORevA

2005 2006 2007 2008 2009 2010+

3GPP MIMO/ HSDPA R7 SAE/LTE R8

3GPP2 1xEVDO

RevB

IEEE 802.16-2004ETSIHiperMAN

OFDM

IEEE 802.16e-2005/ETSIHiperMAN

SISO/OFDMA

IEEE 802.16e-2005/ETSI HiperMANMIMO/Beamforming/OFDMA

WiMAX

3G

3GPP WCDMA

R.99

3GPP HSDPA

R5

3GPP HSUPAR6

3GPP21xEVDO

Rev0

3GPP2 1xEVDORevA

2005 2006 2007 2008 2009 2010+

3GPP MIMO/ HSDPA R7 SAE/LTE R8

3GPP2 1xEVDO

RevB

IEEE 802.16-2004ETSIHiperMAN

OFDM

IEEE 802.16e-2005/ETSIHiperMAN

SISO/OFDMA

IEEE 802.16e-2005/ETSI HiperMANMIMO/Beamforming/OFDMA

WiMAX

3G

Fonte: WiMAX Forum, 2006b

Figura 1 Comparação do caminho evolutivo das tecnologias WiMAX e 3G

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 7-26, jul./dez. 2008 9


IEEE 802.16.2-2 - 2004Melhores Práticas

IEEE 802.16 - 2001MAC / PHY

IEEE 802.16a - 2003MAC / PHY

IEEE 802.16c - 2003Perfis de Sistemas

IEEE 802.16 - 2004MAC / PHY

PHY 10-66 GHz PHY <11 GHz

Figura 2 Versões iniciais do padrão IEEE 802.16 Em 2004, foi publicada a versão 802.16-2004,que incorpora a versão 802.16a e especifica asregras para a interoperabilidade nas freqüênciasaté 66 GHz (com foco nas faixas até 11 GHz) eque está sendo adotada como base para odesenvolvimento dos primeiros chipsets WiMAX.Finalmente, está em desenvolvimento a versão802.16e, que passa a suportar mobilidade entrecélulas e deverá viabilizar o desenvolvimento dosprimeiros processadores para PCs com WiMAXe Wi-Fi embutidos, com previsão de chegada aomercado ainda em 2008.Visando a complementar o papel do IEEE, foicriado o WiMAX Forum. Trata-se de umaorganização sem fins lucrativos constituída poroperadoras, fornecedores e fabricantes deequipamentos e terminais, além de provedoresde serviços, cujo principal objetivo é garantir ainteroperabilidade entre os dispositivos dosdiversos fabricantes. É ainda missão prioritária

do Fórum o tratamento de aspectos regulatóriose a difusão da tecnologia em todo o mundo.Desse modo, as tendências de evolução datecnologia WiMAX podem ser levantadas a partirdo andamento previsto para as especificações doIEEE 802.16 e do WiMAX Forum. A Figura 3 representa o caminho evolutivo dopadrão IEEE 802.16 a partir da versãoIEEE 802.16-2004. Atualmente, está disponíveltambém uma versão estável – IEEE 802.16f –relativa ao gerenciamento de redes WiMAX fixas,bem como um draft da versão IEEE 802.16e, quesuporta aplicações fixas e móveis em faixaslicenciadas. O caminho de evolução prevê aindaversões para a gerência de rede WiMAX móvel –IEEE 802.16i –, solução multihop – IEEE 802.16j– e a próxima geração WiMAX (taxas acima de 1Gbit/s em aplicações fixas e 100 Mbit/s emaplicações móveis).

IEEE 802.16 -2004Fixas (bandas licenciadas e não licenciadas/

NLOS:<6 GHz, LOS:>10,5 GHz)Cor 1

IEEE 802.16eFixo e Móvel (Licenciada, NLOS, <6 GHz )

IEEE 802.16h LEProcedimentos de

CoexistênciaIEEE 802.16f

MIBs para WiMAX Fixo

IEEE 802.16iMIBs para WiMAX Móvel

IEEE 802.16gGerenciamento Fixo e Móvel

IEEE 802.16xMulti-hop/Relay Móvel

IEEE 802.16mAltas taxas de transmissão (>1 Gbps -Fixo , >100 Mbps-Móvel )

Planejado

Draft

Em desenvolvimento

Padrão estável

2004

2005

2006

2008

2010



IEEE 802.16eFixo e Móvel (Licenciada, NLOS, <6 GHz)






IEEE 802.16jMulti-hop/Relay Móvel


2004

2005

2006

2008

2010



IEEE 802.16eFixo e Móvel (Licenciada, NLOS, <6 GHz )






IEEE 802.16xMulti-hop/Relay Móvel


Planejado

Draft

Em desenvolvimento

Padrão estável

2004

2005

2006

2008

2010



IEEE 802.16eFixo e Móvel (Licenciada, NLOS, <6 GHz)






IEEE 802.16jMulti-hop/Relay Móvel


2004

2005

2006

2008

2010

Figura 3 Evolução da padronização IEEE 802.16



O processo de certificação do WiMAX Forumtambém tem um roadmap bem definido,conforme Figura 4. Através desse processo, épossível garantir a interoperabilidade entre osequipamentos dos diversos fabricantes, principalmissão do Fórum. Atualmente, esse processo éconduzido em laboratórios que operam emdiversas localidades do mundo, visando àcertificação dos equipamentos WiMAX fixo em3.5 GHz, inclusive em um laboratório da Coréia,o qual está iniciando testes para certificação dosequipamentos WiMAX móvel em 2.5 GHz.

Observa-se que, a partir de 2007, o esforço decertificação passou a se concentrar no WiMAXmóvel, com foco em funcionalidades obrigatóriasespecificadas pelo padrão IEEE 802.16e, taiscomo OFDMA, handover, QoS, controle depotência, entre outras. Essas funcionalidadesdeverão, portanto, ser suportadas por todos osequipamentos, de modo que outrasfuncionalidades deverão ser agregadas por cadafabricante em busca de um diferencialcompetitivo, sem prejuízo à conformidade com opadrão.

1Q07 3Q07 1Q08 2Q082Q07 4Q07 3Q08 4Q08

Compatibilidade Reversa

Padronização IEEE (Novas Funcionalidades)

Release 1.0 Wave 2Testes Mandatórios:

Handovers, QoS, Consumo de potência, IPv6Base station

Módulos Opcionais:MIMOBeamformingEthernet IO MBS

Mobile stationTestes mandatórios:MIMOBeamformingMBSOpcional: Ethernet IO


OFDMA, QoS, power control, AES, PKMV2, handover básico,compressão de header, H-ARQ

1Q07 3Q07 1Q08 2Q082Q07 4Q07 3Q08 4Q08

Compatibilidade Reversa

Padronização IEEE (Novas Funcionalidades)


Handovers, QoS, Consumo de potência, IPv6Base station

Módulos Opcionais:MIMOBeamformingEthernet IO MBS

Mobile stationTestes mandatórios:MIMOBeamformingMBSOpcional: Ethernet IO


OFDMA, QoS, power control, AES, PKMV2, handover básico,compressão de header, H-ARQ

Figura 4 Caminho de evolução do processo de padronização da tecnologia WiMAX

ASN

R6

R6R8

NAP

R4

Outro ASN

Visited NSP Home NSP

R2

R1

SS/MS

R2

R3 R5

CSN CSN

Redes ASP ou Internet


BSASN

Gateway

BS

Figura 5 Rede de referência proposta pelo WiMAX Forum



2.1 Arquitetura fim a fim

Como mencionado anteriormente, a tecnologiaWiMAX, que engloba as camadas física e deacesso ao meio, encontra-se definida no padrãoIEEE 802.16. Contudo, a incorporação derequisitos associados à mobilidade, tais comointeroperabilidade tanto de equipamentos comode redes provedoras de serviço, roaming,continuidade nas conexões IP, entre outros,gerou a necessidade de estabelecimento denovas especificações e padronização deinterfaces. O trabalho relacionado aodesenvolvimento dessas especificações é deresponsabilidade do WiMAX Forum.A necessidade de provimento de um ambienteoperacional flexível, que suporte o atendimento aredes de alta a baixa densidade, áreas urbanas erurais, com bandas regulamentadas e nãoregulamentadas, baixo custo e rápidaimplementação, induziu o Fórum a adotar umaarquitetura de rede fim a fim, fortementeembasada no conceito de plataforma All-IP,incorporando os conhecimentos, elementosfísicos e lógicos constituintes do núcleo dasredes de transmissão e comutação de pacotes.De acordo com esse conceito, a rede fim a fiminclui o suporte a:• serviços de voz e multimídia;• acesso a provedores de serviços e

aplicações;• telefonia móvel baseada em VoIP;• serviços providos através de redes legadas e

interoperabilidade com redes sem fio econectadas por cabos existentes, tais como3GPP e DSL;

• serviços IP nos modos broadcast e multicast;

• roaming e gerenciamento de mobilidadeatravés de diferentes redes de acessoWiMAX;

• segurança e variedade de padrões eprotocolos de autenticação e formas decredenciamento e tarifação.

A implementação da rede fim a fim depende dadefinição dos protocolos de comunicação entreos diversos elementos da rede, bem como doconjunto de funcionalidades de gerenciamento econtrole. A partir desses objetivos, o Fórum concebeu ummodelo de referência para a arquitetura da redefim a fim, cujos elementos encontram-seilustrados na Figura 5.Na figura, a ASN (Access Service Network)engloba as entidades funcionais e as respectivasinterfaces responsáveis pelo provimento doacesso dos terminais WiMAX aos serviçosdisponibilizados pela rede CSN (ConnectivityService Network), bem como a manutenção daconectividade IP. A rede CSN pode incorporarelementos de rede como, por exemplo, servidorAAA, bancos de dados, gateways e outros.Sob o ponto de vista da operação, uma ou váriasASNs podem ser compartilhadas por diferentesprovedores de acesso (NAP – Network AccessProvider). Da mesma forma, múltiplosprovedores de serviço (NSP – Network ServiceProvider) podem compartilhar a infra-estrutura deacesso.

2.2 Arquitetura e topologia de rede de acesso

A topologia e a arquitetura de rede especificadaspelo padrão IEEE 802.16a estão ilustradas naFigura 6. São definidos os elementos BS (BaseStation) e SS (Subscriber Station).

SOHO

CoreNetwork

IP

ClientesResidenciais

BS

BS

ATM

HotSpots

Enterprise

SSSS

SS

SS

SS

SS

SOHO

CoreNetwork

IP

ClientesResidenciais

BS

BS

ATM

HotSpots

Enterprise

SSSS

SS

SS

SS

SS

Figura 6 Topologia e arquitetura de rede de acesso sem fio WiMAX



A BS realiza a interface entre a rede sem fio euma rede núcleo (Core Network), suportandointerfaces IP, ATM, Ethernet ou E1/T1. Esseelemento físico realiza fundamentalmente ainterconexão entre os terminais e as redesexternas de dados e voz, além de desempenharfunções de autenticação e registro de usuários,estabelecimento e controle de chamadas,provendo a interface entre a rede WiMAX e arede externa IP e, através desta, a RTPC (Redede Telefonia Pública Comutada). A SS permite ao usuário acessar a rede, atravésdo estabelecimento de enlaces com a BS, emuma topologia ponto-multiponto. A SS é umelemento físico ao qual o usuário se conectadiretamente através da rede local (LAN),acessando os serviços disponibilizados pela redeexterna IP após a conclusão de procedimentosde registro e autenticação. À SS é permitido oestabelecimento de conexões para transporte dedados via interface aérea.

Como alternativa à topologia ponto-multiponto, opadrão especifica a topologia mesh (opcional), naqual uma SS pode se conectar a uma ou maisSSs intermediárias (nós) até atingir a BS. Nessecaso, trata-se de uma rede multihop, querepresenta uma estratégia interessante paraexpandir a área de cobertura total da rede sem anecessidade de um aumento proporcional donúmero de BSs, resultando em uma economia

significativa nos custos de implantação, já que asSSs deverão ter custo bem inferior ao das BSs.

2.3 Arquitetura de protocolo

O padrão IEEE 802.16 (IEEE, 2004) especifica ainterface aérea para freqüências até 66 GHz einclui a camada de enlace de dados (MAC) emúltiplas camadas físicas (PHY), segundo aarquitetura de protocolos ilustrada na Figura 7. A camada MAC tem a função de controle deacesso ao meio e de garantia do nível de QoS nainterface aérea, através de mecanismosdinâmicos de reserva de banda e priorização detráfego. Adicionalmente, o suporte a múltiplasinterfaces para camadas físicas e para a redenúcleo, bem como os mecanismos desincronismo e segurança da informação,constituem o conjunto principal defuncionalidades da camada MAC especificada nopadrão 802.16. A integração das versões decamadas MAC e física origina as versões atuaisespecificadas para a tecnologia WiMAX,descritas a seguir:• WirelessMAN-SC: trata-se da versão single-carrier, projetada para operação com linha devisada (LOS – Line of Sight) na faixa defreqüências de 10 a 66 GHz. Essa versão éfocada em flexibilidade, em termos deplanejamento, custo, funcionalidades,serviços e capacidade.

• Controle de Acesso ao Meio• Gerenciamento de QoS• Suporte para as PHYs OFDM e OFDMA• Segurança (Enterprise Class)• Sincronismo• Interface para IP, ATM, E1/T1, Ethernet• Dynamic Frequency Selection (DFS), em bandas não licenciadas• Suporte a sistemas com antenas adaptativas• Suporte a topologia Mesh (Opcional)• OFDM

FFT-256, TDMA (TDD/FDD)• OFDMA

FFT 2048 pontos com TDMA (TDD/FDD)• Single Carrier (SCa)

FFT 2048 pontos com TDMA (TDD/FDD)TDMA (TDD/FDD)BPSK, QPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM

• WirelessHUMAN• até 11 GHz• até 74 Mbps• Potência Máxima de Transmissão: +28 dBm• Áreas de cobertura:

Ponto-Multiponto: 8-30 Km (rural), 1-6 Km (urbano)Ponto-a-Ponto: acima de 40 Km

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace deDados

Física

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace deDados

Física

Figura 7 Arquitetura de protocolos da tecnologia WiMAX: camadas física e de enlace de dados



• WirelessMAN-SCa: versão single-carrier parafreqüências até 11 GHz. Compreende umconjunto de funcionalidades para suportaroperação sem linha de visada, incluindo umaestrutura de quadros robusta a multipercurso,estimação e equalização de canal, modulaçãoadaptativa, múltiplos esquemas decodificação, antenas adaptativas, diversidadede transmissão, controle de potência e ARQ(Automatic Repeat Request).

• WirelessMAN-OFDM: projetada paraoperação sem linha de visada (NLOS), emfreqüências abaixo de 11 GHz, com base emmodulação multiportadoras (OFDM –Orthogonal Frequency-Division Multiplexing).Além das funcionalidades especificadas naWirelessMAN-SCa, essa versão suportatopologia mesh e subcanalização no enlacereverso (uplink), que representam importantesferramentas para a otimização da coberturado sistema.

• WirelessMAN-OFDMA: suporta operaçãoNLOS em freqüências abaixo de 11 GHz e sebaseia no esquema de múltiplo acessodenominado OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). Trata-se de umaextensão da técnica de modulação OFDMpara permitir o compartilhamento de canal pormúltiplos usuários. Além das funcionalidadesespecificadas na WirelessMAN-SCa, suportasubcanalização nos enlaces direto e reverso.

• WirelessHUMAN: compreendefuncionalidades específicas para operaçãoem bandas não licenciadas, sendo, por essarazão, denominada HUMAN (High-speedUnlicensed Metropolitan Area Network).

Especifica a operação nas faixas de 5 e 6GHz, com base em um esquema flexível decanalização, que inclui canais de 10 e 20 MHzde largura, com espaçamento de 5 MHz. Oesquema a ser efetivamente adotadodepende de aspectos regulatórios. Essaespecificação se aplica às versões SCa,OFDM e OFDMA das camadas físicas dopadrão IEEE 802.16.

3 Operação sem linha de visada

A definição formal de “operação em linha devisada” é estabelecida com base no conceito dezonas de Fresnel, conforme Figura 8. Osobstáculos à propagação do sinal de rádiopodem provocar, entre outros efeitos, a difração,cuja abrangência é modelada através de zonasvolumétricas elipsoidais em torno da visadadireta entre transmissor e receptor, denominadaszonas de Fresnel. O conceito de “operação em linha de visada”consiste em garantir que não existam obstáculossituados no interior da primeira zona de Fresnel.Desse modo, a abertura da primeira zona deFresnel, que depende da freqüência de operaçãoe das distâncias para os obstáculos, impõe umlimite mínimo à altura da antena transmissora.A operação em freqüências abaixo de 11 GHzimplica a transmissão em enlaces deradiofreqüência com comprimentos de onda maislongos, tornando desnecessária a condição devisada direta para a operação. Adicionalmente, arecepção de sinais em multipercurso é possívelnessa faixa de freqüências, aumentando aindamais o desempenho na recepção.

SSSSBSBS

Primeira Zona Primeira Zona de Fresnelde Fresnel

SSSSBSBS

Primeira Zona Primeira Zona de Fresnelde Fresnel

Fonte: WiMAX Forum, 2004

Figura 8 Zonas de Fresnel e definição de operação em linha de visada



Para suportar a operação em cenários NLOS, énecessário implementar um conjunto defuncionalidades nas camadas física e de enlacede dados. As principais funcionalidadesespecificadas no padrão IEEE 802.16-2004 sãodescritas a seguir.

3.1 Modulação OFDM

A modulação OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) representa um elementofundamental para suportar operação sem linhade visada na tecnologia WiMAX, devido ao altodesempenho alcançado nessa condição depropagação. Trata-se de uma técnica de multiplexação deinformações em um conjunto de subcanaisconstituídos por subportadoras banda estreita eortogonais entre si. Esse esquema de modulaçãopode ser implementado como um banco defiltros, conforme Figura 9. Nesse caso, uma

seqüência de bits transmitida a uma taxa de Rbit/s é multiplexada em N subcanais, resultandona transmissão de R/N bit/s sobre cadasubportadora. Essa estratégia tem como benefício imediato apossibilidade de utilização de equalizadoressimplificados nos receptores. A Figura 10a ilustraa distorção imposta pelo canal de rádio a umsinal transmitido por um sistema banda larga deportadora única, que requer um equalizador dealta complexidade para a recomposição do sinaloriginal. Já no caso da Figura 10b, o canal derádio distorce uniformemente cada subcanal, demodo que a operação de equalização de cadasubportadora se resume a uma simplesamplificação. Outro importante benefício é o aumento daeficácia na utilização de técnicas de codificação ecorreção de erros, possibilitado pela transmissãoa taxas reduzidas em cada subportadora.

Figura 9 Modulação OFDM implementada através de banco de filtros


Figura 10 Sinais recebidos em sistemas banda larga de portadora única e multiportadora


QAM Filtro

f0

d0(t)R/N b/s

QAM Filtro

f1

d1(t)R/N b/s

QAM Filtro

fN-1

dN-1(t)R/N b/s

R b/sRF

Transmissor

fN-1

QAMFiltro

f0

d0(t)

QAMFiltro

f1

d1(t)

QAMFiltrodN-1(t)

RF

Receptor

R b/s

QAM Filtro

f0

d0(t)R/N b/s

QAM Filtro

f1

d1(t)R/N b/s

QAM Filtro

fN-1

dN-1(t)R/N b/s

R b/sRF

QAM Filtro

f0

d0(t)R/N b/s

QAM Filtro

f1

d1(t)R/N b/s

QAM Filtro

fN-1

dN-1(t)R/N b/s

R b/sRF

..

.

..

.

QAM Filtro

f0

d0(t)R/N b/s

QAM Filtro

f1

d1(t)R/N b/s

QAM Filtro

fN-1

dN-1(t)R/N b/s

R b/sRF

Transmissor

fN-1

QAMFiltro

f0

d0(t)

QAMFiltro

f1

d1(t)

QAMFiltrodN-1(t)

RF

Receptor

R b/s

QAM Filtro

f0

d0(t)R/N b/s

QAM Filtro

f1

d1(t)R/N b/s

QAM Filtro

fN-1

dN-1(t)R/N b/s

R b/sRF

QAM Filtro

f0

d0(t)R/N b/s

QAM Filtro

f1

d1(t)R/N b/s

QAM Filtro

fN-1

dN-1(t)R/N b/s

R b/sRF

..

.

..

.

..

.

..

.


Alternativamente, é possível implementar amodulação OFDM através de transformadasdiscretas de Fourier, viabilizando a utilização deprocessadores digitais de sinais (DSP – DigitalSignal Processor) de alto desempenho,resultando em um sistema mais estável, flexívele de custo reduzido. Com a rápida evolução dosDSPs, a modulação OFDM tem sido cada vezmais adotada nas soluções modernas de redessem fio banda larga.A Figura 11 ilustra o esquema de modulaçãoOFDM especificado para a tecnologia WiMAX. Ainformação é mapeada em um símbolo deduração Ts, que compreende um intervalo deguarda Tg e o símbolo efetivo, de duração Tb (verFigura 11a). O tempo de guarda Tg tem a funçãode aumentar a robustez ao desvanecimento pormultipercurso. A porção final de cada símbolo é ciclicamentecopiada sobre a porção reservada ao intervalo deguarda, originando um prefixo cíclico (CyclicPrefix), que contribui para manter aortogonalidade entre as subportadoras,representada na Figura 11b. Na Figura 11c,pode-se observar os tipos de subportadorasdefinidos na camada física OFDM da tecnologiaWiMAX. As subportadoras-piloto são utilizadas nosmecanismos de controle de potência esincronismo, enquanto as subportadoras DCpodem ser utilizadas como banda de guardadentro de um canal banda larga.

3.2 Modulação OFDMAA camada física denominada OFDMA

(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)foi especificada inicialmente na versão IEEE802.16-2004 do padrão. A tecnologia de acessoOFDMA corresponde a uma extensão doesquema de modulação OFDM que proporcionaa possibilidade de compartilhamento do mesmointervalo de tempo, correspondente a umsímbolo, por múltiplos usuários no acesso aoenlace reverso (uplink), e a alocação simultâneade dados destinados a diferentes usuários noperíodo de tempo correspondente à parcela doquadro do enlace direto (downlink).A Figura 12 ilustra o conceito do esquemaOFDMA. No caso ilustrado, as subportadorassão alocadas segundo um algoritmo pseudo-aleatório entre os usuários. Uma vez que assubportadoras são ortogonais, esse esquemaminimiza a interferência entre usuários emaximiza a eficiência e a flexibilidade no uso doespectro, sendo mais apropriado para suportarserviços móveis.Na versão IEEE 802.16e, a interface OFDMA foievoluída para suportar escalabilidade quanto àlargura do canal, originando o esquemadenominado SOFDMA (Scalable OrthogonalFrequency-Division Multiple Access). Aescalabilidade é alcançada mantendo constanteo espaçamento entre as subportadoras (em10.94 kHz) e variando a dimensão da FFT paraajustar a uma determinada largura de canal. Umavez que a largura de subportadora é fixa, aduração do símbolo também tem essacaracterística, minimizando o impacto sobre ascamadas superiores.

N Subportadoras

∆f = W/N

Banda de guarda

Portadora de dados

Subportadora DC

Subportadora Piloto

Banda de guarda

Canal

N Subportadoras

∆f = W/N

Banda de guarda

Portadora de dados

Subportadora DC

Subportadora Piloto

Banda de guarda

Canal

Fonte: IEEE, 2004

Figura 11 Modulação OFDM na tecnologia WiMAX



Figura 12 Sinais recebidos em sistemas banda larga de portadora única e multiportadora

Desse modo, o esquema SOFDMA viabiliza aoperação de redes WiMAX em uma grandevariedade de larguras de canal (entre 1.25 e20 MHz), o que favorece a adequação aosdiversos cenários regulatórios em todo o mundo,bem como a harmonização da utilização doespectro no longo prazo. Através dessa abordagem, canais mais largospodem ser suportados, ampliando a capacidadeda rede e viabilizando a implantação de serviçoscomo a TV móvel. Por outro lado, canais maisestreitos podem ser adotados em aplicaçõescom requisitos de banda menos restritivos,como, por exemplo, serviços de acesso àInternet em áreas rurais.

3.3 Esquemas de transmissãoAlém da flexibilidade em termos de camadasfísicas, o padrão IEEE 802.16 suporta diferentesesquemas de transmissão sobre os enlacesdireto e reverso.No esquema FDD (Frequency Division Duplex),dois canais distintos e de mesma largura sãoutilizados para transmissão no downlink e nouplink, conforme Figura 13. Esse esquema detransmissão é mais apropriado para o transportede tráfegos simétricos entre downlink e uplink.No caso de tráfego assimétrico, ocorre reduçãona eficiência de uso do espectro, que não édesejável em muitos cenários.No esquema TDD (Time Division Duplex), umúnico canal é utilizado para a transmissão nodownlink e no uplink, conforme Figura 14.

Fonte: IEEE, 2004

Figura 13 Esquema de transmissão FDD

n = (Taxa x Duração do Quadro)/4

Subquadro Downlink Subquadro Uplink

Adaptativo

Quadro j-2 Quadro j-1 Quadro j Quadro j+1 Quadro j+2

Fonte: IEEE, 2004

Figura 14 Esquema de transmissão TDD


tempo

quadro

SS com Full Duplex

SS#1 com Half Duplex


tempo

quadro

SS com Full Duplex



Usuário 1

Usuário 2

Usuário 3

Usuário 4

Usuário 1

Usuário 2

Usuário 3

Usuário 4

Usuário 1

Usuário 2

Usuário 3

Usuário 4


Nesse caso, o quadro é subdividido em duasporções, sendo a primeira para o downlink e asegunda para o uplink, com uma separaçãomínima entres elas. No padrão IEEE 802.16, afronteira entre as porções uplink e downlink doquadro TDD é ajustável e pode ser pré-configurada ou alterada dinamicamente. Essaabordagem é mais apropriada para tráfegoassimétrico e dinâmico, com requisitos delatência moderados.

3.4 Estruturas de quadro

A estrutura de quadro do downlink na camadafísica OFDM é representada na Figura 15, que éadotada tanto no esquema FDD quanto no TDD.O quadro inicia com um preâmbulo (FSP –Frame Start Preamble), utilizado parasincronização e ajuste de nível de potência. Emseguida, tem início a seção de controle do

quadro (FCH – Frame Control Header), quecontém os ponteiros de início para as seções dedados no downlink (DL-MAP) e uplink (UL-MAP).Após o FCH, seguem as seções de dados, quepodem ter comprimento variável para facilitar omapeamento dos pacotes de dados e sãotransmitidas de acordo com os respectivos perfisde modulação e codificação (Burst Profiles).A Figura 16 representa a estrutura do quadro douplink, considerando também a camada físicaOFDM. Inicialmente, é reservada uma porção doquadro para permitir oportunidades de acesso àsestações de assinante (SS), através demecanismo aleatório de controle de acesso aomeio. Em seguida, uma porção do quadro éalocada para permitir que as SSs enviemmensagens de requisição de alocação de bandaà BS. As porções seguintes são dedicadas aotransporte de dados das SSs, transmitidassegundo os respectivos Burst Profiles.

Fonte: IEEE, 2005

Figura 15 Estrutura de quadros do enlace direto, para camada física OFDM

Fonte: IEEE, 2005

Figura 16 Estrutura de quadros do enlace reverso, para camada física OFDM



No caso da camada física OFDMA, a estruturade quadro para o esquema de transmissão TDDé descrita na Figura 17. A seqüência de camposé similar à OFDM PHY, iniciando compreâmbulo, seguido do FCH, do DL-MAP, UL-MAP, e regiões de dados no downlink e uplink,com a inserção de um subcanal de ranging antesdos dados do uplink, cuja função é permitir queas SSs tenham uma oportunidade para realizar aoperação de ranging a cada quadro.Nesse caso, as informações são distribuídas notempo e em subcanais lógicos, criando umaestrutura de quadro que pode ser mapeada emduas dimensões, caracterizando a flexibilidade

de distribuição da informação a ser transmitidanos subcanais.

3.5 Serviços musticast e broadcast

A tecnologia WiMAX, segundo o padrãoIEEE 802.16e, especifica os serviços multicast ebroadcast (MBS – Multicast and BroadcastService). Essa funcionalidade pode ser implementadaconstruindo uma zona MBS distinta do quadrodownlink, coexistindo com serviços unicast, outodo o quadro downlink pode ser alocado para oserviço MBS. A Figura 18 ilustra a construção

Fonte: IEEE, 2005

Figura 17 Estrutura de quadros dos enlaces direto e reverso, para camada física OFDMA e esquema TDD

Sub-quadro DL Sub-quadro UL

1a Zona PUSC Zona PUSC STC Zona MBS PUSC STC Zona PUSC

DL MAP Comprimido

Região H-ARQ (VoIP)

Região MBS

Região H-ARQ (VoIP)

Fonte: WiMAX Forum, 2006c

Figura 18 Zonas MBS mapeadas na estrutura de quadros OFDMA, definida para o WiMAX móvel



das zonas MBS no downlink e no uplink, em umcenário de coexistência com serviços unicast.Nesse caso, a flexibilidade na duração das zonasMBS proporciona um mecanismo de baixacomplexidade para a alocação de recursos aotráfego MBS em maior ou menor escala. Valenotar que múltiplas zonas MBS podem sersuportadas em um mesmo quadro, tendo cadazona MBS um descritor próprio (MAP IE – MAPInformation Element).Uma estação móvel (MS) acessa o DL-MAP paraidentificar as zonas MBS e as localizações dosMBS MAPs a ela associadas em cada zonaMBS. O MBS MAP está localizado no primeirosubcanal do primeiro símbolo OFDMA da zonaMBS associada. A MS pode ainda acessar oserviço MBS no modo Idle, ocorrendo atransmissão somente em instantes de tempoespecíficos, com o objetivo de reduzir o consumode potência.Desse modo, a flexibilidade proporcionada peloWiMAX móvel resulta em suporte integrado aosesquemas unicast, multicast e broadcast,viabilizando o provimento de um maior conjuntode serviços e contribuindo para concretizar umdos principais atributos dessa tecnologia: osuporte a serviços multimídia (Triple Play).

3.6 Subcanalização

Um problema bastante comum em redes sem fiobaseadas em topologia ponto-multiponto é odesbalanceamento de cobertura entre os enlacesdireto (downlink) e reverso (uplink). De fato, emvários cenários práticos, as estações-clientesofrem restrições quanto ao consumo depotência e à potência máxima de transmissão,

resultando em uma tendência natural para que acobertura seja limitada pelo enlace reverso.Para minimizar o problema dodesbalanceamento de cobertura entre osenlaces, o padrão 802.16 adota a técnica desubcanalização, conforme Figura 19, queconsiste em um cenário hipotético em que apotência máxima de transmissão da SScorresponde a 25% da potência máxima da BS.Para compensar esse desequilíbrio, a técnica desubcanalização é adotada, de modo que ainformação é transmitida em apenas 25% dassubportadoras disponíveis, o que permite elevara potência efetiva em um fator de quatro vezesnas subportadoras selecionadas. O preço a serpago pelo aumento de cobertura através dasubcanalização é a redução na vazão máximasuportada pelo enlace.

3.7 Modulação adaptativa

Um dos recursos tecnológicos incorporados aopadrão WiMAX é a modulação adaptativa. Trata-se da implementação de esquemasautomatizados de seleção da modulação maisapropriada a ser utilizada no enlace, a partir decritérios de avaliações periódicas de seudesempenho, por exemplo, a partir do nível darelação sinal-ruído detectada no receptor.A partir da negociação entre as estações-base eas estações-cliente, a modulação a ser adotadaé dinamicamente adaptada às condições doenlace de rádio. Essa técnica confere maiorrobustez e flexibilidade ao sistema, além demaximizar a capacidade média semcomprometer a cobertura da célula, já tendo sidoanteriormente adotada na tecnologia Wi-Fi.


Figura 19 Esquema de subcanalização na tecnologia WiMAX para camada física OFDM


Figura 20 Esquema de modulação adaptativa adotado na tecnologia WiMAX



O resultado do esquema de modulação éilustrado na Tabela 2, na qual é possívelobservar a taxa de transmissão bruta na interfaceaérea WiMAX, em função da modulação,codificação e largura de canal. Tabela 2 Taxas de transmissão na interface aéreaWiMAX, em função da modulação, codificação e

largura de canal

Modulação QPSK 16-QAM 64-QAMTaxa de

codificação 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4

1.75 MHz 1.04 2.18 2.91 4.36 5.94 6.553.5 MHz 2.08 4.37 5.82 8.73 11.88 13.095 MHz 4.16 6.28 8.32 12.48 16.63 16.707 MHz 4.35 8.73 11.64 17.45 23.75 16.1810 MHz 8.31 12.47 16.63 24.94 33.25 37.4020 MHz 16.62 24.94 33.25 49.87 66.49 74.81

Fonte: IEEE, 2004

3.8 Antenas inteligentes

As tecnologias de antenas inteligentes sebaseiam em algoritmos para o processamentodos sinais provenientes de múltiplos elementosconstituintes do conjunto de antenas, visando amelhorar a relação entre sinal e ruído maisinterferente associada a uma estação-terminal.Tipicamente, esses algoritmos envolvemoperações com vetores ou matrizes complexas,associadas à caracterização do canal e àcombinação e ponderação de sinais,provenientes ou transmitidos pelos elementos doconjunto de antenas.A tecnologia OFDMA se mostra adequada àimplementação de antenas inteligentes, uma vezque as subportadoras estão sujeitas aodesvanecimento, que pode ser caracterizadocomo plano. Essa propriedade, além de eliminara necessidade de equalizadores complexos paracompensar o efeito do desvanecimento seletivo,facilita a caracterização das condições depropagação de um subconjunto desubportadoras e a incorporação dessascaracterísticas nos algoritmos determinantes docomportamento dinâmico do feixe ou doprocessamento dos fluxos de dados associadosaos diferentes elementos do conjunto deantenas. Desse modo, o esquema OFDMA ébastante apropriado a tecnologias de antenasinteligentes, facilitando sua implementação.A versão IEEE 802.16e, referente ao WiMAXmóvel, suporta um conjunto bastante completode tecnologias de antenas inteligentes, cujoobjetivo é melhorar o desempenho do sistemaem termos de cobertura e/ou capacidade. Asopções suportadas são:• Beamforming: consiste na utilização de

múltiplas antenas para conformação dodiagrama de radiação, visando a aumentar acobertura e incrementar a capacidade do

sistema, reduzindo as degradaçõesassociadas aos eventuais sinais interferentes,diminuindo assim as chances de exaustão derecursos da interface aérea (outageprobability).

• STC (Space-Time Code): a diversidade detransmissão semelhante ao código deAlamouti é adotada, visando a suportar adiversidade espacial e reduzir as margens dedesvanecimento necessárias à operação.

• SM (Multiplexação espacial): nesse esquema,múltiplas seqüências de dados sãotransmitidas através de múltiplas antenas.Caso o receptor também disponha demúltiplas antenas, as diferentes seqüênciassão separadas a fim de maximizar a vazão,quando esta é comparada com a obtida emsistemas de antena única.

• MIMO (Multiple Input, Multiple Output):corresponde a um caso particular doesquema de multiplexação espacial, no qualao menos dois transmissores e doisreceptores são utilizados simultaneamentecom a finalidade de maximizar a vazão emambos os sentidos dos enlaces. Comoexemplo, o esquema MIMO 2x2 permiteduplicar a vazão no uplink e no downlink.

Vale salientar que, no caso de estações móveis,a adoção de esquemas MIMO com transmissãovia múltiplos canais tem aplicabilidade limitada,devido à alta correlação espacial entre asantenas. Nesse cenário, a abordagem maisindicada é a denominada MIMO colaborativo(Collaborative MIMO), segundo a qual duas MStransmitem simultaneamente sobre o uplink, nomesmo slot (tempo e freqüência), através deuma única antena. Essa abordagem permiteduplicar a capacidade média do setor no uplink.Também vale salientar que o WiMAX móvelsuporta ainda o chaveamento adaptativo entrediferentes esquemas de antenas inteligentes,visando a extrair o máximo de benefício dessastécnicas em diferentes condições de propagação.Por exemplo, a técnica SM contribui paraaumentar a vazão do sistema, mas em condiçõesde propagação desfavoráveis, a taxa de erro depacote (PER – Packet Error Rate) pode se tornarelevada, resultando na limitação da área decobertura onde limiares mínimos de PER sãoalcançados. Já a técnica STC amplia acobertura, com eventuais aumentos das taxas detransmissão de pico.A arquitetura de referência especificada natecnologia WiMAX móvel para o chaveamentoadaptativo entre esquemas de antenasinteligentes encontra-se ilustrada na Figura 21.

4 Gerenciamento de QoSO gerenciamento de qualidade de serviço (QoS –Quality of Service) em redes WiMAX representaum de seus principais diferenciais, quando



Figura 21 Chaveamento adaptativo entre esquemas de antenas inteligentes da tecnologia WiMAX móvel

comparada a outras tecnologias de redes sem fiobanda larga. Com enlaces de alta velocidade,possibilidade de alocação assimétrica entredownlink e uplink, e elevada granularidade paracontrole de recursos da interface aérea, atecnologia WiMAX possui flexibilidade paraatender aos requisitos de QoS de uma grandevariedade de serviços e aplicações.O mecanismo de gerenciamento de QoS datecnologia WiMAX se baseia no conceito de fluxode serviço, que consiste em um fluxounidirecional de pacotes para o qual se provê umnível particular de QoS, podendo ser associadotanto ao uplink quanto ao downlink. Um fluxo deserviço é caracterizado pelos seguintes atributos:• SFID (Service Flow ID): identificador único do

fluxo de serviço.• CID (Connection ID): identificador único da

conexão associada ao fluxo de serviço.• ProvisionedQoSParamSet: conjunto de

parâmetros de QoS a ser aprovisionado viasistemas de gerência.

• AdmittedQoSParamSet: conjunto deparâmetros de QoS que representamrecursos a serem reservados na BS e SS, taiscomo banda e memória de processamento.

• ActiveQoSParamSet: conjunto de parâmetrosde QoS que definem os serviços associados aum fluxo de serviço.

• Authorization Module: função lógica da BSque define o perfil dos serviços através devalores de configuração dos parâmetros dosconjuntos AdmittedQoSParamSet eActiveQoSParamSet.

O mecanismo de gerenciamento de QoS datecnologia WiMAX compreende as seguintesfuncionalidades:• Estabelecimento de fluxos de serviço: inclui

toda a sinalização necessária para oestabelecimento dinâmico de fluxos deserviços e parâmetros de tráfego, comsuporte a QoS.

• Mecanismo de agendamento de pacotes:implementado na camada MAC, éresponsável pelo mapeamento dos pacotesna estrutura de quadros, em conformidadecom o perfil de cada fluxo de serviço.

• Tratamento de classes de serviços: consisteno agrupamento das propriedades dos fluxosde serviços em classes de serviços, com basena utilização de parâmetros de tráfego e QoS,que definem o perfil dos fluxos de serviços.

O padrão IEEE 802.16e define o conjunto deparâmetros de QoS ilustrado na Tabela 3.

Tabela 3 Parâmetros de QoS definidos para atecnologia WiMAX

Parâmetro DescriçãoTraffic Priority Prioridade do fluxo de serviço

Maximum SustainedTraffic Rate

Pico da taxa de informação doserviço

Maximum Traffic Burst Máximo comprimento de surtosde tráfego

Minimum ReservedTraffic Rate

Mínima taxa reservada para ofluxo de serviço

Minimum ToleratedTraffic Rate

Mínimo volume de tráfego a serretransmitido para a CS

Jitter tolerado Máxima variação de atrasopermitida

Máxima latência Máximo atraso na retransmissãode pacotes

As classes de serviço definidas para a tecnologiaWiMAX, segundo o padrão IEEE 802.16e, são:• UGS (Unsolicited Grant Service): suporta

tráfego em tempo real de pacotes decomprimento fixo transmitidos em intervalosperiódicos, como E1/T1 e VoIP sem detecçãode atividade de voz.

• rtPS (Real-Time Polling Service): suportatráfego em tempo real de pacotes decomprimento variável transmitidos emintervalos periódicos, como MPEG.

• ertPS (Extended Real-Time Polling Service):suporta tráfego em tempo real, com



comprimento variável, mas com latênciareduzida, como VoIP com detecção deatividade de voz.

• nrtPS (Non-Real-Time Polling Service):suporta tráfego tolerante a atraso e comrequisito de taxa mínima de transmissão,consistindo em pacotes de comprimentovariável, tais como FTP.

• BE (Best Effort): nenhum requisito mínimo denível de serviços é requerido, podendo sertratado segundo a disponibilidade derecursos.

A associação entre os parâmetros de QoS e asclasses de serviço é ilustrada na Tabela 4.Tabela 4 Classes e parâmetros de QoS definidos

para a tecnologia WiMAX

Classe deserviço Aplicações Parâmetros de QoS

UGS(Unsolicited

Grant)VoIP, E1/T1 • Maximum Sustained

Traffic Rate

rtPS(Real-Time Polling

Service)

Streaming deáudio e vídeo

• Minimum ReservedTraffic Rate

• Maximum SustainedTraffic Rate

• Maximum Latency• Traffic Priority

ertPS(Extended Real-

TimePolling Service)

Serviços devoz com

detecção deatividade

(VoIP)



• Maximum Latency• Tolerated Jitter • Traffic Priority

nrtPS(Non-Real-TimePacket Service)

File TransferProtocol

(FTP)



• Traffic Priority

BE(Best Effort)

Serviços dedados, Web

browsing


• Traffic Priority

A implementação dos níveis de QoSespecificados para as classes de serviço sebaseia na transmissão de mensagens MAC(request e grants) entre SS e BS, bem como nomecanismo de polling definidos a seguir:• request: mensagem utilizada pela SS para

solicitar à BS alocação de banda no enlacereverso;

• grants: mensagem utilizada pela BS parainformar à SS a banda efetivamente alocada;

• polling: processo pelo qual a BS aloca, paracada SS, banda específica para o envio deRequest. Essa sinalização pode sertransmitida nos modos unicast emulticast/broadcast.

No caso da classe UGS, a BS aloca porçõesfixas do quadro para a transmissão dos dados,sem a necessidade de negociação para alocaçãode banda com a SS. Desse modo, reduz-selatência, em detrimento da flexibilidade dealocação do tráfego na estrutura de quadro. Essaabordagem é ideal para tráfegos do tipo E1/T1 eVoIP sem supressão de silêncio. No caso das classes rtPS, ertPS e nrtPS,mensagens request e grant devem ser trocadasentre BS e SS para garantir o nível de QoS decada fluxo de serviço. Esse controle é realizado acada quadro, garantindo elevada granularidade e,conseqüentemente, melhor desempenho nogerenciamento da QoS na ocorrência deperturbações devido às variações nas condiçõesde propagação e na demanda de tráfego nacélula.A Figura 22 representa a estrutura domecanismo de agendamento de pacotes(scheduler), adotado na tecnologia WiMAX.Trata-se de um esquema de priorização detráfego, no qual os fluxos de serviço sãoclassificados e priorizados de acordo com asclasses de serviço a que pertencem.

...Server

semi-preemptivepriority

priority-enhancedWFQ (or a variant)

Flow 1

Flow 2

Flow N

Block generating DataGrants for UGS flows

and unicast Requests forrtPS and nrtPS flows

Flows withminimum

bandwidthreservations

Flows withNO bandwidthreservations

Flows1 ... M

Type 1 (FIFO) Queue

Type 2 (FIFO) Queues

Type 3 (Priority) Queue

Translate Requestsinto Data Grants

rtPS, nrtPS and BE Requests(either unicast, piggyback or

contention)

Framing andContention/Data

Minislot Allocation

Data Grants para fluxos UGS e Requests para fluxos ertPS, nrtPS e

rtPS

Traduz Requests em Data Grants

Alocação de mini-slots dados e

contenção

Priority-enhanced WFQ (ou variante)

Requests ertPS, nrtPS e rtPS(unicast, piggyback or

contention)

Fluxos com reservas de

banda mínima

Fluxos sem reservas de

banda mínima

Prioridade semi-preemptiva

Tipo 1 – Fila FIFO

Tipo 2 – Filas FIFO

Tipo 3 – Fila Prioridade

Fluxo 1

Fluxo 2

Fluxo N

Fluxo 1....M

Figura 22 Esquema simplificado de agendamento de pacotes (scheduler) da tecnologia WiMAX



Observa-se que as mensagens de sinalizaçãorelativas a uma classe de serviço têm nível deprioridade superior aos fluxos de dadosassociados a essa classe.

5 Segurança da informação

O padrão IEEE 802.16e (IEEE, 2005) especificaelevado nível de segurança da informação, apartir da adoção das tecnologias mais avançadase atualmente disponíveis de criptografia eautenticação. Compreende autenticação mútuaBS/SS, protocolo flexível para gerenciamento dechaves, criptografia forte de tráfego, proteçãopara mensagens dos planos de controle egerenciamento, além de otimizações deprotocolo para fast handover. Os principaisaspectos dessas funcionalidades são:• Protocolo de gerenciamento de chave:

elemento essencial da solução de segurançada tecnologia WiMAX, com base no protocoloPKMv2 (Privacy and Key ManagementProtocol Version 2), que gerencia a segurançana camada MAC através das mensagensPKM-REQ/RSP. Os mecanismos deautenticação PKM EAP controlam acriptografia de tráfego, a troca de chaves emhandover e a segurança MBS.

• Autenticação de dispositivos: baseada noprotocolo IETF EAP, através de credenciaisbaseadas no SIM, certificado digital oulogin/senha. Os métodos de autenticaçãoEAP-SIM, EAP-AKA, EAP-TLS ou EAP-MSCHAPv2 são suportados através doprotocolo EAP, assim como os métodos dederivação de chaves.

• Criptografia de tráfego: AES-CCM é acifragem adotada para todos os dados deusuários transportados via interface WiMAXmóvel. As chaves utilizadas no algoritmo decifragem são geradas a partir da autenticaçãoEAP. Nesse caso, as chaves de criptografiade tráfego (TEK – Traffic Encryption Key) sãotrocadas periodicamente para aumentar onível de segurança da solução.

• Mensagens de controle: as mensagens decontrole são protegidas através domecanismo AES, baseado nos esquemasCMAC ou MD-5 HMAC.

• Proteção de mensagens de controle:mensagens de controle do protocolo sãoprotegidas utilizando AES/CMAC ouMD5/HMAC.

• Suporte a fast handover: um esquema desinalização triplo, envolvendo MS, BS origeme BS destino. É utilizado para otimizar areautenticação de estações móveis durante ohandover entre estações-base. Esseesquema previne qualquer possibilidade deataques man-in-the-middle.

6 Mobilidade

Os esquemas de handoff especificados pelopadrão IEEE 802.16e são otimizados paragarantir latência inferior a 50 ms, visando asuportar aplicações em tempo real. O padrãoespecifica três mecanismos de handoff nopadrão:• HHO (Hard Handoff): esquema obrigatório,

em que a MS realiza uma varredura noespectro e seleciona a BS vizinha com melhorrelação sinal-ruído (SNR), com a qual realizaa sinalização de handoff para a mudança deBS.

• FBSS (Fast Base Station Switching):esquema opcional em que a MS mantém umalista de estações-base, denominada ActiveSet. Realiza, então, uma varredura periódica eseleciona a BS com melhor SNR como a BSâncora, com a qual a MS realiza a troca demensagens de sinalização. A transição deuma BS âncora para outra (BS switching)ocorre sem a necessidade de mensagensexplícitas, através do envio da informação dequalidade do sinal via canal de sinalizaçãoespecífico. Nesse modo, um requisitoimportante é que a MS poderá transmitirdados simultaneamente às BS do Active Setque têm condições de servir a MS.

• MDHO (Macro-Diversity Handoff): esquemaopcional em que a MS também mantém umconjunto Active Set de BSs vizinhas e uma BSâncora, mas realiza o handoff através demensagens de sinalização explícita com asBSs âncora e destino. Nesse caso, porém, aMS deve estar sincronizada com múltiplas BSdo Active Set, recebendo dados no downlinkpara combinação. Esse procedimento utiliza oconceito de macro-diversidade. No uplink, aMS pode enviar dados a múltiplas BS, quedeverão realizar um procedimento dediversidade de seleção sobre a informaçãorecebida.

Conclusão

O presente trabalho apresentou resumidamenteo posicionamento da tecnologia WiMAX nocenário tecnológico internacional, bem comosuas principais características e caminhoevolutivo. Com base neste levantamento, conclui-se que atecnologia WiMAX contempla a grande maioriados requisitos fundamentais para a construçãode modelos operacionais e de negócios quepoderão viabilizar a expansão de soluções deacesso sem fio banda larga em todo o mundo.

Referências

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Março, 2007. Disponível em:<http://hspa.gsmworld.com/upload/news/files/13062007093909.pdf>. Acesso em: 1 set. 2008.

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INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE).802.16-2004. IEEE Standard for Local andMetropolitan Area Networks, Part 16: Air Interfacefor Fixed Broadband Wireless Access Systems.Disponível em: <http://www.ieee802.org/16/ > .Acesso em: 1 set. 2008.

INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE).802.16e-2005. Amendment to IEEE Standard forLocal and Metropolitan Area Networks – Part 16:Air Interface for Fixed Broadband WirelessAccess Systems – Physical and Medium AccessControl Layers for Combined Fixed and MobileOperation in Licensed Bands. Disponível em:<http://www.ieee802.org/16/ > . Acesso em: 1 set.2008.

WIMAX FORUM. WiMAX’s technology for LOS

and NLOS environments. 2004. Disponível em:<http://www.wimaxforum.org/technology/downloads/WiMAXNLOSgeneral-versionaug04.pdf>.Acesso em: 1 set. 2008.

WIMAX FORUM. Mobile WiMAX Part II: AComparative Analysis. Maio, 2006a. Disponívelem<http://www.wimaxforum.org/technology/downloads/Mobile_WiMAX_Part2_Comparative_Analysis.pdf>. Acesso em: 1 set. 2008.

WIMAX FORUM. Mobile WiMAX: The BestPersonal Broadband Experience!. Junho,2006b. Disponível em:<http://www.wimaxforum.org/technology/downloads/MobileWiMAX_PersonalBroadband.pdf>.Acesso em: 1 set. 2008

WIMAX FORUM. Mobile WiMAX Part I: ATechnical Overview and PerformanceEvaluation. Agosto, 2006c. Disponível em: http://<www.wimaxforum.org/news/downloads/Mobile_WiMAX_Part1_Overview_and_Performance.pdf>Acesso em: 1 set. 2008.

WIMAX FORUM. A Comparative Analysis ofMobile WiMAX™ Deployment Alternatives inthe Access Network. Maio, 2007. Disponível em<http://www.wimaxforum.org/technology/downloads/mobile_wimax_deployment_alternatives.pdf>.Acesso em: 1 set. 2008.

Abstract

This paper presents the WiMAX technology overview, describing its perspective in relation to similartechnologies in the international telecommunications scenario, its technological characteristics,interoperability requirements and evolution (rollout). WiMAX key functionalities are presented here, suchas: architecture and network topology, protocol, OFDM and OFDMA PHY, mobility, QoS managementand security. Based on these topics, a broad systemic view of WiMAX network is provided and the maindifferences regarding similar wireless technologies are underlined.

Key words: WiMAX. OFDMA. Wireless network.


Ambiente regulatório brasileiro referente àstecnologias WiMAX e Wi-Fi

José Antonio Martins*, Roberto Petry, Jadir Antônio da Silva, Luís Cláudio Palma Pereira

Este artigo apresenta uma análise da regulamentação brasileira sobre condições de uso do espectro defreqüências, considerando as especificações dos sistemas WiMAX e Wi-Fi. São analisados aspectosreferentes a atribuição, destinação e condições de uso do espectro de freqüências, e são descritas asprincipais características dos sistemas WiMAX (IEEE 802.16-2004 e IEEE 802.16e-2005) e Wi-Fi (IEEE802.11-2007). Também são apontadas as faixas de freqüências que poderiam, em princípio, serutilizadas pelos sistemas WiMAX e Wi-Fi no Brasil.

Palavras-chave: Aspectos regulatórios. WiMAX. Wi-Fi. Faixa de freqüências.

IntroduçãoOs sistemas WiMAX e Wi-Fi são consideradosimportantes candidatos para a implantação deredes de acesso para transmissão de dados embanda larga. São sistemas rádio ponto-multiponto e utilizam o espectro de freqüênciaspara a transmissão dos dados. Como o espectrode radiofreqüências é um recurso limitado,constituindo-se em bem público, sua utilização éregulamentada pela Anatel (Agência Nacional deTelecomunicações). Dessa forma, é importantefazer um estudo dos aspectos daregulamentação brasileira para identificar asfaixas de freqüências que poderiam ser utilizadaspara implantação de redes WiMAX e Wi-Fi noBrasil. Para isso, foi realizado um estudo quecompreendeu a análise dos sistemas WiMAX eWi-Fi, do Plano de Atribuição, Destinação eDistribuição de Faixas de Freqüências no Brasil(ANATEL, 2007) e de regulamentos decondições de uso das faixas de freqüências. OPlano de Atribuição, Destinação e Distribuição deFaixas de Freqüências no Brasil contém odetalhamento do uso das faixas deradiofreqüências associadas aos diversosserviços e atividades de telecomunicações.A Seção 1 deste artigo apresenta uma descriçãodo sistema Wi-Fi, conforme o padrão IEEE802.11 (IEEE, 2007). O sistema WiMAX,especificado nos padrões IEEE 802.16-2004(IEEE, 2004c) e IEEE 802.16e-2005 (IEEE,2005), é descrito na Seção 2.Na Seção 3 é apresentada a regulamentação doespectro de freqüências, conforme atribuído edestinado pela Anatel, considerando-se aspossíveis faixas de radiofreqüências quepoderiam ser utilizadas pelos sistemas WiMAX eWi-Fi. A Seção 4 apresenta uma análise daregulamentação das condições de uso das faixasde freqüência para utilização dos sistemasWiMAX e Wi-Fi. Finalmente, é apresentada aconclusão deste trabalho.

1 Descrição do sistema Wi-Fi

O sistema Wi-Fi é um sistema de acesso sem fioutilizado por redes locais e baseado no padrãoIEEE 802.11 (IEEE, 2007), o qual especifica ascamadas física e de controle de acesso ao meiopara redes WLAN (Wireless Local AreaNetwork), sendo um padrão largamente aceito eimplantado no mundo. A primeira versão do padrão IEEE 802.11 (IEEE,1997) foi publicada pelo IEEE (Institute ofElectrical and Electronics Engineers), em 1997,para operação na faixa de freqüências destinadaàs aplicações industriais, científicas e médicas(ISM – Industrial, Scientific and Medical), definidapelo regulamento de radiocomunicações daUnião Internacional de Telecomunicações (UIT).Nos anos seguintes, várias extensões dessepadrão foram publicadas para incluir novasfuncionalidades como o aumento das taxas detransmissão de dados, operação em outra faixade freqüências, mecanismos de qualidade deserviço e outras. As principais extensões dopadrão IEEE 802.11 são as seguintes:• IEEE 802.11a (IEEE, 1999a): padrão para

redes WLAN que operam na faixa defreqüências de 5 GHz com taxas detransmissão de até 54 Mbit/s.

• IEEE 802.11b (IEEE, 1999b): padrão pararedes WLAN que operam na faixa defreqüências de 2,4 GHz com taxas detransmissão de até 11 Mbit/s.

• IEEE 802.11d (IEEE, 2001): extensão para aconfiguração de parâmetros na camada MAC(Medium Access Control) para adequação àregulamentação do país em que a redeWLAN será implantada.

• IEEE 802.11e (IEEE, 2005): extensão queespecifica mecanismos de qualidade deserviço e suporte a serviços multimídia paraos padrões IEEE 802.11b, IEEE 802.11g eIEEE 802.11a.



Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi

• IEEE 802.11f (IEEE, 2003a): extensão queespecifica procedimentos para ainteroperabilidade entre equipamentosbaseados no padrão IEEE 802.11.

• IEEE 802.11g (IEEE, 2003b): padrão pararedes WLAN que operam na faixa defreqüências de 2,4 GHz com taxas detransmissão de até 54 Mbit/s.

• IEEE 802.11i (IEEE, 2004a): extensão queespecifica mecanismos de segurança pararedes WLAN.

• IEEE 802.11j (IEEE, 2004b): extensão queespecifica parâmetros referentes à potênciade transmissão, emissão de espúrios ecanalização, de acordo com aregulamentação japonesa.

Em 2007 foi publicada uma nova versão dopadrão IEEE 802.11 (IEEE, 2007) incorporandoas extensões a, b, d, e, f, g, i e j.O padrão IEEE 802.11 especifica um mecanismode controle de acesso ao meio e vários tipos decamada física: FHSS (Frequency HoppingSpread Spectrum), DSSS (Direct SequenceSpread Spectrum), OFDM (OrthogonalFrequency Division Multiplexing) e IR (Infrared).O mecanismo de controle de acesso ao meio dopadrão IEEE 802.11 possui dois modos deoperação: distribuído (DCF – DistributedCoordination Function) e centralizado (PCF –Point Coordination Function). O modo de acessofundamental desse padrão é o distribuído (DCF),o qual suporta a operação de rede sem fio nomodo Ad Hoc e combina os seguintesmecanismos para o controle do acesso ao meio:• mecanismo de acesso ao meio: CSMA/CA

(Carrier Sense Multiple Access with CollisionAvoidance);

• mecanismo de backoff time aleatório, utilizadoquando um terminal deseja transmitir, masencontra o canal ocupado;

• ACK (Positive Acknowledgement) paragarantir a entrega segura de pacotes dedados na camada de enlace;

• mensagens de controle RTS (Request toSend) e CTS (Clear to Send) para realizar areserva do canal para a transmissão dospacotes de dados correspondentes.

A seguir serão analisadas as camadas físicasutilizando técnicas DSSS e OFDM, pois são ascamadas físicas mais utilizadas comercialmentee que permitem maiores taxas de transmissão dedados.As principais características da camada físicautilizando DSSS são:• taxas de transmissão: 1, 2, 5,5 e 11 Mbit/s;• faixa de freqüências: 2.400 a 2.497 MHz;• largura do canal: 22 MHz;• potência máxima de transmissão de acordo

com a regulamentação do país:• 1 W (Estados Unidos)

• 100 mW (Europa)• 100 mW/MHz (Japão)

• utilização da técnica DSSS, empregandoseqüência de Barker para as taxas de 1 e2 Mbit/s e CCK (Complementary CodeKeying) para taxas de transmissão de 5,5 e11 Mbit/s;

• técnicas de modulação: DBPSK (DifferentialBinary Phase Shift Keying) para a taxa de 1Mbit/s e DQPSK (Differential QuadraturePhase Shift Keying) para taxas detransmissão de 2, 5,5 e 11 Mbit/s;

• máscara espectral: a intensidade dosprodutos secundários deve ser menor que: • - 30 dBr para fc - 22 MHz < f < fc - 11 MHz,

fc + 11 MHz < f < fc + 22 MHz• - 50 dBr para f < fc - 22 MHz e f > fc + 22

MHz, onde fc é a freqüência central docanal

A camada física do sistema utilizando OFDMapresenta as seguintes características: • taxas de transmissão: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48

e 54 Mbit/s;• faixa de freqüências:

• 2.400 a 2.497 MHz• 5.000 a 6.000 MHz

• modulação BPSK (Binary Phase Shift Keying)para as taxas de 6 e 9 Mbit/s, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) para astaxas de 12 e 18 Mbit/s, 16-QAM (QuadratureAmplitude Modulation) para as taxas de 24 e36 Mbit/s e 64-QAM para as taxas de 48 e54 Mbit/s;

• número de subportadoras: 52;• espaçamento entre subportadoras:

0,3125 MHz;• duração do símbolo OFDM: 4,0 µs;• intervalo de guarda: 0,8 µs;• potência máxima de transmissão: de acordo

com a regulamentação do país;• máscara espectral:

• 0 dBr, com largura de banda nãoexcedendo a 18 MHz;

• - 20 dBr em 11 MHz de offset defreqüência;

• - 28 dBr em 20 MHz de offset defreqüência;

• - 40 dBr em 30 MHz de offset defreqüência e acima;

• emissão de espúrios: de acordo com aregulamentação do país.

Pode-se observar que o padrão IEEE 802.11apresenta grande flexibilidade no que se refere aalguns parâmetros como potência e emissão deespúrios, pois eles não são especificados e ficamdependentes da regulamentação do país em queo equipamento será utilizado.As faixas de freqüências utilizadas pelo padrãoIEEE 802.11 são:



• 2.400 a 2.497 MHz;• 5.000 a 6.000 MHz.

O padrão IEEE 802.11 tem sido bastanteutilizado na implementação de redes mesh semfio. Isso ocorre em decorrência da simplicidadedesse padrão e do fato de apresentar o modo deacesso DCF, o qual possibilita a operação emmodo Ad Hoc. Esse modo possibilita acomunicação de um terminal Wi-Fi com osterminais Wi-Fi que estão dentro de sua área decobertura.

2 Descrição do sistema WiMAXO sistema WiMAX (Worldwide Interoperability forMicrowave Access) é um sistema de acesso semfio banda larga, utilizado por redes WirelessMetropolitan Area Networks (WMAN), baseadono padrão IEEE 802.16 (IEEE, 2004c). Essepadrão especifica a interface aérea, incluindo ascamadas física e de controle de acesso ao meio(MAC) para sistemas sem fio banda larga.As camadas físicas especificadas pelos padrõesIEEE 802.16-2004 (IEEE, 2004c) e IEEE802.16e-2005 (IEEE, 2005a) são:• Single Carrier (WirelessMAN-SC);• Single Carrier (WirelessMAN-SCa);• OFDM (WirelessMAN-OFDM);• OFDMA (WirelessMAN-OFDMA);• WirelessHUMAN (Wireless High-speed

Unlicensed Metropolitan Area Network).A camada física WirelessMAN-SC deve serutilizada na faixa de freqüências de 10 a 66 GHze as camadas físicas WirelessMAN-SCa,WirelessMAN-OFDM e WirelessMAN-OFDMAnas faixas de freqüências licenciadas abaixo de11 GHz. Para as faixas de freqüências nãolicenciadas, a interface aérea WirelessHUMANespecifica a canalização para a faixa de 5 a6 GHz, compatível com a canalização para essafaixa de freqüências especificada no padrãoIEEE 802.11-2007 (IEEE, 2007). O espaçamentoentre os canais é de 5 MHz e a freqüência centraldo primeiro canal é 5 GHz. Podem ser utilizadas as camadas físicasWirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM eWirelessMAN-OFDMA. Além disso, estáespecificado um mecanismo para detecção deinterferência denominado DFS (DynamicFrequency Selection). A única faixa defreqüências não licenciada com canalizaçãoespecificada no padrão IEEE 802.16-2004 (IEEE,2004c) é a faixa de 5 a 6 GHz.As principais características da camada físicaWirelessMAN-SC são as seguintes:• faixa de freqüências: 10 a 66 GHz;• taxas de transmissão: 32 a 134,4 Mbit/s;

• largura do canal: 20, 25, 28 MHz;• aplicação: fixo;• técnicas de modulação: QPSK, 16-QAM e

64-QAM;• duplexação: FDD (Frequency Division

Duplexing) e TDD (Time Division Duplexing);• esquema de transmissão: SC (Single Carrier);• emissão de espúrios: de acordo com a

regulamentação do país.As principais características das camadas físicasWirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM eWirelessMAN-OFDMA são as seguintes:• faixa de freqüências: abaixo de 11 GHz;• taxas de transmissão: 1 a 75 Mbit/s;

• largura do canal: limitada à largura debanda da faixa regulamentada dividida porqualquer potência de 2, com limite inferiorde 1,25 MHz (WirelessMAN-SCa eWirelessMAN-OFDM) e 1 MHz(WirelessMAN-OFDMA);

• aplicação: fixo e móvel (faixa defreqüências abaixo de 6 GHz);

• técnicas de modulação: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM e 256-QAM;

• duplexação: FDD e TDD;• esquema de transmissão: SC, OFDM e

OFDMA;• emissão de espúrios: de acordo com a

regulamentação do país. Observa-se que o padrão IEEE 802.16 apresentaum grande número de opções para aimplementação de equipamentos, sendobastante flexível nesse sentido.Para assegurar a interoperabilidade ecompatibilidade dos equipamentos, foramdefinidos alguns conjuntos de característicasbásicas que os equipamentos devem possuir.Esse conjunto de características é denominadoperfil e a sua definição é feita pelo WiMAX Forum(WIMAX FORUM, 2008a), que é uma associaçãode indústrias interessadas em assegurar ainteroperabilidade dos produtos baseados nospadrões IEEE 802.16. Entre as características dosistema, definidas no perfil, estão: tipo decamada física, faixa de freqüências, largura docanal e classe de potência. Atualmente, apenas os sistemas WiMAX com acamada física WirelessMAN-OFDM (256subportadoras) para aplicações fixas estãosendo certificados pelo WiMAX Forum (WIMAXFORUM, 2008a). A Tabela 1 apresenta ascaracterísticas dos perfis aprovados paraaplicações fixas (WIMAX FORUM, 2008a),embora alguns desses perfis necessitem devalidação, isto é, o conjunto de testes paracertificação dos equipamentos precisa servalidado. Todos os perfis da Tabela 1 utilizaminterface aérea WirelessMAN-OFDM.



Tabela 1 Características dos perfis WiMAX aprovados para aplicações fixas

Faixa de freqüências (GHz) Duplexação Largura de canal (MHz) Validação

3,5 TDD 3,5 Validado

3,5 FDD 3,5 Validado

3,5 TDD 7 Validado

3,5 FDD 7 Validado

5,8 TDD 10 Validado

3,4 a 3,8 TDD 3,5 Não validado

3,4 a 3,8 FDD 3,5 Não validado

3,4 a 3,8 TDD 5 Não validado


3,4 a 3,8 FDD 7 Não validado


2,305 a 2,320 e 2,345 a 2,360 TDD 3,5 Não validado


Tabela 2 Características dos perfis WiMAX aprovados para aplicações móveis

Faixa de freqüências (GHz) Duplexação Largura de canal (MHz) Número de subportadoras

2,3 a 2,4 TDD

5 512

10 1.024

8,75 1.024

2,305 a 2,320 e 2,345 a 2,360 TDD

3,5 512

5 512

10 1.024

2,496 a 2,69 TDD5 512

10 1.024

3,3 a 3,4 TDD

5 512

7 1.024

10 1.024

3,4 a 3,8 TDD

5 512

7 1.024

10 1.024

3,4 a 3,6 TDD

5 512

7 1.024

10 1.024

3,6 a 3,8 TDD

5 512

7 1.024

10 1.024

Para aplicações móveis, estão sendo certificadosos sistemas WiMAX empregando a camadafísica WirelessMAN-OFDMA, com número desubportadoras escalável, de acordo com osrequisitos e as condições de operação (SOFDMA

– Scalable Orthogonal Frequency-DivisionMultiple Access) (WIMAX FORUM, 2007). ATabela 2 apresenta as características dos perfisaprovados para aplicações móveis (WIMAXFORUM, 2007).



Analisando as Tabelas 1 e 2, é possível observarque as faixas de freqüências aprovadas peloWiMAX Forum para utilização do padrão IEEE802.16-2004 e sua extensão IEEE 802.16e-2005são: • 2.300 a 2.400 MHz;• 2.496 a 2.690 MHz;• 3.300 a 3.800 MHz;• 4.935 a 4.990 MHz;• 5.000 a 6.000 MHz.Além dessas faixas, o WiMAX Forum temtrabalhado junto a órgãos e agências reguladorassolicitando a alocação de mais faixas, licenciadase não licenciadas, principalmente em freqüênciasabaixo de 1 GHz. Especificamente, estima-seque as faixas abaixo de 800 MHz, alocadas paratransmissão de TV analógica, se tornemdisponíveis à medida que as estações detelevisão migrem do sistema analógico para odigital. Por exemplo, nos EUA foram licenciadaspartes do espectro anteriormente usado peloscanais de TV UHF 52 a 59 (699 a 741 MHz) paraserviços de acesso banda larga.

3 Regulamentação do espectro defreqüências no Brasil

A otimização e a universalização do espectro defreqüências para garantir seu uso de formaeficiente e adequada são uma das atribuições daAnatel. Para isso, as condições de uso das faixasde freqüências são regulamentadas por ela.De acordo com a atribuição, distribuição,destinação e consignação das faixas defreqüências, elas podem ser separadas emfreqüências licenciadas e freqüências nãolicenciadas.

No primeiro caso, a aquisição das licençasassegura a imunidade contra interferências,quando em caráter primário. Para o uso emcaráter secundário, a utilização fica restrita àcondição de não interferir em operações quecompartilhem a mesma faixa em caráterprimário. Por outro lado, a utilização de faixas nãolicenciadas se limita às faixas para radiaçãorestrita, não havendo qualquer garantia quanto ànão interferência por parte de outros sistemas.A seguir são apresentadas as atribuições edestinações das faixas de freqüências no Brasil.Foram consideradas as faixas de freqüênciasnas quais o sistema Wi-Fi está especificado e,embora o sistema WiMAX esteja especificadopara freqüências abaixo de 66 GHz (IEEE802.16-2004 e IEEE 802.16e-2005), foramconsideradas apenas as faixas de freqüênciasem que existem perfis aprovados pelo WiMAXForum.As faixas consideradas são as seguintes:• 700 MHz (WiMAX);• 2.300 a 2.400 MHz (WiMAX);• 2.400 a 2.497 MHz (Wi-Fi);• 2.496 a 2.690 MHz (WiMAX);• 3.300 a 3.800 MHz (WiMAX);• 4.935 a 4.990 MHz (WiMAX);• 5.000 a 6.000 MHz (WiMAX e Wi-Fi).A Tabela 3 apresenta a atribuição e destinaçãodessas faixas de freqüências (licenciadas e nãolicenciadas), de acordo com o Plano deAtribuição, Destinação e Distribuição de Faixasde Freqüências no Brasil, edição de 2007(ANATEL, 2007). Os serviços em letrasmaiúsculas são serviços de caráter primário e osserviços em letras minúsculas são serviços decaráter secundário.

Tabela 3 Atribuição e destinação de faixas de freqüências no Brasil

Faixa defreqüências

(MHz)Atribuição Destinação

614 a 746 Fixo Radiodifusão

Serviço de Radiodifusão e de Sons eImagensServiço de Retransmissão de TelevisãoRadiação restrita

746 a 806 FixoRadiodifusão

Serviço de Repetição de Televisão (RPTV)Radiação restrita

2.300 a 2.400Fixo

MóvelRadioamador

Serviço Auxiliar de Radiodifusão eCorrelatos (SARC)Serviço de Repetição de Televisão (RPTV) Serviço de radioamador

2.400 a 2.450Fixo

MóvelRadioamador

Serviço Auxiliar de Radiodifusão eCorrelatos ( SARC)Serviço de Repetição de Televisão (RPTV) Serviço de radioamadorRadiação restritaServiço de Comunicação Multimídia (SCM)





2.450 a 2.483,5 FixoMóvel

Serviço Auxiliar de Radiodifusão eCorrelatos (SARC)Serviço de Repetição de Televisão (RPTV) Radiação restritaServiço de Comunicação Multimídia (SCM)

2.483,5 a 2.490

FixoMóvel

Móvel por satélite (espaço paraTerra)

Radiodeterminação por satélite(espaço para Terra)

Serviço Auxiliar de Radiodifusão eCorrelatos (SARC)Serviço de Repetição de Televisão (RPTV) Serviço Especial de Radiodeterminação porSatélite (SERDS)Serviço Móvel Global por Satélite (SMGS)

2.490 a 2.500

FixoMóvel

Móvel por satélite (espaço paraTerra)

Radiodeterminação por satélite(espaço para Terra)

Serviço Especial de Radiodeterminação porSatélite (SERDS)Serviço Móvel Global por Satélite (SMGS)

2.500 a 2.520 FixoMóvel

Serviço de Distribuição de Sinais MultipontoMulticanal (MMDS) Serviço de Comunicação Multimídia (SCM)Serviço Auxiliar de Radiodifusão eCorrelatos (SARC)Serviço de Repetição de Televisão (RPTV)




Serviço de Distribuição de Sinais MultipontoMulticanal (MMDS) Serviço Auxiliar de Radiodifusão eCorrelatos (SARC)Serviço de Repetição de Televisão (RPTV)





2.655 a 2.690

FixoMóvel

Exploração da Terra por satélite(passivo)

Pesquisa espacial (passivo) Radioastronomia


3.300 a 3.400Fixo

Radiolocalização Radioamador

Serviço Auxiliar de Radiodifusão eCorrelatos (SARC)Serviço de Repetição de Televisão (RPTV)Serviço Especial de Circuito Fechado de TV(CFTV)Serviço de radioamadorRadiação restrita





3.400 a 3.500Fixo

Fixo por satélite (espaço para Terra)Radioamador

Serviço Telefônico Fixo Comutado (STFC)Serviço de Comunicação Multimídia (SCM)Serviço Auxiliar de Radiodifusão eCorrelatos (SARC)Serviço de Repetição de Televisão (RPTV)Serviço Especial de Circuito Fechado de TV(CFTV)Todos os serviços de telecomunicações(dentro da faixa do serviço fixo por satélite)Serviço de radioamador Radiação restrita

3.500 a 3.600Fixo

Fixo por satélite (espaço para Terra)Radioamador

Serviço Telefônico Fixo Comutado (STFC)Serviço de Comunicação Multimídia (SCM)Todos os serviços de telecomunicações(dentro da faixa do serviço fixo por satélite)Serviço de radioamador Radiação restrita

3.600 a 3.800 Fixo por satélite Todos os serviços de telecomunicações(observada a atribuição de faixas)

4.935 a 4.990 FixoRadioastronomia T (observada a atribuição de faixas)

5.000 a 5.010Radionavegação aeronáutica

Radionavegação por satélite (Terrapara espaço)

Não regulamentada

5.010 a 5.030Radionavegação aeronáutica

Radionavegação por satélite (espaçopara Terra) (espaço para espaço)

Não regulamentada

5.030 a 5.150 Radionavegação aeronáutica Não regulamentada

5.150 a 5.216Fixo por satélite (Terra para espaço)

Móvel (exceto móvel aeronáutico)Radionavegação aeronáutica

Serviço Especial de Radiodeterminação porSatélite (SERDS)Radiação restrita

5.216 a 5.250Fixo por satélite (Terra para espaço)

Móvel (exceto móvel aeronáutico)Radionavegação aeronáutica

Radiação restrita

5.250 a 5.350

Exploração da Terra por satélite(ativo)

Móvel (exceto móvel aeronáutico)Pesquisa espacial Radiolocalização

Radiação restrita

5.350 a 5.460


Pesquisa espacial (ativo)Radiolocalização

Radionavegação aeronáutica

Não regulamentada

5.460 a 5.470Exploração da Terra por satélite

(ativo)Pesquisa espacial (ativo)

Radiolocalização Não regulamentada

5.470 a 5.570


Móvel (exceto móvel aeronáutico)Pesquisa espacial (ativo)

Radiolocalização

Radiação restrita

5.570 a 5.650 Móvel (exceto móvel aeronáutico) Radiolocalização Radiação restrita





5.650 a 5.725Móvel (exceto móvel aeronáutico)

RadiolocalizaçãoRadioamador

Radiação restritaServiço de radioamador

5.725 a 5.830 RadiolocalizaçãoRadioamador


5.830 a 5.850Radiolocalização

RadioamadorRadioamador por satélite


5.850 a 5.925 Fixo por satélite (Terra para espaço) Radioamador

Todos os serviços de telecomunicações(observada a atribuição de faixas)Serviço de radioamador

5.925 a 6.000 FixoFixo por satélite (Terra para espaço)

Todos os serviços de telecomunicações(observada a atribuição de faixas)

Considerando os diferentes tipos de serviçosapresentados na Tabela 3, o sistema WiMAXpoderia ser utilizado para prestação dosseguintes serviços:

• STFC (Serviço Telefônico Fixo Comutado):serviço de telecomunicações que, por meiode transmissão de voz e de outros sinais, sedestina à comunicação entre pontos fixosdeterminados, utilizando processos detelefonia (ANATEL, 2005d).

• SCM (Serviço de Comunicação Multimídia):serviço fixo de telecomunicações de interessecoletivo, prestado em âmbito nacional einternacional, no regime privado, quepossibilita a oferta de capacidade detransmissão, emissão e recepção deinformações multimídia, utilizando quaisquermeios, a assinantes dentro de uma área deprestação de serviço (ANATEL, 2001).

• MMDS (Serviço de Distribuição de SinaisMultiponto Multicanal): é uma dasmodalidades de serviços especiais, que utilizafaixa de microondas para transmitir sinais aserem recebidos em pontos determinadosdentro da área de prestação do serviço. Ossinais a serem transmitidos poderão estarassociados a qualquer forma detelecomunicação tecnicamente disponível(ANATEL, 1997).

Os sistemas Wi-Fi e WiMAX também podem serusados nas faixas de freqüências destinadas aequipamentos de radiação restrita.Assim, somente as faixas de freqüênciasdestinadas aos serviços citados anteriormente eequipamentos de radiação restrita serãoconsideradas como candidatas para utilizaçãopelos sistemas WiMAX e Wi-Fi. São elas:• 616 a 806 MHz;• 2.400 a 2.483,5 MHz;• 2.500 a 2.690 MHz;• 3.300 a 3.400 MHz;

• 3.400 a 3.600 MHz;• 4.935 a 4.990 MHz;• 5.150 a 5.350 MHz;• 5.470 a 5.725 MHz;• 5.725 a 5.850 MHz;• 5.925 a 6.000 MHz.A seguir será apresentada uma análise daregulamentação do uso de cada uma dessasfaixas de freqüências.

3.1 Faixa de freqüências de 616 a 806 MHz

Faixa de freqüências utilizada pelos Serviços deRadiodifusão de Sons e Imagens e deRetransmissão de Televisão (ANATEL, 2007).Os equipamentos de radiação restrita que podemoperar na faixa de freqüências de 614 a 806 MHzsão microfones sem fio (ANATEL, 2004).

3.2 Faixa de freqüências de 2.400 a 2.483,5MHz

Essa faixa de freqüências é não licenciada.Assim, os equipamentos de radiocomunicaçãooperam em caráter secundário. De acordo com oregulamento sobre equipamentos deradiocomunicação de radiação restrita (ANATEL,2004), podem operar, na faixa de 2.400 a 2.483,5MHz, equipamentos utilizando tecnologia deespalhamento espectral ou outras tecnologias demodulação digital com as seguintescaracterísticas:• Aplicações ponto a ponto e ponto-multiponto

do serviço fixo e em aplicações do serviçomóvel.

• Uso de tecnologia de espalhamento espectralou tecnologia de multiplexação ortogonal pordivisão de freqüência (OFDM).

• A largura de faixa a 6 dB deve ser, no mínimo,500 kHz.

• A potência de pico máxima de saída dotransmissor não pode ser superior a 1 W.



• O pico da densidade espectral de potência,em qualquer faixa de 3 kHz durante qualquerintervalo de tempo de transmissão contínua,não deve ser superior a 8 dBm.

• Nas estações que utilizam potência isotrópicaefetivamente irradiada (EIRP) igual ou inferiora 400 mW, em localidades com populaçãosuperior a 500.000 habitantes, o pico dadensidade espectral de potência, em qualquerfaixa de 3 kHz durante qualquer intervalo detempo de transmissão contínua, não deve sersuperior a 4 dBm.

• A potência de radiofreqüência produzida, emqualquer largura de faixa de 100 kHz fora dequalquer uma das faixas nas quais o sistemaesteja operando, deve estar, no mínimo,20 dB abaixo da potência máxima produzidaem um intervalo de 100 kHz dentro da faixade operação.

Essa faixa de freqüências também estádestinada ao Serviço de ComunicaçãoMultimídia, em caráter secundário, de acordocom a resolução nº 397, de 6 de abril de 2005(ANATEL, 2005a). As condições de uso dessafaixa de freqüências por equipamentos utilizandotecnologia de espalhamento espectral outecnologia de multiplexação ortogonal por divisãode freqüência, cujas estações correspondentesutilizam potência EIRP superior a 400 mW, emlocalidades com população superior a 500.000habitantes, estão descritas no regulamentoanexo à resolução nº 397 (ANATEL, 2005b).Esse regulamento estabelece que:• As estações devem ser licenciadas e os

equipamentos de radiocomunicações,incluindo os sistemas irradiantes, devemcumprir os requisitos do regulamento paracertificação e homologação de produtos paratelecomunicações, aprovado pela Anatel.

• Equipamentos podem ser empregados emaplicações ponto a ponto e ponto-multipontodo serviço fixo.

• A largura de faixa a 6 dB deve ser, no mínimo,500 kHz.

• A potência de pico máxima de saída dotransmissor não deve ser superior a 1 W.

• O pico da densidade espectral de potência,em qualquer faixa de 3 kHz durante qualquerintervalo de tempo de transmissão contínua,não deve ser superior a 8 dBm.

• A potência de radiofreqüência produzida, emqualquer largura de faixa de 100 kHz fora dafaixa na qual o sistema esteja operando, deveestar, no mínimo, 20 dB abaixo da potênciamáxima produzida em um intervalo de100 kHz dentro da faixa de operação.

3.3 Faixa de freqüências de 2.500 a2.690 MHz

A faixa de freqüências de 2.500 a 2.690 MHz é

licenciada e, de acordo com a resolução nº 429de 13 de fevereiro de 2006 (ANATEL, 2006a),está destinada em caráter primário, semexclusividade, ao MMDS (Serviço de Distribuiçãode Sinais Multiponto Multicanal), porém novasautorizações de uso ocorrerão apenas nassubfaixas de 2.500 a 2.530 MHz e de 2.570 a2.650 MHz. Essas subfaixas também estãodestinadas em caráter primário e semexclusividade ao SCM (Serviço de ComunicaçãoMultimídia). As prestadoras dos serviços MMDSou SCM poderão fazer uso da aplicação dafacilidade de mobilidade restrita, nos termos daregulamentação específica.O regulamento sobre condições de uso deradiofreqüências nas faixas de 2.170 a 2.182MHz e de 2.500 a 2.690 MHz (ANATEL, 2006b)estabelece as condições de uso dessa faixa defreqüências por sistemas de radiocomunicaçãodo serviço fixo, conforme definido noregulamento de radiocomunicações da UIT(S1.20), em aplicações ponto-multiponto. Esse regulamento divide a faixa deradiofreqüências de 2.500 a 2.690 MHz emblocos de 5 e 6 MHz e também estabelece que,para estações nodais com sistemas digitais,aplicam-se as seguintes disposições:• é possível utilizar sistemas FDD e TDD;• a potência do transmissor fica limitada ao

valor máximo de 100 W;• a potência EIRP de transmissão fica limitada

a 30 dBW;• o valor da intensidade de campo gerado pela

estação nodal, no limite da área de prestaçãodo serviço, deve estar limitado a 66 dB(µV/m).

3.4 Faixa de freqüências de 3.300 a 3.400 MHz

Essa faixa de freqüências é não licenciada. Deacordo com o regulamento sobre equipamentosde radiocomunicação de radiação restrita(ANATEL, 2004), podem operar nessa faixa defreqüências sistemas de identificação automáticade veículos utilizando técnicas de varredura defreqüência (faixas de 2.900 a 3.260 MHz, 3.260 a3.332 MHz, 3.339 a 3.345,8 MHz e 3.358 a 3.600MHz). As faixas de freqüências de 3.332 a 3.339MHz e 3.345,8 a 3.358 MHz não podem serutilizadas.


Essa faixa de freqüências é licenciada e suascondições de uso estão descritas no regulamentosobre condições de uso da faixa deradiofreqüências de 3,5 GHz, anexo à resoluçãonº 416 de 14 de outubro de 2005 (ANATEL,2005c). Esse regulamento estabelece que:• Podem ser utilizados sistemas digitais de

radiocomunicação do serviço fixo, conformedefinido no regulamento deradiocomunicações da UIT (S1.20), em



aplicações ponto-multiponto.• A prestadora do STFC e do SCM poderá fazer

uso da aplicação da facilidade de mobilidaderestrita nos termos da regulamentação a sereditada pela Anatel.

• É permitido o uso de enlaces ponto a pontopara suporte do sistema ponto-multiponto,entre estações nodais, desde que essesenlaces façam parte do sistema ponto-multiponto, de tal maneira que as duastransmissões operem de forma sincronizada eque não ocorra interferência mútua.

• São permitidos sistemas que empreguemmodo de duplexação FDD ou TDD. Parasistemas FDD, a faixa de freqüências paratransmissão das estações-terminais é de3.400 a 3.500 MHz e a faixa de freqüênciaspara transmissão das estações nodais é de3.500 a 3.600 MHz.

• A faixa de freqüências é dividida em blocos de0,25 MHz, sendo que esses blocos podem seragregados, respeitando o mínimo de1,75 MHz.

• Os sistemas devem operar com, no mínimo,1,14 de eficiência na capacidade detransmissão em Mbit/s/MHz.

• A potência de transmissão da estação nodalou da estação-terminal não deve ser superiora 33 dBm ou 2 W.

• O nível de emissão de sinais espúrios fora dafaixa de transmissão deve ser menor que -26 dBm para freqüências entre 30 MHz e12,75 GHz.

• A emissão de sinais espúrios fora da faixa detransmissão quando o transmissor estiverinativo deve ser menor que - 47 dBm, emqualquer freqüência dentro dos limites de100 kHz e 12,75 GHz, com uma faixa deresolução de 100 kHz.


Essa faixa de freqüências é licenciada e suascondições de uso estão descritas no regulamentosobre canalização e condições de uso da faixade 5 GHz, anexo à resolução nº 104 de 26 defevereiro de 1999 (ANATEL, 1999a). Esseregulamento estabelece o uso da faixa defreqüências por sistemas digitais deradiocomunicação do serviço fixo, conformedefinido no regulamento de radiocomunicaçõesda UIT (S1.20), com capacidade de transmissãode 140 Mbit/s e 155 Mbit/s em aplicações ponto aponto.


Essa faixa de freqüências é não licenciada e, deacordo com o regulamento sobre equipamentosde radiocomunicação de radiação restrita

(ANATEL, 2004). Nessa faixa de freqüênciaspodem operar sistemas de acesso sem fiobanda larga para redes locais com as seguintescaracterísticas:• Aplicações nomádicas do serviço móvel.• As emissões devem estar confinadas com os

ambientes internos das edificações.• O valor médio da potência EIRP é limitado ao

máximo de 200 mW.• O valor médio da densidade espectral de

potência EIRP é limitado ao máximo de10 mW/MHz.

• Deve possuir mecanismo de controle depotência de transmissão que permita aseleção da potência de transmissão de formadinâmica e assegure um fator de mitigação depelo menos 3 dB. Se o valor médio dapotência EIRP estiver limitado a 100 mW, nãoé necessário o uso de mecanismo de controlede potência de transmissão.

• As emissões espúrias ou fora de qualqueruma das faixas de operação devem serinferiores ao limite EIRP de - 27dBm/MHz.

• Na faixa de radiofreqüências de 5.250 a5.350 MHz deve-se utilizar mecanismo deseleção dinâmica de freqüência (DFS –Dynamic Frequency Selection).


Essa faixa de freqüências é não licenciada e nelapodem operar sistemas de acesso sem fio bandalarga para redes locais com as seguintescaracterísticas, de acordo com o regulamentosobre equipamentos de radiocomunicação deradiação restrita (ANATEL, 2004):• Aplicações nomádicas do serviço móvel.• A potência na saída do transmissor é limitada

ao máximo de 250 mW.• O valor médio da potência EIRP é limitado ao

máximo de 1 W.• O valor médio da densidade espectral de

potência EIRP é limitado ao máximo de 50mW/MHz.

• As emissões espúrias ou fora das faixas deoperação devem ser inferiores ao limite EIRPde - 27dBm/MHz.

• Necessidade de um mecanismo de controlede potência de transmissão que permita aseleção da potência de transmissão de formadinâmica e assegure um fator de mitigação depelo menos 3 dB. Se o valor médio dapotência EIRP estiver limitado a 500 mW, nãoé necessário o uso de mecanismo de controlede potência de transmissão.

• Utilização necessária de mecanismo deseleção dinâmica de freqüência (DFS –Dynamic Frequency Selection).




Essa faixa de freqüências é não licenciada e nelapodem operar equipamentos utilizandotecnologia de espalhamento espectral ou outrastecnologias de modulação digital com asseguintes características (ANATEL, 2004):• Aplicações ponto a ponto e ponto-multiponto

do serviço fixo e aplicações do serviço móvel.• A largura de faixa a 6 dB deve ser, no mínimo,

500 kHz.• A potência de pico máxima de saída do

transmissor não pode ser superior a 1 W.• O pico da densidade espectral de potência,

em qualquer faixa de 3 kHz durante qualquerintervalo de tempo de transmissão contínua,não deve ser superior a 8 dBm.

• A potência de radiofreqüência produzida, emqualquer largura de faixa de 100 kHz fora dequalquer uma das faixas na qual o sistemaesteja operando, deve estar, no mínimo, 20dB abaixo da potência máxima produzida emum intervalo de 100 kHz dentro da faixa deoperação.


Essa faixa de freqüências é licenciada e suascondições de uso estão descritas no regulamentosobre canalização e condições de uso da faixainferior de 6 GHz, anexo à resolução nº 105 de26 de fevereiro de 1999 (ANATEL, 1999b). Esseregulamento estabelece o uso dessa faixa defreqüências por sistemas digitais deradiocomunicação do serviço fixo, conformedefinido no regulamento de radiocomunicaçõesda UIT (S1.20), com capacidade de transmissãode 140 Mbit/s e de 155 Mbit/s em aplicaçõesponto a ponto.

4 Análise das faixas de freqüências parautilização dos sistemas WiMAX e Wi-Fi noBrasil

A seguir é apresentada uma análise das faixasde freqüências para utilização dos sistemas Wi-Fi e WiMAX no Brasil, considerando ascaracterísticas dos sistemas, apresentadas nasSeções 1 e 2, e a regulamentação brasileira,apresentada na Seção 3.

4.1 Faixa de freqüências de 616 a 806 MHz

De acordo com a regulamentação atual, não épossível a operação de sistemas Wi-Fi e WiMAXnessa faixa de freqüências.

4.2 Faixa de freqüências de 2.400 a2.483,5 MHz

É possível a utilização de sistemas Wi-Fi (padrãoIEEE 802.11) nessa faixa de freqüências,

seguindo a regulamentação para equipamentosde radiocomunicação de radiação restrita(ANATEL, 2004) e prestação de Serviço deComunicação Multimídia (ANATEL, 2005a). Ossistemas podem ser usados em aplicações pontoa ponto e ponto-multiponto. A operação será emcaráter secundário.Não há nenhum perfil de sistema WiMAXaprovado pelo WiMAX Forum para essa faixa defreqüências (WIMAX FORUM, 2007, 2008a).


É possível a operação de sistemas WiMAX(padrão IEEE 802.16-2004) nessa faixa defreqüências, podendo ser utilizado para aprestação do serviço MMDS (Serviço deDistribuição de Sinais Multiponto Multicanal) ouSCM (Serviço de Comunicação Multimídia). Ossistemas WiMAX móvel (padrão IEEE802.16e-2005) podem operar nessa faixa commobilidade restrita nos termos daregulamentação específica. O WiMAX Forum aprovou um perfil de sistemapara essa faixa de freqüências para o WiMAXmóvel (padrão IEEE 802.16e-2005) (WIMAXFORUM, 2007, 2008a).




É possível a operação de sistemas WiMAX(padrão IEEE 802.16-2004) nessa faixa defreqüências, podendo ser utilizado para aprestação do STFC (Serviço Telefônico FixoComutado) ou do SCM (Serviço de ComunicaçãoMultimídia). Os sistemas WiMAX móvel (padrãoIEEE 802.16e-2005) podem operar nessa faixacom mobilidade restrita nos termos daregulamentação específica. O WiMAX Forum aprovou perfis para essa faixade freqüências para os sistemas WiMAX paraaplicações fixas e móveis (WIMAX FORUM,2007, 2008a).



4.7 Faixa de freqüências de 5.150 a 5.350 MHzÉ possível a operação de sistemas Wi-Fi nessafaixa, seguindo a regulamentação para sistemasde acesso sem fio banda larga para redes locaispara equipamentos de radiação restrita.Entretanto, deve-se ressaltar que a operação



está restrita ao ambiente indoor, em aplicaçõesdo serviço móvel nomádicas, e que a potência nasaída do transmissor deve ser, no máximo, de200 mW. Para a faixa de freqüências de 5.250 a5.350 MHz, o sistema deve utilizar mecanismo deseleção dinâmica de freqüência (DFS – DynamicFrequency Selection). Esse mecanismo estádescrito no padrão IEEE 802.11h (IEEE, 2003c).Não há nenhum perfil de sistema WiMAX(padrão IEEE 802.16-2004 ou IEEE802.16e-2005) aprovado pelo WiMAX Forumpara essa faixa de freqüências (WIMAX FORUM,2007, 2008a).


É possível a operação de sistemas Wi-Fi nessafaixa, seguindo a regulamentação para sistemasde acesso sem fio banda larga para redes locaispara equipamentos de radiação restrita. Nessecaso, a operação está restrita a aplicações doserviço móvel nomádicas, a potência na saída dotransmissor deve ser, no máximo, de 250 mW edeve ser utilizado mecanismo de seleçãodinâmica de freqüência (DFS – DynamicFrequency Selection). Esse mecanismo estádescrito no padrão IEEE 802.11h (IEEE, 2003c).Até o momento, o WiMAX Forum não aprovounenhum perfil de sistemas WiMAX (padrão IEEE802.16-2004 ou IEEE 802.16e-2005) para essafaixa de freqüências (WIMAX FORUM, 2007,2008a).


É possível a utilização de sistemas Wi-Fi (IEEE802.11) nessa faixa, seguindo a regulamentaçãopara equipamentos de radiocomunicação deradiação restrita (ANATEL, 2004). Também é possível a utilização de sistemaWiMAX nessa faixa, seguindo a mesmaregulamentação (ANATEL, 2004). A operaçãonessa faixa de freqüências será em carátersecundário. Até o momento, o WiMAX Forum aprovou umperfil de sistema WiMAX (padrão IEEE802.16-2004) para aplicações fixas para essafaixa de freqüências (WIMAX FORUM, 2008b).Não há nenhum perfil de sistema WiMAX móvel(padrão IEEE 802.16e-2005) aprovado peloWiMAX Forum para essa faixa de freqüências(WIMAX FORUM, 2007).



Conclusão

Este trabalho apresentou uma análise daregulamentação brasileira para identificação defaixas de freqüências para operação dossistemas Wi-Fi e WiMAX, considerando asespecificações e os perfis dos sistemas WiMAXaprovados pelo WiMAX Forum.No Brasil, os sistemas WiMAX podem operar nasfaixas de freqüências de 2.500 a 2.690 MHz,3.400 a 3.600 MHz e 5.725 a 5.850 MHz, sendoque a mobilidade do sistema WiMAX móvel(padrão IEEE 802.16e-2005) deve ser restritanos termos da regulamentação específica.Nenhuma das faixas de freqüências no Brasil,em que existe perfil do sistema WiMAX móvel(padrão IEEE 802.16e-2005) aprovado peloWiMAX Forum, permite o uso de mobilidade semrestrições.Na faixa de freqüências de 2.500 a 2.690 MHz, osistema WiMAX pode ser utilizado para aprestação do MMDS (Serviço de Distribuição deSinais Multiponto Multicanal) ou do SCM (Serviçode Comunicação Multimídia). Na faixa de 3.400 a3.600 MHz é possível a operação do sistemaWiMAX tanto para a prestação do STFC (ServiçoTelefônico Fixo Comutado) ou do SCM (Serviçode Comunicação Multimídia). A regulamentação brasileira possibilita aoperação de sistemas Wi-Fi (padrão IEEE,802.11) nas faixas de freqüências nãolicenciadas de 2.400 a 2.483,5 MHz, 5.150 a5.350 MHz, 5.470 a 5.725 MHz e 5.725 a5.850 MHz. Para a operação nas faixas defreqüências de 5.250 a 5.350 MHz e 5.470 a5.725 MHz, é necessário que o equipamentopossua mecanismo de seleção dinâmica defreqüência.

Referências

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INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE).802.11e-2005 Part 11: Wireless LAN MediumAccess Control (MAC) and Physical Layer (PHY)– Amendment 8: Medium Access Control (MAC)Quality of Service Enhancements. 2005.

INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2003a).802.11f-2003 IEEE Trial-Use RecommendedPractice for MultiVendor Access PointInteroperability via an Inter-Access Point ProtocolAcross Distribution Systems Supporting IEEE802.11 Operation. 2003.

INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2003b).802.11g-2003 Part 11: Wireless LAN MediumAccess Control (MAC) and Physical Layer (PHY)– Amendment 4: Further Higher Data RateExtension in the 2.4 GHz Band. 2003.

INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2003c).802.11h Part 11-2004: Wireless LAN MediumAccess Control (MAC) and Physical Layer (PHY)– Amendment 5: Spectrum and Transmit PowerManagement Extensions in the 5 GHz band inEurope. 2003.

INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2004a).802.11i-2004 Part 11: Wireless LAN MediumAccess Control (MAC) and Physical Layer (PHY)– Amendment 6: Medium Access Control (MAC)Security Enhancements. 2004.

INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2004b).IEEE Standard 802.11j Part 11-2004: WirelessLAN Medium Access Control (MAC) and PhysicalLayer (PHY) – Amendment 7: 4.9 GHz–5 GHzOperation in Japan. 2004.



INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2004c).802.16-2004: Part 16: Air Interface for FixedBroadband Wireless Access Systems. 2004.

INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE).802.16e-2005: Part 16: Air Interface for Fixed andMobile Broadband Wireless Access SystemsAmendment for Physical and Medium AccessControl Layers for Combined Fixed and MobileOperation in Licensed Bands. 2005.

WIMAX FORUM. (2008a). Disponível em:<www.wimaxforum.org>. Acesso em: 20 jan.2008.

WIMAX FORUM. (2008b). CertificationProgram Reference Manual, draft, janeiro de2008. 2008.

WIMAX FORUM. WiMAX Forum MobileSystem Profile. Release 1.0 ApprovedSpecification (Revisão 1.4.0: 2007 mai 02). 2007.

Abstract

This article presents an analysis of the Brazilian regulation regarding Spectrum allocation for WiMAX andWi-fi systems. It describes the conditions of use of several radio frequencies bands and the main featuresof WiMAX (IEEE 802.16-2004 and IEEE 802.16e-2005) and Wi-Fi (IEEE 802.11-2007) systems.

Key words: Regulatory aspects. WiMAX. Wi-Fi. Frequency band.


Solução híbrida de acesso metropolitano sem fiobanda larga

Luís Cláudio Palma Pereira*, Jadir Antônio da Silva, José Antonio Martins, Fabrício LiraFigueiredo

Este trabalho tem por objetivo apresentar uma descrição da solução sistêmica em desenvolvimento noCPqD para provimento de infra-estrutura de telecomunicações, incluindo rede de acesso sem fio bandalarga, integrando segmentos baseados nas tecnologias WiMAX e Wi-Fi mesh. O sistema denominado AdHoc-WiMAX propõe-se a fornecer uma infra-estrutura suficientemente flexível e abrangente, capaz desuportar serviços de voz, dados e imagem, implementando esquemas de garantia de segurança deacesso e transporte de dados, qualidade de serviço e gerenciamento remoto centralizado de recursos dainfra-estrutura. Na abrangência da concepção do sistema proposto foram considerados aspectostecnológicos, bem como a conveniência da adoção de soluções para o desenvolvimento dos elementosconstituintes da infra-estrutura sem fio baseadas em padrões abertos, com elevado potencial evolutivo,possibilidade de adaptação aos diversificados cenários de aplicação vislumbrados e provimento deinteroperabilidade. Esses cenários, além de estarem associados a condições de operação e morfologiasdiversificadas, cujo impacto no desempenho dos enlaces rádio é fator relevante, englobam demandas enecessidades de atendimento geradas pelos perfis socioeconômicos variados encontrados no País, sejaem áreas urbanas densas, áreas rurais, pequenas localidades ou em bairros periféricos. Fatoresassociados à necessidade de atendimento desses perfis e às novas demandas geradas pelas políticasde universalização do acesso à informação por meio de sistemas de comunicações digitais,implementadas por diversas instâncias de governo, demandam que a solução proposta para a rede deacesso sem fio seja capaz de prover serviços de elevado valor agregado, com grau de exigência dedesempenho compatível, sem que os custos de produção e operação dos equipamentos sejamdemasiadamente onerados.

Palavras-chave: WiMAX. Wi-Fi. Redes. Ad Hoc. Mesh.

Introdução

O cenário atual de telecomunicações apresentaimportantes avanços no campo das tecnologiasde redes sem fio, que têm evoluído rapidamentenos últimos anos com o surgimento deabordagens inovadoras e fortemente orientadasa padronização e interoperabilidade, permitindo oatendimento do mercado global e o crescimentodos volumes de produção, com a conseqüenteredução de preços dos dispositivos eequipamentos disponibilizados aos usuários.Esses avanços têm permitido explorar aomáximo a facilidade e a redução do custo deinstalação em redes WMAN (WirelessMetropolitan Area Network) decorrentes daausência de cabos nas conexões entre osdiversos elementos da rede de acesso.Nesse contexto, a tecnologia WiMAX vem seconsolidando como uma alternativa de infra-estrutura de rede de acesso sem fio banda larga(BWA – Broadband Wireless Access) paracobertura metropolitana, em que oestabelecimento de enlaces em condição NLOS(Non Line of Sight) é predominante. Essatecnologia emergente complementa epotencializa as tecnologias de redes sem fio jáconsolidadas, flexíveis e de baixo custo,

conformes com o padrão Wi-Fi e a arquiteturaAd Hoc.Adicionalmente, impulsionados pela perspectivade crescimento das redes de acesso baseadasno padrão WiMAX, associada à redução doscustos de produção dos novos equipamentosatendendo aos critérios de interoperabilidade,grandes fabricantes mundiais estão lançandouma variada gama de produtos e buscando achancela comprovadora do WiMAX Forum.Inicialmente foram certificados equipamentos emconformidade com perfis definidos para o padrãofixo nomádico. Atualmente, com a introdução denovos perfis contemplando mobilidade, começama ser certificados os primeiros equipamentosbaseados na versão 802.16e-2005 do padrão.

Nas seções subseqüentes são apresentadas aconcepção sistêmica e a descrição dascaracterísticas da solução abrangente, adotadapara a implementação do projeto Ad Hoc-WiMAXfixo-nomádico. O principal objetivo do projeto é odesenvolvimento de estações-base (EB) eestações-terminal (ET) capazes de integraracesso sem fio WiMAX e Wi-Fi, bem como deum sistema de gerência de rede que permitirá aoperação e supervisão dessas estações, quandointegradas a uma rede IP de serviço de dados.Os equipamentos em desenvolvimento no âmbito



Solução híbrida de acesso metropolitano sem fio banda larga

do projeto são elementos da infra-estrutura dosistema concebido em topologia ponto-multiponto, transparente para conexão deusuário de rede, capaz de possibilitar acesso àrede de serviços intermediado por interfacesaéreas no padrão IEEE-WiMAX 802.16e(segmento WiMAX) (IEEE, 2004, 2005) eIEEE-802.11a/b/g (segmento Wi-Fi) (IEEE, 1999,2003a, 2003b), utilizando nesse segmentotopologias Ad Hoc ou mesh. São requisitos dosistema a garantia de desempenho, a segurançana conexão e a implementação de políticasdiferenciadas de tarifação e acesso aos serviçosdisponíveis na rede externa. Os serviços a seremsuportados incluem vídeo, voz e dados,prevendo-se a possibilidade de atendimento aáreas urbanas, áreas rurais, pequenaslocalidades e bairros afastados, dessa formacontribuindo para a implantação de políticasvoltadas à facilitação do acesso aos meiosdigitais de transporte de informação.As tecnologias em desenvolvimento têm comofoco o provimento de flexibilidade à infra-estrutura e a otimização de seus custos. Essesfatores são considerados importantes em razãoda diversidade de cenários operacionaisencontrados no País e da necessidade deconferir à indústria nacional de telecomunicaçõesa capacidade de comercialização imediata nomercado brasileiro.

1 Características da rede utilizando osistema Ad Hoc-WiMAX

No contexto do projeto, a primeira etapa consisteno desenvolvimento do sistema Ad Hoc-WiMAXfixo-nomádico. Esse sistema proporcionatransmissão de dados em banda larga,fornecendo parte da infra-estrutura de rede WMN(Wireless Mesh Network) à operadora ou aoprovedor de serviços e, dessa forma,possibilitando a um usuário devidamenteidentificado utilizar acesso sem fio Wi-Fi ou pormeio de rede cabeada local (LAN) para seconectar à rede externa IP e usufruir os serviçosa ele disponibilizados de acordo com níveis dequalidade e desempenho previamenteacordados. Em ambos os modos de acessoreferidos, a rede de serviços IP é alcançada porintermédio do sistema WiMAX fixo-nomádico. Osistema é considerado fixo quando a ETpermanece no local no qual foi instalada, e

nomádico quando existe a flexibilidade de re-instalação da ET e de restabelecimento dacomunicação com diferentes estações-base ousetores pertencentes à mesma operadora.

Em resumo, são características do sistema:

• aplicação em rede fixa, com suporte àmobilidade restrita (nomadicidade);

• suporte a níveis adequados de segurança dainformação, garantindo, entre outrasfuncionalidades, a autenticação de usuáriosque solicitam acesso à rede;

• baixo custo das estações-terminal e dosdispositivos de acesso;

• sistema gerenciado de forma centralizada;• suporte a níveis de qualidade de serviço

necessários à operação de serviçosdiferenciados de transporte de dados e voz. ATabela 1 exemplifica algumas aplicações erespectivas bandas de transmissão (WIMAXFORUM, 2005).

As premissas básicas da implementação dosistema, no que tange a serviços, modelos deutilização e alocação de espectro, são descritasnas subseções subseqüentes. Essas premissasse aplicam ao segmento WiMAX do sistema, emconformidade com o padrão IEEE 802.16e 2005,e ao padrão Wi-Fi IEEE-802.11a/b/g. O padrãoWiMAX referido contempla mobilidade ampla,porém sua aplicação na fase atual do projetorestringe-se ao cenário fixo-nomádico.

1.1 Tipos de serviços e modelos de utilizaçãoO sistema Ad Hoc-WiMAX visa prover infra-estrutura para as seguintes aplicações:1. Rede sem fio como suporte ao STFC

(Serviço Telefônico Fixo Comutado),aplicável tanto na transmissão de sinais-tronco de assinantes como também noatendimento a usuários finais por meio deacesso banda larga.

2. Rede sem fio como suporte ao SCM(Serviço de Comunicações Multimídia)voltada para comunicação de dados emgeral e, em particular, ao acesso à Internet,permitindo também a transmissão de vídeo.O SCM (ANATEL, 2001) regulamenta atransmissão desde que o sinal não sejarecebido direta e livremente pelo público emgeral nem distribuído de forma simultâneaaos assinantes.

Tabela 1 Aplicações e bandas requeridasDescrição Aplicação Banda

VoIP (tempo real – baixos jitter e latência) VoIP 4 a 64 kbit/s

Videoconferência (tempo real – baixos jitter e latência) Videofone 32 a 384 kbit/s

Streaming media (tempo real – baixo jitter) Imagens em movimento (filmes) > 2 Mbit/s

Tecnologia da informação Web browsing E-mail > 500 kbit/s

Download de conteúdo filme > 1 Mbit/s



3. Rede sem fio como suporte à transmissãode dados em ambientes corporativos,incluindo o atendimento à transmissão dedados em banda larga, sendo aplicáveltambém à utilização de VoIP.

Nesse cenário, a utilização da plataformabaseada nesse sistema contribuirá para auniversalização de serviços de telecomunicaçõese para o processo de inclusão digital, além depoder ser incluída como uma alternativa para aimplantação de rede pelas empresas operadoras(STFC ou SCM), em decorrência do baixo custoesperado para sua implantação.

1.2 Alocação de espectro

Em estudo sobre regulamentação, realizou-seuma análise das faixas de freqüência disponíveispara o sistema e respectivas regulamentaçõesvigentes no Brasil, em conformidade com asresoluções da Anatel.Para o acesso sem fio do usuário aos serviçosde dados e voz por meio do sistema WiMAX fixo-nomádico, constituído por enlaces ponto-multiponto e enlaces de suporte ponto a ponto(backhaul), são passíveis de utilização asseguintes faixas de freqüência:1. faixa licenciada de 3.400 a 3.600 MHz,

segmentada de acordo com o Anexo àResolução Nº 416 da Anatel (ANATEL,2005) em blocos de 250 kHz;

2. faixa isenta de licenciamento de 5.725 a5.850 MHz, utilizada de acordo com o Anexoà Resolução No 365 da Anatel (ANATEL,2004).

A regulamentação da faixa de 3,5 GHz incorporaa possibilidade de mobilidade restrita, portantonomadicidade. A faixa de 5,8 GHz não restringea mobilidade, mas por não requererlicenciamento por parte da agência reguladoraestá sujeita a interferências oriundas dasobreposição de diferentes redes em umamesma área.Para o acesso sem fio via sistema Wi-Fi emtopologia mesh, as faixas disponíveis nãolicenciadas são limitadas pelas freqüênciasconstantes do Item 2 acima, e pelas freqüênciasde 2.400 a 2.483,5 MHz (faixa de 2,4 GHz).

2 Topologia e arquitetura da rede deacesso

A topologia de rede proposta para o sistemahierárquico Ad Hoc-WiMAX fixo-nomádico foielaborada para proporcionar flexibilidade eabrangência de cenários de aplicação eimplantação, bem como para prover diferentestipos e níveis de qualidade de serviço.A topologia básica encontra-se representada naFigura 1 e inclui os seguintes elementos lógicos e

físicos constituintes desse modelo de referência:• área de cobertura WiMAX (CWiMAX);• área de cobertura Wi-Fi (CWi-Fi);• área de cobertura mesh (Cmesh);• estação-base WiMAX (EB);• estação-terminal WiMAX (ET);• estação-terminal WiMAX com acesso sem fio

Wi-Fi (ET/APWi-Fi);• estação-terminal WiMAX com gateway Wi-Fi

mesh (ET/APmesh);• ponto de acesso Wi-Fi/mesh (APmesh);• terminal de assinante Wi-Fi (TEWi-Fi);• backhaul WiMAX (BHWiMAX);• Rede de Telefonia Pública Comutada (RTPC);• Sistema de Gerência de Rede (SGR).Na Figura 1 encontram-se indicados os três tiposde cobertura previstos, associados às diferentesestações:1. Cobertura WiMAX (CWiMAX) caracterizada

pela área onde há sinal de uma estação-base WiMAX capaz de prover conectividadea terminais dos seguintes tipos:- estação-terminal WiMAX (ET);- estação-terminal WiMAX com acesso

sem fio Wi-Fi (ET/APWi-Fi);- estação-terminal WiMAX com gateway

Wi-Fi mesh (ET/APmesh).2. Cobertura Wi-Fi (CWi-Fi), caracterizada pela

área onde há sinal proveniente de umaestação-base de acesso Wi-Fi mesh(APmesh), ou de uma ET WiMAX comacesso sem fio Wi-Fi (ET/APWi-Fi). Nessaárea são atendidos os terminais deassinante Wi-Fi (TEWi-Fi) que realizamacesso por meio da tecnologia IEEE802.11a/b/g.

3. Cobertura mesh (Cmesh) caracterizada pelaárea atendida por um terminal WiMAXprovido de gateway Wi-Fi mesh(ET/APmesh). Nessa área se encontramdistribuídos pontos de acesso sem fio Wi-Fimesh (APmesh) que formam a rede meshinterligada à rede externa de serviços pormeio da ET/APmesh.

Além das conexões sem fio providas por essasáreas de cobertura, prevê-se a possibilidade deinterconexões entre estações-base por meio deenlaces WiMAX (BHWiMAX).Na Figura 1 são indicados também o SGR(Sistema de Gerência de Rede), elemento darede concentrador das funcionalidades degerência, mantendo-se em comunicação com osdemais componentes da rede de acesso Ad Hoc-WiMAX por meio de redes de dados externas(IP). Na mesma figura encontra-se tambémassinalada a RTPC (Rede de Telefonia PúblicaComutada), utilizada quando há necessidade decomunicação telefônica.



RBA

RTPC

Rede IP

T

T

T

T

T

RTP

Rede

NA

RBA

T

T

TT

T

T

T

T

T

T

T

CWiMAX-1

BHWiMAX

ET

ET

ET/APWiFi

CWiMAX-2

SGR EB

RTP

Rede

ET

ET

E

ET/APMes

ECWiMAX-3

EB

EB

ET

ET

ETAP-Mesh

AP-Mesh

AP-Mesh

TEWiFi

TEWiF

TEWiFi

AP-Mesh

TEWiFi

CWiMAX-4

CMesh

CWiFi-2

CWiFi-1

TEWiFiTEWiFi

Figura 1 Topologia de referência do sistema Ad Hoc-WiMAX

Em conformidade com a topologia da redeAd Hoc-WiMAX, e com o intuito de tornarpossível a especificação técnica, odesenvolvimento e a implementação de seusdiversos componentes, as principaisfuncionalidades desses componentes sãodescritas a seguir.

2.1 Estação-base WiMAX

A estação-base (EB) é o elemento físico dosistema que realiza fundamentalmente ainterconexão entre os terminais e as redesexternas de dados e voz, além de funções de

autenticação e registro de usuários,estabelecimento e controle de chamadas,provendo a interface entre a rede WiMAX e arede externa IP e, por meio desta, a RTPC (Redede Telefonia Pública Comutada).Na arquitetura, a EB incorpora minimamente osseguintes elementos funcionais:• elemento de acesso WiMAX (EBW);• elemento roteador e de controle de acesso

(RCAB).Além disso, estabelece comunicação via IP comos seguintes elementos:• elemento de autenticação, autorização e



contabilização (AAA);• elemento servidor de endereços (SE);• elemento servidor de nomes (SN).Parte ou a totalidade desses elementos pode serincorporada à EB, conforme Figura 2.

2.1.1 Elemento de acesso WiMAX (EBW)

O EBW é o componente lógico utilizado pararealizar a interface entre os elementos de umaárea de cobertura WiMAX (CWiMAX) e osdemais elementos lógicos de uma EB. Pode-seconsiderá-lo um gateway servindo um conjuntode assinantes pertencentes em princípio a umamesma sub-rede. No caso da estação-basemultissetor, cada EBW encarrega-se de umsetor. Esses elementos são interconectadosentre si, aos demais elementos da EB e à redede serviço IP por meio do RCAB (camada 3). OEBW realiza a interface com a CWiMAX,implementando o protocolo WiMAX (camada 2)de acesso ao meio físico, e juntamente com oRCAB viabiliza as seguintes funcionalidades:• Interface aérea WiMAX: estabelece

comunicação sem fio bidirecional por meio detransceptor de rádio compatível com oadotado na ET, com as camadas físicas,enlace de dados e subcamada de segurançaespecificadas de acordo com o padrão IEEE802.16e.

• Encaminhamento de pacotes: suporta oencaminhamento dos dados recebidos deuma ET para uma outra ET pertencente àmesma CWiMAX, por meio da interface aéreaWiMAX, bem como o encaminhamento depacotes entre a ET e outros elementoslógicos da rede, implementandofuncionalidades de camada 3, e conectadosou incorporados à EB.

• Filtragem de pacotes: controla oencaminhamento de um pacote por meio dainterface aérea, permitindo ou negando as

transações com base em regrasestabelecidas para as camadas de rede etransporte.

• Classificação e priorização de pacotes:classifica e prioriza o envio de pacotes pormeio da interface aérea de acordo com regrasde criação de fluxos de serviços e conexõesassociadas, classes de serviço (QoS – Qualityof Service), identificação de sub-redes,endereçamentos de origem e destino,natureza do protocolo e serviço, de acordocom os critérios ditados pelo padrão IEEE802.16e.

• Administração da banda: controla a ocupação,distribuição e priorização dos recursos detransmissão disponíveis na interface aérea,com o fim de suportar a implementação derede de serviços IP baseada em SLA (ServiceLevel Agreement).

• Mapeamento de endereços: suporta omapeamento de um endereço de rede paraoutro endereço de rede de mesmo tipo pararoteamento e retransmissão de mensagensdentro da rede WiMAX, ou de outros tipos derede, mantendo a compatibilidade com asregras de priorização e segurança de tráfego.

• Gerenciamento da rede WiMAX: provêmecanismos para concentrar funções deoperação, administração e gerenciamentorelacionadas à rede WiMAX, incluindo coletade dados de gerência, tratamento de eventos,alarmes e envio de comandos às estações-terminal.

2.1.2 Autenticação, autorização econtabilização (AAA)

O elemento AAA é responsável pelo controle deacesso aos serviços, proporcionando tambéminformações necessárias para atribuição de rotase diferenciação de serviços na camada deaplicação. A combinação desses processos é

EBW RACB

EB

SE SN AAA

ET

ET/APWi-Fi

ET/APmesh SGR

RedeIP

Serviço

Figura 2 Elementos físicos e lógicos em comunicação com a estação-base



considerada importante para o gerenciamentoefetivo da rede e o estabelecimento de níveis desegurança. As funcionalidades básicas do AAAsão descritas abaixo:• Autenticação: confirmação da validade do

usuário que realiza a requisição de umserviço. Esse procedimento é baseado naapresentação de uma identidade juntamentecom uma ou mais credenciais e comparaçãodestas com informações disponíveis noservidor. O mecanismo de autenticação écompatível com o protocolo (camada 2) dasubcamada de segurança especificado peloprotocolo WiMAX de acesso ao meio (IEEE802.16e-2005) ou pelo padrão específico (Wi-Fi IEEE-802.11i) (IEEE, 2004).

• Autorização: ocorre após a autenticação bem-sucedida, determinando o acesso do usuárioa diferentes tipos de serviço associados aperfis de utilização predefinidos e constantesde base de dados gerenciada e centralizada.O processo de concessão de autorização ébaseado em restrições ou critérios deprecedência, vinculados à natureza ou àsclasses de serviço implementadas por meiodos recursos disponibilizados pela camada deacesso ao meio WiMAX (IEEE 802.16e-2005),descritos na Subseção 2.1, em padrão Wi-Fiespecífico (IEEE 802.11e) (IEEE, 2005) bemcomo na camada 3 (DiffServ), suportandogerenciamento de tráfego, racionalização nautilização dos recursos e determinandoesquemas de criptografia no transporte dedados.

• Contabilização: medição dos recursosconsumidos pelo usuário autorizado, incluindotempo e quantidade de dados enviados ourecebidos durante a sessão. A contabilizaçãoé realizada pelo registro das estatísticas dasessão com a finalidade de fazer o controledos limites de utilização associados ao tipo deautorização e a serviços associados,bilhetagem, análise de tendências, avaliaçãoda utilização dos recursos, e atividades deplanejamento e controle da capacidadedisponível no sistema durante sua utilização.

Essas funções podem ser desempenhadas porum servidor utilizando protocolo RADIUSpertencente à rede de serviços, acessado pormeio do RCAB, que no papel de clienteintermediaria as transações com os terminaissolicitantes de acesso sem fio Ad Hoc-WiMAX.

2.1.3 Elementos servidores de endereços e nomes

O servidor de endereços (SE) é responsável pelageração e distribuição de endereços IP para asestações-terminal servidas por uma área decobertura WiMAX, para os demais elementos darede de acesso sem fio a elas conectados, bem

como para os elementos pertencentes ouconectados à estação-base. Um exemplo deprotocolo utilizado é o DHCP (Dynamic HostConfiguration Protocol), implementado emservidor localizado na rede externa IP,juntamente com implementações de clientes eintermediadores (relay) distribuídos nos terminaisde usuário Wi-Fi e nas estações-terminal.A associação entre endereços IP e nomes éprovida por um servidor DNS (Domain NameServer), comumente utilizado em infra-estruturade redes.

2.1.4 Elemento roteador e de controle deacesso (RCAB)

O roteador é o elemento lógico de controle deacesso (RCAB) que realiza a interface com redesexternas de dados (IP), permitindo ainterconexão com a Internet, com um sistema degerência de rede remoto, com as demaisestações-base e os elementos da infra-estruturada rede de acesso sem fio Ad Hoc-WiMAX. Entreesses elementos, incluem-se:• Servidor de voz capaz de prover lógica e

controle, sinalização, registro das chamadas,além de funcionalidades adicionais tais comotransferência de chamadas e chamada emespera, implementando protocolos SIP, SIP-T,H.323, RTP, MeGaCo/H.248, MGCP e SS7(ISUP).

• Gateway de voz atuando como concentradorde troncos. Realiza a interface entre a rede detransporte de voz sobre pacotes e a rede detransporte TDM (Time Division Multiplexing),provendo a conversão dos pacotes de vozpara a rede TDM e vice-versa, por meio deinterface E1. É controlado pelo servidor devoz por meio de protocolos, tais como MGCPou MeGaCo/H.248. A codificação edecodificação da voz é realizada por meio decodec padronizado (G.711, G.723.1, G.726,G.728, G.729).

Além da função de roteamento, o RCAB suportafuncionalidades de mapeamento de endereços,implementando NAT (Network AddressTranslation), controle de tráfego de dados efiltragem de pacotes (firewall). Nas estações-base multissetor, o RCAB interconecta oselementos de acesso WiMAX (EBW).

2.2 Estação-terminal

A estação-terminal WiMAX (ET) é um elementofísico da rede Ad Hoc-WiMAX ao qual o usuáriose conecta diretamente por meio da rede local(LAN), acessando os serviços disponibilizadospela rede externa IP após conclusão deprocedimentos de registro e autenticação. À ET épermitido o estabelecimento de conexões paratransporte de dados via interface aérea.Os tipos de estações-terminal listados a seguir



disponibilizam outras possibilidades de acessoao usuário. Esses tipos compreendem:• Estação-terminal WiMAX com acesso sem fio

Wi-Fi (ET/APWi-Fi), um elemento físico queprovê conexão sem fio ao terminal do usuário(TEWi-Fi) dentro de uma área de cobertura(hotspot) Wi-Fi, permitindo seu acesso aosegmento WiMAX, após procedimentos deregistro e autenticação. Os elementosfuncionais da ET/APWi-Fi são: elemento deacesso WiMAX (ETW) da ET à EB, elementoprovedor de acesso Wi-Fi ao usuário (APWi-Fi) e roteador de acesso à rede (RCAT). ORCAT desempenha funções análogas àsdescritas para o RCAB na Subseção 2.1.4,integrando rede cabeada local (LAN), ETW eAPWi-Fi entre si e aos demais segmentos darede Ad Hoc-WiMAX.

• Estação-terminal WiMAX com gateway Wi-Fimesh (ET/APmesh), um elemento físico quepermite a interconexão de pontos de acesso(AP) Wi-Fi mesh ao segmento WiMAX darede de acesso. Os elementos funcionais daET/APmesh são: ETW, gateway de acesso darede Ad Hoc ao segmento WiMAX da rede(APmesh) e roteador RAR, cuja função é aintegração desses dois elementos entre si eaos demais segmentos da rede Ad Hoc-WiMAX.

2.3 Ponto de acesso Wi-Fi/mesh

O ponto de acesso Wi-Fi/mesh é o elementofísico do sistema que possibilita a conexão entredois terminais Wi-Fi a redes externas de dados.A comunicação entre o ponto de acesso Wi-Fi/mesh e os terminais Wi-Fi é realizada no modoponto-multiponto e a comunicação entre ospontos de acesso Wi-Fi/mesh é realizada nomodo Ad Hoc. A conexão entre o ponto deacesso Wi-Fi/mesh e a rede WiMAX, parainterconexão com as redes externas, é realizadapor intermédio da estação-terminal ET/APWi-Fi.

2.4 Terminal de assinante Wi-Fi (TEWi-Fi)

O terminal de assinante Wi-Fi é um elementofísico da rede Ad Hoc-WiMAX ao qual o usuáriose conecta por meio do ponto de acesso Wi-Fi/mesh, acessando os serviços disponibilizadospela rede externa IP após conclusão deprocedimentos de registro e autenticação.

2.5 Sistema de Gerência de Rede

O sistema permite atuar nas áreas de gerênciade falhas e configuração, suportandofuncionalidades em duas camadas: gerência derede e gerência de elemento de rede.As funcionalidades da área de gerência de falhasincluem tratamento (receber ou coletar),armazenamento, filtragem e exteriorização deeventos e alarmes dos recursos gerenciados na

rede Ad Hoc-WiMAX.Na área de configuração, contempla-se ainda apossibilidade de realização de levantamentos,por meio de processo de descoberta, dasconfigurações da topologia e dos recursosgerenciados. E na área de gerência dedesempenho, a realização de coleta de dados,armazenagem e cálculo dos dados dedesempenho dos recursos gerenciados edefinição de limiares de violação de desempenho(threshold).A concepção da arquitetura de gerenciamentoplanejada é distribuída e modular, podendocrescer em escala, dessa forma suportando asdiferentes necessidades de utilização da soluçãoe provendo interfaces para usuários eventuais.Permite ainda o controle de utilização por meiode limitação do número de funcionalidadesdisponíveis e diferenciação para os usuários docentro de operações e gerenciamentocentralizado.

3 Características gerais da implementaçãoda estação-base e da estação-terminalWiMAX

São características sistêmicas dasimplementações das estações-base e terminalem conformidade com o padrão IEEE WiMAX(IEEE, 2006):1. perfil sistêmico ponto-multiponto Wireless

MAN-OFDMA e Wireless HUMAN-OFDMAespecificados no Item 12.4, Basic packetPMP MAC profile (IEEE, 2006);

2. método de duplexação temporal TDD (TimeDivision Duplex);

3. possibilidade de operação nas faixas defreqüência licenciadas ou isentas delicenciamento, de acordo com oespecificado na Subseção 1.2;

4. largura de canais de 3,5 MHz, 7 MHz e 10MHz para a faixa licenciada e 10 MHz para afaixa isenta de licenciamento.

A modalidade de TDD de duplexação foi adotadaem razão da possibilidade de utilização de umamesma faixa de freqüências para transmissão erecepção e por apresentar maior flexibilidade notransporte de dados na interface aérea,atendendo a demandas de banda assimétricaspara os enlaces direto e reverso. Vantagensadicionais são verificadas na operação, resultadoda reciprocidade do comportamento do enlacenos sentidos direto e reverso, facilitando odesempenho de funcionalidades voltadas àadaptação de parâmetros de transmissão,seleção de subcanais e utilização de recursosavançados baseados na realimentação deinformação de desempenho, tais como AAS(Advanced Antenna System) (YUN; KAVEHRAD,2001).



3.1 Implementação da estação-base WiMAX

A fim de desempenhar adequadamente asfunções descritas na Subseção 2.1,estabelecendo a interconexão ou comunicaçãocom os demais elementos da infra-estrutura derede, a EB implementa uma série de recursosafetos às camadas física, de enlace e de rede.Esses recursos objetivam proporcionarflexibilidade e a busca de otimização dedesempenho na utilização dos canais deradiofreqüência, o estabelecimento de níveis desegurança no acesso de usuários e transportedas informações, bem como o tratamentodiferenciado dessas informações de acordo comcritérios preestabelecidos de classificação eagendamento (priorização) na ocupação dosrecursos. As funcionalidades básicas listadasabaixo são implementadas na estação-base:• Amplificação e conversão dos sinais

recebidos para demodulação destes embanda-base.

• Conversão de sinais modulados em banda-base e amplificação destes para transmissão.

• Modulação, demodulação, codificação,sincronização de símbolos (com possibilidadede acesso à referência externa por meio deGPS), utilizando os métodos preconizadospelos padrões 802.16e-2005 e 802.16-2004(IEEE, 2006), tais como: FEC (Forward ErrorCorrection), CRC (Cyclic Redundancy Check),CTC (Convolutional Turbo Coding),randomization e interleaving.

• Alocação de subcanais utilizados pelasestações-terminal de acordo com osesquemas de distribuição de subportadoras:PUSC (Partial Usage of Subchannel), FUSC(Full Usage of Subchannels) e AMC (AdaptiveModulation and Coding).

• Avaliações de desempenho de subcanais pormeio da transmissão de informaçõesutilizando CQICH (Channel Quality IndicatorChannel).

• Controle de acesso de estações-terminal,incluindo intermediação com servidor deautenticação, troca e renovação periódica dechaves e criptografia. Associação seguraimplementando protocolo PKM (Privacy KeyManagement), suportando EAP (ExtensibleAuthentication Protocol), definindo a criaçãode chaves de autenticação AK (AuthenticationKey), criptografia de chaves KEK (KeyEncryption Key) e de dados TEK (TrafficEncryption Key).

• Controle do processo de ajuste de potênciadas estações-terminal no enlace reverso e naseleção de tipo de modulação (perfil dequadro).

• Realização de procedimentos de ranging,durante acesso inicial de uma ET, eperiodicamente, enquanto mantida a

comunicação por canais dedicados utilizandocodificação CDMA (Code Division MultipleAccess).

• Controle do processo de solicitação de bandapelas estações-terminal.

• Controle de concessão e alocação dosrecursos de banda disponíveis.

• Controle da transmissão e retransmissão depacotes de dados por critérios declassificação e priorização.

• Retransmissão de pacotes de dadosutilizando ARQ (Automatic Request) ou HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request).

• Encaminhamento e transmissão de pacotespor meio de fluxos de serviçosimplementando classes de QoS e parâmetrosassociados:– UGS (Unsolicited Grant Service), BE (Best

Effort), rtPS (Real-Time Polling Service),ertPS (Extended rtPS) e nrtPS (Non-rtPS);

– CIR (Committed Information Rate), MIR(Maximum Information Rate), latência,jitter.

• Encaminhamento e agendamento detransmissão de pacotes por meio de fluxos deserviços implementando priorizaçõesbaseadas nos padrões 802.1Q, 802.1p,identificação de VLAN, marcação DSCP(classificação de pacotes IP por tipo deserviço), endereços de origem e destino (MACe IP), portas de origem e destino e tipos deprotocolo IP.

• Disponibilização de recursos e interfaces derede nas camadas 2 e 3 e transporte dedados via protocolo interno (RIP e OSPF),mensagens de operação do sistema eparâmetros de controle.

• Disponibilização de recursos de supervisão,monitoração e configuração local viainterfaces do tipo CLI (Command LineInterface) e Web.

• Disponibilização de recursos de supervisão,monitoração e configuração remotas cominterface para sistema de gerênciacentralizado, acessando parâmetros doequipamento contidos na sua MIB(Management Information Base) via agenteintermediador (SNMP).

A estação-base é constituída dos seguinteselementos físicos:• Radiotransceptor abrigado em gabinete

vedado, suportando instalação ao relento(temperaturas na faixa de - 10 a 60ºC)contendo elemento de acesso WiMAX (EBW)conectado ao roteador de controle de acesso(RCAB). O EBW contém o bloco deradiofreqüência (RF) e a banda-base (BB),implementando MAC e PHY do padrão IEEE802.16e (IEEE, 2006).

• Antenas setoriais para cobertura de área,antenas omnidirecionais ou antenas para



estabelecimento de enlace backhaul.• Antena de GPS.• Cabo de RF para conexão da antena ao

gabinete vedado.• Cabo de RF para conexão da antena GPS.• Cabo UTP provendo alimentação (PoE –

Power over Ethernet).• Módulo de alimentação PoE.• Interfaces Ethernet 10/100 base T, conector

RJ-45.Esses elementos são representados de formaesquemática na Figura 3. A figura ilustra umaconfiguração incorporando dois elementos deacesso WiMAX (EBW), integrados pelo RCAB,implementado em software, e conectados a duasantenas apontadas com o fim de prover áreas decobertura distintas, seja pela utilização de canaispertencentes à mesma faixa, seja pela seleçãode canais de faixas distintas, entre aquelasmencionadas na Subseção 1.2. Neste últimocaso, pode ocorrer a superposição das áreas decobertura. Os elementos de acesso sãomodulares, utilizando interfaces em padrãoaberto, com possibilidade de substituição,facilitando a manutenção e oferecendo dessaforma a possibilidade de reconfiguração dosistema ou ainda o aumento da confiabilidadepor meio de redundância proporcionada pelautilização de dois módulos do mesmo tipo.As configurações complementares compostaspelos elementos descritos compreendem:• Micro Base Station, solução de menor custo,

compacta, usualmente instalada

integralmente ao relento. Visa ao atendimentode topologias de rede sem fio que nãorequeiram a utilização de mais de um setor,empregando um único EBW. A escolha dessaconfiguração é condicionada pela demandade banda, pela localização das estações-terminal ou pela possibilidade de utilização deantena omnidirecional. Ou ainda, decorrentede requisitos de disponibilidade menosexigentes, tornando desnecessária aredundância eventualmente proporcionadapela utilização de um segundo móduloimplementando o elemento EBW, configuradoda mesma forma que o utilizado nadisponibilização do acesso sem fio na área deinteresse.

• Macro Base Station, solução fornecendomúltiplos setores, empregando vários (3 a 6)elementos de acesso WiMAX (EBW)conectados ao RCAB. É voltada paraaplicações em áreas urbanas de altadensidade, demanda serviços do tipoServiços de Comunicações Multimídia ou visaa atender nível de qualidade carrier classnecessário à inserção na infra-estrutura deconcessionárias de serviço de telefoniapública. Essa é uma solução que possui maiorgrau de exigência de disponibilidade erequisitos operacionais, demandandoimplementação de redundâncias. Nessaconfiguração, usualmente, apenas o front endanalógico encontra-se ao relento, mantendo-se os demais módulos do equipamento emambiente controlado.

Antena 1

Cabo UTP

Módulo de alimentação PoE

Antena 2

Módulo rádio

Cabos RF

Cabo EthernetCabos de alimentação

Antena GPS

Módulo bateria

Ambiente externo

Figura 3 Elementos físicos constituintes da estação-base



3.2 Implementação da estação-terminalWiMAX

A estação-terminal implementa modos deoperação bridge e router, incorporando protocolode conversão de endereços de rede (NAT).A estação-terminal suporta as funcionalidadesenumeradas para a EB na Subseção 3.1,submetendo-se aos procedimentos por elasupervisionados ou ativados, no que diz respeitoà entrada da ET na rede de acesso, incluindo osprocedimentos de sincronização em tempo efreqüência, autenticação e autorização,estabelecimento de conectividade à rede IP econtrole e escalonamento de transporte de dadospor meio de fluxos de serviço. Além disso,suporta procedimentos de seleção e avaliação deparâmetros associados aos recursos disponíveispara realizar a otimização de desempenho docanal de radiofreqüência, tais como potência detransmissão, tipo de modulação utilizada eseleção de esquemas de subcanalização.Mecanismos de requisição de banda sãoimplementados com o fim de permitir solicitaçõesgeradas pela ET de forma programada ou nãoprogramada, podendo neste caso ocorrer poriniciativa da EB ou da ET.Na arquitetura considerada, podem serintegradas à ET WiMAX interfaces com a rede deacesso sem fio local Wi-Fi (access point) ougateway Wi-Fi mesh, constituindorespectivamente as estações-terminal dos tiposET/APWi-Fi e ET/APmesh mencionadas naSeção 2. Da mesma forma que na EB, são

utilizadas na implementação interfaces físicasdefinidas por padrões abertos. A estação-terminal é constituída dos seguinteselementos:• Radiotransceptor abrigado em gabinete

vedado, suportando instalação ao relento(temperaturas na faixa de -10 a 60ºC),contendo elemento de acesso WiMAX (ETW)conectado ao roteador de controle de acessoimplementado em software (RCAT). O ETWincorpora o bloco de radiofreqüência (RF) e abanda-base (BB), implementando MAC e PHYdo padrão IEEE 802.16e (IEEE, 2006).

• Quando do tipo ET/APWi-Fi e ET/APmesh,radiotransceptor Wi-Fi abrigado em gabinetevedado, suportando instalação ao relento,conectado ao roteador de controle de acesso(RCAT). O ETW incorpora o bloco deradiofreqüência (RF) e a banda-base (BB),implementando MAC e PHY do padrão IEEE802.11a/b/g (IEEE, 1999, 2003a, 2003b).

• Antena direcional para comunicação comestação-base WiMAX.

• Antenas omnidirecionais do sistema Wi-Fi(diversidade de espaço).

• Cabo de RF para conexão da antena aogabinete vedado.

• Módulo triple play indoor, fornecendointerfaces para vídeo, voz e dados.

• Cabo UTP provendo alimentação PoE.• Interfaces Ethernet 10/100 base T, conector

RJ-45.Esses elementos são representados de formaesquemática na Figura 4.

Antena

Módulo rádio

Cabo RF

Cabo Ethernet

Cabos de alimentação

Módulo bateria

Antenas Wi-Fi

Ambiente externo

Módulo de alimentação PoE Módulos triple play e alimentação PoE

Cabo UTP

Figura 4 Elementos físicos constituintes da estação-terminal incluindo módulo triple play indoor



Conclusão

O presente trabalho apresentou a concepçãosistêmica e as características da soluçãoadotada para a implementação e odesenvolvimento de componentes de rede deacesso sem fio banda larga no âmbito do projetoAd Hoc-WiMAX fixo-nomádico.Neste projeto foi considerada premissa aintegração de uma rede de alto desempenhoincorporando mecanismos de controle depadrões de garantia de qualidade de serviço,com uma rede flexível, caracterizada por altograu de capilaridade e com possibilidade dedisponibilizar ao usuário final acesso por meio determinais de custo reduzido atualmenteproporcionados pela tecnologia Wi-Fi. Outrapremissa considerada foi a incorporação de umagerência centralizada da rede capaz de viabilizara operação eficiente de uma rede de talcomplexidade e abrangência.No trabalho foram descritas a topologia e aarquitetura da rede mesh sem fio, com base nospadrões abertos IEEE, WiMAX e Wi-Fi. Ambasforam concebidas para fornecer o acesso a umarede IP de serviços e transporte de dados. Foramdescritos também os elementos constituintesdessa rede de acesso, suas funcionalidades, ainterconexão entre tais elementos, bem como ostipos de serviço e modelos de utilização a seremdisponibilizados pela rede ao usuário final.Uma vez que são objetivos do projeto odesenvolvimento e a integração dos principaiselementos da infra-estrutura da rede de acessoproposta, e que esses elementos compreendem,além de estação-base WiMAX, diferentesversões de estações-terminal, as principaiscaracterísticas das implementações desseselementos foram descritas. Nessas descriçõesforam ressaltadas a flexibilidade alcançada pelapossibilidade de integração dos segmentos deacesso sem fio WiMAX e Wi-Fi mesh, em umaúnica infra-estrutura, empregando as diferentesversões de estações-base e estações-terminal,viabilizando uma adequação da topologia básicada rede aos variados cenários, condições deinstalação da infra-estrutura, condições deoperação e tipos de demanda por serviços.Em complementação a essas informações, foiapresentada uma breve descrição do sistema degerência de rede capaz de permitir a operação esupervisão centralizada desses elementosquando integrados à rede externa de serviços.

Referências

AGÊNCIA NACIONAL DETELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Anexo àResolução 365: Regulamento sobre

equipamentos de radiocomunicação de radiaçãorestrita. Maio de 2004.

AGÊNCIA NACIONAL DETELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Anexo àResolução 416: Regulamento sobre condiçõesde uso da faixa de freqüências de 3,5 GHz.Outubro de 2005.

AGÊNCIA NACIONAL DETELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Resolução272: Regulamento do serviço de comunicaçõesmultimídia. Agosto de 2001.

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INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). Standard802.11i. Part 11: Wireless LAN Medium AccessControl (MAC) and Physical Layer (PHY)Specifications. Amendment 6: Medium AccessControl (MAC) Security Enhancements. 2004.

INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). Standard802.16e-2005 e Standard 802.16-2004™Corregendum 1 – 2005: Air Interface for FixedBroadband Wireless Access. 2006.

YUN, J; KAVEHRAD, M. The Advantages and



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WIMAX FORUM. Can WiMAX address yourapplications? Westech Communications Inc.Outubro de 2005. Disponível em:<http://www.wimaxforum.org/technology/downloads>. Acesso em: 20 jul. 2007.

Abstract

This paper presents a brief description of the wireless access network solution being currently developedat CPqD. This solution aims at providing broadband telecommunications infrastructure based on WiMAXand Wi-Fi mesh technologies. The network system referred to as fixed Ad Hoc-WiMAX is designed toprovide flexible triple play services supporting infrastructure including features such as security, serviceclass for data transmission and centralized network resources management. In the proposed systemsolution, technological aspects were considered as well as the possibility of employing devices andequipment designs based on open standards that could be easily updated and adapted to the differentprognosticated deployment scenarios, which also require interoperability. These scenarios comprisedifferent operational conditions and the need to consider typical radio link performances, in addition to thedifferent data transmission requirements resulting from the diversity of socioeconomic profilesencountered throughout the country, such as in densely populated urban areas and sparsely populatedrural areas. The need to consider all these scenarios and to take into account the new federal and localgovernment policies aiming at providing widespread access to digital information to the population,determined the requirements for a high performance solution compatible with low operational anddeployment costs.

Key words: WiMAX. Wi-Fi. Networks. Ad Hoc. Mesh.


Desafios para a operação de redes WiMAXJosé Luiz Navarro Frauendorf* **

O objetivo deste artigo é analisar alguns parâmetros importantes que devem ser considerados quando daimplantação e operação de redes WiMAX fixas em países em desenvolvimento. Essas redes, emboradedicadas ao serviço fixo, estarão preparadas para, no futuro, prestar serviços móveis. Países emdesenvolvimento contam com essa nova tecnologia para popularizar o acesso à rede Internet. Para queisso ocorra, deve-se procurar maximizar a cobertura e a eficiência da rede (máximo de Megabit/segundo/quilômetro quadrado). Através da maximização desses dois parâmetros será possível construir redes debaixo custo, viabilizando sua implantação tanto em áreas já cobertas por outras tecnologias, via rede detelefonia fixa (ADSL) ou cabo coaxial (HFC/cable modem), quanto em áreas sem oferta desses serviços.

Palavras-chave: Comunicação sem fio banda larga. IEEE 802.16. WiMAX móvel.

Introdução

O WiMAX constitui, atualmente, o que há demais avançado em tecnologia de redes fixasconvergentes de telecomunicações, em condiçãode prestar, indistintamente, serviços de voz,dados e vídeo. Sua maior qualidade é, semdúvida, a flexibilidade de servir mercadosdistintos. Especificamente a versão IEEE802.16e, também conhecida como WiMAXmóvel, permite, a partir de uma única plataformatecnológica, atender às necessidades dasaplicações fixas, portáteis e móveis. Pode,portanto, atender às necessidades de mercadosaltamente sofisticados e, igualmente, suprir asnecessidades de áreas sem qualquer oferta deserviço. A maioria dos analistas prevê que a tecnologiairá prosperar mais rapidamente em países emdesenvolvimento, em localidades sem nenhumaoferta de acesso. Esses países demandam redesbaratas com baixos custos de investimento eoperação. A telefonia celular foi responsável pelapopularização da comunicação de voz e oWiMAX poderá fazer o mesmo para a oferta doacesso. O aspecto mais importante é comominimizar os investimentos para que isso possarealmente acontecer. A Neotec, associação de operadoras que fazemuso do espectro de 2.5 GHz para a prestação deserviços de telecomunicações, vem se dedicandoa responder a essas questões desde 2003,quando promoveu os primeiros testes detransmissão de sinais sem fio banda larga, comenorme sucesso, na região central de BeloHorizonte. Nessa ocasião, foram testadas duasversões distintas de sistemas pré-WiMAXempregando, um deles, a modulação OFDM, eoutro, o CDMA. A partir dessa experiência, amorfologia das cidades foi exaustivamenteavaliada e o tráfego nas redes de banda largamedido para determinar a concentração das

demandas dos usuários. Esses dois fatoresconstituem os principais parâmetros para odesenvolvimento de um projeto técnico apto asuprir as reais necessidades do mercado. Nosparágrafos a seguir, procuraremos comentaresses e mais alguns aspectos relevantes aserem considerados para viabilizar, técnica eeconomicamente, a implantação e a operação deredes WiMAX.A tecnologia WiMAX é definida através da normaIEEE 802.16e, mas existem diversas formas deimplementá-la. É importante entender suasdiferenças e identificar as melhores alternativaspara permitir uma implementação de baixo custo.O maior objetivo do presente trabalho é buscarformas de maximizar a cobertura e o volume detráfego fornecido pela rede.Existem enormes diferenças entre redes fixas emóveis. Na busca da viabilidade econômica, asredes fixas devem ser idealizadas em primeirolugar. Ao longo dos anos, atendendo à demandado mercado, quando ela surgir, as redespoderão, sem dificuldade, graças a investimentosadicionais, evoluir para a mobilidade. Serãofocalizadas, ao longo do trabalho, algumas dasprincipais diferenças entre essas duasimplementações.A evolução de uma rede de serviços fixos parauma rede de serviços móveis virá naturalmente,pela própria inclusão de chips WiMAX nos maisvariados dispositivos. Prenúncios já surgem nohorizonte. Até que isso ocorra, o principaldispositivo do usuário a ser empregado nasredes fixas é o modem conhecido pela sigla CPE(Customer Premise Equipment). Esse dispositivopode permitir tanto o acesso, quanto acomunicação de voz através do VoIP – Voiceover IP.Para vencer os desafios, diversas questõesdevem ser respondidas:1. Qual a distribuição do mercado residencial e

comercial nas diversas áreas de prestação

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected]** Neotec – Associação de Operadoras de Sistemas MMDS


Desafios para a operação de redes WiMAX

dos serviços? Como pode ser dividido deacordo com a sua morfologia?

2. Como é a propagação dos sinais? Qual adimensão de uma célula?

3. Qual a configuração da comunicação TDD xFDD? Antenas MIMO e Beamforming.

4. A modulação adaptativa e a eficiência darede.

5. Sistemas fixos e móveis.6. Qual o efeito das interferências e da escolha

do reuso das freqüências?7. Qual a influência da largura do canal

utilizado?8. Qual a demanda de tráfego nas células?9. Qual o percentual do mercado atendido por

uma célula?Essas questões serão tratadas em cada uma dasseções deste artigo.

1 Distribuição do mercado

As áreas de prestação de serviços detelecomunicações geralmente são classificadasem quatro categorias: urbanas densas, urbanas,suburbanas e áreas rurais.As cidades brasileiras são, em geral, muitoconcentradas, tendo em vista os elevados custosde urbanização. Em cidades como Rio deJaneiro e São Paulo, a densidade de domicíliospor quilômetro quadrado pode chegar à casa das13 mil a 15 mil residências. Essas são aschamadas áreas urbanas densas. Nessasregiões podem viver até 60 mil pessoas/km2. Emgeral, o número médio de domicílios nessasáreas fica ao redor de 8 mil a 10 milresidências/km2.Já as áreas urbanas possuem de 2.500 a 5 milresidências/km2, e as áreas suburbanas, menosque 2.500 residências/km2.Áreas urbanas densas podem concentrar até50% da população de uma região, enquanto queas áreas urbanas agregam por volta de 35%,restando apenas 15% para as áreas suburbanas.Por outro lado, áreas urbanas densas podemocupar apenas 10% da área total, enquanto asáreas urbanas ocupam o dobro, 20%, e as áreassuburbanas, 70%.Além das residências existem também osestabelecimentos comerciais, que tambémdemandam o acesso, e que ocorrem em maiorfreqüência nas áreas urbanas densas – 15% donúmero de residências – enquanto nas áreasurbanas essa proporção é de 10% e nas áreassuburbanas, 5%.Esses parâmetros nos permitem caracterizar amorfologia das cidades. Regiões urbanas densassão mais edificadas, com muitos prédios altos eapresentam aspectos distintos de propagação desinais. Já as regiões suburbanas não possuemprédios, ou os prédios são baixos, com poucosandares, e a propagação dos sinais ocorre com

menos reflexões.

2 Propagação dos sinais e dimensões deuma célula

Uma das grandes dificuldades encontradas pelosoperadores, quando projetam suas redes paraessa nova tecnologia, é a ausência de ummodelo específico de propagação parafreqüências acima de 2 GHz. Como essa partedo espectro começa a ser utilizada somenteagora, para redes celularizadas, espera-se que, àmedida que estas vão sendo testadas em campoe implantadas, os conhecimentos sobre apropagação aumentem, os modelos comecem aaparecer e o projeto fique mais simplificado.Na ausência de um modelo específico, tem-seempregado, na determinação das característicasde propagação de uma célula, principalmente emáreas urbanas densas, o Modelo COST-231 Hatamodificado. A aplicação desse modelo indicaraios para esse tipo de células que variam de 400a 700 metros. Para áreas urbanas, tem-seadotado raios da ordem de mil metros, e, paraáreas suburbanas, 2.600 metros.

3 Configuração do canal de transmissão xrecepção (TDD x FDD)

Uma das grandes inovações do WiMAX, para osprimeiros sistemas lançados no mercado, foi aescolha da multiplexação dos canais detransmissão e recepção por divisão de tempo,TDD (Time Division Duplex), ao invés damultiplexação por freqüência, FDD (FrequencyDivision Duplex). A multiplexação por divisão defreqüência, FDD, também terá sua vez, mas commenos ênfase que o TDD. O motivo é bemsimples: grande parte dos inovadores ganhos dedesempenho do sistema (aumento da coberturae do fluxo de dados gerenciados por umaestação radiobase) previstos no WiMAX baseia-se nas novas tecnologias de antenas, atecnologia MIMO (Multiple Input Multiple Output,múltiplos sinais transmitidos e recebidos) e aBeamforming (ganho variável de antena). Elas sópodem ser empregadas em conjunto com o TDD,ou seja, somente através da utilização da mesmafreqüência para a transmissão e recepção é queé possível ao sistema avaliar as condições depropagação e adequar seus mecanismos deotimização às condições do canal utilizado.Dentro desses novos conceitos, ao invés dasestações radiobase serem dotadas de apenasuma única antena, elas trabalham com diversas(2, 4 ou 8). Do lado do usuário, dentro do mesmoprincípio, empregam-se, em geral, duas antenas.Os sinais são transmitidos e recebidos de formaindependente por cada antena, mas sofrem umtratamento matemático (equalização e correlaçãode sinais) permitindo um ganho significativo narelação SINR (relação sinal-ruído + interferência).



Isso ocorre por um motivo simples: enquanto ossinais transmitidos e recebidos pelas diversasantenas são correlacionados, o ruído e asinterferências não são. Assim, os sinais contendoas informações podem ser somados, enquantoos ruídos e as interferências são subtraídos.Após o processamento dos sinais, obtém-se umenorme ganho. Esse ganho permite que ossistemas trabalhem com níveis de potências detransmissão muito inferiores às geralmenteutilizadas. Graças a esse fato, pode-se utilizar oWiMAX em sistemas portáteis e móveis quedependem, fundamentalmente, da capacidadedas suas próprias baterias para o funcionamento.Para que tudo isso possa ocorrer, é fundamentalque as transmissões da estação radiobase parao dispositivo do usuário, e vice-versa, trabalhemna mesma freqüência, ou seja, funcionem emTDD.Além disso, o TDD permite a otimização do usodo espectro, bem caro e escasso. Dependendoda necessidade do mercado quanto àsvelocidades de dados na descida (DL – downlink)e subida (UL – uplink), as janelas de tempodedicadas a cada um dos sentidos datransmissão podem ser variadas, alocando-semais ou menos tempo para os sinais transmitidose recebidos, de acordo com a demanda.Os sistemas atuais, que evoluíram dos sistemasde voz, empregam a tecnologia FDD. O FDD, atérecentemente, era mais barato que o TDD e seadaptava perfeitamente ao tráfego telefônico,simétrico por natureza. Essa premissa não éválida para o tráfego de dados.A adoção das tecnologias MIMO e Beamformingsó está ocorrendo em razão dos enormesavanços dos semicondutores, que permitem afabricação de processadores extremamenterápidos, capazes de processar volumes imensosde informações.

4 Modulação adaptativa e eficiência da rede

O WiMAX pode trabalhar com diversos níveis demodulação digital disponíveis, combinados comos códigos de recuperação de erro. Essaqualidade permite maximizar o desempenho dosistema, adaptando os serviços às condições depropagação de cada usuário. A modulação édistinta, para cada usuário, e independente decada sentido de transmissão (DL/UL).Duas variáveis definem o nível de modulaçãoque o sistema irá utilizar para atender à demandade um usuário: o nível do sinal recebido (Sminem dBm) e a relação sinal-ruído (SNR em dB). A Tabela 1 mostra os valores de Smin e SNRpara os diversos níveis possíveis de modulação.São fornecidos dois valores para Smin, napresença do ruído térmico apenas – AWGN(Additive White Gaussian Noise) e outro,seguindo a recomendação da UIT (UniãoInternacional de Telecomunicações), em quealém do ruído térmico considera-se algum nívelde interferência, segundo o modelo Ped-B@3km/h. Essa tabela mostra o que mais interessa aooperador, o tráfego máximo possível de DL e ULpara um sistema típico, com 10 MHz de largurade canal e relação DL:UL = 2:1, para cada nívelde modulação. O nível de modulação dos sinais digitais dependedos fatores Smin e SNR combinados. Quantomaior o nível do sinal e menor o nível dainterferência, maior o nível de modulação e,conseqüentemente, maior o volume deinformações que uma subportadora podetransportar. Deve-se buscar, portanto, trabalharcom os maiores níveis de modulação possíveis,para permitir o melhor aproveitamento da infra-estrutura implantada. As estimativas para o nívelde sinal (S/dB) e relação SNR (dBm) são feitasatravés do cálculo do link budget.Especificamente, para um sistema operando na

Tabela 1 DL/UL máximos x níveis de modulação(64-QAM no UL – embora prevista não é, ainda, obrigatória)

Modulação & Codificação

SNR (dB)Smin AWGN

(dBm)

Smin Ped-B

@3km/h (dBm)

Máximo DL (Mbit/s)

Máximo UL (Mbit/s)

QPSK 1/2 2.9 -88.5 -83.9 3.17 1.68QPSK 3/4 6.3 -85.1 -78.9 4.75 2.52

16QAM 1/2 8.6 -82.8 -78.4 6.34 3.36

16QAM 3/4 12.7 -78.7 -73.4 9.50 5.04

64QAM 1/2 13.8 -77.6 -73.9 9.50 5.04

64QAM 2/3 16.9 -74.5 -69.9 12.67 6.72

64QAM 3/4 18.0 -73.4 -67.9 14.26 7.56

64QAM 5/6 19.9 -71.5 -65.9 15.84 8.40



faixa de 2.5 GHz, com largura do canal de10 MHz (1.024 portadoras), considerando-seapenas 2 transmissores e 2 receptores naestação radiobase (MIMO) para um usuárioservido através de um modem fixo simples (CPE/SISO), os valores para a atenuação máximapermitida para o percurso do sinal, para osextremos dos níveis de modulação, situam-seentre os valores de 119 dB para 64-QAM 5/6 e136 db para o QPSK 1/2. Assim sendo, aexcursão do sinal é de 15 dB. Na borda dacélula, a atenuação máxima não deve exceder136 dB, para que o sistema possa operar, aomenos, no nível de modulação QPSK 1/2, aopasso que qualquer ponto da célula em que aatenuação do sinal for inferior a 119 dB estaráoperando na modulação máxima, 64-QAM 5/6. Éimportante notar que a variação entre 2 e 3 dBpode representar até 50% mais capacidade detráfego.

5 Sistemas fixos e móveisMuito provavelmente, o que diferencia as redesWiMAX de países em desenvolvimento daquelasdos países desenvolvidos é a mobilidade dousuário. Enquanto em países desenvolvidos,providos de farta oferta de acesso por meio dasredes fixas, a mobilidade é a característica maisdesejada, nos países em desenvolvimento, aomenos no início, a maior demanda dos usuáriosserá por aplicações fixas para complementar asredes existentes ou atingir áreas sem qualqueroferta de serviço. Essa situação é, no entanto, passageira. Estima-se que, já a partir de 2009/2010, diversosequipamentos (PDAs, laptops, câmeras de vídeoe foto, veículos de transporte, etc.) já possuirãochips WiMAX internos (embedded). Esse fato jáestá sendo anunciado por diversos fabricantesde equipamentos pessoais. Quando isso ocorrer,o próprio mercado demandará a inclusão deserviços portáteis e móveis, além do fixo. Assim,as redes já devem ser concebidas hoje parapermitir a evolução natural para a mobilidadequando o mercado assim demandar.Aplicações fixas são mais previsíveis, poiscontam, em geral, com dispositivos (CPE) comfonte de energia própria, independente debaterias que limitam a potência do sinaltransmitido. Além disso, podem contar com maisde uma antena, dotadas com maior diretividade,ou seja, com maior ganho que os dispositivosmóveis. Todos esses fatores somados podemrepresentar até 10 dB de ganho no link budget,favorecendo o nível de modulação e a eficiênciada rede.Por outro lado, aplicações fixas podem demandarmaior volume de tráfego, por poderem atender amais de um usuário por acesso. Já as aplicaçõesmóveis são, em geral, pessoais, com demandade tráfego menor que os acessos fixos. Assim,os ganhos dos níveis de modulação nas

aplicações fixas permitem tráfego mais elevado,enquanto os dispositivos móveis poderãotrabalhar com menores níveis de modulação,mas, em compensação, seu tráfego é menor.Provavelmente, um efeito irá compensar o outro.

6 Efeito das interferências e reuso defreqüências

Um dos efeitos mais perversos nos sistemascelulares são as interferências entre os sinais decélulas próximas operando nas mesmasfreqüências. Isso ocorre porque o espectro éescasso e deve ser reutilizado o máximopossível. Principalmente em regiões urbanasdensas, em virtude do elevado número deedificações, as interferências são inevitáveis porconta do elevado grau de reflexões dos sinaisque acabam gerando multipropagações. Nasregiões urbanas e suburbanas o efeito tambémocorre, mas em menor grau.A multipropagação pode conduzir os sinais parafora da célula, perturbando células próximas queutilizam a mesma freqüência para transmitirinformações distintas. Nas ruas centrais dasáreas densas, com prédios de muitos andares,nos dois lados da rua, formam-se verdadeiroscanyons, que conduzem os sinais porquilômetros de distância, como se fosse umaguia de onda. O WiMAX, por ser um sistemaOFDM, é dotado de elevado número deportadoras. Havendo interferência, ele podedeixar de utilizar determinadas portadoras em umsetor, alocando-as exclusivamente em outrosetor da célula para evitar as interferências. Issoleva à diminuição da capacidade do sistemacomo um todo. Poderá, igualmente, continuarusando as mesmas portadoras em célulasdistintas, mas a interferência perturbará arecepção do sinal (diminui o SINR), o que leva adiminuição do nível de modulação, reduzindo,novamente, a eficiência da rede como um todo.Deve-se, portanto, evitar ao máximo asinterferências.A Figura 1, cujos dados foram retirados deinformações fornecidas por fabricante deequipamento (vide referências), mostra adiferença da ocorrência dos diversos níveis demodulação dentro de uma mesma célula, em quese emprega a mesma freqüência para todos ossetores, ou seja, reuso 1 (N=1), comparado aoreuso 3 (N=3), em que cada setor utiliza umafreqüência distinta. Nota-se que, no reuso N=1, para o exemplomostrado, 23% da área da célula não possuiserviço, por não reunir as condições mínimas damodulação QPSK 1/2. No outro extremo,somente 23% da célula tem condições detrabalhar com modulação máxima de 64-QAM3/4. Já no reuso N=3, somente 2% da célula nãopossui serviço e 64% da área da célula reúnecondições para trabalhar com a modulaçãomáxima de 64-QAM 3/4.



N=1

N=30%

10%20%30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

QPSK1/2QPSK3/4

16QAM1/216QAM3/4

64QAM2/364QAM3/4

77%73%

56%48%

30%23%

98%97%

90%86%

72%64%

N=1 N=3

Figura 1 Desempenho de uma célula N=1 e de uma célula N=3

Portanto, a configuração N=3 deve ser utilizadacomo forma de maximizar o desempenho darede e minimizar os custos.

7 Largura do canal utilizado

A maior largura de canal existente atualmente éde 10 MHz. Isso quer dizer que uma estaçãoradiobase é capaz de processar, por setor, todo otráfego gerado pelo nível de modulação máximade uma célula, 64-QAM. Esse nível demodulação apresenta uma eficiência espectral de6 bit/Hz. Isso equivale a 60 Mbit/s. Em breve, em2009/2010, com a evolução da tecnologia jáanunciada por alguns fabricantes, esse limiteserá expandido para 20 MHz, o que significariaum tráfego máximo de 120 Mbit/s.Todas as vezes que se utilizar canais menores, aestação radiobase estará sendo subutilizada.Canais de 3.5/5.0/7.0 MHz são previstos nanorma, mas significam subutilização doinvestimento. O máximo aproveitamento da infra-estrutura de uma célula se dá pela utilização de 3canais de 20 MHz.

8 Demanda de tráfego de uma célula

Segundo dados recentes do IDC (Barômetro

Cisco de Banda Larga, de setembro de 2007),69% da demanda de tráfego de banda larga deusuários brasileiros é da ordem de 512 kbit/s. Internacionalmente, tem-se adotado para o OverSubscription Rate (percentual de usuáriosefetivamente transmitindo ou recebendo em umdeterminado instante), para usuáriosresidenciais, a relação de 1:20 (5%), e, para osusuários corporativos, 1:5 (20%).Se adotarmos um serviço típico de 500x250 kbit/s(DLxUL) para usuários residenciais e 1.000x500kbit/s (DLxUL) para usuários corporativos,significa que, na média, um usuário residencialdemanda, instantaneamente, 25x12.5 kbit/s e o corporativo, 200x100 kbit/s. Ou seja, umusuário corporativo consome 8 vezes maistráfego que o usuário residencial.Levando esses fatores em consideração esomando-os aos dados morfológicos de mercadoapresentados no início do trabalho, é possívelestimar a demanda de tráfego total em umacélula urbana densa com 600 metros de raio, emuma célula urbana com 1.000 metros de raio, ounuma célula suburbana com 2,6 quilômetros deraio.A Tabela 2 mostra o resultado desse cálculo.

Tabela 2 Tráfego total em uma célula


Tráfego na célula Urbana densa Urbana Suburbana

Média de domicílios + comércio (HH/km2) 11.765 3.889 368

Raio da célula (km) 0,6 1,0 2,6

Área da célula (km2) 1,1 3,1 21,2

Densidade da célula(residências + comércio) (HH/km2) 13.306 12.217 7.824

Tráf ego médio DL/usuário (kbit/s bit/s) 51 43 34

Tráf ego total/célula DL (Mbit/s bit/s) 682 519 264

Tráf ego médio UL/usuário (kbit/s bit/s) 26 21 17

Tráf ego total/célula UL (Mbit/s bit/s) 341 260 132


Esse tráfego, no entanto, não é estático, mascresce a uma taxa de 15% ao ano. Projetando-seesses dados para 2012, obtemos os valoresmostrados na Tabela 3.

9 Percentual do mercado atendido por umacélula

Vamos, primeiramente, definir a capacidade deuma célula que dispõe de 30, 60 ou 90 MHz deespectro disponível. Vamos assumir a prestação de serviços fixossomente, supridos por uma célula formada por 3setores, cada setor operando em uma freqüênciaespecífica (N=3), com canal de 10 MHz/setor. Dolado do usuário, o dispositivo utilizado é uma

CPE com 500 mW de potência de transmissãodotada de uma única antena (SISO). Nessascondições, o tráfego estimado por setor é daordem de 8 Mbit/s para o DL e 3 Mbit/s para oUL. Como a célula opera com 3 setores, otráfego agregado é de 24 Mbit/s para o DL e9 Mbit/s para o UL. Esses valores deverão evoluirnos próximos anos. A Tabela 4 mostra o tráfegoatual (2007) e a projeção para 2012.Tendo-se a demanda do mercado e após aanálise dos principais fatores que influenciam acapacidade de um sistema, podemos estimarqual o percentual de mercado atendido por umacélula. As Tabelas 5 e 6 mostram os valores,independentemente, para o DL e o UL em doismomentos, 2007 e 2012.

Tabela 3 Evolução do tráfego 2007 – 2012

Mercado atendido Urbana densa Urbana Suburbana

Densidade em 2007 (HH/km2) 13.306 12.217 7.824Densidade em 2012 (HH/km2) 14.123 12.968 8.305

Tráf ego médio/usuário DL 2007 (kbit/s) 51 43 34

Tráf ego médio/usuário DL 2012 (kbit/s) 103 85 68

Tráf ego total DL/célula 2007 (Mbit/s) 682 519 264Tráf ego total DL/célula 2012 (Mbit/s) 1.456 1.109 564

Tráf ego médio/usuário UL 2007 (kbit/s) 26 21 17

Tráf ego médio/usuário UL 2012 (kbit/s) 52 43 34

Tráf ego total UL/célula 2007 (Mbit/s) 341 260 132Tráf ego total UL/célula 2012 (Mbit/s) 728 554 282

Tabela 4 Capacidade de uma célula 2007 – 2012

Tráfego em um acélula

DL (Mbit/s) (2007)

DL (Mbit/s) (2012)

UL (Mbit/s) (2007)

UL (Mbit/s) (2012)

1 setor (10MHz) 8 12 3 51x3 setores (30 MHz) 24 36 9 142x3 setores (60 MHz) 48 72 18 273x3 setores (90 MHz) 72 108 27 41

1 setor (10MHz) 8 12 3 51x3 setores (30 MHz) 24 36 9 142x3 setores (60 MHz) 48 72 18 273x3 setores (90 MHz) 72 108 27 41

Tabela 5 Percentual do mercado atendido – 2007

(%) Mercado atendido (2007) Urbana densa Urbana Suburbana

DL 1x3 setores (30 MHz) 4 5 9UL 1x3 setores (30 MHz) 3 3 7DL 2x3 setores (60 MHz) 7 9 18UL 2x3 setores (60 MHz) 5 7 14DL 3x3 setores (90 MHz) 11 14 27UL 3x3 setores (90 MHz) 8 10 20



Tabela 6 Percentual do mercado atendido – 2012

(%) Mercado atendido (2012) Urbana densa Urbana Suburbana

DL 1x3 setores (30 MHz) 2 3 6UL 1x3 setores (30 MHz) 2 2 5DL 2x3 setores (60 MHz) 5 6 13UL 2x3 setores (60 MHz) 4 5 10DL 3x3 setores (90 MHz) 7 10 19UL 3x3 setores (90 MHz) 6 7 14

Enquanto o 64-QAM não for implementado parao UL, ele se torna o fator limitante. Quando forimplementado, os percentuais para DL e ULtendem a se igualar. Assim, considerando aprestação de serviços fixos, dentro dascondições descritas, em regiões urbanas densas,hoje (2007), seria possível atender a demandade até 3, 5 ou mesmo 8% do mercado, desdeque se dispusesse de 30, 60 ou 90 MHz deespectro.Com a evolução prevista da tecnologia e dademanda do mercado, em 2012, o percentual caipara 2, 4 ou 6%, dependendo da disponibilidadede espectro de 30, 60 ou 90 MHz.Embora seja citado muitas vezes que 30 MHzseria suficiente para a implementação de umarede WiMAX, sempre que possível, 60/90 MHzdevem ser considerados fundamentais, parareduzir o custo da implantação das redes epermitir aos operadores capacidade decrescimento e atendimento às demandas domercado sem comprometimento da viabilidadeeconômica da rede.A disponibilidade de espectro para a prestaçãode serviços de banda larga é fundamental.Operadoras americanas como Sprint e Clearwirecolocam o espectro como condição primordialpara viabilizar a construção de suas redes. OYankee Group publicou um trabalho em 2007 emque aponta que a Sprint possui, pelo menos,100 MHz em 85% das cidades onde pretendeconstruir suas redes. Scott Richardson, ChiefStrategy Officer da Clearwire, enfatizou esseaspecto em sua recente palestra no WiMAXWorld ocorrido em Chicago, em 2007. Usou,inclusive, uma foto tirada no Rio de Janeiro parailustrar esse fato.Agências reguladoras de todo o mundo optampor fatiar o espectro em pedaços como forma depromover a competição. Na prestação deserviços de banda larga “via ar” esseprocedimento pode comprometer a criação dasredes. Ao invés de alocar pequenas porções deespectro a diferentes operadores, deveriambuscar outras faixas do espectro, como forma depromover o aumento da competição. Existemmuitos espectros disponíveis: 2.3/2.5/3,3 –

3.8/5.1 – 5.8 GHz, sem considerar a faixa dos700 MHz que estaria sendo liberada peladigitalização da TV analógica. Todas essasfaixas estão sendo alocadas ao redor do mundo.Existem por volta de 700 MHz disponíveis noespectro abaixo de 4 GHz e mais 700 MHz nafaixa do 5 GHz.Como ocorreu na telefonia celular, dispositivostri-band e quad-band permitirão ao usuário oroaming e a migração entre operadores.

Conclusão

A maior parte dos dados utilizados neste artigoforam tirados das nossas experiências de campoconjugadas com as informações de fabricantesde equipamentos: Samsung, Motorola, Nortel,Alvarion, Alcatel-Lucent e Navini, que têm feitoum trabalho extraordinário na divulgação datecnologia no Brasil. Procuramos abordar osfatores mais relevantes, dentro da realidadebrasileira. Finalizando, gostaríamos de enfatizar:a) Aplicações fixas x móveis: são duas

realidades distintas. As aplicações fixas estãovoltadas para o atendimento da demandabásica, e as móveis para uma segunda etapa,quando o mercado exigir. Mas a rede deveser idealizada para atender às duasaplicações.

b) Relação DL x UL: o tráfego fixo possui umarelação de assimetria de 2:1. No tráfegomóvel, essa assimetria pode ser diferente, de3:1, tendo-se em vista que, em aplicaçõesindividuais, pode ocorrer uma maior demandade download de vídeo.

c) Mercado corporativo x residencial: adivisão do mercado nacional de banda largaé, segundo o IDC (Barômetro Cisco de BandaLarga, de setembro de 2007), de 13% mercadocorporativo e 87% residencial. O mercadocorporativo é o que mais demanda tráfego.Havendo alteração nessa proporção, o tráfegomédio pode subir ou descer.

d) Demanda de tráfego: de acordo com recentepesquisa do Ibope/Netratings, o número deusuários de Internet no Brasil cresceu 48,4%durante o ano de 2007, aproximando-se de21,4 milhões em dezembro. Embora o Paísconte com apenas 7 milhões de conexões



banda larga, o brasileiro possui o recorde detempo mensal de acesso à Internet: 22 horase 59 minutos. Esse tempo cresceu 1 hora e20 minutos em 12 meses. O Brasil ganha daFrança, que possui o índice de 20 horas e 34minutos e dos Estados Unidos, com 19 horase 47 minutos. Pode ser que, com o aumentodo número de usuários, esse valor fiquemenor, mas só o tempo dirá.

e) Custo da infra-estrutura: os modeloseconômicos que estão sendo desenvolvidosmostram que o custo da estação radiobase éimportante, mas os custos dos complementosestão se sobressaindo. Entre eles: links demicroonda (backhaul), energia, instalação,manutenção, aluguel de site, etc. Na ausênciade espectro suficiente, o operador é obrigadoa multiplicar o número das células. Oadensamento das células vai agravar oproblema da interferência, diminuindo aeficiência da rede, conforme já explicadoanteriormente. Além disso, aumentará oscustos da infra-estrutura, comprometendo osaspectos econômicos do projeto. A adição denovas estações radiobase em uma célula,graças à disponibilidade de espectro, ésempre mais viável, mais rápida e agridemenos o meio ambiente.

Esperamos ter contribuído para a maiorcompreensão sobre fatores importantes a serem

considerados quando do projeto, da implantaçãoe da operação de redes baseadas na tecnologiaWiMAX no Brasil e gostaríamos de recebercríticas e sugestões quanto aos pontos aquiabordados.

Referências

ALCATEL-LUCENT. Design Paper: Reuse 3and Reuse 1 performance, 2007.

ANDREWS, J. G., GHOSH, A., MUHAMED, R.Fundamentals of WiMAX, Prentice Hall, 2007.

IDC BRASIL – Barômetro Cisco de BandaLarga Brasil 2005-2010 – Resultados, set. 2007.

LIU, H.; LI, G. OFDM-Based BroadbandWireless Networks, Design and Optimization,John Wiley, 2005.

NUAYMI, L. WiMAX Technology for BroadbandWireless Access, John Wiley, 2007.

RICHARDSON, S. Clearwire Vision forPersonal Broad band, WiMAX World, 2007,Chicago.

WIRELESSMAN. Inside the IEEE802.16Standard for Wireless Metropolitan Networks,IEEE Press, 2006.

YANKEE GROUP – Modest WiMAX MarketGrows Despite Uncertainty, 2007.

Abstract

The objective of this article is to analyze some relevant parameters that must be taken into account in thedeployment and operation of fixed WiMAX network in developing countries. Although these networks arefocused on fixed services, they are ready to perform mobile services in the future. Developing countriesrely on this new technology so that Internet access becomes more popular. Therefore, the networkcoverage and efficiency must be maximized (maximum Megabit/second/square kilometer). Themaximization of these two parameters enables the construction of low budget networks, allowing itsdeployment in areas already covered by other technologies, via fixed telephony network (ADSL) or coaxialcable (HFC/cable modem), as well as the areas without the offer of these services.

Key words: Broadband wireless communication. IEEE 802.16. Mobile WiMAX.


Mobilidade em redes WiMAXPedro Eduardo de Oliveira Macedo*, Carlos Henrique Rodrigues de Oliveira

Este artigo fornece uma visão geral sobre os mecanismos de controle e gerência de mobilidade nasredes baseadas no padrão IEEE 802.16e-2005. Inicialmente é apresentada uma breve introdução aopadrão e ao perfil Mobile WiMAX, derivada de suas características obrigatórias e opcionais. Sãodescritas, de forma sucinta, as técnicas de controle e gerência de roaming, handover e da Mobilidade IP.Também é apresentada a rede de referência relativa a este padrão, definida no WiMAX Forum, seuselementos de rede e suas funcionalidades básicas.

Palavras-chave: WiMAX. 802.16e. ASN. CSN. Mobile IP.

IntroduçãoAs redes WMAN são bastante atraentes para omercado consumidor pela possibilidade defornecer banda larga numa estrutura sem fio.Dessa forma, possibilita ao usuário a mobilidadee a liberdade de se comunicar onde quer queesteja. Tecnologias que têm como alvo amobilidade e a liberdade vêm sendodesenvolvidas desde os anos 90, tais como oLMDS (Local Multipoint Distribution Service) e oMMDS (Multichannel Multipoint DistributionService).Os sistemas celulares começaram privilegiandoo serviço de voz (comutação por circuito) e, como tempo, tenderam a incluir os serviços de dadoscomutados por pacotes. Para isso, melhoraramseus mecanismos de gerência e de controle derecursos de rádio, QoS e mobilidade. Além disso,foi necessário alterar sua estrutura de modulaçãoe transmissão para aumentar a banda oferecidaem sua interface aérea.A tecnologia conhecida por WiMAX começou aser desenvolvida já com o foco no tráfego deinformações comutadas por pacotes eprivilegiando tecnologias como ATM e IP.Isso lhe conferiu vantagens que foram bemutilizadas para alavancar a tecnologia, tanto nosentido técnico quanto mercadológico.Este artigo descreve sucintamente osmecanismos de gerência e controle demobilidade dessa tecnologia, além de ofereceruma visão geral de sua rede de referência,conforme especificada no WiMAX Forum.A Seção 1 apresenta os padrões IEEE e mobileWiMAX; a Seção 2 mostra a topologia de rede eseus elementos componentes; a Seção 3apresenta os modelos de mobilidade e osmecanismos de handover. E por último éapresentada a conclusão deste trabalho.

1 Padrões IEEE e mobile WiMAXO padrão IEEE 802.16, comumente chamado deWiMAX, vem sendo desenvolvido no IEEE desdeo final da década de 1990. Atualmente, compõe-se de uma família de padrões, revisões,correções e adendos. Em geral, adendos têm

uma letra no final, correções têm um número erevisões têm o ano de término (IEEE, 2006). Atualizações e correções vêm sendo realizadasperiodicamente, sendo que suas principaisatualizações ocorreram através dos adendosIEEE 802.16a, IEEE 802.16b, IEEE 802.16c eIEEE 802.16e. A revisão IEEE 802.16-2004consolida as três primeiras contribuições eestabelece o WiMAX para aplicações fixas. Oadendo IEEE 802.16e é incorporado em seguidaao padrão para acrescentar a funcionalidademobilidade e todos os seus atributos e requisitos.Foi publicado em 28 de fevereiro de 2006 e opadrão completo passa a ser identificado peloIEEE como IEEE 802.16e-2005 e IEEE802.16-2004/Cor 1-2005.Este trabalho está focado na mobilidade e emseus principais mecanismos de controle egerência.Logo após a publicação do padrão inicial, em2001, foi criada uma organização sem finslucrativos, composta de operadoras,fornecedores de equipamentos, fabricantes dechips e de terminais, e provedores de serviços.Seu objetivo era promover a nova tecnologia e amarca WiMAX, além de atuar junto aos órgãospadronizadores dos diversos países, a fim deauxiliar e facilitar a regulamentação do espectronecessário de freqüências. O nome desse grupoé WiMAX Forum e sua atuação tambémacontece no sentido de garantir ainteroperabilidade entre dispositivos defabricantes diferentes, e de planejar e elaborartestes de conformidade para a certificação deprodutos.Outro objetivo é a criação de perfis tecnológicos,isto é, implementações práticas do produtoWiMAX, compostas de características técnicasobrigatórias e determinadas característicasopcionais descritas no padrão. Esses perfis,chamados de perfis sistêmicos, são escolhidosperiodicamente pelo grupo para a realizaçãocomercial.Mobile WiMAX é um perfil (e uma marca)desenvolvido pelo WiMAX Forum que utiliza umconjunto de características dos padrões IEEE802.16-2004 e IEEE 802.16e-2005 para fins de



Mobilidade em redes WiMAX

certificação e de comercialização deequipamentos pelo WiMAX Forum.Além do aspecto mobilidade, seus requisitos emecanismos de controle associados, esse perfiltem algumas características típicas que devemser mencionadas (WIMAX FORUM, 2007): • trabalho no modo TDD;• operação com freqüências licenciadas abaixo

de 6 GHz (2.3, 2.4, 2.5, 3.3, 3.5, 3.7),dependendo do país;

• largura de canal: 3.5, 5, 7, 8.75 e 10 MHz,dependendo do país;

• implementação do mecanismo de acesso,conhecido como SOFDMA;

• comprimento do quadro: 5 ms;• implementação de H-ARQ;• controle da potência de malha aberta e

fechada;• esquemas de antena inteligente (AAS);• esquemas de MIMO;• sleep and idle mode no terminal;• novos esquemas de autenticação e

criptografia. Além dessas características técnicas específicas,o perfil mobile WiMAX possui algumascaracterísticas e mecanismos próprios decontrole e gerência do aspecto mobilidade, taiscomo:• Mecanismo para roaming: capacidade para

prover conectividade com um usuário inativopara iniciar uma sessão ou enviar pacotes,independentemente de sua localização narede.

• Mecanismos de handover: capacidade demanter uma sessão ativa em andamentoenquanto o usuário se move, mesmo emvelocidades veiculares.

• Mecanismos de controle da mobilidade IP:capacidade para tratar da mobilidade na

camada 3 (rede), ou seja, mobilidade IP.Segundo Andrews, Ghosh e Muhamed (2007),existem quatro cenários de mobilidade previstospara o WiMAX:• Nomádico: o usuário pode conectar sua CPE

fixa na rede em um lugar diferente do anterior.• Portável: o usuário pode utilizar seu

dispositivo portátil numa velocidade baixa,sendo provido um esquema de handover demaior esforço.

• Mobilidade simples: o usuário pode se moverem velocidades de até 60 km/h e sofrerinterrupções de menos do que 1 segundodurante o handover.

• Mobilidade total: o usuário pode se mover emvelocidades de até 120 km/h e sofrerinterrupções de menos do que 50 ms e perdade pacotes menor do que 1% durante ohandover (seamless).

Ainda segundo Andrews, Ghosh e Muhamed(2007), o padrão IEEE 802.16e-2005 definemecanismos de sinalização para rastrear tanto ousuário ativo quanto o usuário inativo (idle). Alémdisso, padroniza protocolos para proverseamless handover. Esses e outros mecanismosfazem parte de um framework especificado nopadrão, que foi evoluído pelo WiMAX Forum paramelhorar o aspecto de gerência de mobilidade,com foco numa rede fim a fim e usando acamada 3. Para esse fim, foi definida umatopologia de rede de referência que é o foco dapróxima seção.

2 Topologia de rede

A rede de referência, conforme definida noRegulamento sobre condições de uso da faixa defreqüências de 3.5 GHz (ANATEL, 2002) doWiMAX Forum, é mostrada na Figura 1.

ASN

R6

R6R8

NAP

R4

Outro ASN

Visited NSP Home NSP

R2

R1

SS/MS

R2

R3 R5

CSN CSN



BSASN

Gateway

BS

Figura 1 Rede de referência WiMAX Forum



Na Figura 1 observam-se vários elementos derede e suas interfaces, tais como:

Elementos de rede:• MS: Mobile Station;• BS: Base Station;• ASN: Access Service Network;• CSN: Connectivity Service Network;• NSP: Network Service Provider.Interfaces:

• R1: interface física aérea;• R2: interface lógica entre a MS e a CSN para

tratar autenticação, autorização,gerenciamento do endereço IP egerenciamento de mobilidade;

• R3: interface física entre a ASN e a CSN paratratar gerenciamento de mobilidade, AAA(autenticação, autorização e accounting) etunelamento para transferência de dados IP;

• R4: interface física para tratarinteroperabilidade entre ASNs diferentes;

• R5: interface física para tratarinteroperabilidade entre a rede origem e arede visitada;

• R6: interface física entre a BS e a ASN paratratar o envio de dados IP e sinalização.Backhaul;

• R7: interface física opcional para coordenardois grupos de funções identificadas em R6;

• R8: interface física entre BS para tratarseamless handover.

2.1 ASN (Access Service Network)

A ASN é um bloco funcional (ANDREWS;GHOSH; MUHAMED, 2007) que cuidabasicamente da interface aérea (R1), do controlede acesso e de recursos de rádio, da gerência demobilidade e de QoS e da conectividade com aCSN. É uma unidade composta por doiselementos de rede: a BS e a ASN gateway, quepodem estar juntos num só bloco ou separadosem dois elementos de rede.O WiMAX Forum propõe três perfis para aimplementação da ASN: A, B e C.As diferenças estão nas funcionalidadesrealizadas pela ASN e no posicionamento da BS.No perfil B, o elemento ASN é uma entidadeúnica que agrega as funcionalidades da BS e daASN gateway.Nos perfis A e C, as funcionalidades da BS e daASN gateway são divididas de formaligeiramente diferente por perfil: funcionalidadesespecíficas de gerenciamento de mobilidade e degerenciamento de recursos de rádio. As categorias funcionais que são gerenciadas naASN através da BS e da ASN gateway, são:• gerência de mobilidade;• gerência de recursos de rádio;• QoS;

• sistema de paging;• segurança.

2.2 BS (Base Station)

A BS (ANDREWS; GHOSH; MUHAMED, 2007) éo elemento de rede diretamente conectado como usuário (MS) e, portanto, responsável peloinício dos trabalhos para o acesso do usuário aosistema e para a definição dos recursos de rádioque serão utilizados para a sessão e o tipo deserviço solicitado.Suas funcionalidades básicas variam de acordocom o perfil a que pertence, mas de modo geral,podem ser agrupadas da seguinte forma:• provimento dos meios físicos de RF para

possibilitar a conectividade de camada 1 coma MS;

• agendamento de pacotes tanto do DL quantodo UL;

• classificação do tipo de fluxo de tráfego;• gerenciamento do fluxo de serviço;• provimento do status (ativo ou idle) da

atividade do terminal do usuário; • suporte aos protocolos de tunelamento para a

ASN gateway;• provimento da funcionalidade DHCP proxy;• encaminhamento de mensagens de

autenticação entre a MS e a ASN gateway;• recepção e entrega da chave criptográfica de

tráfego (TEK) e da chave criptográfica dachave (KEK) para a MS;

• servidor de proxy RSVP para gerenciamentode sessão;

• gerenciamento de associação de gruposmulticast via IGMP proxy.

Uma BS pode estar conectada a mais de umaASN gateway para fins de balanceamento decarga ou propósitos de redundância.

2.3 ASN gateway ASN gateway (ANDREWS; GHOSH;MUHAMED, 2007) é o elemento de rede quecontrola as BSs e provê conectividade física coma CSN.Suas funcionalidades básicas também variam deacordo com o perfil a que pertence, mas demodo geral, podem ser agrupadas da seguinteforma:• gerenciamento de localização e de paging do

usuário;• servidor para sessão de rede e para gerência

de mobilidade;• controle de admissão;• provimento de serviços de caching temporário

para perfis de assinantes e de chavescriptográficas;

• funcionalidade de AAA;• age como cliente/proxy para a troca de

mensagens RADIUS com AAA de CSN



selecionadas;• estabelecimento e gerenciamento de

tunelamento de mobilidade com as BSs; • cliente para gerência de mobilidade e sessão;• autoriza fluxos de serviço (SFA), baseado no

perfil do usuário e na política de QoS;• provimento da funcionalidade Foreign Agent

(FA);• roteamento (IPv4 e IPv6) para selecionar as

CSNs. Dependendo do perfil adotado pelo fabricantedos equipamentos, as funcionalidades dehandover e gerência de recursos de rádio sãodesempenhadas totalmente ou parcialmente naBS ou na ASN gateway.

2.4 CSN (Connectivity Service Network)

A CSN provê as seguintes funcionalidades(ANDREWS; GHOSH; MUHAMED, 2007):• alocação do endereço IP para as sessões do

usuário da MS;• servidor ou proxy de AAA para o usuário, seu

dispositivo ou serviços AAA;• gerenciamento do QoS baseado num contrato

de SLA com o usuário;• bilhetagem do assinante;• tunelamento entre CSNs para suportar

roaming entre NSP;• gerência de mobilidade entre ASNs e

funcionalidade de mobile IP HA (HomeAgent);

• Infra-estrutura de conectividade e controle depolíticas de acesso para serviços tais como:• acesso à Internet;• acesso a outras redes IP;• LBS;• P2P;• VPN;• IMS;• MMS;• serviços de força da lei.

3 Mecanismos de controle da mobilidade

A gerência de mobilidade é originada sempre quea MS se move de uma BS para outra, pormotivos de condições de propagação, ou quandoa MS sai do estado idle em outra ASN, ouquando a CSN decide transferir os recursos degerência de uma MS de um FA para outro. Como já citado neste artigo, existem trêsmecanismos para o controle da mobilidade narede WiMAX: roaming, handover e mobilidade IP.Enquanto os dois primeiros mecanismos sepreocupam com o controle do processo deiniciação e continuidade da sessão de dados doponto de vista de conectividade física do enlaceMS e BS, a mobilidade IP é responsável pelagerência do endereço IP das entidades móveisenvolvidas durante a sessão de dados.Esses mecanismos são descritos a seguir.

3.1 Mecanismos de roaming e handover

Do ponto de vista da conectividade física dasentidades móveis envolvidas numa sessão dedados, existem dois mecanismos básicosenvolvidos no controle e na gerência do processode originação e manutenção da sessão.O primeiro se refere à busca e localização dosassinantes móveis, independentemente de sualocalização (na mesma rede ou não) ou estado(idle ou ativo). Esse é o mecanismo de gerência de localizaçãoque permite o roaming (ANDREWS; GHOSH;MUHAMED, 2007). Ele é composto por doisprocessos básicos: • location registration ou update;• paging.No primeiro processo, a MS periodicamenteinforma à rede sua (nova) localização, o que fazcom que a rede autentique o usuário e atualizeseu banco de dados com essa nova informação.Essa (nova) localização está associada a umaregião (área de localização) definida em termosda cobertura relativa a uma ou mais BSs. A freqüência com que essa atualização érealizada é um compromisso entre a eficiência doprocesso de roaming e o excesso de overheadde sinalização na rede. Esses bancos de dadossão, geralmente, colocados em um ou maislugares dentro de uma rede.No segundo processo (paging), quando umarede (ASN) recebe um pedido de iniciação deuma sessão, esta busca em seu banco de dadosa localização atual da MS solicitada. Ao descobrirsua região de localização, envia informação depaging para todas as BSs da região e todas asBSs em torno dessa mesma região. Aqui também há um requisito a ser cumprido, istoé, quanto maior o número de BSs buscadas,maior a probabilidade de encontrar a MSdesejada. Por outro lado, maior será aquantidade de recursos da rede usados para oprocesso de paging.Com relação aos mecanismos de handover, opadrão IEEE 802.16e-2005 especifica e suportatrês tipos:• HHO (Hard Handover) – obrigatório;• FBSS (Fast BS Switching) – opcional;• MDHO (Macro Diversity Handover) – opcional.Portanto, o único mecanismo obrigatório é aqueleque fornece o pior desempenho, pois acarreta ainterrupção do fluxo por quase um segundo.Vale dizer que, para a finalidade de oferecerserviços do tipo RT (Real Time) como VoIP evideoconferência, são necessários requisitos delatência bastante apertados. Para tanto, espera-se que o desempenho do processo de handover,com mobilidade total (120 km/h), seja da ordemde 50 ms de latência (no máximo) e perda depacotes menor do que 1%.



De maneira geral, as decisões de handover sãorealizadas em conjunto pela MS e BS ebaseadas em medições e comparaçõesrealizadas e reportadas pela MS dos sinaisrecebidos das BSs vizinhas.Essas medições acontecem em intervalos detempo específicos chamados scanning intervalsdefinidos nas BSs. Nesses intervalos, a MStambém pode iniciar seu processo de associaçãoa uma ou mais BSs.Após a comparação dos sinais e a tomada dedecisão do handover, a MS começa a sesincronizar com a transmissão de downlink daBS-alvo. No HHO, finalizado o processo de sincronismo epaging, a MS termina a conexão com a primeiraBS, perdendo quaisquer pacotes ainda na BS.

3.1.1 FBSS e MDHO

Nesses dois mecanismos opcionais, a MS podemanter uma conexão válida com mais de umaBS.No FBSS, a MS mantém e atualiza uma lista deBSs conectadas chamada active set. Além disso,monitora periodicamente as BSs da lista paramantê-la atualizada com as BSs de melhor nívelde sinal.A MS, no entanto, se comunica apenas com umaBS da lista, chamada BS anchor. Quando umamudança de BSs é necessária, ela é realizadasem necessidade da troca de sinalização dehandover. O mecanismo MDHO é similar, exceto que, nestecaso, a comunicação é feita com todas as BSsda lista (diversity set) tanto no DL quanto no UL.No DL, os vários sinais recebidos sãocombinados através de técnicas de diversidade

no receptor da MS. No UL, onde várias BSsrecebem os sinais da MS, a seleção do melhorsinal é realizada na ASN.O desempenho desses dois mecanismos ésuperior ao do HHO (ANDREWS; GHOSH;MUHAMED, 2007). No entanto necessitam queas BSs do active ou diversity set estejam todassincronizadas, usem a mesma freqüência de RFe compartilhem informação para acesso à rede.Além disso, são opcionais e não estãorelacionados para o release 1 do WiMAX Forum.

3.2 Mecanismos de controle de mobilidade IP

Neste caso, a preocupação é com ogerenciamento do endereço IP das entidadesmóveis envolvidas na conexão de dados,enquanto essas entidades se movimentam deuma sub-rede para outra. As sub-redes podemestar definidas em termos de BSs, ASNs ou emdecorrência de qualquer outro esquema.A passagem de uma sub-rede para outra, ou deuma ASN para outra, ou para um outro tipo derede (3G, Wi-Fi, etc.), provoca a necessidade demudança de endereço IP, ocasionando a quebrada conexão IP. Em qualquer caso, no entanto, aconectividade na camada física não é afetada.Não obstante, alguma solução deve ser providana rede para que a conectividade na camada derede (IP) também não seja afetada.A solução definida para o WiMAX é o mecanismoconhecido como mobile IP, definido pelo IETF. Omobile IP foi projetado para o IPv4 e para sertransparente para a camada de aplicação.Esse mecanismo também não demandaalterações nos roteadores ou em seusprotocolos.A Figura 2 mostra os principais elementos derede e protocolos envolvidos na mobilidade IP.

Figura 2 Estrutura de camadas e elementos da mobilidade IP



Observa-se na Figura 2 a importância doelemento CSN no endereçamento e roteamentoIP e nas funções de agente local de mobilidade(HA), autorização, autenticação e bilhetagem.Em termos de gerência de mobilidade, a ASNdesempenha a importante função de agente demobilidade visitado (FA).Naturalmente, a MS também participa domecanismo mobile IP através de um cliente MIPimplementado em sua camada de rede.De forma mais simples, os componentesenvolvidos na troca de mensagens emecanismos da mobilidade IP são mostrados naFigura 3. O MS (terminal móvel) contendo o cliente MIP éconhecido como MN (Mobile Node). Ele secomunica com algum servidor na rede que éconhecido como CN (Correspondent Node). O mecanismo mobile IP define dois endereçospara cada MN:• HoA (Home Address);• CoA (Core of Address).Enquanto o HoA é seu endereço IP definido porsua rede nativa (home network) e o identifica narede, CoA é um endereço temporárioespecificado pela rede visitada. É necessário quehaja um mapeamento dinâmico entre esses doisendereços e isso é realizado através de doisagentes de mobilidade IP, HA (Home Agent) e oFA (Foreign Agent). Ambos podem ser vistoscomo roteadores especializados. O agente FA é normalmente implementado naASN, embora possa ser implementado na MN. Oendereço CoA está associado ao agente FA. OHA é implementado normalmente na CSN. Sempre que a MS se movimenta, passando a seruma MN, seu movimento é detectado por

protocolos de busca que são baseados emextensões do ICMP, protocolo de busca dosroteadores.Os agentes de mobilidade (HA e FA) anunciamsua presença para que a MN possa detectá-los.Uma vez que a MN esteja na rede visitada, umnovo endereço IP (CoA) lhe é definido. Essenovo endereço é então informado pela MN paraseu HA, que também se atualiza com relação aonovo FA da MN.Após essa atualização, quaisquer pacotesdestinados à MN recebidos em sua rede nativa(HA) serão enviados ao seu novo endereço (suanova FA), através de seu encapsulamento emum protocolo de tunelamento. O agente FAdesencapsula os pacotes e os envia à MN.Como o HA funciona como ponte e referênciapara quaisquer pacotes enviados à MN, então alocalização da MN não é mais um empecilhopara que a comunicação aconteça.Pacotes enviados no sentido oposto, isto é, doservidor IP para a MN, não necessitam domecanismo mobile IP, a não ser que o servidorIP não seja fixo. As rotas percorridas do MN para o CN sãodiferentes daquelas percorridas no sentidooposto, ou seja, do CN para o MN.

3.3 Pontos de referência de mobilidade

Do ponto de vista de elemento de rede dereferência (anchor) utilizado no processo demobilidade, há duas possibilidades suportadasnas redes WiMAX:• mobilidade referenciada a ASN (ASN-

anchored mobility);• mobilidade referenciada a CSN (CSN-

anchored mobility).

Figura 3 Componentes da mobilidade IP



A Figura 4 (ANDREWS; GHOSH; MUHAMED,2007) apresenta os cenários de mobilidadepossíveis numa rede WiMAX, de acordo com oWiMAX Forum.No primeiro tipo (ASN-anchored), a MS semovimenta entre duas BSs controladas pelamesma ASN. Esse tipo de movimentação éinvisível para a CSN, não provocando impactoalgum na camada de rede (IP). Nesse tipo de cenário, a MS pode se movimentarentre os pontos 1, 2 e 3 na Figura 4. Esse tipo demecanismo é também conhecido como intra-ASN ou micromobilidade.A característica principal desse mecanismo é quea referência é o FA da ASN envolvida, isto é, eleé mantido em todo o processo. Nesse caso, oCoA do MN não precisa ser atualizado.Do ponto de vista das interfaces envolvidas, oprocesso pode ocorrer apenas na interface R8,ou pode ocorrer na R6 e na R8 apenas paraenvio dos pacotes remanescentes da BS originalpara a de destino.No segundo caso (CSN-anchored), o movimentoocorre entre duas BSs de ASNs diferentes, masda mesma CSN. Esse tipo de mecanismo étambém conhecido como inter-ASN oumacromobilidade.Neste caso, a MS muda de FA, realizando o queé chamado de migração de FA anchor. Oprocesso de handover ocorre na interface R3com um tunelamento feito em R4 com opropósito de transferir pacotes ainda nãoenviados.

Na Figura 4, esse caso está representado pelomovimento entre os pontos 1 e 4.

Conclusão

Este artigo fornece uma visão geral dosmecanismos de controle e gerência demobilidade IP e da arquitetura de referênciautilizada pelo padrão IEEE 802.16e-2005, deacordo com as especificações do WiMAX Forum.Não foi escopo deste artigo esgotar o assunto degerência de mobilidade IP que ainda vem sendoelaborado e aperfeiçoado em seus mecanismospelos grupos de trabalho do WiMAX Forum.

Referências

AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES(ANATEL). Resolução 309: Regulamento sobrecondições de uso da faixa de freqüências de 3.5GHz, set. 2002.

ANDREWS, J.G.; GHOSH, A.; MUHAMED, R.Fundamentals of WiMAX: UnderstandingBroadband Wireless Networking. Prentice Hall:Nova Jersey, 2007.

INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICSENGINEERS (IEEE). IEEE 802.16. WirelessMANStandard: Myths and Facts. In: WIRELESSCOMMUNICATIONS CONFERENCE,Washington, 2006. Disponível em:www.ieee802.org/16/docs/06/C80216-06_007r1.pdf. Acesso em: 29 jun. 2006.

Figura 4 Cenários de handover em WiMAX



INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICSENGINEERS (IEEE). Standard 802.16-2004. AirInterface for Fixed Broadband Wireless Access, 2004.

INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICSENGINEERS (IEEE) 802.16e-2005, Part 16: AirInterface for Fixed Broadband Wireless AccessSystems – Physical and Medium Access Control

Layers for Combined Fixed and Mobile Operationin Licensed Bands. 2006.

WiMAX FORUM. Mobile System ProfileRelease 1.0. Approved Specification (version1.4.0 – 12/05/2007). Disponível em:<http://www.wimaxforum.org/technology/documents>. Acesso em: 14 ago. 2008.

Abstract

This article provides an overview of the control and management mechanisms of mobility in networksbased on the standard IEEE 802.16e-2005. The techniques of roaming, handover and IP mobility aredescribed briefly. A short introduction preceding the descriptions provides a concise overview of thestandard and the Mobile WiMAX profile derived from its mandatory and optional features. It also showsthe network reference model, as defined in WiMAX Forum, its network elements and basic features.

Key words: WiMAX. 802.16e. ASN. CSN. Mobile IP.


Implantação de projetos WiMAX com segurançaDanilo Yoshio Suiama*, Emilio Tissato Nakamura, Helen Mary Murphy Peres Teixeira, Sérgio

Luís Ribeiro

A segurança possui um papel fundamental para a implantação de redes WiMAX, ao proteger aconfidencialidade e a integridade de informações das organizações, a privacidade dos usuários e adisponibilidade das soluções. Decisões tecnológicas que contemplem e equilibrem as necessidades defuncionalidades e de segurança são um dos fatores-chave para o sucesso na implantação de projetosWiMAX. Este artigo discute as necessidades e as principais ameaças existentes na tecnologia WiMAX,apresentando uma abordagem sistêmica para a implantação de projetos WiMAX com segurança, combase em necessidades potenciais em termos de segurança da informação e de funcionalidadesdisponíveis.

Palavras-chave: Segurança. Criptografia. Ameaças. Vulnerabilidades. WiMAX.

IntroduçãoUm dos grandes desafios na implantação e nouso de novas tecnologias é a segurança. Deixá-la de lado significa, ao mesmo tempo, colocar emrisco a confidencialidade e a integridade deinformações de organizações, a privacidadepessoal dos usuários e a própria disponibilidadeda solução. Por outro lado, superestimar asegurança significa engessar a adoção datecnologia, criando dificuldades desnecessáriasna implantação e obstáculos que influemdiretamente no uso de tecnologias pelasempresas e indivíduos. É nesse ponto, no equilíbrio necessário entre aproteção e as funcionalidades tecnológicas, quereside a alma da segurança. Esse desafio dasegurança é exacerbado pela composição deuma miríade de tecnologias cada vez maiscomplexas e que se integram entre si, em umritmo acelerado, tornando necessária a análisede diferentes fatores que refletem diretamentenas funcionalidades, no desempenho e nasegurança das soluções tecnológicas.Neste artigo são discutidos os pontosfundamentais para a segurança em redesWiMAX, propondo uma abordagem para aimplantação de projetos WiMAX seguros, com adevida definição dos níveis necessários esuficientes de segurança que devem serimplantados. A Seção 1 discute as principaisnecessidades de segurança em WiMAX,enquanto a Seção 2 apresenta os principaisriscos existentes. A Seção 3 discute osmecanismos de segurança existentes no WiMAXe a Seção 4 apresenta uma abordagem arespeito da implantação de projetos WiMAXseguros.

1 Necessidades de segurança em WiMAXAtuando nas camadas física e de enlace deredes, a tecnologia WiMAX é baseada naespecificação IEEE 802.16 (JOHNSTON;

WALKER, 2004) e possui, sob o ponto de vistadas necessidades de segurança, váriassimilaridades com a tecnologia Wi-Fi, baseadano IEEE 802.11 (REBÊLO, 2006; SCHWEITZERet al., 2005). Os benefícios do uso de WiMAXsão usufruídos em suas variadas aplicações, quepodem ser vistas na Figura 1. A falsa sensação de segurança, proporcionadapor tecnologias já estabelecidas e comvulnerabilidades remanescentes de protocolo,como a tecnologia Wi-Fi, é um dos desafios quedevem ser enfrentados na adoção de novastecnologias como o WiMAX, pois serve de falsoparâmetro de comparação. Em decorrência danatureza integrada das soluções, mesmo quemecanismos de segurança existam emtecnologias como Wi-Fi e WiMAX, eles não sãosuficientes para a solução como um todo, poisatuam apenas nas camadas física e de enlace darede (WHITMIRE, 2003; ÂNGELO, 2005). O padrão IEEE 802.11i, por exemplo, foiespecificado para tratar da segurança em Wi-Fie, de fato, possui grande evolução quandocomparado com o WEP (Wired EquivalentPrivacy) por utilizar protocolos e algoritmoscriptográficos mais fortes que evitam asvulnerabilidades conhecidas e intrínsecas aoWEP. Porém, não se pode confiar somente nopadrão de segurança de determinada tecnologiaem um cenário no qual a integração inserecomplexidade e, conseqüentemente, mais pontosque podem resultar em incidentes de segurança.No caso do Wi-Fi, houve uma evolução dosprotocolos de segurança que eliminou asvulnerabilidades antes existentes, porémincidentes de segurança ainda acontecem emdecorrência de falhas na implantação dassoluções como um todo, incluindo as falhas nasconfigurações de segurança do próprio protocoloe a falta de segurança no nível de rede e deaplicação.A abordagem de implantação de projetos WiMAXseguros, tratada na Seção 4 deste artigo,



Implantação de projetos WiMAX com segurança

possibilita que toda a solução WiMAX sejasegura, de modo a tratar a falsa sensação desegurança, que é induzida pelo uso necessáriodos mecanismos de segurança já existentes noWiMAX. Embora seja comum em comunicações sem fio,a escuta clandestina é um dos principaisproblemas que comprometem aconfidencialidade das organizações e aprivacidade dos usuários. Em decorrência darelativa facilidade em capturar o tráfego em redes

sem fio, mecanismos baseados na criptografiaque cifram o tráfego devem ser utilizados nessetipo de comunicação.A maior necessidade de segurança inerente aoWiMAX está na autenticação entre as estações-base (BS – Base Station) e as estações-cliente(SS – Subscriber Station ou MS – MobileStation), que ocorre em diferentes arquiteturas etopologias, como as que podem ser observadasna Figura 2. São nessas associações entre SS eBS que residem os maiores riscos, uma vez que

Figura 1 Cenários de utilização de WiMAX

WiMAX Fixo SS

WiMAX Fixo SS

WiMAX Fixo SS

WiMAX Fixo SS

WiMAX BS

WiMAX BS

WiMAX BS

WiMAX Fixo SS

Point-to-Multpoint

Ethernet PC

Wi-Fi Móvel

WiMAX Móvel

Point-to-Point Backhaul

Mesh

Mesh

Aplicação Indoor

WiMAX Fixo SSWi-Fi Hotspot

Figura 2 Arquiteturas e topologias WiMAX



as BS podem ser falsificadas, atraindo usuárioslegítimos que podem ter informaçõesconfidenciais roubadas, ou as BS legítimaspodem ser alvos de ataques que comprometamtodo o serviço implantado com WiMAX. Asnecessidades de segurança tornam-se aindamaiores em um cenário de mobilidade, como oespecificado pelo IEEE 802.16e, fruto de umajanela maior de oportunidades de ataquesoriundas da própria natureza das necessidadesde mudança constantes das conexões e deidentificação e autenticação mútua entre os nós(OLEXA, 2004). Outro fator que demonstra a importância dasegurança, além das necessidades de proteçãodo canal de comunicação WiMAX e daprivacidade dos usuários, é a própriadisponibilidade da solução. Assim como ataquesde negação de serviço comprometem adisponibilidade dos serviços de empresas naInternet, esse risco persiste nas soluções WiMAXe é agravado ainda mais pela sua natureza defuncionamento baseado nas camadas física e deenlace da rede que possibilita o uso de técnicasque são discutidas na Seção 2. Com isso, aimplantação de um projeto de WiMAX seguro,proposta neste artigo, possibilita que a soluçãofuncione de acordo com os seus objetivos, semos percalços que atingem a privacidade e aprodutividade dos usuários, a imagem, ofaturamento e a missão das organizações.É necessário tratar, de uma forma integrada econsistente com as necessidades particulares decada organização, os níveis customizados deconfidencialidade, integridade e disponibilidade,como pode ser visto na Figura 3.

Confidencialidade

IntegridadeDisponibilidade

Figura 3 Propriedades de segurança

2 Riscos em WiMAX

Os riscos em WiMAX existem nos diferentesníveis de funcionamento da tecnologia, desde acamada física até a camada de enlace(BARBEAU, 2005; HASAN, 2006; JAQUES,2006; SANDERS, 2007; WRIGHT, 2006). O riscomais comum em redes sem fio é a interceptaçãoda comunicação com o uso de um receptor desinal de radiofreqüência. Um projeto WiMAX,porém, não deve restringir as avaliações desegurança somente a esses níveis próprios datecnologia, pois é na integração entre diferentestecnologias, que ocorre nos projetos WiMAX, quenovos riscos são introduzidos e os incidentes de

segurança podem ocorrer.Os riscos mais tradicionais, que sãoprimeiramente percebidos no caso de umincidente, são aqueles que comprometem adisponibilidade da solução WiMAX. Essacategoria de ataques é a de negação de serviços(DoS – Denial of Service) (BOOM, 2004;SANSUROOAH, 2006). Um dos principais riscosde negação de serviços que comprometem adisponibilidade WiMAX é aquele que afeta acamada física. O jamming é uma das formas deataque que visa à interrupção da conectividade e,muitas vezes, é causado por interferências queoriginam, em seu menor nível, a degradação dodesempenho. As interferências acidentais sãomais difíceis de ocorrer em bandas licenciadas,como o WiMAX, mas existe a possibilidade deinterferência entre antenas WiMAX que podemestar com problemas como vazamento de sinal.Apesar de possuir um grau de complexidademaior do que o jamming, outro ataque que podeocorrer na camada física é o embaralhamento(scrambling). Nesse ataque, o atacante capturaquadros ou partes de quadros de downlink euplink, manipulando informações degerenciamento e causando distúrbios naoperação normal da rede. Ocorre o envio deruídos em intervalos predeterminados, tirandoproveito do modo de funcionamento do TDD(Time Division Duplexing) utilizado pelo WiMAX.No ataque water torture, o atacante visa àdrenagem da bateria do equipamento, enviandouma série de quadros. Outro método possível deataque de negação de serviço é aquele no qual oatacante explora o próprio protocolo desegurança do WiMAX, enviando pacotesespecialmente criados para forçar oprocessamento na estação-base. Um exemplo éo envio de múltiplos pedidos de autenticação deestações-cliente diferentes e falsos, o quedemanda alto nível de processamento, queaumenta à medida que o protocolo deautenticação utilizado se torna mais complexo.Isso ocorre porque a criptografia resulta em altograu de processamento para os cálculosnecessários.As associações e a autenticação de estações-cliente e estações-base constituem outracategoria de riscos em WiMAX que representauma vasta gama de possibilidades de ataquesque afetam a confidencialidade e integridade dasinformações das organizações e a privacidadedos usuários. Além disso, esses ataques podemlevar ao roubo de serviços WiMAX econseqüentes degradações de desempenho eperdas de receita para provedores de serviços.Funcionando na camada de enlace, o métodomais comum de autenticação de clientes é o depermitir que somente endereços MACautorizados possam estabelecer a conectividadena rede WiMAX. Porém, esse método éfacilmente burlado pelos atacantes, que



encontram formas alternativas para procedercom o ataque. Dependendo do protocolo de autenticação e daintenção do atacante, variados tipos de ataquessão possíveis no WiMAX. No ataque replay, oatacante age interceptando pacotes da sessãode autenticação de um usuário e os reutiliza parasua própria autenticação. Já no ataque man-in-the-middle, o atacante se coloca no meio dacomunicação entre a estação-cliente e aestação-base, manipulando todo o tráfego entreeles. Esses são ataques clássicos, que podemser facilmente mitigados com o uso adequado demétodos de gerenciamento de sessão, no casode ataque replay, e com o uso de autenticaçãomútua, no caso do ataque man-in-the-middle.Este pode causar maiores impactos àsorganizações e aos usuários porque oferece umagrande variedade de acessos e possibilita amanipulação de todo o tráfego WiMAX.Outro ataque possível contra o sistema deautenticação é o ataque de reflexão, que explorasistemas que usam o mesmo protocolo deautenticação desafio-resposta em ambas asdireções. Nesse ataque, o atacante solicita aautenticação, recebe um desafio e envia omesmo desafio para o próprio alvo. A respostado alvo é então reutilizada como resposta dodesafio feito ao atacante, que pode obter assim aautenticação. Já o ataque de sessões paralelasproduz resultados similares com a exploração deinterceptações e mensagens falsificadas. O roubo de identidade pode também ser feitocom a simples substituição do endereço de umequipamento pelo endereço de outroequipamento. Esse endereço pode ser facilmenteobtido com a interceptação de mensagens degerenciamento, e também com o uso de uma

estação-base falsa (rogue BS).O uso de rogue BS (Figura 4) é um dos maioresriscos existentes em WiMAX, pois permite que oatacante personifique uma BS legítima, podendoobter qualquer informação das estações-clienteque se associarem a ela. A dificuldade dosusuários está no fato de não ser possível saber,em condições normais, se as trocas demensagens de autenticação estão sendo feitascom a estação-base correta, pela falta deautenticação da própria estação-base. Alémdisso, uma rogue BS pode enviar quaisquermensagens que simulem qualquer BS legítima. Os riscos em WiMAX ganham complexidadecom as redes mesh e a mobilidade queincorporam novas ameaças relacionadas ao nívelde confiabilidade dos nós da rede. As novaspossibilidades de ataque que exploram essesrelacionamentos de confiança forçam a adoçãode novos mecanismos de segurança peloWiMAX. Um dos maiores riscos em WiMAX está na falsasensação de segurança, que provém do uso dosmecanismos de criptografia existentes noWiMAX. Por acreditar que esses mecanismossão totalmente seguros, as vulnerabilidades,como o uso de rogue BS e as que possibilitamataques man-in-the-middle, são muitas vezesnegligenciadas. Mais do que isso, muitos ataquesocorrem nas camadas superiores da redeWiMAX, que incluem as camadas de rede e deaplicação. Isso faz com que projetos WiMAXsofram com incidentes de segurança mesmo quea tecnologia em si seja bem adotada sob o pontode vista da segurança, uma vez que atacantesexplorarão vulnerabilidades na rede e nasaplicações da solução.

Rogue BS

SSSS

SS

SS

SSSS

BS

BS

Figura 4 Estação-base falsa (rogue BS)



Outro risco associado à falsa sensação desegurança está no fato de que poucos incidentesde segurança com WiMAX são reportados. Issopode dar a falsa sensação de que os projetosfuncionam a contento. Porém, a realidade é que,em decorrência do estágio incipiente de adoçãoda tecnologia, os incidentes irão aumentar emnúmero e grau, conforme a importância e amotivação dos atacantes. Isso reforça aimportância da implantação de projetos WiMAXcom segurança, a fim de preservar osinvestimentos iniciais do projeto, incluindo aimagem das organizações e a confiança dosusuários.

3 Mecanismos de segurança em WiMAX

Os mecanismos de segurança estãoconcentrados na camada de enlace (MAC) doWiMAX, que consiste em três subcamadas: MACCS (Convergence Sublayer), MAC CPS(Common Part Sublayer) e MAC PS (PrivacySublayer). A subcamada MAC CS é específicade cada serviço e pode ser utilizada para redes eserviços ATM ou para serviços de pacotes dedados (Ethernet, PPP, IP, VLAN) (JOHNSTON,2004; JOHNSTON; WALKER, 2004).A subcamada MAC CPS define os métodos parafunções do WiMAX, como o gerenciamento dasconexões, a distribuição de banda, asrequisições e permissões, os procedimentos deacesso e o controle de conexão. A comunicaçãoentre a MAC CS e a MAC CPS é mantida pela

MAC SAP (Service Access Point), que possuifunções de criação, modificação, remoção deconexões e transporte de dados no canal.A subcamada de privacidade (MAC PS) éresponsável pelo uso da criptografia nos dados,atuando entre a camada de enlace e a camadafísica, além de possuir todas as funções desegurança do WiMAX. O controle de acesso e acriptografia do canal são realizados pela MACPS.Atuando na MAC PS, o protocolo degerenciamento de chaves PKM (Privacy KeyManagement) utilizado no WiMAX possibilita aautenticação e o estabelecimento de chaves paraa cifragem do canal de tráfego.Um dos métodos de autenticação é baseado noRSA1. Cada estação-cliente deve possuir umcertificado digital X.509 de identificação,composto pela chave pública e pelo endereçoMAC (Media Access Control), que fazem comque o uso de certificados digitais paraautenticação seja mais seguro do que o uso desenhas ou tokens. Certificados digitais nãopodem ser falsificados, e, ao contrário desenhas, não há possibilidade de adivinhação ouquebra com força bruta. Porém, a falácia está emacreditar somente nessa comparação edesconsiderar mecanismos de proteção docertificado que, se roubado, deixa de ser eficazdevido ao uso como método de identificação eautenticação.O funcionamento do PKM, baseado no RSA,pode ser visto na Figura 5.

Estação-base Autenticação e registro Estação-cliente

Transporte de dados

Assimétrica

Simétrica

Certificado do fabricante

Aprovação BS

X.509 (Chave pública + MAC)

Chave de autorização cifrada pela chave pública do cliente

EKEK [TEK]

ETEK [Mensagem SS]

ETEK [Mensagem BS]


Transporte de dados

Assimétrica

Simétrica


Aprovação BS



EKEK [TEK]

ETEK [Mensagem SS]

ETEK [Mensagem BS]


Transporte de dados

Assimétrica

Simétrica


Aprovação BS



EKEK [TEK]

ETEK [Mensagem SS]

ETEK [Mensagem BS]

Figura 5 PKM do WiMAX

1 Algoritmo de criptografia de dados, que deve o seu nome a três professores do Instituto MIT: Ron Rivest, Adi Shamir e LenAdleman



Na Figura 5, é possível verificar que aautorização de uma estação-cliente (SS) àestação-base (BS) ocorre com a troca demensagens que envolvem, por sua vez, a trocade chaves entre as estações. A autorização deuso do canal WiMAX é resultado posterior aoprocesso de identificação e autenticação da SSpela BS. A primeira mensagem é enviada daestação-cliente para a estação-base, que forneceo certificado do fabricante de seu dispositivo.Essa mensagem é ignorada, caso a política desegurança da estação-base permita somente oacesso a dispositivos previamente conhecidos. Após a aprovação da BS, a estação-clientefornece seu certificado X.509, revelando suasinformações, a identidade e a chave pública noprocesso de identificação. Caso a estação-clienteseja autenticada, logo em seguida ocorre aautorização com a estação-base, que envia achave de autorização (AK – Authorization Key)cifrada com a chave pública do cliente (usandoRSA) e o seu tempo de vida. Essa chave deautorização é decifrada então pela estação-cliente a partir do uso de sua chave privada. A chave de autorização desempenha um papelimportante no WiMAX, ao ser a responsável peladerivação das chaves de cifragem do canal detroca (KEK – Key Encryption Key) das demaischaves utilizadas na comunicação WiMAX. A SSe a BS, desde que conheçam a chave deautorização, podem derivar as mesmas KEKs,possibilitando a formação de um canal seguro decomunicação entre a SS e a BS. Uma vezderivadas, as KEKs são utilizadas pelo PKM paraestabelecer um canal seguro para a troca dechaves. Esse canal, por sua vez, será utilizadopara a troca das chaves do tráfego WiMAXpropriamente dito, conhecidas como TEKs(Traffic Encryption Keys).Apesar de o WiMAX incorporar um protocolo degerenciamento de chaves em seu mecanismo deautenticação, não é possível realizar aautenticação mútua na versão IEEE802.16-2004. Somente a estação-cliente podeser autenticada, enquanto as estações-base e osprovedores de serviços não devem serautenticados. Isso torna as redes WiMAXsusceptíveis a ataques man-in-the-middle, nosquais um atacante se posiciona entre os clientese as estações-base, o que possibilitamanipulações totais de todo o tráfego, atingindodessa forma, a confidencialidade e a integridadeda comunicação. Essa vulnerabilidade possibilitatambém a atuação das estações-base falsas, asrogue BS.Para minimizar esse problema, o IEEE 802.16eoferece suporte opcional ao EAP (ExtensibleAuthentication Protocol), que é um framework deautenticação adotado também pelo IEEE 802.11i.O EAP negocia e define mecanismos deautenticação que são selecionados de acordocom os requisitos de segurança existentes.

Alguns métodos fazem uso de certificadosdigitais e de autenticação mútua, tanto dasestações-base quanto das estações-cliente. Osmétodos EAP previstos são o EAP-AKA(Authentication and Key Agreement) paraautenticação baseada no SIM (Subscriber IdentityModule), o EAP-TLS (Transport Layer Security)para autenticação baseada no X.509 e o EAP-TTLS (Tunneled TLS) para autenticação baseadano MS-CHAPv2 (Microsoft-Challenge HandshakeAuthentication Protocol). As vantagens edesvantagens dos métodos podem serencontradas em Nakamura e Geus (2007).Quanto à confidencialidade, o WiMAX suporta oDES (Data Encryption Standard) e o AES(Advanced Encryption Standard). Oprocessamento pode ser feito com o uso deprocessamento dedicado nas estações-base oucom o uso de servidores de autenticação.

4 Implantação de projetos WiMAX seguros

Projetos WiMAX seguros vão além do uso dosmecanismos de segurança existentes no padrão.A abordagem proposta neste artigo busca amelhor relação entre as necessidades defuncionalidade e as necessidades de segurança,a fim de otimizar o uso dos recursos existentes,sem desperdícios ou exageros. Além disso, essaabordagem partiu da premissa de que asegurança deve também considerar toda aintegração existente no projeto, já que incidentespodem ocorrer em quaisquer pontos de uma redeWiMAX. Dessa forma, projetos WiMAX segurospodem ser implementados com a adoção daabordagem proposta, com a segurança sendoaplicada tanto nos terminais dos usuários quantoem toda a rede do ambiente em geral. A abordagem de implantação de projetos WiMAXseguros foi baseada nessa visão integrada dosprincipais riscos existentes, na busca por umamelhor relação entre funcionalidades esegurança a fim de equilibrar os mecanismos desegurança em todos os pontos necessários,evitando, dessa forma, o elo mais fraco de umprojeto WiMAX. Assim, essa abordagem sediferencia por não se basear somente emconfigurações que já existem em produtosWiMAX, mas também em todas as reaisnecessidades de segurança em WiMAX. Essaabordagem, conforme Figura 6, é composta por:• Análise de risco WiMAX: identifica e analisa

ativos, ameaças, vulnerabilidades e controlesexistentes, calculando as probabilidades deocorrência e os impactos decorrentes deincidentes de segurança. Com a análise derisco é possível obter uma visão sistêmica doprojeto WiMAX, com o entendimento dosriscos existentes, a fim de se tomar decisõesquanto aos melhores mecanismos desegurança necessários para cada projetoespecífico, como a necessidade justificada de



criptografia mais forte ou de autenticaçãomútua. São utilizadas técnicas comoavaliações técnicas de segurança que utilizamferramentas próprias, incluindo analisador deespectros WiMAX, para, em conjunto comoutras ferramentas de segurança, realizar aavaliação de vulnerabilidades discutidas nesteartigo.

• Planejamento e design: definem o projetoWiMAX seguro de acordo com os requisitosde funcionalidades, desempenho e segurançanecessários, com a definição dosequipamentos e das configurações desegurança mais adequados para aorganização. Utilizam os resultados da análisede risco WiMAX e levam em consideraçãoaspectos como a capacidade deprocessamento, que é maior no caso de usode parâmetros mais fortes do protocolo desegurança e que sofre influência do númerode usuários. Definem toda a arquitetura, comcriação de DMZs (DeMilitarized Zones),imprescindíveis para a segurança dosserviços. Além disso, definem o uso demecanismos de segurança como firewallsbaseados em estados, VPNs, sistemas dedetecção de intrusão (IDS – IntrusionDetection Systems), sistemas de prevençãode intrusão (IPS – Intrusion PreventionSystems), sistemas antivírus e antimalware,filtros anti-spam, monitoramento ativo e outrosmecanismos necessários. Consideramtambém os mecanismos de autenticaçãoWiMAX de clientes em roaming que possuemum grau de complexidade diferenciado emtermos de segurança.

• Implementação de solução WiMAX seguro:implementação do projeto WiMAX seguro,desenvolvido de acordo com os requisitosespecíficos da organização, que sãoresultantes do planejamento e designdesenvolvidos com base na análise de riscoWiMAX. Esses requisitos específicos

possibilitam que o projeto reúna asfuncionalidades específicas e necessáriaspara cada organização, o que resulta emotimização de recursos.

• Política de segurança: define os direitos eresponsabilidades de todos os envolvidoscom o uso, a administração, o suporte e ogerenciamento da solução WiMAX e toda ainformação que é transmitida, processada ougerada. Uma política de segurança bemdefinida permitirá que a solução WiMAXfuncione de forma adequada, trazendo umasérie de benefícios como: a ausência deilegalidade no uso de recursos, a diminuiçãoda possibilidade de erros em configuraçõesde ativos da solução gerados pelosadministradores de sistemas, e uma atuaçãogerencial voltada à confidencialidade,integridade e disponibilidade de toda asolução.

• Gerenciamento e monitoramento deoperações: o bom funcionamento da soluçãoWiMAX só é alcançado após aimplementação correta do projeto, que éplanejado de acordo com os requisitos dedesempenho, funcionalidades e segurançaespecíficos da organização. A continuidadedas operações, porém, só pode ser obtidacom o monitoramento e o gerenciamento dasolução WiMAX. O aumento da capacidade edo número de usuários, a implementação denovos serviços e as novas ameaçasemergentes devem ser analisadosconstantemente a fim de garantir a evoluçãoda solução.

Com relação às vulnerabilidades específicas doWiMAX, é preciso considerar, de acordo com asreais necessidades, o uso de mecanismos como:• autenticação mútua, tanto das estações-

cliente como das estações-base;• criptografia forte no canal de dados;• autenticação de dados;• mecanismo contra ataques replay.

Análise de risco

Implementação de solução WiMAX

seguro

Política de segurança

Planejamento e design

Gerenciamento e monitoramento de operações

Análise de risco

Implementação de solução WiMAX

seguro


Planejamento e design

Gerenciamento e monitoramento de operações

Figura 6 Abordagem de implantação de projetos WiMAX com segurança



O gerenciamento e o monitoramento deoperações desempenham um papel importanteao oferecer as condições de funcionamento dasolução, incluindo o suporte aos usuários e ogerenciamento das identidades dos usuários. Arevogação de certificados digitais, a revisão depolíticas de firewalls e a atualização de políticasde segurança perante novas ameaças tambémdevem ser feitas constantemente.Além disso, por ser uma WMAN (WirelessMetropolitan Area Network), é importanteentender que sua rede é composta por sub-redese terminais conectados, nos quais cada pontodeve ser responsável por sua própria segurança.Isso faz com que os serviços providos em cadaponto apresentem suas próprias características evulnerabilidades, sendo necessário, portanto,incluí-los nas análises e implementações desegurança. Alguns riscos comuns podem ser evitados oumitigados, adotando-se a implementação de umarede WiMAX de acordo com itens como os quepodem ser vistos na Figura 7.Para que o WiMAX seja utilizado com segurança,é preciso que políticas, processos,procedimentos, estrutura organizacional esistemas de software sejam executados, revistose atualizados periodicamente. Além disso, aconscientização, a instrução e o treinamento dosusuários são fundamentais para uma boaimplementação na segurança.

ConclusãoA segurança é um dos fatores-chave para osucesso da adoção de novas tecnologias. Épreciso conhecer os riscos e os mecanismos desegurança existentes para o tratamentoadequado desses riscos, de acordo com asnecessidades de cada organização. Incidentesde segurança acontecerão e serão maisfreqüentes à medida que a adoção de WiMAXaumente, mesmo que novos mecanismos desegurança surjam para complementar os jáexistentes. Isso ocorre em decorrência da

indispensável integração entre diferentestecnologias, que inserem novas vulnerabilidadesna solução como um todo. Outro fator é amotivação dos atacantes, que aumenta à medidaque aumenta a adoção de novas tecnologias, oque as torna alvos mais atraentes.O WiMAX veio para consolidar o conceito deWMAN (Wireless Metropolitan Area Network),trazendo a solução de uma conexão banda largaà última milha, superando as limitações físicas epossibilitando acesso rápido a locais antesinacessíveis, como fazendas, subúrbios e locaissem infra-estrutura de rede. O acesso sem fio jáé uma realidade para um grande conjunto deempresas e instituições, oferecendo uma sériede vantagens, tais como o acesso rápido e amobilidade. Porém, é interessante ressaltar queessa nova tecnologia apresenta riscos quedevem ser conhecidos e tratados com o uso depolíticas, procedimentos e outros controles desegurança que complementem os mecanismosjá existentes em WiMAX, que por sua vez,devem ser configurados adequadamente.É necessário adotar uma abordagem para aimplantação de projetos WiMAX seguros queconsidere os requisitos de desempenho,funcionalidades e segurança, de modo que osobjetivos das organizações sejam alcançadossem que a confidencialidade, a integridade e adisponibilidade das informações e da soluçãoWiMAX sejam comprometidas. Este artigo discutiu os principais riscos existentesem uma solução WiMAX, propondo umaabordagem para uma implantação segura, quecontempla a análise de risco, o planejamento e odesign, a implementação, a política desegurança, o gerenciamento e o monitoramentodas operações. Com isso, é possível adequartodas as necessidades particulares daorganização, com mecanismos maisapropriados, possibilitando a evolução constanteda solução em termos de aumento dacapacidade, atendimento de novos usuários epreparação contra novas ameaças emergentes.

Ambiente(interferências e perda de

sinal)

Padrão utilizado

Variedade dos dispositivos

Arquitetura Metodologia Implementação

Análise de risco


Investimentos em segurança

Configuração de BS

Firewall

Atualização de software

Antivírus

Anti-Spyware

CriptografiaAmbiente

(interferências e perda de sinal)

Padrão utilizado

Variedade dos dispositivos

Arquitetura Metodologia Implementação

Análise de risco


Investimentos em segurança

Configuração de BS

Firewall

Atualização de software

Antivírus

Anti-Spyware

Criptografia

Figura 7 Abordagem detalhada para segurança em WiMAX



Referências

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Abstract

The security aspect has a fundamental role in the deployment of WiMAX networks, to protect theconfidentiality and integrity of information of organizations, the privacy of users and availability of thesolutions. Technological decisions that provide and balance the needs of functionalities and security areone of the key factors for the successful deployment of WiMAX projects. This article discusses the needsand the main threats in WiMAX technology, giving a systemic approach to the deployment of WiMAXprojects with security, on the basis of potential needs in terms of information security and features.

Key words: Security. Encryption. Threats. Vulnerabilities. WiMAX.


Tecnologia de múltiplas antenas em sistemasWiMAX

Gustavo Fraidenraich*, Paulo Cardieri, Michel Daoud Yacoub

Este artigo apresenta uma revisão das principais técnicas de processamento de sinais que serãoutilizadas em sistemas de múltiplas antenas para o sistema de comunicação sem fio WiMAX. Sãodiscutidos os sistemas que empregam a codificação espaço-temporal, a multiplexação por divisão noespaço e os sistemas com antenas adaptativas. A noção dos ganhos de diversidade, ganho demultiplexação e ganho de arranjo é também introduzida.

Palavras-chave: Múltiplas antenas. WiMAX. MIMO. Codificação espaço-temporal. Codificação Alamouti.

IntroduçãoWiMAX (Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess) é uma tecnologia desenvolvida paratransmitir dados sem fio a longa distância,baseada na especificação IEEE 802.16, na qualas emendas IEEE 802.16-2004 e 802.16e-2005são pertinentes à camada física. A emenda IEEE802.16-2004 refere-se primariamente àtransmissão sem mobilidade, enquanto que aemenda IEEE 802.16e refere-se às transmissõessem e com mobilidade.No padrão IEEE 802.16e, especificam-sediversos métodos de multiplexação do sistemade comunicação. Por outro lado, a multiplexaçãodo tipo OFDMA (Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing Access) é reconhecidamente a maisrobusta às condições de propagação pormúltiplos percursos sem linha de visada, eoferece grande facilidade quando utilizada commúltiplas antenas. Quando comparado aosistema TDMA (Time Division Multiple Access), osistema OFDMA oferece um aumentoconsiderável na cobertura rádio (principalmenteno enlace reverso – conexão do móvel para aestação radiobase), já que a potência do sinalpode ser concentrada em poucas portadoras, oque aumenta a relação sinal-ruído. O aumentoda cobertura também é observado no enlacedireto (conexão da estação radiobase ao móvel),já que é possível alocar maiores níveis depotência aos usuários que estão mais distantesda estação radiobase.A eficiência espectral é um parâmetro crucial emsistemas de comunicação sem fio, visto que osrecursos de radiofreqüência são escassos e ademanda por maiores taxas de transmissão écrescente. Flutuações do sinal recebido emdecorrência de variações do canal depropagação impedem, no entanto, o uso demodulações mais eficientes no uso do espectro.Dessa maneira, técnicas adaptativas demodulação e codificação (AMC) (GOLDSMITH,2005) têm sido adotadas em diversos padrões desistemas de comunicação sem fio, incluindo oWiMAX. A idéia por trás da técnica AMC é a

adaptação dinâmica dos esquemas demodulação e de codificação, de acordo com aqualidade do canal recebido. Quando o canaloferece uma melhor qualidade de transmissão,utiliza-se uma modulação mais eficiente(GOLDSMITH, 2005).Outra forma de aumentar a eficiência espectral éaquela baseada na utilização de múltiplasantenas no transmissor e no receptor. Em geral,múltiplas antenas podem ser utilizadas paradiferentes propósitos, incluindo diversidadeespacial, cancelamento de interferência emultiplexação espacial para aumentar a taxa detransmissão. O uso de múltiplas antenas estáprevisto na especificação IEEE 802.16e-2005,em três esquemas diferentes: (i) codificaçãoespaço-temporal (STC – Space-Time Coding),proposta por Alamouti (1998), para proverdiversidade no transmissor; (ii) multiplexaçãoespacial (SMX – Spatial Multiplexing) dos sinais;e (iii) antenas adaptativas (AAS – AdaptiveAntennas System). Esses esquemas podem serutilizados nos enlaces direto e reverso.

1 Sistemas com múltiplas antenasNa sua forma mais geral, um sistema decomunicação com múltiplas antenas emprega Nantenas na transmissão e M antenas narecepção. Em teoria, todas as N antenastransmissoras podem se comunicar comqualquer uma das M antenas receptoras. Narealidade, todas as antenas se comunicam entresi simultaneamente. A Figura 1 ilustra de formaesquemática esse sistema.

Transmissor Receptor

YX

Canal

1

2

M

1

2

N

Transmissor Receptor

YX

Canal

1

2

M

1

2

N

Figura 1 Sistema de transmissão com múltiplas antenas



Tecnologia de múltiplas antenas em sistemas WiMAX

Com o aumento do número de antenastransmissoras e receptoras, busca-se o aumentoda capacidade de transmissão do sistema(maiores taxas) e uma melhor qualidade do sinalrecebido. Obviamente, esses benefícios vêmacompanhados de uma maior complexidade,tanto do transmissor quanto do receptor(WINTERS, 1984; TELATAR, 1995; FOSCHINI;GANS, 1998). O modelo do sistema de transmissão é descritona forma matricial por:

ZHXY += na qual o vetor X ( )1×N representa o sinaltransmitido, H ( )NM × é a matriz de canal, queestabelece a conexão entre o transmissor e oreceptor, Y ( )1×M é o vetor do sinal recebido e,por fim, Z ( )1×M é o vetor do ruído aditivo,cujos elementos seguem uma distribuiçãoGaussiana.Do esquema geral com múltiplas antenas notransmissor e múltiplas antenas no receptor(MIMO – Multiple Input Multiple Output), trêsoutros esquemas seguem: SISO (Single InputSingle Output), SIMO (Single Input MultipleOutput) e MISO (Multiple Input Single Output). Oesquema SISO corresponde ao caso em que oreceptor e o transmissor possuem apenas umaantena, enquanto nos esquemas MISO e SIMOapenas o transmissor ou o receptor utilizammúltiplas antenas. A Figura 2 ilustra os quatroesquemas possíveis usando múltiplas antenas. Aseguir, os esquemas SIMO, MISO e MIMO(aqueles que empregam de alguma formamúltiplas antenas) são discutidos.

1.1 Esquemas SIMO

No esquema SIMO, apenas um feixe de sinal étransmitido, sendo recebido em múltiplasantenas, o que permite o uso de alguma técnicade combinação de sinais recebidos.

TX RX SISO

TX RX MISO

TX RX SIMO

TX RX MIMO

TX RX SISO

TX RX MISO

TX RX SIMO

TX RX MIMOTXTX RX MIMO

Figura 2 Esquemas SISO, MISO, SIMO e MIMOO esquema SIMO mais comum é a combinação

por máxima razão (MRC – Maximal RatioCombining). A Figura 3 mostra um sistema detransmissão com esquema SIMO de uma antenatransmissora e duas antenas receptoras.

TX

RX 1y1

x

RX 2y2

h1

h2

TX

RX 1y1

RX 1y1

x

RX 2y2

h1

h2

Figura 3 Esquema de combinação por máxima razão

O sinal recebido em cada antena é descrito porxhy 11 = e xhy 22 = . Considerando que os

ganhos do canal sejam estimados no receptor,então os sinais recebidos 1y e 2y podem sercombinados de forma a obter y , dado por:

xhhyhyhy

+=+= 2

22

12*21

*1

que é o sinal transmitido x , multiplicado por umganho. Esse esquema apresenta um ganho dediversidade da ordem de dois, visto que o ganhoobtido é a soma de dois termos.

1.2 Esquemas MISO

Se considerarmos o enlace direto, o esquemaMISO apresenta certa vantagem em relação aoesquema SIMO, já que, em geral, por umaquestão de espaço físico, é mais fácil instalarmais antenas na estação radiobase do que nosterminais de usuário. A idéia pioneira dautilização de um esquema MISO se deve aAlamouti (1998). Em seu trabalho, Alamoutianalisou o caso 2x1 (ou seja, duas antenas natransmissão e uma na recepção), criando umanova área de pesquisa, denominada codificaçãoespaço-temporal. Posteriormente, seu trabalhofoi estendido para o caso geral NM ×(TAROKH; JAFARKHANI; CALDERBANK, 1999),mas apenas o caso 2x1 é ótimo. Alamoutimostrou que o desempenho de um sistema 2x1era 3 dB inferior ao de um sistema 1x2 comcombinação MRC.

1.3 Esquemas MIMO

Finalmente, combinando-se os esquemas SIMOe MISO, teremos então o esquema MIMO. Esteesquema oferece várias vantagens em relaçãoaos outros dois. Se o que se pretende é ganhoem diversidade, é possível utilizar a codificaçãoespaço-temporal no transmissor e a combinaçãopor máxima razão do lado do receptor. No casode um sistema 22× , teríamos um ganho dediversidade da ordem de quatro (ver Seção 2.1).Outra vantagem do esquema MIMO é, além doganho em diversidade, a possibilidade de ganho



de multiplexação. Esse ganho pode ser avaliadofazendo-se uma analogia com o sistema demultiplexação por divisão de freqüência (FDM),no qual é possível transmitir um feixe de dadosem cada banda de freqüência, de forma que seN feixes forem utilizados, tem-se no final Nvezes a taxa de transmissão básica. Nosesquemas MIMO, pode-se pensar em umsistema com N antenas no transmissor e

NM = antenas no receptor e, assim, idealizar ocanal como se não houvesse interferência entreos feixes. Ou seja, haveria N caminhosparalelos, livres de auto-interferência, criando-se,portanto, um sistema de transmissão comcapacidade N vezes maior do que aquele comantenas únicas na transmissão e na recepção.Esse tipo de multiplexação é denominadomultiplexação por divisão no espaço. É interessante observar que, quando todas asantenas são utilizadas para multiplexaçãoespacial, não há ganho de diversidade, visto quecada antena transmissora comunica-se com asua antena receptora correspondente e, portanto,não há combinação de sinais do lado doreceptor. Isso sugere a existência de umcompromisso entre o ganho de multiplexação e oganho de diversidade. Ou seja, se tivermos umalto ganho de diversidade, teremos um pequenoganho de multiplexação e vice-versa. Ocompromisso diversidade-multiplexação foiestudado por David Tse (2003; 2005). Emparticular, Tse mostrou que, para uma canal comdesvanecimento Rayleigh, o ganho dediversidade ótimo d está relacionado ao ganhode multiplexação r por ( )( )rMrNd −−= . AFigura 4 ilustra essa relação para um sistemacom 5=N antenas transmissoras e 5=Mantenas receptoras. O máximo ganho emdiversidade que se pode obter é de MN, queocorre com a utilização do esquema MRC noreceptor e com o uso de STC no transmissor.

0 1 2 3 4 50

5

10

15

20

25

Ganho de multiplexação r

Gan

ho d

e di

vers

idad

e d

Figura 4 Curva do ganho de multiplexação versusganho de diversidade: exemplo para N = M = 5

antenas

2 Esquema Alamouti – sistema STC

O esquema Alamouti é um esquema MISO quefoi concebido para operar com duas antenas notransmissor e uma antena no receptor. A Figura5 mostra esse sistema.

RXy

TX 2x2

h1

h2

TX 1x1

RXy

RXy

TX 2x2

h1

h2

TX 1x1

Figura 5 Esquema de Transmissão STC Alamouti

Considere que os sinais enviados pelas antenastransmissoras 1 e 2 sejam 1x e 2x ,respectivamente. Além disso, considere que oganho que o canal introduz entre a antenatransmissora 1 e a antena receptora seja 1h , eentre a antena transmissora 2 e a antenareceptora seja 2h . Portanto, o sinal recebido noinstante 1, denotado por [ ]1y , é dado por:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]11111 2211 hxhxy +=

Considere ainda que no primeiro instante ossímbolos transmitidos sejam [ ] 11 1 ux = e

[ ] 22 1 ux = , enquanto que no segundo instantetransmitem-se [ ] *

21 2 ux −= e [ ] *12 2 ux = . Para o

caso em que o canal não varia de um instantepara o outro, então [ ] [ ]21 111 hhh == e

[ ] [ ]21 222 hhh == . Ao final de dois períodos detransmissão, tem-se:

[ ][ ]

−

=

2

1*1

*2

21

21

uu

hhhh

yy

(1)

Supondo que o receptor tenha condições deestimar os valores 1h e 2h , pré-multiplicandoambos os lados da equação em (1) pela matriz

− 1*2

2*1

hhhh

tem-se:

[ ][ ]

+

+=

− 2

12

22

1

22

21

1*2

2*1

0

021

uu

hh

hhyy

hhhh

Ou seja, os símbolos transmitidos 1u e 2u são



recuperados, acrescidos pelo fator 22

21 hh + ,

que é o mesmo ganho obtido pelo combinador demáxima razão. No entanto, no esquema deAlamouti, é necessário que a mesma informaçãoseja enviada para se alcançar o mesmo ganho.Daí a diferença de 3 dB já citada.

2.1 Esquema Alamouti com duas antenas noreceptor – sistema STC

Neste esquema, temos um esquema MIMO queexplora apenas o ganho em diversidade. Nestecaso, o esquema Alamouti é utilizado notransmissor, tendo-se, assim, dois sinaisrecebidos 1y e 2y , dados no primeiro instantepor:

[ ][ ] 2221212

2121111

11

uhuhyuhuhy

+=

+=

Da mesma forma, para o segundo instante tem-se:

[ ][ ] *

122*2212

*112

*2111

2

2

uhuhy

uhuhy

−=

−=

Supondo que os ganhos de canal 11h , 12h , 21h e22h sejam conhecidos no receptor, os sinais

transmitidos 1u e 2u podem ser recuperadosusando as expressões:

[ ] [ ] [ ] [ ]

12

222

212

122

11

*2222

*21

*1121

*111 2121~

uhhhh

yhyhyhyhu

+++=

−+−=

e

[ ] [ ] [ ] [ ]

22

222

212

122

11

*2212

*22

*1121

*122 2121~

uhhhh

yhyhyhyhu

+++=

−+−=

Portanto, neste caso, o ganho de diversidade éda ordem de quatro.

3 Ganho de arranjo

Até agora, discutiu-se apenas o ganho demultiplexação e ganho de diversidade. Há umterceiro tipo de ganho na utilização de múltiplasantenas, denominado ganho de arranjo. Esseganho ocorre apenas nos esquemas commúltiplas antenas no receptor, ou seja,esquemas SIMO e MIMO. O ganho de arranjosurge quando o sinal a ser tratado no receptor éresultado da soma dos sinais recebidos nas

diversas antenas de recepção. Note-se que nãohá ganho de arranjo em esquemas decombinação em que não há soma dos sinais dasantenas, como, por exemplo, no combinador porseleção (TSE; VISWANATH, 2005).

4 Conhecimento dos coeficientes do canal

O conhecimento dos coeficientes do canal(matriz H ) define como e qual esquema demúltiplas antenas poderá ser utilizado. Até agoravimos que, nos sistemas de combinação porrazão máxima e na codificação espaço-temporal,apenas o receptor tem conhecimento doscoeficientes do canal. Uma pergunta procedenteé: o que ocorreria se o transmissor tambémconhecesse os coeficientes do canal e qual seriao ganho resultante do uso desses coeficientes natransmissão? Essa questão foi abordada porTelatar (1995), que provou que se pode ter umganho na capacidade do canal quando se temem ambos os lados a informação sobre o canal.A estimativa dos coeficientes do canal pode sercalculada com base na comparação de umaseqüência de símbolos transmitidos e com arespectiva seqüência de símbolos recebidos. Emgeral, essa estimativa é feita no receptor. Noentanto, o receptor pode enviar ao transmissoros coeficientes estimados, de forma que ambosos lados do sistema tenham conhecimento docanal. Sistemas em que o receptor informa aotransmissor as suas estimativas dos coeficientesdo canal são denominados sistemas comrealimentação. Note-se, no entanto, que atransmissão dos coeficientes estimados do canalconsome recursos do sistema. Por exemplo,caso um número elevado de bits seja necessáriopara a representação e transmissão doscoeficientes com uma determinada precisão, talsistema pode se tornar inviável. Um grandeesforço de pesquisa tem sido dedicado aodesenvolvimento de sistemas com realimentaçãoque utilizem um número limitado de bits para atransmissão dos coeficientes estimados do canal.Essa limitação do número de bits certamenteacarreta uma diminuição no ganho obtido com oconhecimento do canal em ambos os lados dosistema de transmissão. O desafio é encontrarformas de minimizar essa perda (LOVE; HEATH;STROHMER, 2003). O sistema WiMAX prevê ouso de esquemas com e sem realimentação(respectivamente, closed loop e open loop). Aseguir, são discutidos os esquemas detransmissão com e sem conhecimento do canalpelo transmissor.

4.1 Conhecimento dos coeficientes do canalno transmissor e no receptor – sistemaSTX

Se os coeficientes do canal são conhecidos dolado do transmissor, a forma ótima de transmitir



é decompor o canal em eigenmodes (RALEIGH;CIOFFI, 1998). O sistema de eigenmodes utilizao conceito de autovetores e autovalores damatriz de canal para realizar essa operação.

Seja H a matriz de canal, supostamenteconhecida pelo transmissor. Essa matriz podeser decomposta na forma *SDVH = , em que Se V são matrizes unitárias cujas colunas sãoautovetores de *HH e HH* , respectivamente, ouseja, IVV* = e ISS* = , e D é uma matrizdiagonal contendo os valores singulares de H .Seja X o vetor de informação que o transmissordeseja enviar ao receptor. No entanto, como otransmissor conhece a matriz H , o vetorefetivamente transmitido é VXX'= . Portanto, ovetor recebido é:

SDXVXSDVHX'Y === *

Para a extração do vetor de informação X , oreceptor pré-multiplica Y por *S , ou seja,

DXSDXSYSY' === **

Relembrando que D é uma matriz diagonal, oselementos do vetor resultante 'Y são versõesdos elementos do vetor de informação X , seminterferência entre os elementos. A Figura 6mostra esse sistema de forma esquemática.

Figura 6 Sistema equivalente utilizandoeigenmodes

Uma questão importante sobre o uso demúltiplas antenas está relacionada ao nível depotência alocado a cada antena transmissora.Uma análise simples do problema levaria àestratégia de distribuir a potência disponível Pigualmente entre as N antenas transmissoras,resultando em uma potência NP por antena.No entanto, como mostrado por Telatar (1995), ométodo ótimo de distribuição da potência éaquele baseado na estratégia water filling,através da qual maiores níveis de potência sãoalocados a canais com maiores relações sinal-

ruído.

4.2 Conhecimento dos coeficientes do canalno receptor – sistema STM

Caso se tenha conhecimento dos coeficientes docanal apenas no receptor, a melhor forma de setransmitir, visando à maximização da taxa detransmissão, é através da codificação V-BLAST(WOLNIANSKI et al., 1998) combinada com adecodificação no receptor utilizando a técnicaMMSE (Minimum Mean Square Error) (TSE;VISWANATH, 2005). A arquitetura V-BLAST éutilizada para prover multiplexação espacial nosistema sem realimentação (ou seja, semconhecimento dos coeficientes do canal notransmissor). Nesse sistema, um único fluxo dedados é dividido em N subfluxos, chamadoscamadas, que são codificados separadamente etransmitidos simultaneamente pelas N antenastransmissoras. Os sinais recebidos pelas Mantenas receptoras são processados de forma aseparar os fluxos e recuperar os dados originais.

5 Sistemas com múltiplas antenas nosistema WiMAX

Até agora, foram descritas as principais técnicasde processamento em sistemas com múltiplasantenas encontradas na literatura. Nesta seção,serão apresentados os esquemas de múltiplasantenas contemplados no padrão IEEE 802.16e.Esse padrão define um número máximo dequatro antenas, tanto no transmissor como noreceptor, e também define três configuraçõesbásicas de taxa de transmissão-recepção:• matriz A – taxa básica;• matriz B – 2x a taxa básica;• matriz C – 4x a taxa básica.A Tabela 1 ilustra as possíveis configurações denúmero de antenas no transmissor (colunas), ecomo diferentes ganhos na taxa de transmissão(linhas) podem ser obtidos relativamente a umsistema básico com apenas uma antenatransmissora e uma antena receptora.

Tabela 1 Taxas de transmissão no sistema WiMAXQuatro antenas

TX

Duas antenas

TX

Uma antena

TX

Sem ganho

STC (Matriz A)

STC (Matriz A) Básica

Duas vezes STC e SMX(Matriz B)

SMX (Matriz B)

Não épossível

Quatro vezes SMX apenas(Matriz C)

Não é possível

Não épossível

A Tabela 2 mostra as possíveis combinaçõesentre multiplexação SMX e codificação espaço-



temporal STC para os mais variados arranjos deantenas no receptor (linhas) e no transmissor(colunas). Fica claro nessa tabela que, quandose deseja aumentar a taxa de transmissão, oesquema SMX deve ser selecionado. Caso sequeira uma melhor qualidade do sinal, mas comuma conseqüente redução da taxa detransmissão (Matriz A), o sistema STC deve serutilizado. Ambos os esquemas open loop e closeloop são possíveis. Como exemplo, no caso deduas antenas transmissoras e duas antenasreceptoras )22( × , dois métodos são possíveis:(1) pode-se usar o esquema de Alamouti (STC)na transmissão e o esquema de diversidadeMRC na recepção, alcançando-se, assim, umadiversidade da ordem de quatro e uma taxa detransmissão básica (Matriz A); (2) ou pode-seutilizar o esquema SMX e obter o dobro da taxabásica (Matriz B), sem, no entanto, qualquerganho de diversidade. A escolha do esquemamais adequado para um dado cenário dependerádas condições do canal e da taxa de transmissãorequerida.

Tabela 2 Possíveis esquemas de transmissão erecepção

Quatro antenas TX

Duas antenas TX

Uma antena TX

Uma antena

RX

STC (Matriz A)

STC (Matriz A) (Matriz A)

Duasantenas

RX

SMX (Matriz B)

STC + MRC(Matriz A)

SMX (Matriz B)

STC + MRC(Matriz A)

MRC(Matriz A)

Três antenas

RX

SMX (Matriz B)

STC + MRC(Matriz A)

SMX (Matriz B)

STC + MRC(Matriz A)

MRC(Matriz A)

Quatroantenas

RX

SMX apenas(Matriz C)

STC +MRC

(Matriz A)MRC

(Matriz A)

6 Antenas adaptativas

Um sistema de antenas adaptativas consiste emum arranjo de antenas com o respectivoprocessamento dos sinais (GODARA, 2004).Esse sistema pode operar na transmissão ou narecepção, seguindo o mesmo princípio defuncionamento. Tanto no caso de transmissãocomo no de recepção, o processamento consistebasicamente no ajuste da fase e da amplitudedos sinais das antenas. No caso de transmissãoapós os ajustes, os sinais são aplicados àsantenas do arranjo, ao passo que, no caso derecepção, os sinais recebidos nas antenas sãoajustados e, em seguida, somados.

O ajuste da fase e da amplitude dos sinais visa àconformação do padrão de irradiação resultantedo arranjo. Consideremos o caso da antenareceptora. Como as antenas dos arranjos estãolocalizadas em posições diferentes, os sinaisrecebidos pelas diversas antenas são iguais,exceto por diferenças de fase, causadas pelosdiversos comprimentos dos percursos desde afonte até cada uma das antenas. A soma dossinais é maximizada quando as defasagens entreeles são anuladas. O ajuste das fases dos sinaisrecebidos provoca a conformação do padrão deirradiação do arranjo. Através do ajusteapropriado das fases e das amplitudes é possívelformar feixes estreitos (e de alto ganho) em umadada direção ou nulos (ganhos reduzidos) emoutras. A Figura 7 ilustra um exemplo de diagrama deirradiação de um sistema empregando atecnologia AAS, com feixes estreitos e nulos parareduzir a interferência.

Terminais interferentes

Terminal desejado

Padrão de irradiação do arranjo

Terminais interferentes

Terminal desejado

Padrão de irradiação do arranjo

Figura 7 Sistema de antenas adaptativas

Feixes estreitos e de alto ganho podem serutilizados para expandir a cobertura de umaestação radiobase. Além disso, feixes estreitospodem contribuir para reduzir a interferênciaprovocada pela transmissão da estaçãoradiobase ou reduzir a interferência recebida naestação radiobase. Além disso, no caso deantena receptora, ganhos reduzidos podem serdirecionados às fontes de interferência,contribuindo para a redução da interferência. Aredução da interferência pode ser traduzida emum aumento na capacidade de tráfego dosistema.

7 Sistemas MIMO versus AAS

Na literatura, as denominações MIMO e AAS têmse tornado confusas. Alguns autores usam otermo MIMO para designar sistemas queempregam mais de uma antena, enquantooutros usam-no com referência a sistemas queapresentam ganho de multiplexação. Nota-se, noentanto, que há uma sobreposição dasvantagens do uso de múltiplas antenas. A Figura8 resume as formas de uso e ganho dossistemas MIMO e AAS.



Sistemas demúltiplas antenas

Eficiência espectral

AAS

MIMO MISO SIMO

Multiplexaçãoespacial

Codificaçãoespaço-temporal

Combinadorde razãomáxima

Melhora daqualidade do link

Cobertura(dB)

Redução deinterferência (dB)

MIMO

Ganho emdiversidade

Ganho emdiversidadee ganho dearrranjo

Figura 8 Classificação dos esquemas de múltiplas antenas

Conclusão

Neste artigo foi apresentada uma revisão dasprincipais técnicas de transmissão baseadas emmúltiplas antenas que poderão ser utilizadas nosistema WiMAX. Basicamente, essas técnicasdividem-se naquelas que apresentam ganho dediversidade (STC) e ganhos de multiplexação(SMX).As técnicas que apresentam ganhos dediversidade são utilizadas em cenários em queuma maior relação sinal-ruído é necessária (porexemplo, quando o usuário estiver distante daestação radiobase). Por outro lado, as técnicascom ganhos de multiplexação são apropriadasquando o usuário está próximo da estaçãoradiobase e deseja aumentar a taxa detransmissão. Foram discutidas também técnicasbaseadas no conhecimento do canal pelotransmissor e pelo receptor. A disponibilidade detal informação permite a implementação detécnicas que aumentam a taxa de transmissão.O artigo também discutiu as configuraçõespossíveis de antenas transmissoras e antenasreceptoras e seus respectivos ganhos nocontexto dos sistemas WiMAX. Por fim, foiapresentada uma análise comparativa entre osdiversos esquemas de múltiplas antenas.

Referências

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WOLNIANSKI, P. et al. V-BLAST: an architecturefor realizing very high data rates over the rich-scattering wireless channel. In: ISSSE 98, URSIINTERNATIONAL SYMPOSIUM, p. 295-300.1998.

Abstract

This paper presents an overview of signal processing techniques used for multiple antennas (MIMO) thatwill be employed in the next generation of broadband wireless systems (WiMAX). Space time encoding,space division multiplexing and adaptive antenna systems are presented. Concepts of diversity gain,multiplexing gain and array gain are also introduced.

Key words: Multiple antennas. WiMAX. MIMO. Space time encoding. Alamouti encoding.


Utilização de redes WiMAX como suporte aoServiço de Apoio ao Professor em Sala de Aula –

SAPSAMaria Salete Sartorio Loural*, Hugo Cesar Crohare Lavalle, Dagberto de Proença Magalhães,

Vicente De Angelis Junior

Este trabalho apresenta um estudo de caso para o Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula, oSAPSA, serviço concebido originalmente para a TV digital transmitida por radiodifusão, na rede WiMAXinstalada em Hortolândia. A instalação do SAPSA na solução integrada da rede sem fio baseada natecnologia WiMAX suporta as funcionalidades originais do serviço e é utilizada pelos professores,administradores e gestores de ensino de Hortolândia para aumentar o interesse dos alunos, assim comopara validar o serviço e identificar novas funcionalidades que possam ser úteis para a aplicação emHortolândia e para quando o serviço for disponibilizado para TV aberta.

Palavras-chave: Redes WiMAX. TV Digital na Educação. Inclusão social. TV Digital interativa.

IntroduçãoA proximidade do lançamento da TV digitaltransmitida por radiodifusão pelos canais abertospara todo o Brasil abriu os horizontes dapesquisa em diversas áreas do conhecimento, daengenharia de telecomunicações aos serviçosinterativos via controle remoto de TV. Embora osserviços digitais já estejam disponíveis emalgumas localidades graças às redes de TV porassinatura ou outras redes de alcance e usorestritos, como redes WiMAX, o público de TVdigital é limitado pela localidade ou pelo poderaquisitivo da população, restringindo assim osserviços oferecidos. Dentro do projeto SBTVD (Sistema Brasileiro deTV Digital) , financiado pelo FUNTTEL (Fundopara o Desenvolvimento Tecnológico dasTelecomunicações), entre outros trabalhos, oCPqD concebeu alguns serviços interativos eimplementou aplicações como prova de conceitopara esses serviços, com a finalidade de seremdisponibilizados para o grande público que hojeutiliza a TV aberta. Um desses serviços é oSAPSA (Serviço de Apoio ao Professor em Salade Aula), que é uma ferramenta para o professorilustrar sua aula com vídeos de curta duraçãorelacionados ao assunto tratado na aula corrente,com o objetivo de melhorar o aprendizado dosalunos. Até o momento, a falta de acesso àespecificação final e à implementação domiddleware brasileiro para TV digital aberta(ABNT, 2007), bem como o início recente de suaoperação, apenas para a cidade de São Paulo,impedem o teste de campo do SAPSA nessatecnologia. Para tornar possíveis esses testes,ainda que em outros tipos de rede, o CPqDestabeleceu um convênio com a prefeitura deHortolândia, que instalou, em meados de 2007,

uma rede WiMAX para oferecer serviços públicosà cidade.Hortolândia é uma cidade próxima de Campinase se encontra em uma região que despontacomo pólo empresarial, reunindo empresas comoIBM, Dell, Bosch, além do centro de tecnologiaTech Town. A prefeitura de Hortolândia instalouuma rede WiMAX, através da qual divulgaserviços de saúde e demais serviços daprefeitura e conecta as escolas à Internet. Umaparte da banda dessa rede é destinada aoSAPSA. O convênio de cooperação mútua entreo CPqD e a Prefeitura Municipal de Hortolândiaestá possibilitando ao CPqD realizar testes dasfuncionalidades concebidas para o SAPSA narede pública escolar dessa cidade, gerenciadapela Secretaria de Educação. Em contrapartida,permite aos professores da rede pública escolarde Hortolândia ilustrar suas aulas com conteúdosdidáticos multimídia, muitos deles gerados emcaráter experimental pelo CPqD, juntamente comprofessores universitários especializados emensino.Este trabalho está estruturado da seguinte forma:a Seção 1 apresenta uma descrição de redesWiMAX de forma geral; a Seção 2 descreve arede WiMAX de Hortolândia; a Seção 3 forneceuma descrição geral do produto e odetalhamento do ciclo de vida do softwareconstruído para implementar o serviço; a Seção4 descreve os testes de campo. E por último sãoapresentadas as principais conclusões dotrabalho realizado.

1 Redes WiMAX

As redes WiMAX são estabelecidas com base nopadrão IEEE 802.16 (IEEE, 2001), que define atransmissão de banda larga sem fio em redesmetropolitanas.



Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula – SAPSA

A tecnologia WiMAX vem se tornandofundamental e necessária como meio detransmissão para redes em banda larga e,conseqüentemente, para a universalização deacesso à Internet no Brasil. Para tal finalidade, oWiMAX apresenta boas características, taiscomo longo alcance do sinal, elevada capacidadede taxas de transporte de dados e baixo custo deimplantação da rede. Por isso, evidencia-secomo a principal alternativa para conectar asregiões distantes dos grandes centros que, atéentão, não possuem serviços de Internet bandalarga ou mesmo serviços básicos como o serviçode voz.O WiMAX possui características diferenciadasdas outras tecnologias de rede de transmissãode banda larga sem fio, permitindo a oferta deserviços em uma rede convergente, o queproporciona a criação de novos serviços de valoragregado para os operadores.

1.1 ModulaçãoA tecnologia WiMAX utiliza quatro padrões demodulação: SC (Single Carrier), que apresentaportadora única operando em altas freqüências,com faixa de 10 a 66 GHz; SCa (Single Carriera), cuja diferença para a SC está na viabilidadede transmissão fora da linha de visada e faixa deoperação abaixo de 11 GHz; OFDM (OrthogonalFrequency Division Multiplexing), que permite atransmissão fora de linha de visada, operandoem freqüências abaixo de 11 GHz com FFT (FastFourier Transform) de 256 portadoras; OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access),que é baseada na modulação OFDM e opera nafaixa de freqüência abaixo de 11 GHz, mas utilizaFFT de 2.048 e 4.096 portadoras. As técnicas de modulação apresentam robusteze alcance diferenciados, com raio de operaçãoque varia de 6 a 50 km. Entretanto, uma maiorrobustez no sinal implica a redução da taxalíquida de transferência de dados. Os valorestípicos de taxa podem variar entre 1 e 75 Mbit/s eimplicam também uma largura de bandaproporcional.

1.2 SegurançaO padrão 802.16, base da tecnologia WiMAX,especifica uma subcamada de segurança cujosobjetivos principais são: manter a privacidadedas estações-cliente e a proteção das estações-base para acessos não autorizados, através dechaves de criptografia e certificação digital. Isso érealizado a partir de técnicas de associações desegurança (AS), gerenciamento privado dechaves (PKM), chaves de criptografia de tráfego(TEK), criptografia DES e criptografia AES.

1.3 Qualidade de sinalEm algumas aplicações, a garantia de taxa

mínima continuada é de extrema relevância. Emtais circunstâncias, a MAC (Media AccessControl) do padrão 802.16 provê ogerenciamento e a alocação de banda de mododinâmico, privilegiando aplicações com taisexigências.

1.4 EscalabilidadeA tecnologia WiMAX permite a implementaçãode uma rede escalável. Isso significa que ocrescimento da demanda dos usuários, em umadada rede, pode ser solucionado apenas peloaumento da célula WiMAX e de sua capacidadede transmissão. Tais características das redesWiMAX estão estabelecidas nos parâmetros demodulação e implicam uma ocupação de bandae, até mesmo, a robustez do sinal. Como osistema é auto-adaptável, as modificaçõesimplementadas passam a operarconsecutivamente.

2 Rede WiMAX em Hortolândia

O serviço SAPSA, que será detalhado nasseções a seguir, foi instalado utilizando uma redeWiMAX na cidade de Hortolândia. Essa rede éadministrada pela Secretaria de Educação domunicípio e conecta a mesma com suas escolas,além de prover o acesso à Internet.O nó central da rede consiste em três rádiostransceptores WiMAX instalados em uma torrede transmissão localizada no centro da cidade, a1 km do prédio da Secretaria de Educação. Osrádios se conectam a outros transceptoresinstalados nos pontos de interesse. Cada rádiodo nó central tem capacidade de 54 Mbit/s eopera com uma antena diretiva de 120°,totalizando, assim, a cobertura de 360° emazimute. Os rádios estão localizados a umaaltura de 55 m da base da torre.Um dos rádios está com operação exclusiva paraa Secretaria de Educação. Os outros dois rádiosforam alocados para as escolas, sendo suacapacidade dividida uniformemente, com links de6 Mbit/s para cada escola, num total de 18escolas. O ponto mais distante atingido pela redefica a 5 km da torre. A Figura 1 mostra uma visãogeral da plataforma WiMAX instalada emHortolândia. O gateway de Internet, o servidor do SAPSA e orepositório de vídeos educativos estão todosinstalados na Secretaria de Educação, sendotodos eles acessados pelas escolas através doslinks WiMAX ilustrados na Figura 1. O link de54 Mbit/s da Secretaria de Educação com a torrese justifica pelo acesso de todas as escolas aosservidores e pelo acesso à Internet. A Figura 2ilustra a rede da Secretaria de Educação com oservidor do SAPSA, o repositório de vídeos e olink de acesso à Internet.



Secretaria de Educação

Escola 1

Escola 2

Torre de transmissão 3 rádios WiMAX (antena 120° e

54 Mbit/s cada rádio)

Escola... 18

Internet Link óptico

de 2 Mbit/s

Link WiMAXde 54 Mbit/s Link WiMAX de 6 Mbit/s

Link WiMAXde 6 M

bit/s

Link

WiM

AXde

6 M

bit/s

Figura 1 Visão geral da plataforma WiMAX em Hortolândia

Servidor SAPSA Repositório de vídeo

Torre de transmissão

InternetLink óptico de

2 Mbit/s

Link WiMAX de 54 Mbit/s

BridgeFirewall

Ethernet

Ethernet

Rádio WiMAX

Switch

Ethe

rnet

Ethe

rnet

Figura 2 Configuração da rede na Secretaria de Educação

Nas escolas, a rede se estende pelas salas deinformática para acesso à Internet e pelas salasde aula, onde é instalado o receptor SAPSA.

A Figura 3 ilustra essa rede com salas de aula ede informática.



PC – Receptor(SAPSA)

Torre de transmissão

Link WiMAX de 6 Mbit/s

EthernetRádio WiMAX

Ethernet

Sala de aula

Televisão

SAPSA

Sala de informática

Figura 3 Configuração da rede nas escolas

3 O SAPSA

O Serviço de Apoio ao Professor em Sala deAula (SAPSA) caracteriza-se por ser um serviçoCliente/Servidor e totalmente autocontido. Doponto de vista educacional, o SAPSA é umaferramenta de apoio ao ensino que se propõe aoferecer conteúdos educacionais multimídia,interativos e sob demanda, como complemento àaula presencial (PICCOLO; KUTIISHI, 2004;PINTO; LEMOS; BONADIA, 2004). É importantesalientar que esse serviço não visa à substituiçãodo professor em sala de aula. A intenção éoferecer uma ferramenta que seja utilizada poralguns minutos durante a aula, a fim de torná-lamais rica e cativante para os alunos,contribuindo, assim, para a melhoria do processode aprendizado.Com a inserção dessa ferramenta em sala deaula, buscam-se:

• resultados mais efetivos na transmissão deinformações aos alunos;

• a modernização dos métodos de ensino;• a facilitação na assimilação de informações

educacionais com a utilização de imagenstelevisivas, uma linguagem com a qual oaluno já está acostumado em seu dia-a-dia;

• a viabilização da oferta e uso de materialdidático regional, respeitando e apoiando a

diversidade cultural do País;• a disponibilização de material didático

atualizado de maneira mais econômica edireta;

• facilidade de busca e recuperação de materialdidático.

A versão atual do SAPSA foi especificada paraser implementada em diferentes plataformas deTV digital, como IPTV, TV a cabo e TV digitalaberta que tenham canal de retorno. Éconstituída por dois módulos, um móduloadministrativo e um módulo do professor, eatualmente está implementada na versão SAPSAIP.O módulo do professor possibilita a exibição deconteúdos multimídia educacionais sobdemanda, como complementos à aulapresencial. O usuário principal desse módulo é oprofessor. Ele solicita os conteúdos na própriasala de aula, utilizando uma unidade receptora edecodificadora (URD) e o controle remoto da TV,e os apresenta aos alunos para ilustrar a aula efixar seus conceitos.Os conteúdos ficam armazenados em umservidor central, gerenciados pelo módulo deadministração, por meio de interfaces Web. Sãocatalogados por áreas, disciplinas e temas, porprofissionais da área pedagógica, os gestores deensino. Pelo módulo de administração, além do



gerenciamento de conteúdos, o gestor podetambém fazer o upload de conteúdos parainclusão na base de dados do servidor central.Pode ainda enviar mensagens ou realizarpesquisas de opinião para acesso através domódulo do professor. Permissões e restrições deacesso às funcionalidades ou módulos sãoconfiguradas pelo administrador do sistema, comespecialização na área de informática, tambémno módulo de administração.A Figura 4 retrata a visão geral desse serviçoconfigurado para a versão do SAPSA IP.A oportunidade de instalação do SAPSA emHortolândia possibilitou ao CPqD atransformação do protótipo em produto, o queproporcionou, como principal resultado, areformulação da arquitetura de software de formaa permitir um grande reuso do produto paratodas as plataformas de TV: IPTV, TV a cabo eTV digital aberta. Neste momento, o SAPSAatende a instalações em redes IP e a versão emteste foi denominada e registrada com o nomeSAPSA IP.

3.1 Desenvolvimento do aplicativo

O módulo de administração da versão SAPSA IPfoi implementado com ferramentas de softwarelivre para ser utilizado em um computadorconvencional e é independente da plataforma deTV. O módulo do professor é dependente daplataforma, devendo ser adaptado a cadaplataforma de TV digital, utilizando a linguagemsuportada por essa plataforma.A linguagem utilizada para o módulo deadministração foi o PHP 5, em banco de dadosMySQL.O módulo do professor do SAPSA IP foidesenvolvido na linguagem Java, com as APIsJMF (Java Media Framework) e Fobs4JMF, embanco de dados MySQL. A ferramenta dedesenvolvimento foi o Eclipse. O módulo doprofessor foi baseado no código do projetoXleTView, um emulador de Xlets para PC. As alterações necessárias para as demaisplataformas devem ocorrer no tratamento doprotocolo de transmissão e na utilização das

novas linguagens, quando necessário, paratornar a implementação compatível. O projetodas interfaces pode permanecer o mesmo, tantopara o módulo de administração como para omódulo do professor.

4 Testes de campo do SAPSA emHortolândia

Para os testes de Hortolândia, o SAPSA IP foiinstalado inicialmente em quatro salas de aulaque operam em dois turnos, atendendo deprimeira à quarta séries do Ensino Fundamental,em uma escola da rede municipal da cidade,designada pela Secretaria de Educação doMunicípio e situada a aproximadamente 2 km datorre de transmissão.Nessa primeira instalação do SAPSA, osterminais do professor são CPUs demicrocomputadores convencionais adaptadas àutilização de televisores em substituição aomonitor de vídeo. O controle remoto é utilizadopara comunicação com o computador, que faz opapel de um set-top box. Assim como a distribuição interna dos pontos derede nas salas de aula, a instalação do softwarefoi realizada a partir do ponto de 6 Mbit/s da redeWiMAX disponibilizado na escola. Os primeirostestes de campo foram realizados com sucesso,comprovando a adequação da rede WiMAX paraserviços de TV interativa, bem como a operaçãosatisfatória das funcionalidades do SAPSA.As características atuais de utilização da redeWiMAX definidas por Hortolândia não permitemreprodução de conteúdos a partir do servidorcentral com protocolo RTP, devido à banda deaproximadamente 6 Mbit/s, compartilhada comoutras aplicações (Internet e câmeras desegurança). Como solução alternativa, os vídeossão reproduzidos diretamente a partir do discorígido do computador Cliente. No primeiro acessode um vídeo, o módulo do professor verifica se omesmo existe no computador Cliente e, caso nãoo encontre, realiza automaticamente a cópia dovídeo localizado no repositório do servidorcentral.

Conteúdoregional

local

Conteúdonacional

Escola 1

Escola 2

PCCliente

Set-topboxTV

Set-topboxTV

Servidordo

SAPSA

Conteúdoregional

local

Conteúdonacional

Escola 1

Escola 2

PCCliente

Set-topboxTV

Set-topboxTV

Servidordo

SAPSA

Conteúdoregional

local

Conteúdonacional

Escola 1

Escola 2

PCCliente

Set-topboxTV

Set-topboxTV

Servidordo

SAPSA

Figura 4 Visão geral do serviço – SAPSA IP



Concluídos os testes de homologação, o serviçofoi disponibilizado para a utilização da equipe deadministradores, gestores e professores deHortolândia, que foram treinados de forma aserem familiarizados com as funcionalidades ecom as telas de navegação do SAPSA IP einiciaram a operação assistida do sistema. Avalidação técnica se estendeu até dezembro de2007 para permitir a identificação deoportunidades de melhoria para sua utilização.Durante esse período, a rede WiMAX operoucom a eficiência esperada. A validação do uso do serviço será feita duranteo ano de 2008. Essa validação está dividida emduas partes. O foco da primeira parte é avalidação da interface construída, do ponto devista de sua usabilidade e inteligibilidade. Osusuários envolvidos são os administradores(administrador do serviço e gestor de ensino) eos professores, ficando descartada a atuaçãodireta dos alunos. Os dados são obtidos por meiode entrevistas, observações comportamentais emedições de parâmetros computacionais(PREECE et al., 1994; PRATES; BARBOSA,2003). Com esses resultados primários, épossível obter informações sobre a facilidade emrelação à utilização do serviço, extremamenterelevantes na realimentação da equipe dedesenvolvimento para adequação do softwarepara uso futuro.A segunda parte tem como objetivo avaliar asopiniões de professores, gestores de ensino ealunos a respeito da utilização do SAPSA; suassugestões em relação a melhorias ou não noaprendizado dos alunos através da utilização dosvídeos, etc. Para isso, serão usadas tanto ametodologia quantitativa quanto a qualitativa deavaliação em campo (PICCOLO; KUTIISHI,2006; COSTA; PICCOLO; PISSOLATO, 2007;).Em paralelo, o desempenho da rede seráacompanhado pela equipe responsável pelainfra-estrutura. Entre as avaliações da rede,estão planejadas medidas de vazão do WiMAXpara março de 2008.

Conclusão

Com a implantação da rede WiMAX na cidade deHortolândia, foi possível realizar testes quecomprovaram a eficiência de duas tecnologiasinovadoras: por um lado, a eficiência das redesWiMAX para suportar serviços de TV interativa e,por outro, a excelente aceitação dos novosserviços implementados para TV digitalinterativa, no âmbito das escolas de EnsinoFundamental e Médio.Com a implantação do SAPSA, o objetivo daexperimentação da interatividade da TV digital foiplenamente atingido, já que a percepção dousuário, em relação à utilização do módulo doprofessor, é exatamente a mesma que ele teriacom a utilização de diferentes plataformas de TV

digital, como IPTV ou TV digital terrestre.Para a equipe do CPqD envolvida nodesenvolvimento do SAPSA, a experiência e osconhecimentos adquiridos são de grandeimportância no sentido de constituir uma basepara os desenvolvimentos de serviços eaplicativos interativos em diferentes plataformas(IPTV, TV digital terrestre, TV a cabo). Deve-seconsiderar ainda o grande percentual de reusodo código, já que, para qualquer tecnologia, omódulo de administração será totalmentereaproveitado e o módulo do professor utilizará oprojeto de interfaces, o projeto e o modelo dedados, sendo necessárias alterações queenvolvam o protocolo de transmissão.Antes mesmo da avaliação formal do uso doSAPSA, que deverá ocorrer durante o ano de2008, a rede WiMAX permitiu, neste primeiromomento, durante a instalação e os treinamentosem Hortolândia, perceber por parte de todos osatores (gestores, professores e alunos) grandereceptividade e anseio na utilização do serviço.Uma parceria com produtores de conteúdo éaltamente recomendada, pois para o sucesso doserviço é de extrema importância a alimentaçãoconstante do SAPSA com conteúdos variados ede qualidade.Como o serviço foi previsto para ser instalado eutilizado em um número grande de escolas esalas de aula, paralelamente à validação técnica,foram implementadas as melhorias funcionaisidentificadas e, principalmente, foi feita aevolução para uma plataforma real de IPTV,implementando-se o streaming de vídeo eutilizando-se o set-top box como terminal doprofessor, que deverá substituir oscomputadores, reduzindo o custo por sala deaula.

Referências

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COSTA; R. G.; PICCOLO, L.; PISSOLATO, E.Metodologia de avaliação em campo do"Serviço de Apoio ao Professor em Sala deAula (SAPSA)". 2008. (Relatório interno).

INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). IEEE802.16. IEEE Standard for Local and metropolitanarea networks – Working Group on BroadbandWireless Access Standards. 2001.



PICCOLO, L. S.; KUTIISHI, S. M. EspecificaçãoTécnica do SAPSA. PD.30.12.34A.0001/RT-10-AD. 16 dez. 2004. (Relatório interno).

PICCOLO, L. S. G.; KUTIISHI, S. M. Provas deconceito de aplicações para TV digitalinterativa com o propósito de promoverinclusão digital no Brasil. Cadernos CPqDTecnologia, v. 2, n. 2, jul./dez. 2006.

PINTO, J. C. L.; LEMOS, L.C.; BONADIA, G.C.Especificação Funcional do SAPSA –PD.30.12.36A.0001A/RT-01-AB. 31 maio 2004.(Relatório interno).

PRATES, O. R.; BARBOSA, D. J. Avaliação deInterfaces de Usuário – Conceitos e Métodos– Jornada de Atualização em Informática doCongresso da Sociedade Brasileira deComputação. SBC: Campinas, 2003.

PREECE, J. et al. Human-computerInteraction. Addison-Wesley: Workingham,Reino Unido, 1994.

Abstract

The aim of this paper is to present a case study of an educational service named SAPSA (acronym for In-Classroom Support to the Teacher) – originally designed for Digital TV Broadcasting – installed on aWiMAX network in the city of Hortolândia. This version of SAPSA supports the whole primarily specifiedfunctionalities and has Hortolândia's education supervisors and teachers as its actors. The main goal ofthis case is to validate the service and its main requirements, such as the students' interest andimprovement in learning, and to identify new functionalities useful for the SAPSA's WiMAX networkinstallation as well as for its Interactive Digital TV Broadcasting version.

Key words: WiMAX network. Social inclusion. Interactive TV. Educational TV.


Projeto de chipset para WiMAX móvel: desafiose oportunidades

Julio Leão da Silva Jr.* **, Edelweis Helena Garcez Ritt**, Laurent Courcelle**

As empresas que estão desenvolvendo chipsets para WiMAX precisam criar e inovar para obtervantagens de desempenho e ainda manter compatibilidade com a norma. Além disso, para diminuir oscustos, o chipset deve ter baixo consumo de energia, para operar com bateria, e área reduzida, comelevada taxa de integração. O chipset deve ser flexível para permitir alcançar a performance requeridanas diversas bandas de freqüência em utilização. Atualmente ainda existe muito espaço para inovações:implementações alternativas para as camadas de enlace e física, antenas inteligentes, utilização deespectro com reuso de freqüência e front-end composto por blocos configuráveis. Portanto, este artigodiscute uma série de parâmetros essenciais que afetam o desempenho, tais como: EVM do transmissornuma dada potência, sensibilidade do receptor, estimativa de canal combinada à adaptação ao enlace eoutros, que permitem ao sistema operar sempre com eficiência máxima. O artigo também apresentaalgumas arquiteturas candidatas que o projetista necessita escolher para implementar um chipset paraWiMAX móvel.

Palavras-chave: Comunicação sem fio banda larga. IEEE 802.16. WiMAX móvel. Camadas de enlace efísica. Rádio.

IntroduçãoUma das tecnologias utilizadas paracomunicação sem fio banda larga denomina-seWiMAX (Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess). Essa solução é definida pela normaIEEE 802.16 (IEEE, 2004). O WiMAX é capaz deatingir altíssimas taxas de dados, maisprecisamente 74 Mbit/s, operando com umalargura de espectro de 20 MHz (IEEE, 2004). Anorma IEEE 802.16 consiste em uma série deversões, sendo as evoluções mais relevantesmostradas na Tabela 1.O desenvolvimento de um conjunto de circuitosintegrados a serem utilizados é partefundamental da implantação da tecnologiaWiMAX. Tal conjunto é o chipset que implementaessa tecnologia em hardware. O chipset precisagarantir bons níveis de performance e consumo

de energia, além de custo e time-to-market(tempo de chegada do produto ao mercado)competitivos para cada versão da norma. Assim, o objetivo deste artigo é introduzir asprincipais funções utilizadas na tecnologiaWiMAX que são implementadas em hardware,enfatizando os principais desafios deimplementação de cada uma dessasfuncionalidades para a IEEE 802.16e-2005(IEEE, 2006), versão também denominadaWiMAX móvel.O presente artigo está organizado da seguinteforma: a Seção 1 descreve as característicaspresentes no WiMAX móvel que demonstram aspossibilidades de inovação, enquanto a Seção 2apresenta os desafios que precisam ser vencidospara que se possam implementar ascaracterísticas descritas na Seção 1. Por último,é apresentada a conclusão.

Tabela 1 Evolução da norma IEEE 802.16

802.16 802.16 – 2004 802.16e – 2005

Terminada Dezembro de 2001 Junho de 2004 Dezembro de 2005

Banda de freqüência 10 – 66 GHz 2 – 11 GHz 2 – 6 GHz

Aplicação Fixa, LOS Fixa, NLOS Fixa e móvel, NLOS

Mecanismo de transmissão

Portadora única Portadora única Portadora única

256 OFDM 256 OFDM

2.048 OFDMA SOFDMA(128, 512, 1.024, 2.048)

Taxa de dados máxima nodownlink 134 Mbit/s em 28 MHz 74 Mbit/s em 20 MHz 63 Mbit/s em 20 MHz

Interface aérea TDMA com TDD e FDD OFDM e OFDMA com tecnologia de antena avançadacom TDD e FDD


**Centro de Excelência em Tecnologia Eletrônica Avançada (CEITEC).


Projeto de chipset para WiMAX móvel: desafios e oportunidades

1 WiMAX móvel: características relevantes

Um chipset para WiMAX móvel deveimplementar os seguintes blocos funcionais(ANDREWS; GHOSH; MUHAMED, 2007):camada física (PHY – Physical Layer) e camadade enlace (MAC – Media Access Control). A camada PHY compreende duas partes: umadigital e uma analógica. Essa camada define asfaixas de freqüência de operação para WiMAX(de 10 a 66 GHz e de 2 a 11 GHz), bem como osuporte a múltiplas antenas. A camada PHYtambém define as modulações a seremutilizadas, incluindo a definição do uso do métodode compartilhamento de canais entre váriosusuários.A camada MAC, por sua vez, utiliza um algoritmode escalonamento para o qual os terminais deassinante precisam competir somente uma vezpara conseguir acesso ao meio, em contrastecom a tecnologia Wi-Fi, na qual a competiçãopelo acesso ocorre várias vezes. A garantia dequalidade de serviço (QoS – Quality of Service) édefinida de acordo com o tipo de conexão ecaracterísticas do meio, sendo adaptadaconforme a necessidade de cada assinante.Dessa forma, as principais funcionalidades doWiMAX móvel podem ser classificadas emcaracterísticas relativas à parte deradiofreqüência (RF), à camada PHY e à camadaMAC. Essas funcionalidades são detalhadas nastrês subseções a seguir.

1.1 Características de radiofreqüência

Em relação à radiofreqüência, as característicasprincipais que o WiMAX móvel precisadisponibilizar são: baixo EVM (Error VectorMagnitude) e figura de ruído, largura de bandaprogramável, suporte a técnicas avançadas deantenas e controle de potência de saída,descritas nesta subseção.Provavelmente, uma das especificações quecausa maior impacto no WiMAX móvel é o nívelde erro EVM (LLOYD, 2006) estabelecido em-31 dB, com base em uma taxa de erros de 1%por pacote, enquanto a tecnologia Wi-Fi defineum EVM de -25 dB, necessário para que sepossa atingir uma taxa de erros de 10% porpacote. Essa alta exigência de performance comrelação ao EVM permite que a tecnologia WiMAXtenha um alcance maior. Ainda, a figura de ruídomais restrita no receptor, correspondente a 7dB,também contribui para aumentar o alcance doWiMAX, enquanto o Wi-Fi opera a 10 dB.Além disso, a tecnologia WiMAX define diversaslarguras de banda do canal, que começam em1.75 MHz e chegam a 28 MHz. Essa amplavariação implica a implementação de um frontend analógico programável.Além disso, o WiMAX prevê como característica

opcional para aumento de performance autilização de técnicas de antenas avançadas.Ganhos significativos na capacidade e eficiênciaespectral podem ser obtidos com soluções queusam diversas antenas, incluindo diversidade detransmissão, beamforming e multiplexaçãoespacial. As técnicas mais utilizadas baseiam-seem: STC (Space Time Coding) (ALAMOUTI,1998; TAROKH; JAFARKHANI; CALDERBANK,1999), AAS (Adaptive Antenna Systems) e MIMO(Multiple Input Multiple Output) (FOSCHINI et al.,1999). Finalmente, em comparação com o Wi-Fi, emque a potência de saída é virtualmente fixa, oWiMAX utiliza um processo que determina nãosomente os valores de potência necessários,mas também a diferença de temporização, paraque as transmissões do assinante cheguem àestação radiobase no tempo certo e sempre nomesmo nível de potência.

1.2 Características da camada física

As características inovadoras mais importantesque o WiMAX móvel precisa disponibilizar e quecausam impacto na camada física são:modulação e codificação adaptativa, método demultiplexação e taxa de dados variáveis emfunção da largura de banda do canal. Taiscaracterísticas são descritas a seguir.A utilização de modulação e codificaçãoadaptativa (AMC – Adaptive Modulation andCoding) permite ao WiMAX móvel escolher osistema de modulação de ordem mais altadependendo das condições do canal. A AMCtambém possibilita ao sistema compensar aatenuação e outras interferências. Assim, oWiMAX móvel pode otimizar a taxa detransferência, conseguindo taxas mais altas aomesmo tempo em que cobre distâncias maiores.No downlink, o WiMAX móvel utiliza asmodulações QPSK, 16-QAM e 64-QAM,enquanto no uplink 64-QAM é opcional. Para a correção de erros, o WiMAX empregaFEC (Forward Error Correction), utilizandocódigos convolucionais que são combinados comcódigo Reed-Solomon externo no downlink.Opcionalmente, o WiMAX móvel pode utilizarturbo codes e LDPC (Low-Density Parity Check)para correção de erros. A tecnologia WiMAXdefiniu um total de 52 combinações diferentes deperfis de modulação e codificação.Além disso, o WiMAX emprega o método demultiplexação denominado OFDM (OrthogonalFrequency Division Multiplexing). Esse métododivide um sinal “rápido” em vários sinais “lentos”.O OFDM foi escolhido para ser utilizado emWiMAX por ter a grande vantagem de apresentarperformance superior com relação à falta devisada direta (NLOS – Non-Line Of Sight) quando



comparado com o método CDMA (Code DivisionMultiple Access). O OFDM também minimiza ainterferência de símbolos causada pormulticaminhos (multi-path), freqüentementeobservada em regiões metropolitanas.Para compartilhar diversos canais OFDM entrevários usuários de maneira escalável, o WiMAXmóvel emprega o método SOFDMA (ScalableOrthogonal Frequency Division MultiplexingAccess). Esse método utiliza um mecanismosofisticado para alocação de subportadoras etimeslots para assinantes com base nascondições do sinal e no ruído, que estão emconstante modificação, e com base também nasnecessidades de banda.No que se refere às taxas de dados, a tecnologiaWiMAX tem uma arquitetura da camada físicaque permite diversas taxas de dados variáveis deacordo com a largura de banda de canaldisponível. Essa escalabilidade é permitida peloOFDMA, em que o tamanho da FFT (FastFourier Transform) pode variar de acordo com alargura de banda de canal. Por exemplo, umsistema WiMAX pode utilizar FFTs de 128 a2.048 bits e largura de banda de canais de 1 a28 MHz. Essas variações podem ser dinâmicas,visando a permitir deslocamentos de usuárioatravés de redes distintas que podem teralocações de largura de banda diferentes.

1.3 Características da camada de enlace

Na camada de enlace, é necessário que oWiMAX móvel disponibilize as seguintescaracterísticas inovadoras que causam impactona concepção do chipset: tipo de multiplexação,controle de QoS, método de criptografia esuporte a mobilidade, descritos a seguir.A tecnologia Wi-Fi oferece suporte somente àtécnica de multiplexação TDD (Time DivisionDuplex). Uma adição importante ao WiMAXmóvel, comparado com Wi-Fi, é a possibilidadede suporte tanto a TDD, quanto a FDD(Frequency Division Duplex) e também H-FDD(Half Duplex FDD). O FDD apresenta um customais elevado porque é possível transmitir ereceber simultaneamente, o que implica no usode blocos adicionais no front end de RF.Entretanto, a técnica de multiplexação FDDpermite uma taxa de transferência de dadossuperior, pois a banda alocada para recepção etransmissão é utilizada simultaneamente.Para controlar a QoS por conexão, o WiMAXdisponibiliza uma alocação de recursos flexível edinâmica, permitindo cinco tipos de conexão, deacordo com o tipo de serviço. A camada MAC éconfigurada para aceitar tráfego IP, Ethernet eATM. Ainda, a funcionalidade da camada MACfoi definida de modo a proporcionar suporte aprotocolos de transporte ainda não inventados.Além disso, os enlaces podem ser configuradosdinamicamente, equilibrando capacidade e

qualidade, à medida que a necessidade seapresenta.Ao mesmo tempo, a tecnologia WiMAX definedois padrões de criptografia para garantir umambiente com segurança robusta: DES3 (DataEncryption Standard) e AES (AdvancedEncryption Standard) (NIST, 2001), o qual éconsiderado um dos padrões existentes maisavançados. Da mesma forma, a norma 802.16define um processador dedicado à segurança,assim como existem requisitos mínimos decriptografia com relação à autenticaçãoadaptados à especificação Data Over CableService Interface Specification (DOCSIS, 2008).Por fim, o WiMAX móvel prevê suporte amobilidade total, até 120 km/h, com base numaarquitetura utilizando protocolo IP. Ou seja, énecessário suporte a IPs móveis egerenciamento de transferência entre estaçõesradiobase. No caso de aplicações sensíveis aotempo de resposta como, por exemplo, voz sobreIP (Voice over IP), a performance é um fatorcrítico.

2 Desafios técnicos: exemplosEsta seção descreve alternativas de arquiteturase escolhas com que o projetista que desenvolveo chipset para WiMAX móvel se depara. Essasalternativas são apresentadas nas trêssubseções a seguir, de acordo com ascaracterísticas relativas ao rádio, à camada físicae à camada de enlace.

2.1 Arquiteturas de radiofreqüência (RF)

As arquiteturas utilizadas para RF têm impactodireto na performance de um sistema decomunicação sem fio. Nas subseções a seguirapresentam-se duas arquiteturas utilizadas emWiMAX móvel, bem como o detalhamento dosblocos básicos de uma dessas arquiteturas.

2.1.1 Exemplos de arquiteturas de RF

Entre as arquiteturas de transceptores de RFaplicáveis ao padrão WiMAX móvel, há duas quese destacam com relação ao baixo custo do chippara alto volume de produção (nível deintegração) e à necessidade de baixo consumode potência. Essas arquiteturas são relacionadasa seguir (seus diagramas de bloco constam naFigura 1):• arquitetura superheterodyne, com filtros de

canais externos, amplificador de baixo ruído eamplificador de potência integrados;

• arquitetura de conversão direta (Zero-IF oudirect conversion), com amplificador de baixoruído interno ou externo e amplificador depotência externo.

Na arquitetura de conversão direta, destaca-se avantagem de o uplink ter somente um estágio demistura, minimizando assim o número de



Synth1

Synth2

Synth1

LNA

Direct conversion

Superheterodyne

LNA

Figura 1 Arquiteturas do transceptor de radiofreqüência aplicáveis a WiMAX móvel (HOPPENSTEIN, 2007)

espúrios gerados pelas não-lineariedades dosmisturadores. Essa arquitetura tambémapresenta um consumo levemente reduzido emcomparação com a superheterodyne, além deum número menor de filtros passivos (nãocontém os filtros SAW (Surface Acoustic Wave)usados na arquitetura superheterodyne parasupressão do canal imagem).A interface RF pode ser tanto do tipo I/Q quantodo tipo misturador simples. Isso influencia aescolha do processador de banda-base e dosconversores AD/DA. Os dois casos sãoequivalentes em termos de consumo e decomplexidade. Entretanto, a interface I/Q comramos separados, em geral, se faz necessária naarquitetura de conversão direta para lidar com osesquemas de modulações complexas (QAM ouQPSK) e evitar a sobreposição dos espectrosdas partes I e Q.Contudo, a arquitetura de conversão diretaapresenta dois inconvenientes principais: o offsetde tensão DC dentro da banda do sinal depoisdos misturadores e a sensibilidade aodescasamento dos símbolos I e Q na supressãodo canal imagem. Isso pode ser minimizado como uso de um bloco de cancelamento do offset ede um circuito de calibração dos símbolos I e Q.Na subseção seguinte, a título de ilustração,serão mostradas algumas características dosblocos básicos de uma arquitetura de conversãodireta com interface de RF do tipo I/Q.

2.1.2 Blocos da arquitetura Zero-IF I/QComo o rádio do WiMAX é um transceptor,existem blocos que compõem o receptor (LNA,misturador e PGA) e blocos do transmissor

(misturador e amplificador de potência). Alémdesses blocos, um sintetizador de freqüênciapode ser compartilhado, tanto pelo receptorquanto pelo transmissor, para seleção dediversos canais. A Figura 2 mostra em detalhe osblocos da arquitetura de conversão direta. Aseguir, são detalhados alguns blocos básicosdessa arquitetura. O primeiro bloco de RF, depois da antena, é oamplificador de baixo ruído (LNA – Low NoiseAmplifier). Para um sistema que tem acapacidade de trabalhar com várias faixas defreqüência dentro da banda de 2 a 6 GHz, o LNAdeve ser reconfigurável e ter uma rede decasamento passiva de banda larga na entrada.Se for integrada, a estrutura amplificadora maisusada é a célula cascode com degeneraçãoindutiva na fonte do transistor. Areconfigurabilidade pode ser feita ligando edesligando estágios de ganho, ressonando nafaixa de trabalho desejada (GARUDA; ISMAIL,2006).Os misturadores também devem ser de bandalarga e ter um ganho de conversãoaproximadamente constante na faixa de 2 a6 GHz. Para isto, a célula de Gilbert com entradadiferencial parece ser a mais apropriada. Paratransformar a saída single-ended do LNA ementrada diferencial, um balun deve ser inseridona entrada do misturador. Os misturadoresdevem ser implementados com todo cuidado, noque tange ao ruído de fase e às não-linearidades(espúrios) que eles podem introduzir. Ainda, usartransistores do tipo PMOS para misturar afreqüência do oscilador permite minimizar o ruídodo tipo flicker.



Figura 3 Diagrama de blocos da arquitetura de conversão direta com interface I/Q

Além disso, amplificadores com ganhoprogramável (PGA – Programmable GainAmplifier) são necessários para compensar asvariações da faixa dinâmica do sinal do receptor,mantendo-as em um nível adequado na entradados conversores AD e nos filtros ativos.Dessa forma, como a norma do WiMAX prevêum sistema de multiportadora com largura debanda do canal variável, é necessário que osfiltros passa-baixa que antecedem osconversores AD tenham uma freqüência de corteprogramável. Segundo a norma, a largura debanda pode variar de 1.75 a 28 MHz. Em geralsão utilizadas células Gm-C ou OTA-C, em que afreqüência de corte dos filtros é escolhidaatravés do ajuste da transcondutância dessascélulas.A calibração I/Q pode ser realizada por meio deuma rotina controlada por um circuito digital, nomomento de power-up do sistema. Ocancelamento de offset também pode serefetuado por um circuito digital, ou pode ser feitoanalogicamente através da extração do valor DCna saída do PGA por um filtro Gm-C e subtraídoda entrada do PGA.Na parte de transmissão, o amplificador é umdos blocos mais importantes. Para manter o nívelde EVM inferior a -31 dB, com um PAR (Peak-to-

Average Ratio) de até 12 dB, é preciso efetuar alinearização por back-off do amplificador depotência, conseqüentemente com o amplificadorde potência trabalhando à potência de saída12 dB, inferior à potência à 1 dB do ponto decompressão. Essa é uma zona de trabalho muitoineficiente e até mesmo impraticável nossistemas de WiMAX móvel, devido ao altoconsumo de potência. A técnica mais investigadanos sistemas WiMAX móvel é a chamada digitalpredistortion. Essa técnica consiste em suprimir oproduto de intermodulação não desejado, que foicriado pela não-linearidade do amplificador. Essaarquitetura precisa de um feedback para efetuaro ajuste adaptativo dos coeficientes delinearização. Dessa forma, em um sistema TDD (TimeDivision Duplex), vários blocos da cadeia derecepção podem ser reutilizados paratransmissão (BISLA; ELINE; FRANCA-NETO,2004). Esse é o caso dos filtros programáveis, dooscilador local (quando o amplificador depotência é externo ao chip) e do filtro passivo deentrada. Os misturadores de transmissão têmuma estrutura parecida com os misturadores derecepção, com exceção da restrição delinearidade. Ao mesmo tempo, um amplificador driver com


sergiom

sergiom

sergiom


ganho variável deve ser inserido antes doamplificador de potência, para controle tanto doscoeficientes de linearização citados acima,quanto da potência no caso de um link NLOS.O PLL (Phase-Locked Loop) deve ser capaz dediferenciar canais de até 1.75 MHz de largura.Nos sistemas OFDM, o espaçamento entre assubportadoras (no WiMAX chega a 90 kHz)impõe restrições muito altas sobre o ruído defase gerado pelo oscilador local. Num PLL esseruído é gerado principalmente pelo VCO(Voltage-Controlled Oscillator). Por isso, deve-seachar a largura de banda ótima que permitaminimizar a contribuição do ruído do VCO. Aarquitetura que tem mostrado menor ruído defase é do tipo LC, e deve ser ajustável parapoder atuar nas diversas faixas (2.4-2.9 GHz;3.4-3.6 GHz; 5.1-5.3 GHz; 5.5-5.7 GHz).

2.2 Técnicas de sincronização para OFDMA

A sincronização é um grande desafio emOFDMA, uma vez que essa técnica é suscetívela erros de temporização que podem causarinterferência entre blocos, bem comodiscrepâncias entre o sinal de entrada e o dereferência, o que pode causar interferência entreportadoras (ICI – Intra Cell Interference) einterferência entre usuários (MAI – MultipleAccess Interference). É possível evitar oproblema de ICI aumentando-se o intervalo deguarda entre os blocos, mas à custa de perda dedesempenho. No entanto, essa solução élimitada, visto que existem aplicações que usamo menor CP (Cyclic Prefix) possível paraminimizar a performance.Em sistemas OFDMA, a sincronização é feita emtrês fases (MORELLI; KUO; PUO, 2007): • no downlink, quando os receptores estimam a

freqüência e a temporização baseando-se nosinal que vem da radiobase;

• no uplink, porém, nesse momento o sinalrecebido mistura sinais transmitidos por váriosusuários e cada sinal sincronizado com a suareferência, causando o problema de estimarmúltiplos parâmetros;

• no uplink, depois de estimados, esses sinaisdevem ser usados para restaurar aortogonalidade entre as subportadoras.

2.2.1 Sincronização no downlink

No downlink estimam-se temporização efreqüência. Em transmissões multiportadoras, oprimeiro passo na sincronização do downlink é adeterminação da temporização. Isso permite nãosomente identificar o recebimento de um framenovo, como também determinar onde posicionara janela de recebimento, dependendo do erro detemporização. Assim sendo, dois tipos de algoritmos deaquisição de temporização são descritos na

literatura: algoritmos de uso de blocos dereferência (NOGAMIM; NAGASHIMA, 1995;SCHMIDL; COX, 1997; SHI; SERPEDIN, 2004) etécnicas blind (VAN DE BEEK; SANDELL;BORJESSON, 1997). Enquanto os algoritmosbaseados em blocos de referência são melhorespara aplicações em modo burst, as técnicas blindsão melhores em transmissão contínua. Um segundo passo de sincronização no downlinké a determinação do erro de temporização entreos símbolos de um frame, também chamado desintonia fina (fine tracking). Um exemplo dessetipo de algoritmo é descrito por Yang et al.(2000).Além da temporização, é necessário estimar afreqüência para alinhar o oscilador local. Paraisso, uma técnica comum é o uso de um padrãode treinamento composto de partes repetitivasespecialmente projetadas para tal fim (MOOSE,1994). Além dessa estimativa inicial, da mesmaforma que na temporização, a freqüência temque ser monitorada para evitar erro residual, quedeve ser corrigido. Essa correção pode ser feitabloco a bloco (LASHKARIAN; KIAEI, 2000;MORELLI; D’ANDREA; MENGALI, 2001).

2.2.2 Sincronização no uplink

Como já comentado anteriormente, a dificuldadedessa tarefa advém do fato de que o sinal éproveniente de usuários diferentes e assim aestação radiobase tem que estimar osparâmetros individualmente.Os algoritmos de sincronização são dependentesdo esquema de alocação da subportadora CAS(Carrier Assignment Scheme). Existem trêsmecanismos mais conhecidos: sub-banda,alternada e generalizada. No esquema CAS sub-banda, costuma-se inserir um número específicode subportadoras não moduladas. No esquemade CAS alternada, cada usuário tem que modularum conjunto de subportadoras que sãouniformemente distribuídas, o que dificulta maisainda a tarefa de identificar cada usuário. Nessetipo de mecanismo os algoritmos exploram aestrutura periódica que se repete depois de umdeterminado número de amostras (CAO;TURELI; YAO, 2004). No caso de CAS generalizada, os sistemas nãopossuem uma estrutura rígida, visto que esseesquema é dinâmico, e isso dificulta ainda mais atarefa de sincronização. Um exemplo de talalgoritmo é descrito por Morelli (2004).

2.2.3 Compensação de tempo e freqüência no uplink

No uplink, a estação radiobase necessitarestaurar a ortogonalidade entre os sinais. Umaalternativa é retornar o valor estimado aosterminais de forma que eles possam ajustar ossinais transmitidos.



Os algoritmos mais conhecidos para essa tarefasão: compensação de freqüência em esquemasub-banda (MORELLI; KUO; PUO, 2007),através de cancelamento da interferência(HUANG; LETAIEF, 2005) e através da detecçãomultiusuário linear (CAO et al., 2004).

2.3 Arquiteturas para QoSEntre as várias funcionalidades da camada deenlace descritas na Seção 1.3, a QoS é uma dasmais importantes. Para controlar a QoS, a tecnologia WiMAX móveldetermina cinco tipos de conexões: • UGS (Unsolicited Grant Service), que permite

suporte a taxa de dados constante, e.g., VoIP;• rtPS (Real-Time Polling Service), que permite

suporte a aplicações em tempo real, e.g.,videoconferência;

• nrtPS (Non-Real-Time Polling Service), quepermite suporte a aplicações que requeremmais do que Best Effort, e.g., aplicações debanco de dados;

• BE (Best Effort), que é o serviço comprioridade mais baixa, e.g., HTTP;

• ERT-VR (Extended Real-Time Variable RateService), também conhecido como ErtPS(Extended Real-Time Polling Service), quepermite suporte a aplicações em tempo realcom taxa de dados variável, e.g., VoIP comsupressão de silêncio.

Apesar de não definir o escalonador, a tecnologiaWiMAX define vários parâmetros ecaracterísticas que devem ser seguidos paraimplementar um escalonador eficiente. Entreesses parâmetros, destacamos: permitir a

alocação dinâmica de recursos em trêsdimensões, a saber, tempo (timeslots),freqüência (subportadoras) e espaço (diversasantenas); permitir a realimentação rápida dainformação da qualidade do canal para seleçãoda codificação; e permitir modulação apropriadapara cada alocação.A norma IEEE 802.16e também propõe omapeamento entre os mecanismos querequerem largura de banda e os tipos deconexões. Entretanto, não são especificadosvalores numéricos para os vários parâmetros aserem utilizados por este mecanismo demapeamento, como, por exemplo, a quantidadede largura de banda que deve ser reservada paraconexões UGS. No caso de conexões não-UGS,a norma não define os algoritmos deescalonamento.Várias arquiteturas para implementar omecanismo de QoS foram propostas naliteratura, tais como Delicado et al. (2006) e Alavi;Mojdeh; Yazdanji (2005). Entretanto, essas nãooferecem suporte a ERT-VR. A título deilustração, descreve-se na Figura 3, a seguir aarquitetura proposta (ALAVI; MOJDEH;YAZDANJI, 2005).Como a norma IEEE 802.16 é orientada aconexão, cada usuário envia uma requisição deestabelecimento de conexão à estaçãoradiobase. Essa requisição é analisada pelo CallAdmission Control e, se aceita, os Service FlowData Bases registram os atributos de QoS e osidentificadores para a conexão. Os pacotes sãoclassificados de acordo com seus identificadores,ao entrarem na camada de enlace, pelos

Figura 3 Exemplo de arquitetura de QoS (ALAVI; MOJDEH; YAZDANI, 2005)


Subscriberstation

Dow

nstr

eam

Downstream analyser

Servicespecification Total grant

Classifier

Dat

a

Uplink service

flow database

Shaper and policer

UGS rtPS nrtPS BEGrant

alocator

Request selector

Request generatorUpstream generator Upstream

Basestation

Upstream analyser

Bandwidth request

Connection establishment

request

Classifier

Dat

a

Shaper and policer

UGS rtPS nrtPS BE

Downlink scheduler

Downstream generator Downstream

Ups

trea

m

Call admission control

Downlink service

flow database

Uplink service

flow database

Polling manager

Uplink schedulerConnection

requests


Classifiers. Depois, são examinados de acordocom seus atributos pelo Traffic Shaper andPolicer na estação radiobase e no terminal deassinante.A transmissão de dados do terminal de assinantepara a estação radiobase é descrita a seguir:• o Polling Manager, na estação radiobase, é

responsável por inquirir cada terminal deassinante em intervalos específicos, deacordo com o mecanismo de polling definidona norma;

• um terminal de assinante que obteve aoportunidade de requisitar uma largura debanda através do mecanismo de polling estáapto a enviar um pedido de largura de bandade acordo com a sua QoS e comprimentosdas filas de conexão;

• o Uplink Scheduler, na estação radiobase,divide a largura de banda total do uplink entreas estações de assinantes de acordo com: ospedidos de largura de banda recebidos, osatributos de QoS de cada conexão dessasestações de assinantes e as decisões doPolling Manager. O resultado é então enviadopara cada terminal de assinante;

• o Grant Allocator, em cada terminal deassinante, divide a largura de banda totalrecebida entre as diversas conexões deacordo com suas características de QoS.

A transmissão de dados da estação radiobasepara o terminal de assinante é descrita a seguir:• o Downlink Scheduler, na estação radiobase,

distribui a largura de banda total do downlinkde acordo com as conexões definidas;

• o Downstream Generator, na estaçãoradiobase, envia os dados de cada conexãode downlink de acordo com a quantidadeespecificada pela saída do DownlinkScheduler. Esse módulo também éresponsável por enviar as mensagensgeradas no Uplink Scheduler.

A implementação eficiente de uma arquitetura deQoS é crítica para atingir a capacidade e o nívelde performance requeridos pela tecnologiaWiMAX.A Seção 2 apresentou alguns dos desafios aserem enfrentados pelos projetistas de chipsetspara WiMAX móvel. Porém, para todas ascaracterísticas apresentadas na Seção 1,existem desafios que precisam ser transpostos,tornando a tarefa de desenvolvimento do chipsetextremamente complexa.

Conclusão

As características singulares da norma IEEE802.16e complicam a tarefa de escolher asarquiteturas tanto para o rádio, quanto para acamada MAC e para a camada PHY. Algunsparâmetros essenciais que devem ser

considerados nessas escolhas foram discutidosneste artigo. Algumas alternativas paraimplementar uma solução para asfuncionalidades necessárias em WiMAX móveltambém foram apresentadas. A escolha de arquitetura afeta o custo einfluencia a performance da aplicação emdesenvolvimento. Em decorrência danecessidade de aumentar rapidamente o númerode usuários finais, o custo é um fator crítico.Entretanto, o projetista deve considerar que émuito importante que a performance não sejasacrificada em função das considerações decusto.Em resumo, o projetista do chipset para WiMAXprecisa utilizar uma metodologia de projeto que,desde a fase inicial, possibilite a estimativa doimpacto que as diversas decisões sobrearquitetura causam na performance e no custodo sistema. Essa metodologia também devepossibilitar que o produto chegue ao mercado emtempo competitivo.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Murilo Pessatti eRejane Telichevesky pela revisão detalhadadeste artigo.

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Abstract

Companies developing WiMAX chipsets must create and innovate in order to achieve performanceadvantages while maintaining compatibility with the standard. In addition, the chipset must have lowpower consumption to operate with batteries and small die area with high integration density in order todecrease costs. The chipset must be flexible so that the required performance can be reached in theseveral frequency bands in usage. Currently, there are still a lot of areas to innovate: alternativeimplementations for the MAC and physical layers, intelligent antennas, spectrum usage with frequencyreuse, and a configurable front-end. Therefore, this paper discusses several essential parameters thataffect performance, such as: transmitter EVM in a given power, receiver sensitivity, as well as channelestimation combined with link adaptation, among others, that allows the system to operate always withmaximum efficiency. This paper also presents some candidate architectures that the designer mustchoose to implement a WiMAX chipset.

Key words: Broadband wireless access. IEEE 802.16. WiMAX Mobile. MAC and Physical Layer. Radio.


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Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula– SAPSA

Projeto de para WiMAX móvel: desafios e oportunidades

Fabrício Lira Figueiredo, Luís Cláudio Palma Pereira

José Antonio Martins, Roberto Petry, Jadir Antônio da Silva, Luís Cláudio Palma Pereira

Luís Cláudio Palma Pereira, Jadir Antônio da Silva, José Antonio Martins, Fabrício Lira

Figueiredo

José Luiz Navarro Frauendorf

Pedro Eduardo de Oliveira Macedo, Carlos Henrique Rodrigues de Oliveira

Danilo Yoshio Suiama, Emilio Tissato Nakamura, Helen Mary Murphy Peres Teixeira, Sérgio Luís

Ribeiro

Gustavo Fraidenraich, Paulo Cardieri, Michel Daoud Yacoub

Maria Salete Sartorio Loural, Hugo Cesar Crohare Lavalle, Dagberto de Proença Magalhães,

Vicente De Angelis Junior

Julio Leão da Silva Jr., Edelweis Helena Garcez Ritt, Laurent Courcelle

chipset

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