Redes 3G: Alternativa Femto-célula De forma bastante simplificada Femto-células são células que possuem funcionalidades semelhantes às de uma macro-célula das redes celulares, porém com alcance e capacidade de tráfego bastante limitados, em geral a apenas alguns metros de raio e 2 a 4 usuários simultâneos de voz. Originalmente as Femto-células foram planejadas para serem instaladas diretamente na residência dos clientes, já que em geral 60% dos usuários de telefone celular o utilizam em ambientes cobertos (interiores de edifícios), onde a cobertura em geral do serviço é mais deficiente. Atualmente existem modelos de Femto-células com capacidade um pouco maior, destinadas a serem instaladas em pequenas empresas. A Femto-célula permite a convergência fixo-móvel (FMC), já que utiliza o acesso banda larga fixo para interconectar e prover serviço móvel celular no interior da residência.

Figura 1: Conceito de Femto-célula

Fonte: www.femtoforum.org/fem2/about-femtocells.php

Figura 2: Arquitetura de Femto-célula conforme discutido dentro do 3GPP

Fonte: www.gsm.org/documents/fcg0310.pdf Nota:

UE – User Equipment. É o terminal do assinante. HNB – Home NodeB. É Femto-célula HNB-GW – HNB Gateway, interconecta as Femto-células com o CORE da rede da operadora celular. HNB Mgm System, sistema de gerência das Femto-células Iuh – Interface proposta pelo 3GPP entre a Femto-célula e o HNB-GW. Note que esta interface

atravessa o modem banda larga da residência, a rede do ISP (Internet Service Provider) e eventualmente a internet caso o ISP não possua interconexão com a Operadora Celular.

Vantagens da Femto-célula:

Utilizam as frequências licenciadas destinadas à telefonia celular. Assim sendo, a operadora tem em teoria controle sobre o uso do espectro.

São esteticamente atraentes, semelhantes a roteadores de redes sem fio (Wireless LAN) destinados a residências.

Proporcionam redução de custos de Opex para a operadora já que o custo de backhaul é pago pelo usuário (conexão de banda larga da residência).

Serviços fixo e móvel integrados pelas operadoras (serviço 3G com banda larga fixa). Diminui o churn na medida em que melhora a cobertura do serviço 3G no interior das residências. Como

a Femto-célula suporta 2 a 4 usuários (8 a 16 no modelo corporativo) simultâneos, melhora o serviço para vários membros da família que utilizam celulares da mesma operadora.

Pode ou não possuir modem banda larga (cable-modem ou ADSL), além de radio 802.11 WLAN. Pode-se oferecer tarifas diferenciadas de serviço quando o usuário utilizar o telefone celular dentro de

sua residência (acessando a Femto-célula) ou a rede celular convencional. Desvantagens da Femto-célula:

o Há pontos obscuros quanto à regulamentação por parte da Anatel: deverá homologar a Femto-célula como ERB ou como CPE (Customer Premisses Equipment)?

o Podem haver interferências entre Femto-células de apartamentos próximos e vizinhos. o Cobertura limitada em construções com áreas grandes e muitas paredes o Questões de handover e roaming de rede. Por exemplo, se um visitante chega em uma

residência com Femto-célula, ele poderá ou não acessar o serviço celular por ela? o A velocidade dos serviços de dados será limitada pelo número de usuários simultâneos na

Femto-célula e pelo serviço de banda larga contratada pelo usuário para a residência. o Somente permitir a conexão de terminais celulares. As Femto-células que possuem rádio WLAN

integrado poderão permitir um leque ainda maior de terminais a serem conectados. o Preço da tecnologia: enquanto não ganha escala, a Femto-célula possui um custo alto por

usuário. Além disso, ela necessita de uma arquitetura de rede que se sobrepõe e se integra à arquitetura da rede celular. No entanto, a escala só é viável quando se tem dezenas de milhares de Femto-células concentradas em uma determinada cidade ou região.

o Modelo de negócios: ainda não está claro. O usuário terá que pagar pela Femto-célula? o A penetração e escala do uso de Femto-células é dependente da penetração do serviço de

banda larga nas residências, assim como o número de usuários pós-pago, o principal alvo desta tecnologia.

o Complexidade de arquitetura. O tráfego do usuário deve atravessar a rede do ISP de banda larga, chegar ao Gateway HNB e atravessar o CORE da operadora celular.

o Como a Femto-célula somente possui uma portadora, ela naturalmente não suporta compartilhamento de infraestrutura entre múltiplas operadoras celulares, bem como modelo MVNO.

Redes 3G: Alternativa Wireless LAN 802.11 A tecnologia WLAN 802.11 utiliza frequências não licenciadas nas faixas de 2.4 e 5GHz e apresentam uma evolução considerável nos últimos 10 anos, tanto em confiabilidade, velocidade de transmissão, arquitetura de rede (com controladoras de pontos de acesso) centralizada e segurança. O usuário está familiarizado com o uso da tecnologia e praticamente todos os bens de consumo hoje já saem com interface WLAN (smartphones, netbooks e notebooks, tablets, consoles de videogames e até os televisores). Tradicionalmente as operadoras celulares ignoraram a tecnologia WLAN porque esta era vista como insegura, de uso pouco profissional, pouco confiável, carente de uma série de funcionalidades requeridas pelas tecnologias celulares e utilizando espectro não licenciado, sem controle. No entanto, várias destas características hoje foram contornadas e corrigidas. A mobilidade na rede WLAN existe, a segurança evoluiu significativamente e existem ferramentas para se manejar as limitações com o espectro. O custo por Mbit torna ainda a tecnologia extremamente competitiva e atraente. Vantagens do WLAN / 3G:

Usuário está familiarizado com a tecnologia Preço atraente. Custo do Access Point WiFi é menor que o custo de uma Femto-célula. O core de rede

necessário para Femto-célula também é mais complexo e caro do que o requerido para WiFi. Os Access Points padrão 802.11n suportam hoje até 300 Mbit/s agregado, sendo que até 600 Mbit/s é

possível de acordo com o padrão, o que é superior as células 3G e mesmo LTE. Amplo espectro disponível para ser utilizado nas faixas de 2.4 e 5GHz. Permite a mesma infraestrutura ser compartilhada por várias operadoras (múltiplos SSIDs no mesmo

Access Point) Implementações de Access Point com Controladoras permite implantações de WiFi com maior

visibilidade da rede por parte da operadora, melhor segurança, mobilidade e escalabilidade. Pode suportar autenticação por EAP-SIM ou EAP-AKA, acessando os mesmos sistemas HLR/VLR das

operadoras celulares. Variedade de terminais dual-mode Celular / WiFi Permite diferentes modelos de negócios, telcos com infraestrutura WiFi própria, acordos de

compartilhamento/uso de redes privadas (exemplo, cadeia de lojas/restaurantes, etc.) e hot-spots, projetos específicos como Estádios de Futebol e Arena de Esportes (fundamentais para os eventos esportivos de 2014 e 2016 no Brasil), etc.

Desvantagens do WLAN / 3G:

Frequências não licenciadas são difíceis de serem gerenciadas. Há grande quantidade de fontes de interferência, principalmente na faixa de 2.4GHz, a mais popular para WLAN.

A configuração dos terminais celulares para uso de WiFi ainda é complicada para o usuário comum. Insegurança de redes abertas. Mobilidade 3G – WiFi de forma transparente para o usuário em serviços de dados. Consumo de bateria de terminais dual-mode com 2 interfaces de rádio ativas: 3G e WiFi. Integração da rede 3G e WiFi, para bilhetagem, autenticação, acesso internet, visibilidade do usuário

pela operadora, etc. Como implementar o WiFi para permitir o 3G Offload? Várias alternativas são possíveis. TAL - Transparent Auto Login (Login automático transparente) Na primeira vez que o usuário acessa o serviço ele é desviado para um portal, onde deve entrar com as credenciais (login/senha) que recebeu ou adquiriu da operadora. As credenciais podem ser obtidas de várias formas, tais como utilizar dados da conta do serviço celular, cadastro em site, adquirir cartões pré/pós pagos pelo serviço, receber por SMS via celular, etc. Neste primeiro acesso, um Banco de Dados associa o Endereço MAC do dispositivo do usuário aos seus dados de acesso. O Endereço MAC pode ser armazenado por tempo determinado. Os próximos acessos da rede são feitos através da autenticação pela conferência do Endereço MAC do terminal utilizado pelo usuário com o Endereço previamente armazenado. Esta modalidade torna o acesso mais cômodo para o usuário, porém só é válido se o usuário utilizar o mesmo terminal em todas as conexões. Além disso, o controle de acesso a rede pelo endereço MAC não é uma forma segura de acesso. O endereço MAC é facilmente descoberto por softwares sniffer e clonado, o que poderá ocorrer com freqüência, principalmente se o serviço WLAN for pago. Não há integração de fato com a rede celular.

WISPr 1.0 Wireless Internet Service Provider Roaming é uma proposta de protocolo submetida ao WiFi Alliance (órgão de certificação de interoperabilidade de dispositivos 802.11, mas que abandonou a proposta algum tempo depois) e atualmente fomentada pelo WBA – Wireless Broadband Alliance, para permitir que usuários utilizem redes de diferentes ISPs, de maneira semelhante aquela em que um usuário celular ganha acesso em outras redes celulares. A versão 1.0, de 2003 e largamente utilizada, descreve as melhores práticas, de configuração e operação técnica de ISPs e AAA e para permitir o roaming do usuário. Um servidor RADIUS é utilizado na autenticação das credenciais do usuário, sendo que assim que o usuário abre o Browser ele é desviado para um Captive Portal para entrar com as credenciais onde poderá ganhar acesso à rede. Este método é também conhecido como Universal Access Method. Como este método é utilizado por WISPs, o mais provável é que a operadora celular faça acordos de roaming ou compartilhe a infraestrutura do WISP para permitir que seus usuários acessem os hot-spots deste WISP. Este é o caso da operadora VEX no Brasil que oferece acordo com várias das operadoras celulares no país. O tráfego do usuário pode cursar do Access Point diretamente para a Internet (ou da infraestrutura do WISP) ou ser desviado para o CORE da operadora celular, caso seja necessário acessar serviços específicos da mesma. Não há integração real com a rede celular.

Figura 3: Visão Geral do WISPr 1.0

Fonte: Documento “Best Current Practices for 5 Wireless Internet Service Provider (WISP) Roaming”, WiFi Alliance, Fevereiro de 2003

WISPr 2.0 Elaborado pela Wireless Broadband Alliance, é uma evolução do WISPR 1.0 com os primeiros testes já acontecendo em meados de 2010. A versão 2.0 apresenta uma série de melhorias sobre a versão anterior, mantendo-se compatibilidade com a mesma. Entre as principais melhorias está o suporte a autenticação EAP, inclusive EAP-SIM, que permite a utilização do mesmo banco de dados utilizado pela operadora celular (HLR/VLR) para autenticar os seus usuários na rede WLAN. Para que este tipo de autenticação possa ocorrer, alguns itens devem ser observados. A infraestrutura WLAN bem como o terminal cliente devem ser capazes de realizar autenticação EAP-SIM. Além disso, o AAA da rede WLAN deve repassar as solicitações EAP para o HLR/VLR da operadora celular e para isso um gateway deve ser utilizado. Outro ponto de atenção é que a rede WLAN utiliza naturalmente o protocolo TCP/IP, enquanto muitos HLRs ainda operam sob protocolo SS7 e uma conversão de protocolos se faz necessária. Apesar de a autenticação do usuário celular sem o uso de login/senha, mas com os próprios dados do SIM-CARD GSM/3G ser um fator extremamente importante para a operadora celular, a configuração da interface WLAN dos smartphones para cada SSID, de hot-spot ou da operadora com EAP-SIM, não é uma tarefa fácil para o usuário comum. Este ponto é um limitador do uso massivo desta tecnologia. 802.11u É uma extensão do padrão 802.11 2007 com o intuito de melhorar o funcionamento de uma WLAN com redes externas e foi publicada em Fevereiro de 2011. Demonstrações públicas da tecnologia ocorreram no evento Mobile World Congress em Barcelona na mesma época (um vídeo de demonstração pode ser assistido no site do youtube em http://www.youtube.com/watch?v=f1C-3W4duck). Tanto o terminal do cliente quanto a infraestrutura WLAN devem ser atualizadas para suportar este protocolo.

Em áreas urbanas é comum um cliente WLAN fazer a varredura das frequências WLAN e encontrar dezenas ou até centenas de SSIDs. Isso pode tornar a decisão de qual SSID se associar difícil para o usuário, além de exigir o consumo de tempo e bateria do dispositivo, item crítico quando se trata de terminais pequenos como os Smartphones. O padrão 802.11u permite a seleção automática do SSID correto, sem intervenção do usuário, permitindo o uso do smartphones em hotspots wifi de maneira tão fácil quanto em redes 3G. O terminal do cliente periodicamente realiza uma varredura nas frequências de WLAN para identificar a rede na qual ele pode se associar. Com o 80.11u, o cliente pode seletivamente varrer o tipo de rede desejado. Com o 802.11u, bits específicos são configurados nas mensagens de probe request que alertam o Access Point para o tipo de rede WLAN o cliente está procurando. Da mesma forma, bits específicos podem ser configurados no beacon transmitido pelo Access Point de modo a informar ao cliente diferentes informações tais como tipo de rede (se é uma rede privada, uma rede pública aberta ou uma rede pública fechada), se existe um consórcio de roaming e informação local. Dois protocolos auxiliares são utilizados no processo. Se o terminal do cliente não reconhece o SSID como um SSID válido, ele utiliza o protocolo GAS – Generic Advertisment Service (Serviço de Anuncio Genérico, que fornece transporte em camada 2 de quadros de anúncio entre o dispositivo do cliente e um servidor antes da autenticação) para colocar uma requisição usando o protocolo ANQP – Access Network Query Protocol (Protocolo de Interrogação de Acesso) para cada um dos SSIDs descobertos. Os Access Points envolvidos respondem com as informações de nome de domínio da operadora, parceiros de roaming acessíveis via hot-spot, tipo de credencial e método EAP suportado para autenticação, disponibilidade de tipo de endereço IP (Ipv4 ou Ipv6) e outros dados úteis para o processo de seleção de rede pelo terminal móvel. O terminal móvel então compara as informações recebidas com dados previamente armazenados nele (em geral configurados pela operadora antes da aquisição do smartphone ou efetuado upgrade remotamente pela operadora) de modo a fazer um ranking dos SSIDs e assim selecionar a rede (SSID) com nível de preferência mais alto e inicia o processo de autenticação com a mesma. O protocolo 802.11u é uma enorme contribuição para a integração de redes 3G e WiFi, facilitando o a identificação dos Hot-spots que pertencem à operadora ou possuem acordo de roaming com a mesma, realizando esse processo de forma automatizada, sem a intervenção do usuário, que deverá dar um novo impulso ao 3G offload via redes WLAN. Hotspot 2.0: É uma força-tarefa liderada pela empresa Cisco e que reúne algumas das melhores práticas e protocolos abertos mencionados anteriormente, em uma solução para melhorar ainda mais a experiência do usuário de Smartphones com redes WiFi para desafogar tráfego de redes 3G. A certificação de produtos pelo WiFi Alliance para Hotspot 2.0 é esperado para o primeiro semestre de 2012. O Hotspot 2.0 reúne o protocolo 802.11u, a segurança WPA2-Enterprise que utiliza criptografia segura para os tráfegos em redes WiFi e autenticação EAP (EAP-SIM, EAP-AKA (USIM-3G), EAP-TLS e EAP-FAST). Além da evolução nos processos de identificação automática de rede que permite roaming da operadora celular, da melhor segurança com uso de criptografia confiável e de métodos de autenticação que realmente integram com os mesmos sistemas de autenticação já utilizados pelas redes celulares (EAP-SIM/EAP-AKA), o Hot-spot 2.0 ainda introduz funcionalidades que permitem novos serviços e aumento de receitas por parte da operadora, com o protocolo MSAP – Mobility Services Advertisement Protocol. Este protocolo é transportado via o GAS do 802.11u e é utilizado para descobrir e habilitar usuários a serviços locais. Por exemplo, em um estádio de futebol, os usuários associados e autenticados a um Access Point do estádio, terão temporariamente um ícone instalado no menu ou tela do terminal com link para um portal de informações sobre o clube de futebol, sobre o jogo, com replay de lances, informações de localização no estádio, propaganda, promoções de produtos com a marca do clube, etc.

Redes 3G: Considerações finais Para um usuário leigo, se o celular está cursando tráfego de dados pela rede 3G ou pela rede WiFi é indiferente. Já para um usuário familiarizado com a tecnologia, em geral tenderá a utilizar dados via redes WiFi, quando disponível, principalmente se o custo for zero ou próximo desse valor. Assim, o importante é que o terminal esteja conectado seja rede 3G ou WiFi, ao menor custo, de forma simples para o usuário. A Femto-célula é uma forma de melhorar a cobertura de redes celulares onde a penetração do serviço tende a ser mais deficitária, principalmente nas áreas urbanas e onde o usuário mais tempo utiliza o aparelho celular. Em sua residência ou na empresa onde trabalha. Dada a utilização de redes WLAN em praticamente todos os lugares, sejam hotspots de franquias, shopping-centers, empresas e praticamente qualquer lugar, é uma tecnologia que as operadoras celulares devem prestar atenção. As recentes melhorias e avanços de protocolos tais como o WISPr 2.0, o 802.11u e o mais recente Hotspot 2.0 tornam a experiência do usuário simples, a seleção do serviço WLAN automática, segura e confiável, o que deve alavancar a sinergia entre WLAN e 3G/LTE. As operadoras que durante anos não deram a devida atenção para o WLAN devem começar já a investir nesta tecnologia, seja com rede própria ou roaming com WISPs e Hotspots privados, de forma a estar preparada para quando os Smartphones suportarem 802.11u e Hotspot 2.0, o que deve ocorrer a partir do início de 2012.

Assim, as operadoras celulares podem decidir utilizar todas as tecnologias a seu alcance para melhorar a experiência do usuário, seja dentro de sua casa com Femto-células, seja em um estádio de futebol com o WiFi, por exemplo. Referências SVERZUT, J. U. Redes GSM, GPRS, EDGE e UMTS - Evolução a Caminho da Quarta Geração (4G) . Editora Érica, 3a Edição Revisada e Atualizada. COLEMAN, D. D.; WESTCOTT, D. A.CWNA – Certified Wireless Network Administrator – Official Study Guide. SYBEX, 2009. http://www.gsm.org/documents/fcg0310.pdf Acessado em 19/08/2011 às 21:10hs http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns524/ns673/white_paper_c11-649337.pdf http://www.wballiance.net/component/files/request.html?files=774c7e5c8c4dba1a00e22dad02c429543b5debc2 Acessado em 20/08/2011 às 20:06hs

http://www.youtube.com/watch?v=f1C-3W4duck Acessado em 20/08/2011 às 20:51hs Diversos Tutoriais disponíveis no site Teleco: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialhsdpad/Default.asp Acessado em 16/06/2011 às 21:00hs http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialhsdpacb/Default.asp Acessado em 16/06/2011 às 21:00hs http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialhspaplus/Default.asp Acessado em 16/06/2011 às 21:00hs http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialhspamais/Default.asp Acessado em 16/06/2011 às 21:00hs http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutoriallte/Default.asp Acessado em 16/06/2011 às 21:00hs http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialtrafdados/Default.asp Acessado em 16/06/2011 às 21:00hs http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialwcdma3g/Default.asp Acessado em 16/06/2011 às 21:15hs http://www.femtoforum.org/fem2/about-femtocells.php Acessado em 16/06/2011 às 22:00hs http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialredeswlanII/Default.asp Acessado em 16/06/2011 às 22:00hs http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialwlan/Default.asp Acessado em 16/06/2011 às 22:00hs http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialwmn/Default.asp Acessado em 16/06/2011 às 22:00hs