UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA

REDES METROPOLITANAS SEM FIO:

APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA WI-MAX

Paulo Lourinho

2006

UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA – UNAMA

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA, PÓS-GRADUAÇÃO E EXTENSÃO

CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM REDES DE COMPUTADORES

REDES METROPOLITANAS SEM FIO:

APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA WI-MAX

Paulo Roberto Lourinho dos Santos

Monografia apresentada ao

Departamento de Pós-graduação da

Universidade da Amazônia, como

quesito parcial a obtenção do título de

Especialista em Redes de computadores.

Belém-Pa

março de 2006

PAULO ROBERTO LOURINHO DOS SANTOS

REDES METROPOLITANAS SEM FIO:

APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA WI-MAX

Monografia aprovada como

exigência parcial para a obtenção do

título de especialista em redes de

computadores à comissão julgadora da

Universidade da Amazônia.

Estudante:

Data da provação:

Comissão Julgadora:

DEDICATÓRIA

Para Isabela: Filha, perdoe a minha ausência

AGRADECIMENTOS

Ao Mestre JORGE

BECHARA, pelos conselhos breves, mas

significativos para a conclusão desta

tarefa.

“Os teimosos são os

sublimes. Quem é apenas bravo tem

um só assomo, quem é apenas valente

tem só um temperamento, quem é

apenas corajoso tem só uma virtude; o

obstinado, na verdade, tem a

grandeza.”

Victor Hugo

in “Os trabalhadores do mar”

SUMÁRIO

2.1 Modulação Complexa.................................................................................20

2.2 Modulação Adaptativa.................................................................................26

3.1 Redes Pessoais Sem Fio ..............................................................................35

3.2 Redes Locais Sem Fio..................................................................................36

3.3 Redes de Longo Acance Sem Fio................................................................36

3.3.1 Padrão 802.16 (WiMAX)..........................................................................36

3.3.2 Padrão 802.20 (Mobile-fi).........................................................................37

4.1 A Camada Física..........................................................................................47

4.1.1 Duplexação dos Canais de Dados.............................................................49

4.1.2 Circuitos LOS X NLOS............................................................................51

4.1.2.1 Circuitos LOS.........................................................................................51

4.1.2.2 Circuitos NLOS......................................................................................52

4.2. A camada de Enlace....................................................................................57

4.2.1 Protocolo de Acesso ao Meio....................................................................57

4.2.2. Estabelecendo Conexões no 802.16........................................................58

6 ARQUITETURA DE SEGURANÇA.............................................................61

6.1 Associações de Segurança............................................................................61

6.2 Certificação X.509.......................................................................................62

6.3 Autorização PKM (Privacy and Key Management)....................................63

6.4 Gerenciamento de Chave de Privacidade.....................................................64

6.5. Confidencialidade e Integridade.................................................................64

6.6 Ameaças e Vulnerabilidades........................................................................65

7.1 Freqüências de Uso no Brasil.......................................................................67

9.1 Antenas Utilizadas em Wi-Fi.......................................................................72

10.1 OFDM e OFDMA.....................................................................................76

10.2 Handoff e Roaming....................................................................................77

10.3 IEEE 802.16-2004 x IEEE 802.16e...........................................................77

10.4 Trajetos de Migração Para o 802.16e.........................................................80

11.1. Os pré-padrões .........................................................................................82

11.2. Aplicações do WiMAX.............................................................................84

11.3. Certificação Wi-MAX...............................................................................85

RESUMO

A comunicação sem fio permite uma vasta gama de possibilidades para instalação de sistemas de telecomunicações. Assim como a telefonia celular foi um salto evolutivo na telefonia, as redes sem fio (wireless) serão um salto na comunicação de dados.

Já é possível hoje encontrar aplicações baseadas em rádio. Em poucos anos, contudo, mais de um padrão para redes sem fio estará disponível no mercado. Alguns limitados a poucos metros (WPAN), outros no âmbito de redes locais (WLAN) e haverá ainda as redes metropolitanas (WMAN) e as redes de longa distância sem fio (WWAN). Obviamente que na prática, haverá sobreposições entre esses padrões, mas à risca, cada qual tem sua abrangência bem determinada.

No escopo deste trabalho, será estudado o padrão IEEE 802.16, definido tecnicamente como WMAN, e seus principais sub-padrões, conhecidos comercialmente como WiMAX, uma tecnologia que suporta acesso fixo, nomâdico, portável e móvel.

Funcionando numa topologia semelhante à de uma malha de telefonia celular, este padrão apresenta uma série de características que o colocam como forte candidato a ser o padrão de facto para as redes sem fio em alguns anos. Dentre as características mais destacáveis estão: esquema de modulação em OFDM, OFDMA e S-OFDMA, cujas definições permitem througput elevado e modulação adaptativa de acordo com a distância do ponto de acesso às estações base, resultando em pontos com canais de melhor qualidade, garantindo rendimentos elevados na transferência do sinal, enquanto canais menos favorecidos não perdem a conexão mesmo transmitindo a taxas de dados menores.

Outras características são: a qualidade de serviço, que determina prioridades no sistema; a segurança intrínseca através da criptografia de dados, além do acesso com ou sem linha de visada dentro do intervalo de freqüência de 2 a 66 GHz. Todas indispensáveis para o acesso sem fio a longa distância.

Para garantir as propriedades do padrão, são redefinidas somente subcamadas física e MAC, correspondentes às camadas 1 e 2 do modelo de referência OSI da ISO, conseguindo assim obter transparência na conexão com os sistemas de comunicação de dados baseados em TCP/IP. Isto denota que esta tecnologia terá um grande potencial para permitir a convergência dos sistemas das mais diversas origens, tais como redes locais ethernet com telefonia celular, por exemplo.

Diante destas definições inerentes à tecnologia, o protocolo 802.16 deverá tornar-se o padrão de mercado, com dois sub-padrões principais: o 802.16-2004 para acesso fixo e nomâdico e o 802.16e para acesso portável e móvel.

Algumas soluções proprietárias baseadas nas definições do protocolo 802.16 já são encontradas, e estão sendo aplicadas em substituição à instalação de redes wi-fi (implementações do protocolo 802.11 para redes locais sem fio) hoje utilizadas no mercado, com grandes vantagens em relação a esta tecnologia. Entretanto se fazem necessários ainda os testes de conformidade e interoperabilidade, cujo objetivo é disponibilizar para o mercado, uma série de equipamentos que atendam aos requisitos da tecnologia e sejam compatíveis entre si, o que permitirá que o usuário não fique dependente de um fornecedor, e ainda fomentará a expansão da tecnologia WiMAX.

ABSTRACT

The communication wireless allows the vast screeches of possibilities goes installation of systems of telecommunications. The well the cellular telephony it was an evolutionary jump in the telephony, the wireless networks they will be the jump in the data communications.

Today is already possible to find based applications in radiate. In few years, however, live than the pattern goes wireless networks will be available in the market. It adds limited the few meters (WPAN), other in the extent of local area networks (WLAN) and there will still be the metropolitan area networks (WMAN) and the networks of long distance wireless (WWAN). Obviously that in practice, there will be overlap among those patterns; but, precisely, each one has their very certain inclusion.

In the mark of this work, it will be studied the pattern IEEE 802.16, defined technically WMAN, and their main sub-patterns, known commercially WiMAX, the technology that supports fixed access, nomadic, portable and piece of furniture.

Working in the topology similar to the one of the mesh of cellular telephony, this pattern presents serializes her of characteristics that you put him the fort runs goes office the being the facto pattern goes the nets without thread in adds years. Among the most prominent characteristics they plows: modulation outline in OFDM, OFDMA and S-OFDMA, whose definitions allow high throughput, adaptative modulation in agreement with the distance of the access point to the stations base, resulting in points with channels of better quality, guaranteeing high incomes in the transfer of the sign, while less favored channels don't lose the connection even transmitting to rate of smaller date.

Others characteristics plows: the service quality that determines priorities in the system; the intrinsic safety through the date encryption, besides the access with or without stamped line inside of the frequency interval from 2 to 66 GHz. All, indispensable goes the access without thread the long distance.

To guarantee the properties of the pattern, they plows redefined only physicals sublevels and MAC, corresponding to the layers 1 and 2 of the reference model OSI of ISO, getting like this to obtain transparency in the connection with the communications systems of based date in TCP/IP. This denotes that this technology will have the great potential to allow the convergence of the systems of the most several origins, such the place area networks Ethernet with cellular telephony, it goes instance.

Due to these inherent definitions to the technology, the protocol 802.16 should become the market pattern, with two main sub-patterns: the 802.16-2004 goes fixed access and nomadic and the 802.16e goes portable and movable access.

It adds solutions based landladies in the definitions of the protocol 802.16 plows already found and they plows being applied in substitution to the installation of wi-fi networks (implementations of the protocol 802.11 goes Wireless LAN), today used attn the market, with great advantages in relation to this technology. However they plows done necessary still the conformity tests and interoperability, whose objective is to make available goes the market, serialize her of equipments that they assist to the requirements of the technology and that they plows compatible amongst themselves, what will allow the user not to be dependent of the supplier, and it will still foment the expansion of the technology WiMAX.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1.1 – LINHAS DE FORÇA DE UMA ONDA ELETROMAGNÉTICA

(OLEXA, 2005)........................................................................................................................18

FIGURA 1.2 – ELEMENTOS FUNDAMENTAIS DA ONDA (OLEXA, 2005)19

FIGURA 1.3 – GRÁFICO DA MODULAÇÃO DE UM SINAL DIGITAL

SOBRE UMA PORTADORA ANALÓGICA COM ASK, FSK E PSK (SOARES, LEMOS,

COLCHER 1995)......................................................................................................................20

FIGURA 1.4 – MODULAÇÃO BPSK (OLEXA, 2005).......................................22

FIGURA 1.5 – MODULAÇÃO QPSK (OLEXA, 2005)......................................23

FIGURA 1.6 – MODULAÇÃO QAM (OLEXA,2005)........................................24

FIGURA 1.8 – DIAGRAMA DE COMPARAÇÃO DE MODULAÇÕES

(OLEXA, 2005)........................................................................................................................25

FIGURA 1.9 – MULTIPLEXAÇÃO NA FREQÜÊNCIA (FDM) (SOARES,

LEMOS, COLCHER, 1995).....................................................................................................28

FIGURA 1.10 – ILUSTRAÇÃO DE UM ESPECTRO DE TRÊS PORTADORAS

OFDM (OLEXA, 2005)............................................................................................................29

FIGURA 1.11 – SINAL DE PORTADORA ÚNICA E OFDM (WIMAX FORUM

[3]) 30

FIGURA 1.12 – SINAIS RECEBIDOS EM PORTADORA ÚNICA E OFDM

(WIMAX FORUM [3]).............................................................................................................31

FIGURA 1.13 – CANAL COM PORTADORA OFDM: TODAS AS

SUBPORTADORAS POSSUEM A MESMA AMPLITUDE (WIMAX FORUM, 2005)......32

FIGURA 1.14 – CANAL COM PORTADORA OFDMA: UM PILOTO POR

GRUPO (WIMAX FORUM, 2005)..........................................................................................32

FIGURA 1.15 – UPLINK EM OFDM E OFDMA (WIMAX FORUM 2005).....33

FIGURA 2.1 – ABRANGÊNCIA DOS PADRÕES DE REDES SEM FIO

(INTEL[3])................................................................................................................................38

FIGURA 2.2 – COMPARAÇÃO ALCANCE X VELOCIDADE X

MOBILIDADE DOS PADRÕES DE COMUNICAÇÃO NÃO CABEADOS.......................38

FIGURA 3.1 - ARQUITETURA 802.16 (INTEL [3])..........................................43

FIGURA 3.2 – TOPOLOGIA EM MESH (INTEL [1])........................................44

FIGURA 3.3 – INTERCONEXÇÃO DE SISTEMAS COM WIMAX (INTEL [1])

46

FIGURA 3.4- PILHA DE PROTOCOLOS 802.16...............................................47

FIGURA 3.5 - DIVISÃO DO ESPAÇO DE TRANSMISSÃO NO PADRÃO

802.16 (INTEL)........................................................................................................................48

FIGURA 3.6 - DIVISÃO DOS QUADROS PARA DUPLEXAÇÃO POR

DIVISÃO DE TEMPO.............................................................................................................50

FIGURA 3.7 - DUPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE FREQÜÊNCIA.................50

FIGURA 3.8 – CIRCUITO COM LINHA DE VISADA E ZONA DE

LIBERAÇÃO DEFRESNEL (WIMAX FORUM [3] )............................................................52

FIGURA 3.9 - PROPAGAÇÃO SEM LINHA DE VISADA...............................53

FIGURA 3.10 - OS EFEITOS DA SUBCANALIZAÇÃO (WIMAX FORUM

[3] ) 55

FIGURA 3.11 – ANTENAS DIRECIONAIS PARA LEVAR O ALCANCE ATÉ

A ÚLTIMA MILHA EM REDES WI-FI PONTO A PONTO (INTEL [1])............................72

FIGURA 3.12 – AUMENTO DO ALCANCE DE REDE WI-FI UTILIZANDO

TOPOLOGIA EM MESH (INTEL [1])....................................................................................73

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 – Relação entre banda e freqüência com comprimento de onda 2

1Tabela 3.1 – Diferenças entre os padrões IEEE 802.11 e IEEE 802.16 7

6Tabela 3.2 – Tipos de acesso para redes WiMAX 7

7

LISTA DE ABREVIATURAS

3G : Tecnologias de telefonia celular de terceira geraçãoADS : Assymmetric Digital Subscriber LineAES : Advanced Encryption StandardBPSK : Binary Phase Shifit KeyingBRAN : Broadband Radio Access NetworkBWA : Broadband Wireless AccessCA : Autoridade CertificadoraCCMP : Counter Mode With Cipher Block Chaining Message Authentication ProtocolCDMA : Code-Division Multiple AccessCP : Cyclic PrefixCPE : Customer Premisses EquipmentCSMA/CA : Carrier Sense Multiple Access with Colision AvoidanceDAMA : Demand Assigned Multiple AccessD-AMPS : Digital-Advanced Mobile Phone ServiceDES-CBC : Data Encryption Standard - Cipher Block ChainingDoS : Denial of ServiceDSL : Digital Subscriber LineDSSS : Direct Sequence Spread SpectrumEB : Estação-BaseETRI : Eletronics ad Telecomunications Research InstituteETSI : European Telecomunications Standards InstituteFDD : Frequency Division DuplexingFDM : Frequency Division MultiplexingFFT : Fast Fourrier TransformGMRS : General Móbile Radio ServiceGSM : Global System for Mobile CommunicationsID : IdentificationIEEE : Institute of Eletrical and Eletronic EngineersIP : Internet ProtocolIpv6 : IP versão 6ISI : Inter-Simbol InterferenceISO : International Standard OrganizationITU-T : International Telecomunications Union – Telecomunication Standarization

SectorLOS : Line of SightMAC : Medium Access ControlMIMO : Multiple Input Multiple OutputNIST : National Institute of Standards and Tecnology

NLOS : Non Line of SightOFDM : Orthogonal Frequency Division DuplexingOFDMA : Orthogonal Frequency Division Multiple AccessOSI : Open System InterconectPDU : Protocol Data UnitPKM : Privace Key ManagementQAM : Quadrature Amplitude ModulationQoS : Qualy of ServiceQPSK : Quadrature Phase Shifit KeyingRF : Rádio FreqüênciaRSA : Rivest and Shamir AlgorithmSDU : Service Data UnitSHA : Secure Hash AlgorithmSLA : Service Level AgreementsSME : Small/Medium EnterpriseS-OFDMA : Scalable- Orthogonal Frequency Division Multiple AccessSOHO : Small Office/ Home OfficeTDD : Time Division DuplexingTDMA : Time Division Multiple AccessTLS : Transport Layer SecurityTTL : Time To LiveUWB : Ultra Wide BandVoIP : Voice over IPWi-Fi : Wireless FidelityWiMAX : Wireless interoperability for Microwave Access WISP : Wireless Internet Service ProviderWLAN : Wireless Local Area NetworkWMAN : Wireless Metropolitan Area NetworkWPAN : Wireless Personal Area NetworkWWAN : Wiereless Wide Area Network

16

INTRODUÇÃO

A comunicação sem fio apresenta-se, quase sempre, como uma evolução aos

sistemas de comunicação sedimentados. Bons exemplos dessas evoluções são o telégrafo sem

fio e a telefonia celular, ambos utilizando ondas de rádio para transmitir informação que num

estado anterior utilizavam cabos para esse fim.

Com as redes de computadores não está sendo diferente: O próximo estágio da

comunicação em sistemas de informação é a utilização de enlaces não cabeados. Redes de

alcance limitado, como redes pessoais e redes locais, já são hoje uma realidade na vida de

muitas pessoas. Os obstáculos tecnológicos, entretanto, ainda existem para a comunicação

sem fio em redes de longo alcance, pois a persistência, confiabilidade e segurança do sinal de

dados são bem mais complexos para as redes de longa distância.

Para atender estes aspectos, surgem os padrões conhecidos como WMAN

(Wireless Metropolitan Area Network – Redes metropolitanas sem fio) e WWAN ( Wireless

Wide Area Network – Redes de longo alcance sem fio) que se apresentam como propostas

com soluções efetivas para a comunicação de dados sem fio em longo alcance.

Em regiões onde a implantação de sistemas cabeados não é técnica ou

economicamente viável, a possibilidade de se utilizar um sistema de comunicação de dados

aplicando a tecnologia sem fio é vista com grande entusiasmo pela comunidade técnica.

O estado do Pará, em especial por se tratar da realidade local, é uma região onde a

utilização de redes de longo alcance sem fio traz, certamente, muitos benefícios quando de

sua utilização, já que a região se caracteriza pela presença maciça de florestas e rios. A

passagem de cabos entre cidades do interior do estado pode tornar proibitivo o investimento

em um sistema de comunicação com as instalações cabeadas tradicionais por conta destes

empecilhos naturais.

O novo padrão IEEE 802.16 surge como uma alternativa viável economicamente

e tecnicamente para a implantação de sistemas de comunicação de dados privados e públicos

de longa distância, já que as definições do padrão determinam que este deve transpor

intempéries climáticas, e de ordem física como barreiras causadas por densidade florestal ou

urbana mesmo sem linha de visada.

Soluções adotadas hoje utilizando tecnologia do padrão 802.11 não suprimem

necessidades reais de comunicação de longo alcance, já que o protocolo foi planejado para

17

comunicação em ambientes fechados e de curto alcance, atenuações e interferências tornam o

rendimento e resiliência da comunicação, inaceitáveis para sistemas de comunicações reais. O

alcance é outro fator não contemplado para o padrão de rede local sem fio.

A tecnologia comercialmente conhecida como WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access) cujas definições vem de encontro às necessidades da

comunicação de longo alcance fixo, nomândico e móvel pois apresenta resiliência do canal de

dados e atende a critérios de segurança utilizando criptografia no nível físico além da

possibilidade de trabalhar com freqüências na faixa não licenciada o que pode ser entendido

como economia para implantação dos circuitos.

A interoperabilidade é garantida mantendo transparência do padrão com as

camadas superiores da arquitetura de protocolos baseadas no padrão TCP/IP. Aspectos que a

indicam como forte candidata a ser o padrão de facto para a comunicação de longo alcance

sem fio.

O padrão 802.16 pode ainda promover a convergência entre sistemas de

comunicação de dados tradicionais cabeados e não cabeados, como por exemplo, entre as

redes ethernet e a telefonia celular, possibilitando com isso uma gama interminável de

aplicações entre sistemas de comunicação distintos.

Acreditando nestas premissas, pretende-se neste trabalho detalhar os princípios

necessários para a comunicação sem fio, dando atenção ao que requer a tecnologia em estudo.

Após o qual apresentar-se-á as características da tecnologia, cujo padrão ainda está em

desenvolvimento, observando-se as camadas da arquitetura que são exclusivas à estrutura do

padrão.

A comparação do padrão com outras tecnologias de comunicação sem fio,

pretende esclarecer vantagens e desvantagens da tecnologia, indicando seu campo de atuação

de forma coerente.

Mesmo sem estar terminado, fabricantes já apresentam equipamentos que operam

com as definições do padrão 802.16. Alguns destes equipamentos serão apresentados como do

“pré-padrão”, onde serão comentadas questões como o intercâmbio entre equipamentos de

diferentes fabricantes.

Para finalizar a pesquisa, serão discutidas tendências para o futuro do padrão

analisando os prós e contras da adoção de WiMAX, em quais campos esta tecnologia deve

apresentar mais ganhos e quais as perspectivas para sua utilização a curto e médio prazo.

18

1 TÓPICOS DE COMUNICAÇÃO VIA RÁDIO

Neste capítulo serão discutidas noções de comunicação por ondas de rádio,

enfocando nos conceitos pertinentes ao estudo de redes metropolitanas sem fio, buscando

fornecer subsídios para o estudo da tecnologia que é o objetivo deste trabalho.

1 ENERGIA DE RÁDIO FREQÜÊNCIA.

Energia de rádio freqüência pode ser definida como um sinal de corrente alternada

que cria um campo móvel de força elétrica e magnética que se propaga pelo espaço (OLEXA,

2005, p27). Dentro deste campo, as linhas de força magnéticas estão sempre em ângulo reto

em relação às linhas de força elétrica e ambas as forças são perpendiculares à direção de

propagação da onda.

A onda pode tomar qualquer posição com relação à terra, e ao plano sobre o qual

se propaga chama-se frente de onda.

Figura 1.1 – Linhas de força de uma onda eletromagnética (OLEXA, 2005)

As principais características de uma onda são: a freqüência (f), que é definida

como a quantidade de vezes em que se completa o ciclo da onda na unidade de tempo. A

freqüência é medida em cliclos por segundo ou Hertz (Hz) ; e o comprimento de onda (w), do

inglês, wavelength definido como o comprimento da senóide1 formada pela onda, que é, na

realidade, o ciclo de onda completo medido em metros. Estas duas características são

inversamente proporcionais entre si na seguinte relação:

w = 300/f

1 É chamada assim porque lembra o gráfico de uma função seno

Campoelétrico

Campomagnético

Direção de propagação

da onda

19

Onde: a freqüência (f) é medida em Hz e o comprimento de onda (w) medido em

metros.

Outra propriedade de uma onda á amplitude, que representa a máxima distância

da onda perpendicular à sua frente de onda.

Figura 1.2 – Elementos fundamentais da onda (OLEXA, 2005)

O campo de RF é definido pelas faixas de freqüências, agrupadas segundo

propriedades comuns de atenuação e propagação dos espectros (tabela 1.1). Os intervalos de

freqüências são divididos em canais individuais. Estes canais não são nada mais do que

pequenos espectros destinados a um transmissor e a um receptor com a atribuição exata de sua

freqüência, podendo variar seu tamanho e quantidade espectral, características ditadas pela

faixa e tipo de serviço a ser oferecido em um canal de comunicação.

Designação Abreviação FreqüênciasComprimento de onda (intervalos)

Very Low Frequency VLF 9 kHz − 30 kHz 33 km − 10 kmLow Frequency LF 30 kHz − 300 kHz 10 km − 1 kmMedium Frequency MF 300 kHz − 3 MHz 1 km − 100 mHigh Frequency HF 3 MHz − 30 MHz 100 m − 10 mVery High Frequency VHF 30MHz − 300 MHz 10 m − 1 mUltra High Frequency UHF 300 MHz − 3 GHz 1 m − 100 mmSuper High Frequency SHF 3 GHz − 30 GHz 100 mm − 10 mmExtremely High Frequency EHF 30 GHz − 300 GHz 10 mm − 1 mmTabela 1.1 – Relação entre banda e freqüência com comprimento de onda correspondente (OLEXA, 2005)

Ondas portadoras são ondas eletromagnéticas que trafegam à velocidade da luz.

Estas ondas têm o formato de um gráfico senóide (figura 1.2) e podem ser utilizadas para

transportar mensagens digitais sobre longas distâncias. Ondas com diferentes freqüências

possuem propriedades diferentes. Por exemplo, ondas luminosas são visíveis a olho nu e não

atravessam paredes, já as ondas de rádio, especialmente as de baixa freqüência podem

atravessar paredes e são difratadas em estruturas de concreto. Entretanto, são absorvidas por

estruturas metálicas.

Freqüência ou

Comprimento de onda

tempoA

mp

litud

e

20

2. MODULAÇÃO

A Modulação é o processo através do qual uma onda portadora transmite uma

mensagem em forma de sinal digital (séries de zeros e uns). Existem, basicamente, três

métodos de modulação para sinais digitais:

Modulação por chaveamento de amplitude (ASK - Amplitude shift keying)

envolve o incremento da amplitude da onda com o sinal digital, ou seja: baixo=0 e alto 1, este

tipo de modulação é utilizado em transmissoras de rádio AM.

A modulação por chaveamento de freqüência (FSK - Frequency shift keying)

desloca a freqüência para transmissão do sinal. Os sistemas que utilizam este tipo de

modulação, como difusoras de rádio FM tendem a ser mais resilientes do que os sistemas q

utilizam AM.

A Modulação por chaveamento de fase (PSK – Phase shift keyin) troca a fase da

portadora de acordo com a mensagem digital q está sendo transportada.

Figura 1.3 – Gráfico da modulação de um sinal digital sobre uma portadora analógica com ASK, FSK e PSK (SOARES, LEMOS, COLCHER 1995)

2.1 Modulação Complexa

Sinal digital

Portadora analógica

Sinal ASK

Sinal FSK

Sinal PSK

21

As modulações AM, FM e PM provêem maneiras simples para converter o único

tipo de informação disponível na época de sua invenção: o áudio. Quando a informação

digital tornou-se disponível, estas técnicas de modulação tiveram que ser adaptadas para

transmitir também informação digital.

É importante lembrar que uma portadora de RF é uma senóide, portanto, um sinal

analógico por natureza. Para transmitir uma informação digital numa portadora de RF, é

necessário que esta informação seja convertida para analógica. Isso foi alcançado no início,

com a utilização do modem (de MOdulador DEModulador), cuja única função era converter a

informação digital para tons de freqüência de áudio que assim poderiam ser transmitidos e

recebidos em um canal de rádio ou uma portadora telefônica. Originalmente, os modems

geravam apenas duas freqüências de áudio distintas, cada tom associado a um binário distinto:

0 ou 1. Assim as informações binárias eram convertidas em tons e então transmitidas por

modems seriais (OLEXA, 2005).

A quantidade de dados a serem transmitidos, aumentou com o decorrer do tempo

e o modem simples de dois tons tornou-se incapaz de confrontar-se com as exigências

crescentes de throughput2. O desenvolvimento da lógica digital e o aumento no poder de

processamento responsável pela exigência crescente de largura de banda permitiram

manipular e modular a onda portadora de maneiras mais complexas. “Preferencialmente, as

portadoras devem ser moduladas de tal maneira que representem apenas bits e bytes”

(OLEXA, 2005, pg 47).

Existem várias técnicas de modulação, porém em qualquer uma manipula-se

algum dos seguintes elementos da portadora: tempo, amplitude, freqüência e fase. Estes

valores são regidos pelo princípio universal de TINSTAAFL existente em comunicações via

rádio. Qualquer técnica de modulação selecionada faz intercâmbios entre a ocupação

espectral, taxa máxima de informação, exigência de potência e a robustez do sinal.

O princípio de TINSTAAFL é conhecido atualmente como “Teoria de Informação

de Shannon”. Em um artigo entitulado “A Mathematical Theory of Communication”

publicado em 1948, encontrado em Olexa (2005), Shannon afirma que “Devido a entropia, a

incerteza é um fato da vida em um canal de comunicação”. Em outras palavras: a modulação

simples é bastante robusta, entretanto esta robustez trás severas limitações à capacidade de

transmissão, já que não há garantia de chegada do sinal no receptor. Sistemas complexos são

2 É a quantidade de dados transmitida na unidade de tempo. Quanto maior o thoughput, mais dados são transmitidos.

22

menos robustos, portanto têm um potencial maior. Os receptores, todavia, necessitam de mais

potência a fim de garantir o recebimento da transmissão.

A transmissão de uma informação é regida por variáveis que determinam a

transação. Entre elas estão: largura de banda do sinal digital, taxa de transferência, capacidade

do canal de transmissão, ruído, interferência, complexidade da modulação, atraso de

propagação, confiabilidade do canal, potência de transmissão, sensibilidade do receptor e

algoritmos de verificação e correção de erros. Estas variáveis têm efeitos na precisão e taxa de

erros do sinal recebido. Uma das mais importantes aplicações da teoria de Shanon, é

determinar a negociação entre as variáveis envolvidas (Olexa, 2005). Isto permite que o

projetista faça o balanceamento do sistema para a situação ótima.

A comunicação digital moderna tem elevadas exigências de throughput, já que

devido a grande quantidade de informação a ser transmitida, os espectros ficam

sobrecarregados. Técnicas mais avançadas de modulação são necessárias a fim de obter o

throughput desejado nos canais disponíveis. Tais técnicas ainda utilizam características da

modulação em fase e amplitude, porém com implementações mais complexas a fim de

permitir o aumento do throughput no canal de dados.

As transmissões digitais necessitam transmitir simplesmente zeros e uns. Não se

faz necessário modular para suportar sinais analógicos. Isto é obtido simplesmente com dois

estados de fase e amplitude: um representando 0 (zero) e outro representando 1 (um). Esta

técnica é conhecida como chaveamento binário de fase (BPSK - binary phase shift keying),.

Nela cada símbolo pode indicar dois diferentes estados ou um bit por transição, em outras

palavras, 0º transmite o bit 0 180º transmite o bit 1.

Figura 1.4 – Modulação BPSK (OLEXA, 2005)

A fim de transmitir os dados mais rapidamente, são necessárias mais transições.

Teoricamente, o número de ângulos de fase discretos disponíveis chega a 360 (quantidade de

0º

90º

180º

270º

0º = 0180º = 1

23

graus de um círculo completo), enquanto o número de estados de amplitude disponíveis é

teoricamente infinito (OLEXA, 2005), [sic] já que se trata de portadoras analógicas.

Modulações atuais permitem a codificação de mais bits por transição, fazendo com que no

mesmo intervalo de tempo mais informações sejam enviadas em um dado canal de dados.

De acordo com a teoria de Shannon, se houver mais potência disponível é possível

transmitir mais às mesmas distâncias.

Baseada nesta teoria, a modulação QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) utiliza

quatro fases distintas (adiciona 90 e 270 graus) à BPSK separadas 90º entre si. Assim podem

ser transmitidos dois bits por símbolo. Cada fase de símbolo e comparada relativamente ao

símbolo anterior. Caso não haja deslocamento de fase (0 graus) os bits 00 são representados.

Caso haja um deslocamento de fase de 180 graus, os bits 11 são representados.

Analogamente, é possível ainda utilizar 8 níveis de transição separados entre si

45º onde serão representados 3 bits por transição, a chamada modulação 8PSK.

Cada uma destas modulações é mais eficiente que a anterior, pois transmite mais

bits por segunto. Em contra-partida, segundo a teoria de Shannon, quanto mais bits

transmitidos mais susceptível será o sinal à perda de informação em um meio que não esteja

nas condições ideais para transmissão de sinais de rádio.

Figura 1.5 – Modulação QPSK (OLEXA, 2005)

No caso da necessidade da correção de sinais transmitidos, é bem mais simples

corrigir apenas dois estados distintos entre si em 180º do que corrigir oito estados distintos

entre si apenas 45º. Na prática 8PSK é a modulação de taxa mais elevada em uso.

Mesmo com a utilização da 8PSK o espectro permanece congestionado, pois o

througput necessário para aplicações atuais ainda não foi alcançado (OLEXA, 2005). Para

superar estas limitações a amplitude da portadora volta a ser utilizada para transmitir bits

adicionais.

0º

90º

180º

270º

Fase Padrão0º = 0090º = 01180º = 10270º = 11

24

A técnica de modulação conhecida como QAM (Quadrature Amplitude

Modulation) além de modular a fase, modula conjuntamente a amplitude em um processo

bastante simples: se estão disponíveis dois estados de fase (BPSK) a modulação QAM

adiciona duas amplitudes distintas para cada fase, tendo então disponíveis 4 transições de

sinal, cada uma com dois bits, equivalendo portando à modulação QPSK Conforme ilustra a

figura 1.6.

Figura 1.6 – Modulação QAM (OLEXA,2005)

Logicamente, adicionando duas amplitudes à modulação QPSK, é possível obter

uma taxa de transmissão de QAM 8 , equivalente a 8PSK. Na 16-QAM cada símbolo

representa quatro bits ao invés de dois bits representados com o QPSK. Na figura 1.7, cada

ponto indica uma única amplitude e fase da onda.

Figura 1.7 – Quadrature Amplitude Modulation 16-QAM (Intel [4])

A incerteza associada com a recepção, interpretação e correção de um único

estado acima de 256 é extremamente alta. Na verdade a portadora deve ter no mínimo 30 dB

0º

90º

180º

270º

Fase amplitude Padrão0º 0 000º 1 01180º 0 10180º 1 11

Amplitude 0

Amplitude 1

0-1-3 1 3

-1

-3

1

3

0000

0001

0011

0010

0100

0111

0101

0110

1100

1101

1111

1110

1000

1001

1011

1010

Fase

Am

plitu

de

25

ou ser 1000 vezes mais potente que o ruído no canal, para que o sinal seja recebido e

demodulado corretamente na recepção (OLEXA.2005), por isso, estas modulações complexas

somente devem operar em meios livres de ruídos e que necessitam de um incremento

significativo de potência em relação às modulações com menor grau de complexidade. Links

de microondas fixos e comunicações que utilizam cabos coaxiais como cable modems podem

utilizar este tipo de modulação por apresentarem ruído e atenuação muito baixos.

Transmissões utilizando BPSK necessitam somente de 6 dB ou quatro vezes maiores que o

ruído do meio. Por esta razão, para planejar sistemas móveis são preferíveis modelos mais

simples de modulação, uma vez que com eles é mais fácil garantir a recepção da informação.

Figura 1.8 – Diagrama de comparação de modulações (OLEXA, 2005)

A ação de balanceamento é o equilíbrio entre a potência e o espectro de banda

para um dado throughput. Quanto mais simples a modulação envolvida, mais baixa é a

potência requerida para cobrir determinada área, sem esquecer que o limite do throughput

será reduzido.

Por outro lado, modulações complexas requerem mais potência para cobrir

determinada área, entretanto aumentam a capacidade de transmissão dentro do canal. Uma

modulação muito complexa pode exigir muita potência, o que é prejudicial para dispositivos

portáteis pois será muito curto o período de funcionamento do dispositivo fornecedor de

Modulação

Bits por transição

Tolerância àatenuação

Exigência deInterferência de

portadora e atenuação

Tolerância a ruídos e interferências

Área de serviço

BPSK QPSK 8PSK 16QAM 64QAM

1 2 3 4 6

altobaixo

altobaixo

6dB 12dB 18dB 18dB 24+dB

grande pequena

26

potência (bateria). Desta forma, ou o sistema terá severos limites de cobertura, ou no pior

caso, o sistema será frágil e haverá muitos erros, não admitidos em uma transmissão eficaz.

2.2 Modulação Adaptativa

Diferentemente de um sistema de comunicação de voz, um sistema de

comunicação de dados não pode tolerar erros. Caso o sinal transmitido não seja recebido

100% corretamente, a transmissão estará inutilizada e a informação deve ser retransmitida.

Como a incerteza está associada com qualquer recepção de sinal, todos os sistemas de

comunicação digital implementam algoritmos para checagem e correção de erros causados na

transferência do sinal. Eles provêem algum nível de tolerância a erros, além de ação corretiva.

Para que possam ter parâmetros de avaliação dos erros, estes algoritmos inserem overhead3 na

informação transmitida, fazendo com que a quantidade de informação transmitida seja, na

realidade, maior do que a informação útil.

Diferentes ordens de modulação permitem que sejam enviados mais bits por

símbolo, conseguindo assim throughputs mais elevados ou melhores eficiências espectrais.

Entretanto, deve-se notar que ao utilizar uma técnica de modulação como QAM 64, que

apresenta elevada taxa de transmissão, é necessário que a relação sinal/ruído seja bastante

favorável para superar toda a interferência e manter uma taxa aceitável de erros. Se a distância

aumenta, a relação sinal/ruído diminui, devido ao aumento de interferências, então o canal

fica impróprio para transmitir altas taxas de dados já que os erros recebidos irão muitas vezes

exigir retransmissão, o que faz com que todo o esforço de transmissão seja em vão. Para

situações onde a relação/sinal ruído é desfavorável à transmissão, é sempre mais adequado

utilizar esquemas de modulação com menor taxa de transmissão, como o BPSK. Assim, se a

distância aumenta, a taxa de transmissão deve ser diminuída para garantir a resiliência da

comunicação.

O Uso de modulação adaptativa permite que sistemas de comunicação sem fio

adotem a modulação mais adequada, dependendo das condições do canal de dados,

permitindo a maior ordem de comunicação possível em cada trecho.

Os sistemas de comunicação sem fio atuais tais como os baseados no IEEE 802.11

(Wi-Fi) e 802.16 (WiMAX) utilizam as técnicas de modulação QAM e PSK adaptáveis à

distância do ponto de origem do sinal.

3 Overhead é o acréscimo de informação numa mensagem.

27

3 DUPLEXAÇÃO

Tanto receptores quanto transmissores são dispositivos autônomos capazes de se

comunicar em um único sentido. Os sistemas de comunicação de dados wireless necessitam

comunicar-se em ambos os sentidos (sistemas duplex). Um canal duplex, é uma via de

comunicação “em mão dupla”, ou seja, em ambos os sentidos da transmissão, tornando o

sistmea de comunicação mais eficaz.

Chama-se duplexação às técnicas que permitem tornar um canal, uma via de

comunicação duplex. Existem dois tipos de duplexação:

TDD - Time Division Duplexing (duplexação por divisão de tempo)

FDD - Frequency Division Duplexing (duplexação por divisão de freqüência).

3.1 Duplexação por Divisão de Tempo.

A TDD permite o uso de uma única freqüência para acomodar todos os sinais

recebidos e transmitidos. Isto é realizado pela divisão do tempo de canal de forma rápida o

suficiente para que tanto transmissores quanto receptores vejam um fluxo contínuo de

informação. O canal é temporariamente dividido em slots4 de tempo para transmissão e slots

de tempo para recepção com um intervalo de tempo entre eles para guarda do tempo de troca

da sinalização.

TDD é uma técnica muito utilizada em sistemas que experimentam tráfego

assimétrico, porque os slots de tempo podem ser alocados assimetricamente, atendendo à

necessidade real de transmissão. Não obstante, devido ao método utilizado, tanto a estação

base quanto o usuário remoto deverão ter transmissores e receptores ou transceptores.

Equipamentos baseados no protocolo 802.11, 802.16 e alguns telefones sem fio,

por exemplo, utilizam TDD.

3.2 Duplexação por Divisão de Freqüência

A FDD aloca dois subcanais de mesma capacidade porém com freqüências

distintas e com uma separação entre eles para que não hajam interferências no canal de

comunicação. Uma das freqüências é transmitida da estação base para o ponto remoto e a

4 É um intervalo de tempo muito pequeno de tamanho padrão para as operações de transmissão de dados.

28

outra faz o caminho inverso, sendo transmitida da estação do usuário para a estação base.

Estes sistemas duplex tem a vantagem de compartilharem uma antena comum, já que a

separação entre as freqüências de 45 MHz, ou mais, assegura que não haverão interferências

entre transmissor e receptor.

4 MULTIPLEXAÇÃO

Multiplexação são técnicas que permitem a transmissão de em um mesmo meio

físico (SOARES, LEMOS, COLCHER, 1995). Analogamente à duplexação, a multiplexação

pode ser feita na divisão do tempo (TDM - Time Division Multiplexing) ou na divisão da

freqüência (FDM – Frequency Division Multiplexing).

Assim como acontece na duplexação na divisão do tempo (TDD), a TMD é feita

pela divisão de pequenos intervalos de tempo (slots) entre todos os canais que desejam

transmitir.

A multiplexação na divisão da freqüência é conseguida com os seguintes passos:

1. Os sinais que deverão ser multiplexados são filtrados, de maneira a preservar

somente a faixa necessária a cada um deles (figura 1.9)

2. As faixas de freqüências originais do segundo e terceiro sinais é deslocada de

maneira que todos ocupem faixas diferentes e sem sobreposições (figura 1.9).

Figura 1.9 – Multiplexação na freqüência (FDM) (SOARES, LEMOS, COLCHER, 1995)

Assim, todos os sinais poderão ser transmitidos simultaneamente no mesmo meio

físico, já que cada um deles ocupa agora um canal (banda) distinto com o tamanho específico

para sua sua transmissão, o que garante que não haverão interferências.

4.1 Multiplexação por Divisão Ortogonal de Freqüência (OFDM)

C0

C1

C2

C0 C1 C2

0Hz

29

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é uma técnica de

transmissão baseada na idéia de multiplexação por divisão de frequencia (FDM). Porém, ao

invés de utilizar uma portadora única, a modulção OFDM utiliza um grande número de

pequenos canais sobrepostos para transmissão de dados. Cada um destes sub-canais (também

chamados “tons”) de forma que cada ton aparenta ser uma portadora independente. Há entre

eles uma sobreposição precisa de freqüências para prover ortogonalidade. O pico da portadora

modulada é alinhado com o vale das portadoras adjacentes(figura 1.9). Esta técnica faz com

que demoduladores distintos não vejam outros sinais que não sejam seu próprios. As

vantagens da OFDM são:

Alta eficiência de espectro;

Alta Flexibilidade para conformar a largura de banda disponível;

Baixa susceptibilidade para distorções de múltiplos canais.

Isto é útil porque num ambiente típico de propagação terrestre existem reflexões

perceptíveis, ou seja, o sinal enviado chega ao receptor por vários caminhos percorrendo

distâncias diferentes, o que causa distorção no sinal recebido.

Figura 1.10 – Ilustração de um espectro de três portadoras OFDM (OLEXA, 2005)

A desvantagem é que a OFDM é mais susceptível a interferências, especialmente

em dispositivos de banda básica, o que requer osciladores extremamente estáveis e que

possam tolerar uma pequena variação de freqüência.

Em OFDM, cada uma das portadoras ortogonais pode ser modulada com um sinal

BPSK ou QAM, isto pode ser feito graças à característica dos canais funcionarem como

independentes, a modulação escolhida em cada canal pode ser relacionada de acordo com a

Primeira subportadora

Segunda subportadora

Terceira subportadora

30

área de perda do sinal. A implementação desta flexibilidade aumenta a complexidade do

sistema, porém, em contra-partida permite o máximo throughput já que é capaz de alocar a

freqüência dinamicamente, de acordo com a área de queda do sinal. Assim, se uma certa

portadora ocupa uma freqüência com distorção, o sinal pode ser comutado para uma

freqüência mais baixa; se em contrapartida não houver queda do sinal da portadora, ela pode

operar no nível máximo de modulação.

A modulação por divisão ortogonal de freqüência oferece operações com meios

eficientes para superar as dificuldades da transmissão sem linha de visada. O formato da onda

utilizada na OFDM tem a vantagem de operar com maior atraso de propagação para o

ambiente NLOS. Em virtude do tempo de sinalização do FDM e o uso de um prefixo cíclico,

o formato da onda OFDM elimina a interferência entre sinais - ISI (inter-symbol

interference), problemas e complexidades da equalização adaptativa. Como o OFDM é

composto por múltiplas portadoras ortogonais de faixa estreita, a perda seletiva é localizada

em um subconjunto das portadoras que são relativamente fáceis de se equalizar.

Figura 1.11 – Sinal de portadora única e OFDM (WiMAX FORUM [3])

Numa comparação entre um sinal de OFDM e um sinal de portadora única. A

informação é enviada em série num sinal de portadora única e em paralelo para um sinal de

OFDM. (figura 1.11) (WiMAX FORUM [3])

31

A habilidade para superar o aumento de atraso para múltiplos caminhos e a ISI de

maneira eficiente, permite maior taxa de tráfego de dados. Como mostra a figura 1.12, é mais

fácil pois existem menos perdas, equalizar as portadoras de OFDM individuais que equalizar

um único sinal de banda larga.

Figura 1.12 – Sinais recebidos em portadora única e OFDM (WiMAX FORUM [3])

Por suas características de flexibilidade e eficiência espectral, o OFDM é

considerado a tecnologia para a quarta geração de sistemas de telefonia celular, e

equipamentos para comunicação de dados padronizados sendo cada vez mais utilizado pelos

fabricantes (OLEXA, 2005). Estas razões levaram orgãos como o IEEE 802.16, ETSI BRAN ,

e ETRI, a estabelecerem o padrão OFDM como a melhor tecnologia disponível (WiMAX

FORUM [3]).

4.2 Divisão Ortogonal de Freqüência para Múltiplos Acessos (OFDMA)

Como evolução à técnica OFDM, surge a OFDMA (Orthogonal Frequency

Division Multiple Access), que implementa vantagens em relação a primeira: Em OFDM os

dispositivos de usuário assumem slots de tempo para transmissão, mas somente um

dispositivo poderá transmitir durante determinado slot. Nesta técnica, todas as portadoras são

transmitidas em paralelo com a mesma amplitude (figrua 1.13). A OFDMA divide a portadora

em grupos (Ng), cada um com uma quantidade de portadoras Ne e Ne subcanais. Cada canal

com um piloto por grupo utilizando 2048 portadoras por instância, isto significa que Ne=32 e

Ng=48 em downlink e Ne=32 e Ng=53 em uplink. As portadoras remanescentes são usadas

para guardar as bandas (figura 1.14). Assim, codificação e modulação em amplitude são

32

configurados separadamente para cada sub-canal, de acordo com as condições do canal para

otimizar o uso dos recursos na rede, outra vantagem é que em OFDMA, a subcanalização

permite que vários dispositivos transmitam simultaneamente sobre os subcanais alocados.

(Figura 1.15)

Figura 1.13 – Canal com portadora OFDM: Todas as subportadoras possuem a mesma amplitude (WiMAX FORUM, 2005)

Figura 1.14 – Canal com portadora OFDMA: um piloto por grupo (WiMAX FORUM, 2005)

...

OFDM

Portadora OFDM Freqüência (portadoras)

...... ... ... ...

Freqüência (portadoras)Ne Portadoras

Grupo 1 Grupo 2 Grupo Ng

PilotoSubcanal 1Subcanal 2Subcanal 3

Portadoras OFDMA

33

Figura 1.15 – Uplink em OFDM e OFDMA (WiMAX FORUM 2005)p

orta

dora

s

Su

b-ca

nais

tempo tempo

Usuário 1

Usuário 2

Usuário 3

Usuário 4

... ...

Símbolo FFT

34

2 REDES SEM FIO

Neste capítulo será dada uma introdução aos aspectos gerais de redes redes de

comuniçãçao sem fio, mostrando conceitos e avaliando necessidades, bem como classificando

as redes sem fio para focar no escopo real deste trabalho.

1 O QUE SÃO REDES SEM FIO

As redes sem fio (do inglês wireless), como o prórpio nome indica, são

tecnologias que permitem a comunicação de equipamentos por meio de enlaces de

comunicação não cabeados, isto é, utilizando somente o ar como meio de transmissão, através

da emissão e recepção de ondas eletromagnéticas, em oposição à maioria das redes de

comunicação hoje utilizadas, que necessitam de cabeamento para efetivarem comunicação. A

tecnologia de comunicação sem fio já faz parte do cotidiano das pessoas em aparelhos como

controles-remotos e telefones celulares. A aplicação de canais sem fio para a comunicação de

dados apresenta-se hoje como uma tecnologia emergente (INTEL [1]).

2 PORQUE REDES SEM FIO

A utilização da tecnologia de redes não cabeadas (sem fio) é, à primeira vista, um

grande facilitador para provimento de comunição de dados, pois a instalação de um parque de

comunicação de dados baseado nesta tecnologia exime a necessidade de se transpassar cabos

de comunicação através dos pontos que deverão se comunicar. Esta característica em

particular é muito promissora em regiões como o estado do Pará, que possui extensa área

territorial onde, muitas vezes, a passagem de cabeação, seja metálica ou óptica, é um

complicador de grande complexidade, pois além da dá já citada distância, existem regiões

com matas fechadas e grande quantidades de rios e córregos, o que dificulta mais ainda a

utilização de enlaces cabeados.

Os padrões propostos para redes não cabeadas de longo alcance, visam permitir

fonecimento de um serviço de comunicação de qualidade a distâncias consideráveis e com

custos reduzidos, pois o custo de instalação inicial dos equipamentos será diluído ao longo do

35

tempo. Em OLIVEIRA (2005) os consultores estratégicos da Siemens, Marilson Soares e

Eduardo Lima colocam que “Se levarmos em conta que mais de 80% dos municípios

brasileiros possuem um raio médio de 15 quilômetros de extensão, sabemos que com uma

única antena WiMAX conseguirá cobrir toda a cidade. É realmente muito convidativo”.

Assim, o raio de alcance desta tecnologia conta como ponto a favor, pois vários dos pequenos

municípios paraenses serão perfeitamente atendidos com uma única estação-base.

O custo de instalação do sistema não é capaz de inviabilizar a sua aplicabilidade.

Segundo OLIVEIRA (2005) “Estima-se que, até o fim 2006, os preços começarão a se tornar

atraentes e as operadoras chegarão às residências que precisam de acesso em banda larga com

um modem ADSL e um WiMAX...”. A autora do artigo também afirma que “...projeções do

instituto de pesquisas Pyramid Research apontam que a tecnologia WiMAX dominará 60% do

mercado mundial de banda larga sem fio em 2008.”

Deve se ter em mente que uma vez substituída a tecnologia cabeada pela

tecnologia sem fio, a manutenção destes circuitos tem um valor bem abaixo do custo mensal

de linhas privativas de comunicação de dados, já que estas exigem investimento mensal com a

as concessionárias de telecomunicações, o que se torna desnecessário com utilização de redes

sem fio metropolitanas, principalmente se forem utilizadas freqüências não licenciadas.

3 CLASSIFICAÇÃO E PADRÕES

IEEE publicou os padrões para redes não cabeadas como subcategorias do padrão

802. nos subpadrões existentes são contemplados, basicamente, quatro classes de redes sem

fio segundo a abrangência demonstradas a seguir: (www.teleco.com.br/ em 14/11/2005 ).

3.1 Redes Pessoais Sem Fio

As redes pessoais sem fio (WPAN – Wireless Personal Area Network) tem

alcance de comunicação de até algumas dezenas de metros, o que sugere a abrangência em

torno do indivíduo, nestas redes a comunicação se dá entre dispositivos pessoais como

telefones celulares, notebooks, PDA’s ou fones de ouvido, equipamentos que mesmo estando

em locais diferentes como bolsos, pastas e etc, não necessitam de tanta velocidade de

comunicação e o alcance necessário para seu funcionamento é bastante limitado.

36

O Padrão mais conhecido de WPAN é o Bluetooth, definido pelo protocolo IEEE

802.15.1 – revisão de 2002 (IEEE [a]). Com alcance sugerido de 10m e velocidade

aproximada de 1Mbps.

Há também na classificação WPAN, a tecnologia de rede definida pelo padrão

IEEE 802.15 conhecida como UWB Ultra Wide Band (banda ultra larga). Uma tecnologia de

baixo consumo de energia (cerca de 1/10 000 a potência de um celular convencional), e com

alta taxa de transmissão, pois é capaz de alcançar 500 Mbps por até 4m de distância. Estas

características fazem com que 1) o sinal transmitido pelo UWB se misture com outros sinais

wireless, como um ruído e; 2) ele é tão poderoso que é capaz de transmitir filmes através das

paredes "Moving Through the Wall". Segundo PRADO[2], “Ele será "campeão" (ou killer

technology) na eliminação de cabos” pois será capaz de conectar equipamentos como

filmadoras e câmeras fotográficas sem a necessidade de cabo. PRADO [2] também afirma que

“O UWB é um forte candidato a aniquilar o Bluetooth por que a velocidade deste é muito

pequena (de apenas 1 Megabit por segundo - Mbps).”

3.2 Redes Locais Sem Fio

As redes WLAN (Wireless Local Area Network) sugerem a mesma abrangência

das LAN’s, ou seja distâncias limitadas por um prédio comercial, ou talvez um campus. A

normatização da WLAN é definida no padrão IEEE 802.11 conhecido comercialmente como

Wi-Fi. (Wireless Fidelity) Este padrão provê a comunicação entre estações a uma velocidade

de até 11 Mbps num raio de cobertura de 100m. Atualmente grande maioria das soluções sem

fio disponibilizadas no mercado são baseadas nesta tecnologia que foi projetada para

ambientes internos mas, na prática, está sendo utilizada muitas vezes como solução para

comunicação externa, especialmente na versão 802.11g deste protocolo.

3.3 Redes de Longo Acance Sem Fio

3.3.1 Padrão 802.16 (WiMAX)

Também conhecido como redes redes metropolitanas não cabeadas WMAN

(Wireless Metropolitan Area Network) estão limitadas à velocidade de 70 Mbps por um raio

de até 50 Km, o que sugere a área de uma cidade. O padrão que normatiza as WMAN’s é o

IEEE 802.16. As definições deste protocolo inserem características desejaveis para a

37

interligação de redes locais entre prédios localizados na mesma cidade ou em cidades

próximas. Um bom exemplo seria uma rede WiMAX atendendo à região metropolitana de

Belém.

Segundo PRADO [3], “o padrão IEEE 802.16 [sic] (inicial) utiliza um esquema de

modulação de portadora única e que opera numa faixa de rádio freqüência entre 10 e 66 GHz,

requerendo uma linha de visada entre as torres para a conexão funcionar”. Uma nova

extensão, definida no padrão IEEE 802.16a, que foi ratificada em janeiro de 2003 opera numa

faixa de freqüência menor, de 2 a 11 GHz e não precisa de visada direta para funcionar.

Outras versões para o padrão 802.16 estão disponíveis, e serão estudadas com

detalhes no capítulo 3 deste trabalho. Por se tratrar do enfoque desta pesquisa.

3.3.2 Padrão 802.20 (Mobile-fi)

O padrão 802.20, conhecido comercialmente como Mobile-Fi é especificado para

tráfego nativo de IP com acesso à banda larga de forma completamente móvel (até 250

Km/h). Este padrão foi estabelecido em fevereiro de 2002 , um pouco antes da ratificação do

802.16. Segundo PRADO[4], “...ele proporcionará taxas de transmissão simétricas de 1 Mbps

a 4 Mbps em espectros licenciados abaixo de 3,5 GHZ em distâncias de 15 km, utilizando

modulação OFDM”.

O grupo do 802.20 foi criado antes do início do 802.16e. entretanto conflitos no

comitê fizeram com que o desenvolvimento fosse relativamente lento. Por suas características,

este padrão pode vir a ser um concorrente direto das tecnologias de telefonia celular de

terceira geração (3G) como CDMA2000 (Code-Division Multiple Access – Múltiplos acessos

por divisão de código) e GMRS (General Mobile Radio Service – Serviço geral de rádio

móvel) (OLEXA, 2005). Mas, segundo PRADO[1], se este padrão vier a ser concorrente do

WiMAX, não deverá suplantá-lo, uma vez que o WiMAX já estará consolidado.

A figura a seguir ilustra a abrangêngia das redes não cabeadas:

38

Figura 2.1 – Abrangência dos padrões de redes sem fio (INTEL[3])

Algumas tecnologias sem fio permitem acesso móvel, como o WiMAX móvel

(802.16e) e o padrão 802.20, que por suas características são candidatos a padrões para

comunicação em telefonia celular. A figura a seguir ilustra os padrões de comunicação sem

fio em alcance, velocidade e mobilidade.

Figura 2.2 – Comparação alcance X velocidade X Mobilidade dos padrões de comunicação não cabeados.

39

3 O PADRÃO 802.16 E SUAS TECNOLOGIAS

Neste capítulo, será dado o enfoque especial à tecnologia WiMAX, baseada no

prococolo 802.16, com estudos de seus conceitos, características, variações, aplicações e

persprctivas para esta tecnologia de comunicação sem fio.

1 BREVE HISTÓRICO DO PADRÃO 802.16

Em agosto de 1998 o NIST (U.S. National Institute of Standards and Tecnhology

–Instituto americano de padronização e tecnologia ) da associação americana de normas

técnicas, promoveu uma reunião conhecida como N-WEST (National Wireless Eletronics

Systems Testbed) que deu início as atividades do comitê responsável por definir os padrões

802.16. Após quatro anos o grupo havia desenvolvido a base necessária para os padrões

subseqüentes.

O IEEE 802.16 WMANs (também chamado IEEE802.16-2001) “Air Interface for

Fixed Broadband Wireless Access Systems” foi aprovado em 6 de dezembro de 2001 (IEEE

Std 802.16-2001™ ) e publicado em 8 de abril de 2002. Este padrão especifica a interface

aérea para sistemas de banda larga do tipo ponto-multiponto, estacionárias operando no

intervalo de freqüência entre 10,0 e 66,0 GHz.

O IEEE 802.16.2, aprovado em 6 de julho de 2001 e publicado em 10 de setembro

de 2001, “Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access Systems” (Coexistência para

Acesso de sistemas sem fio de banda larga) (IEEE Std 802.16.2-2001™) especifica práticas

recomendadas para minimizar a interferência em sistemas estacionários de banda larga para

acessos sem fio, conhecidos como BWA (Broadband Wireless Access – Acesso de banda

larga) no intervalo de freqüência de 10,0 e 66,0 GHz. Neste documento há um foco particular

para o intervalo de 23,5 a 43,5 GHz, analisando a coexistência entre os cenários e fornecendo

orientação para projeto, desenvolvimento e coordenação do sistema e freqüência de uso.

O padrão 802.16a “Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems.

Amendment 2: Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer

Specifications for 2 - 11 GHz” que foi aprovado em 29 de janeiro de 2003 e publicado em 1

de abril de 2003, é um aditivo ao 802.16-2001. Este novo padrão enfatiza a camada de acesso

40

ao meio e fornece novas especificações à camada física, o que resulta na possibilidade de

operação em banda larga no intervalo de freqüências licenciada e não licenciada entre 2 a 11

GHz utilizando instalações estacionárias para serviços múltiplos. A camada de enlace, é capaz

de suportar várias especificações da camada física otimizadas para as faixas de freqüência das

aplicações. Esse padrão inclui ainda especificações para camada física aplicáveis aos sistemas

que funcionam entre 2 e 66 GHz. (IEEE Std 802.16a™-2003)

Em março de 2003 foi acrescentado ao 802.16a, uma extensão para o acesso

NLOS (Non-Line of Sigh – sem linha de visada) em bandas de freqüência mais baixas de 2,0 a

10,0 GHz, algumas das quais não licenciadas5, com suporte para as tecnologias de PMP

(Point-to-Multipoint) e malha (Mesh), A nova extensão visa também ampliar o raio de

cobertura de 50 para 80 Km. Até então o padrão 802.16 suportava apenas o padrão LOS (Line

of Sight – com linha de visada) nas freqüências licenciadas da faixa de 10,0 a 66,0 GHz.

O IEEE 802.16c, “Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems -

Amendment 1: Detailed System Profiles for 10–66 GHz” aprovado em 11 dezembro de 2002,

e publicado em 15 de janeiro de 2003 visa prover a interoperabilidade através da

especificação de perfis de sistema no intervalo de bandas entre 10 e 66 GHz. Neste aditivo são

corrigidos erros e inconsistências existentes no 802.16-2001.

O IEEE 802.16d foi publicado em 29 de setembro de 2003, e teve sua extinção

publicada em 01 de outubro de 2004 (http://grouper.ieee.org/groups/802/16pubs

/P80216d.html). Substituído pelo 802.16-2004 que foi publicado na mesma data e teve sua

aprovação prévia em 24 de junho de 2004. Este é um dos padrões atualmente em vigor, ele

revisa e substitui as especificações 802.16-2001, 802.16a-2003 e 802.16c-2002. Neste padrão,

para as freqüências operacionais entre 10 e 11 GHz a camada física é baseada em modulação

por portadora única. Para freqüências abaixo de 11 GHz é viável prover transmissão de sinal

sem linha de visada com três tipos de modulação possíveis OFDM, OFDMA e modulação por

portadora única (IEEE Std 802.16 TM- 2004).

O IEEE 802.16e, também conhecido como IEEE 802.16-2005, foi aprovado em 7

de dezembro de 2005, e publicado em 28 de fevereiro de 2006 (http://grouper.ieee.org/groups/

802/16/pubs/P80216e.html em 06/03/2006). O padrão 802.16e facilitará o desenvolvimento

global para o acesso de banda larga sem fio. Ele repara e completa o padrão anterior que

contemplava o acesso MANs sem fio, mas suportava somente o acesso fixo e nomâdico. A

emenda ao padrão especifica um sistema para contemplar acesso BWA para assinantes fixos e

5 Consultar o item 7 capítulo 3: freqüências de uso em WiMAX

41

móveis inclusive com velocidades veiculares (até 100 Km/h) utilizando freqüências abaixo de

6 GHz.

Outras modificações básicas que ocorreram na mudança do 802.16d para o

802.16e são a) A Camada física utiliza um esquema de modulação S-OFDMA (Scalable

Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cuja definição permite associar um

subconjunto de subportadoras para diferentes usuários possibilitando com isso que vários

usuários conectem-se simultaneamente com a mesma freqüência sem que hajam

interferências. Cada usuário será tratado isoladamente independendo de localização, distância

da EB, interferência e requisitos de potência. É importante ressaltar que a utilização desta

modulação, que altera a especificação original do padrão, o tornou incompatível com

WiMAX fixo e nomâdico, o que vai: a) impedir a interoperabilidade entre estes dois padrões;

e b) A camada de acesso ao meio introduz funcionalidades para permitir o intercâmbio

(handoff) entre as células garantindo a mobilidade.

O Padrão 802.16f foi aprovado em 22 de setembro de 2005 e publicado em

primeiro de dezembro de 2005. Este, padrão é uma emenda ao IEEE 802.16-2004. Ainda

estão em andamento nos pré-padrões o 802.16h e 802.16i, e em desenvolvimento o padrão

802.16g. (IEEE 802.16).

Em resumo, conforme informação da organização responsável pela especificação

dos padrões (IEEE) encontradas em (IEEE 802.16), a utilização dos documentos referentes à

padronização atual (06/03/2006),é a seguinte:

Padrões Aprovados Aguardando Publicação:

• IEEE Standard 802.1 6e aprovado em 7 de dezembro de 2005

• IEEE Standard 802.16-2004 /Cor1

Padrões em vigor:

• IEEE Standard 802.16f

• IEEE Standard 802.16-2004

• IEEE Standard 802.16.2-2004

• IEEE Standard 802.16/Conformance01-2003

• IEEE Standard 802.16/Conformance02-2003

• IEEE Standard 802.16/Conformance03-2004

Padrões Obsoletos:

• IEEE Standard 802.16-2001

42

• IEEE Standard 802.16a-2003

• IEEE Standard 802.16c-2002

• IEEE Standard 802.16.2-2001

Padrões em desenvolvimento:

• Alta eficiência de espectro;

• IEEE Draft 802.16e

• IEEE Draft 802.16f

• IEEE Draft P802.16-2004/Cor1

• IEEE Draft P802.16/Conformance04

Projetos extintos:

• IEEE Draft P802.16d

2 A ARQUITETURA 802.16

A arquitetura sem fio para redes metropolitanas que, atualmente, utiliza os

padrões 802.16-2004 e 802.16e, comercialmente conhecida como WiMAX (Worldwide

Interoperability for Microwave Access - ou interoperabilidade mundial para acesso por

microondas), lembra a configuração de uma estrutura de comunicação tradicional para

telefonia celular (figura 3.1), com estações-base (EB) estrategicamente instaladas utilizando

conexões ponto-a-ponto entre sí e conexões ponto-multiponto entre as EB e os pontos de

acesso ao serviço.

Exatamente como na telefonia celular, a área de cobertura de uma antena é

chamada célula. Teoricamente, as células tem um acance de 75 Km porém, na prática, esse

alcance está limitado a cerca de 35 Km.

Os primeiros padrões definidos pelo comitê do 802.16 não ultrapassavam 10 Km

de alcance, isto porque a freqüência utilizada no padrão inicial (10 a 66 GHz) têm uma

dificuldade enorme em transpor obstáculos, como os encontrados em áreas urbanas.

Os padrões mais recentes (como o 802.16-2004 e 802.16 e) utilizam uma faixa de

freqüências mais baixas (entre 2 e 11GHz). Nesta faixa, as ondas de rádio conseguem penetrar

em prédios ou outros obstáculos, o que permite a comunicação mesmo que antenas dos

clientes não estejam necessariamente direcionadas para a estação base, tornando a transmissão

mais prática e condizente com o cenário envolvido.

43

O padrão 802.16 define que o serviço de comunicação deve persistir por um raio

de vários quilômetros. Obviamente, isto depende da freqüência e potência do transmissor e da

sensibilidade do receptor. Em áreas com elevada densidade populacional, o raio de alcance

pode ser reduzido para que haja a reutilização de freqüências exatamente da mesma forma que

acontece com a limitação no tamanho das células em telefonia celular. Isto é devido à

limitação do espectro disponível. Por conseguinte, se a quantidade de usuários inseridos no

alcance máximo do padrão ultrapassar a capacidade do espectro, o alcance do sinal será

reduzido para que não hajam interferêncaias nas EBs adjacentes adicionadas para prover a

reutilização das freqüências.

Figura 3.1 - Arquitetura 802.16 (INTEL [3])

Outra possibilidade das redes redes WiMax, é operar na tecnologia em mesh

(malha). Topologias em mesh estendem o alcance tradicional das WLANs e WMANs, pois

nesta topologia cada nó é conectado aos nodos adjacejntes, e os protocolos de comunicação

são compartilhados através deles. A topologia em mesh, também conhecida como “multi-hop”

provê uma arquitetura flexível capaz de transportar dados entre os nodos de maneira eficiente.

Em uma rede em mesh, pequenos nodos trabalham como roteadores simples.

Instalados através de uma grande área. Cada nodo transmite um sinal de baixa potência, capaz

Conexão da infra-estrutura com a Internet

Nível de serviço T1Para SME’s

ResidencialCanal de comunicação

Nível de Serviço DSLpara pequenas empresas

Internet

44

de ser recebido por nodos subseqüentes, que tornam a restransmití-lo e assim sucessivamente

até que os dados cheguem ao seu destino. Uma vantagem desta topologia é a habilidade de se

transpor grandes obstáculos tais como florestas ou montanhas. Assim, usuários a principio

obstruídos, podem conectar-se as estações base através de outros nodos.

A topologia em mesh provê muitas vantagens sobre implementações com linha de

visada já que podem adaptar-se quando da adição ou remoção de nodos. Cada vez mais,

necessidades de mobilidade são requeridas e novas classes de dispositivos devem ser

incluídos no futuro para atender a esta demanda crescente.

Na topologia em mesh melhores modelos de antenas a preços mais baixos são

capazes de tratar, de forma eficaz, o efeito de interferências e força do sinal. Isso se deve a

utilização de quatro antenas na estação base ao invés de somente uma.

Na figura 3.2 cada uma das quatro antenas transmite e recebe o mesmo sinal em

momentos diferentes e muito próximos, onde depois de processados de forma inteligente, o

melhor sinal será extraído. Esta mesma performance utilizando-se apenas de uma antena

acarretaria problemas de custo, pois seria necessária a obtenção de aparelhos que

aumentassem a força do sinal e tornaria o planejamento da área de cobertura mais difícil, e

com a iminência de interferências na recepção do sinal.

Figura 3.2 – Topologia em mesh (INTEL [1])

Outros benefícios da rede em mesh são:

• Balanceamento de tráfego: o balanceamento de tráfego pode ser conseguido

através da redundância inerente ao sistema em mesh. Em redes muito densas, como

Internet

Rede em mesh entre sistemas de assinantes

Estações base e antenas WiMAX

Usuários móveis

WLAN hotspotCanal entre

estações base

Usuários Fixos

45

em grandes centros comerciais ou industriais, cada dispositivo tem vários

dispositivos próximos, permitindo múltiplos caminhos entre os dispositivos de

comunicação. Assim, no caso de interferências uma rede “multi-hop” é configurada

utilizando caminhos alternativos.

• Mobilidade: a estação cliente pode estar localizada dentro de qualquer ponto da

rede. A estação base da estrutura em mesh que estiver mais apropriada no momento,

atenderá a solicitação do cliente.

• Disponibilidade: a redundância intrínseca da topologia também pode prover a

disponibilidade do serviço. Mesmo na existência de falha de alguma EB, o cliente

pode conectar-se com outra EB disponível.

3 INTERCONEXÃO DE SISTEMAS

O padrão 802.16 foi planejado desde o começo com a intenção de prover meios

para comunicação “até a última milha”, ou seja, permitir comunicação até o limite de alcance

da conexão, com qualidades iguais ou superiores ao modem DSL, ou circuitos dedicados E1/

T16 fornecidos pelas operadoras de comunicação.

As estações-base para comunicação de dados são normalmente acopladas às redes

locais através de canais de fibra óptica ou circuitos microondas não cabeados (figura 3.3).

Com este arranjo, é possível promover interconectividade com os sistemas existentes, como

por exemplo as redes ethernet, de forma transparente para o usuário.

O padrão 802.16-2004, que vem revisar e substituir os padrões IEEE 802.16a e

802.16d, caracteriza-se como uma solução sem fio fixa para acesso com banda larga à internet

que provê interoperabilidade com outros padrões como o ethernet, e solução de classe de

envio até a última milha.

6 Padrão norte-americano que define a linha digital de alta velocidade, com capacidade de

transmissão de 1,544 Mbps. Termo criado pela AT&T, T1 é amplamente utilizado em redes privadas e na

interconexão entre redes locais e redes públicas de telecomunicações

46

Figura 3.3 – Interconexção de sistemas com WiMAX (INTEL [1])

A solução WiMAX para acesso fixo sem fio opera em freqüências licenciadas de

2,5 GHz e 3,5 GHz e na faixa não-licenciada de 5,8 GHz. Esta tecnologia fornece uma

alternativa sem fio aos cables modens e aos circuitos ópticos de transmissão de dados.

O padrão 802.16-2004 define dois modelos para acesso fixo: um que utiliza

antenas externas instaladas nos clientes seguindo o modelo utilizado em antenas parabólicas

para TV por assinatura. E outro utilizado em instalações internas (indoor), ou seja dentro de

prédios que, obviamente, não são instalações tão robustas quanto as primeiras.

O Padrão 802.16e é uma emenda à especificação 802.16-2004 básica. Este padrão

contempla o mercado móvel provendo portabilidade e mobilidade. O 802.16-2004 utiliza

OFDMA que é similar ao OFDM pois divide a portadora em vários subcanais. O OFDMA,

entretanto, vai um pouco mais além, já que agrupa vários sinais transmitidos em um único

sub-canal, uma única estação cliente pode transmitir utilizando todos os subcanais na faixa da

portadora. Em outra situação vários clientes podem transmitir simultanemente, utilizando

cada um uma parte dos sub-canais disponíveis.

4 PILHA DE PROTOCOLOS 802.16

A pilha de protocolos 802.16 obedece à estrutura de outras redes padrão 802,

entretanto apresenta um número maior de subcamadas nas camadas um e dois do modelo de

referência OSI da ISO: a camada física é dividida em duas subcamadas, a subcamada inferior

refere-se à transmissão, é nesta subcamada que estão as técnicas de modulação aplicáveis ao

padrão. A segunda subcamanda da camada física trata da convergência, ou seja, é a

subcamada responsável por ocultar as diferentes tecnologias de transmissão da camada de

enlace.

47

A camada de enlace é composta por três subcamadas que, de baixo para cima tem

as seguintes funções:

• A primeira, subcamada de segurança, resolve problemas de segurança e

privacidade, uma função importante quando se tratam de redes externas. Nesta

camada são criptografados e descriptografados os dados além do gerenciamento das

chaves

• Acima desta, vem a subcamada MAC (Medium Access Control - Controle de

acesso ao meio). É nela que se localizam os principais protocolos tais como os de

gerenciamento de canais. O modelo IEEE 802.16 define que a estação-base controla

o os enlaces de comunicação gerenciando os canais de downstream (da estação-base

para o assinante) e upstream (do assinante para a estação-base). Uma característica

desta camada é que ela é totalmente orientada à conexão, recurso que permite

fornecer qualidade de serviço a aplicações como telefonia e vídeo-conferência,

aplicações que não admitem atrasos na comunicação. O recurso de orientação à

conexão não é comum nos outros padrões 802.

• E, finalmente, a subcamada de convergência de serviços que toma o lugar da

camada LLC (Logical Link Control – controle de enlace lógico) nas outras pilhas

802. Esta subcamada tem a função de definir a interface para comunicação com a

camada de rede.

A pilha de protocolos 802.16 é mostrada na figura abaixo:

Figura 3.4- Pilha de protocolos 802.16

4.1 A Camada Física

A primeira especificação do padrao IEEE 802.16 operava no intervalo de

freqüências de 10 a 66 GHz. A posteriori, uma nova especificação do 802.16 (o 802.16-2004)

48

estendeu uma faixa de freqüências para 2 a 11 GHz, passando o padrão a operar agora com

freqüências licenciadas e não licenciadas e, podendo utilizar canais sem linha de visada, pois

em frequêncais acima de 6 GHz, é mandatório que haja linha de visada (OLEXA, 2005) e em

freqüências mais baixas, a linha de visada não é exigida, muito embora a falta de linha de

visada force o sistema a buscar camininhos alternativos, causando perda de desempenho.

Considerando todos os subpadrões do 802.16, a faixa de freqüência está entre 2

66 GHz. As ondas produzidas nesta faixa têm comprimento milimétrico e a propriedade de

trafegarem em linha reta, diferente das ondas sonoras, porém muito semelhante às ondas

luminosas. Esta característica permite que as estações-base tenham várias antenas onde cada

uma aponta para uma área específica do terreno formando setores de circulos concêntricos à

antena (vide figura 3.5) cada setor delimitado é bastante independente dos setores adjacentes e

possui seus usuários bem definidos.

A atenuação na intensidade do sinal quando este se afasta da estação base provoca

a queda da relação sinal/ruído, ou seja, o sinal diminui e o ruído aumenta, o que significa

dizer que o sinal recebido pelo receptor será de baixa qualidade. Como esta relação é

influenciada pela distância da estação-base ao ponto de recepção do sinal, o padrão 802.16

utiliza três esquemas de modulação. Cada esquema de modulação é adotado para um intervalo

de distância em relação a EB.

• QAM-64, para assinantes próximos a ERB, com queda de 6 bits/ baud

• QAM-16, opera a uma queda de 4bits/baud para assinantes a uma distância média

• Para assinantes distantes, é usado o QPSK, com 2 bits/baud.

Os diferentes esquemas de modulação implicam em diferentes velocidades de

transmissão que variam inversamente com a distância, ou seja, quanto mais distante da ERB,

menor será a taxa de transmissão de dados. Para efeito de exemplo, em um espectro típico de

25 MHz o QAM-64 transmite a cerca de 150 Mbps, o QAM-16 a 100 Mbps e o QPSK a 50

Mbps. Contudo, será garantida a persistência do sinal.

Figura 3.5 - Divisão do espaço de transmissão no padrão 802.16 (INTEL)

49

4.1.1 Duplexação dos Canais de Dados

Quase sempre, a capacidade que um meio tem de transmitir (banda passante) é

bem maior do que a banda passante necessária para transmissão dos sinais de dados.O que

deixa ociosa a banda passante. Para evitar estes “desperdícios” de capacidade de transmissão,

é utilizada a multiplexação que, basicamente, é a transmissão “simultânea” de mais de um

sinal no mesmo meio físico, aproveitando assim a capacidade de transmissão.

Levando-se em consideração as restrições físicas da comunicação de dados sem

fio e os objetivos de criar um sistema de banda larga, era imperativo para o comitê do padrão

802.16 a utilização do espectro disponível de maneira eficiente. Fazia-se necessário, portanto,

um esquema adequado de duplexação.

A utilização dos esquemas de duplexação do tipo GSM (Global System for

Mobile Communications - Sistema Global para Comunicação Móvel) e D-AMPS (Digital-

Advanced Mobile Phone Service – Serviço digital avançado para telefonia móvel),

originalmente concebidos para telefonia, não foi bem sucedida para transmitir dados pois, no

caso de voz, o tráfego é praticamente simétrico e, apesar de ambos sistemas utilizarem

freqüências distintas, elas são equivalentes para os canais de upstream e downstream, já que

na comunicação telefônica a necessidade de trasmissão é similar em ambas as pontas. No caso

da comunicação de dados (como usuários conectados à Internet, por exemplo), a grande

maioria do tráfego é de downstream, não obstante há picos no tráfego de upstream. Por esta

característica, tornou-se necessária a utilização de um sistema capaz de alocar largura de

banda de uma forma mais flexível.

Para atender à demanda variável, são utilizados esquemas de duplexação. Os

esquemas adotados para a comunicação no 802.16 São: TDD - Time Division Duplexing e

FDD - Frequency Division Duplexing.

Na duplexação por divisão do tempo, utilizada na comunicação sem fio, a estação

base transmite quadros periodicamente. Cada quatro é formado por slots de tempo divididos

da seguinte forma: os primeiros, normalmente a maioria, são destinados ao tráfego de

downstream; logo a seguir, há um tempo de guarda, utilizado para proteção. Este tempo é

utilizado para que as estações comutem o sentido da transmissão; e, finalmente, os slots de

tempo utilizados para tráfego upstream (figura 3.6).

A quantidade de slots de tempo dedicados para cada sentido da transmissão pode

ser alterada dinamicamente, a fim de corresponder à largura de banda requerida em cada

sentido. Assim, mesmo sendo, via de regra, a transmissão de downstream bem maior que a de

50

upstream, em dado momento esta diferença pode diminuir ou até mesmo se inverter,

dependendo da necessidade de comunicação.

Figura 3.6 - Divisão dos quadros para duplexação por divisão de tempo

O downstream tem seu tráfego mapeado em slots pela estação base, que é a

responsável pelo controle do tráfego neste sentido. O controle do tráfego de upstream é mais

complexo, pois vai depender do nível de qualidade de serviço exigido pelos concorrentes que

desejam transmitir.

A duplexação por divisão de freqüência é feita para se alocar dois sinais iguais e

distintos com freqüências diferentes no mesmo canal de comunicação. Uma das freqüências é

transmitida pela estação-base e recebida pela estação remota, a outra faz ao contrário,

tornando-o um sistema de comunicação duplex. Considerando que este sistema duplo

compartilha antenas comuns, as freqüências utilizadas tem que ter uma separação entre elas

de, pelo menos, 45MHz para assegurar que a energia do transmissor possa ser facilmente ser

filtrada no receptor. A FDD é mais utilizada em sistemas onde o tráfego tende a ser simétrico,

pois ambos os canais possuem a mesma largura de banda (figura 3.7) (OLEXA, 2005).

Figura 3.7 - Duplexação por divisão de freqüência

51

4.1.2 Circuitos LOS X NLOS

Nas primeiras tentativas do 802.16, o alcance estava limitado entre 3e 10 Km, não

contemplando a determinação do padrão. Esta limitação se deve às freqüências utilizadas no

padrão inicial (10 a 66 GHz) incapazes de traspor obstáculos como tais estruturas de concreto,

o que obrigava a comunicação com linha de visada, ou seja, o sistema transmissor-receptor

precisa estar instalado em linha reta, e sem obstáculos entre os equipamentos de transmissão e

recepção.

A posteriori, a utilização de freqüências abaixo de 11 GHz, integrou ao padrão a

possibilidade de operar sem linha de visada, onde são permitidos obstáculos entre os

equipamentos transmissores e receptores.

Os canais para comunicação sem fio são, normalmente, descritos como sendo com

linha de visada LOS ou sem linha de visada NLOS.

4.1.2.1 Circuitos LOS

Em um circuito LOS, o sinal trafega sobre um caminho direto e desobstruído. Um

circuito LOS requer que o máximo da primeira zona de Fresnel7 esteja livre de qualquer

obstrução (WiMAX FORUM [3]). Se este critério não for obedecido há uma queda

significativa no sinal transmitido, dificultando sua recepção. A liberação necessária da zona

de Fresnel depende da freqüência operacional e da distância entre o transmissor e o receptor.

7 Ou Fresnelzone é o raio do campo eletromagnético entre duas antenas. A propagação das microondas forma um

campo elíptico envonvendo a linha de visada. O campo fica tão mais extenso quanto mais aumenta a distância

entre as antenas. (http://info.matik.com.br)

52

Figura 3.8 – Circuito com linha de visada e zona de liberação deFresnel (WiMAX FORUM [3] )

4.1.2.2 Circuitos NLOS

Em um circuito sem linha de visada os sinais enviados são refletidos e difratados.

Assim, os sinais que chegam ao receptor consistem em componentes do sinal enviado

originalmente já que tais sinais chegam através de caminhos diferentes o que causa atraso no

tempo de chegada de alguns sinais componentes do sinal original, além do que são percebidas

atenuações, polarizações e instabilidades relativas ao caminho original. (figura 3.9)

O fenômeno dos caminhos múltiplos pode inverter a polarização do sinal. A

polarização invertida é, às vezes, utilizada como reuso de freqüência em ambientes LOS, isto

pode ser problemático para aplicações NLOS. Assim, não se deve utilizar a inversão de

polarização como técnica de reuso de freqüências para sistemas sem linha de visada.

Como os sistemas de rádio utilizam o mesmo esquema de caminhos múltiplos,

esta vantagem parece ser a chave para comunicação sem linha de visada. “Um equipamento

que aumenta sua potência para vencer as obstruções na “força bruta” ainda não é uma

tecnologia NLOS porque ainda está utilizando um caminho direto” (WiMAX FORUM [3]).

Existem várias vantagens na utilização de sistema NLOS. Questões como

exigências de projeto e restrições de altura frequentemente não permitem que as antenas LOS

sejam posicionadas para NLOS. Em sistemas celulares extensos, onde o reuso de freqüência é

crítico, baixar a antena é vantajoso para reduzir interferências em co-canais8 de células

adjacentes. Baixar demais as antenas porém, obriga as estações base a operarem sem linha de

visada. Não é viável pois que se reduzam muito as alturas das antenas das estações base de

um sistema LOS, já que isso encobriria a linha de visada exigida do CPE para a EB.

8 Canais que utilizam a mesma freqüência que, entretanto, estão em células distintas.

53

Figura 3.9 - Propagação sem linha de visada

Outras vantagens da utilização de canais sem linha de visada, são a redução de

despesas de instalação da CPE e a facilidade para a escolha adequada do local onde a CPE

será montada.

É possível utilizar na tecnologia NLOS equipamentos projetados para funcionar

em ambiente fechado, melhorando algumas características. Esta solução incorpora dois

desafios principais: a) superar as perdas resultantes da penetração em estruturas e; b) cobrir

maiores distâncias com menos exigência de potência nos transmissores e ganhos em antenas,

o que normalmente ocorre em CPEs de ambiente fechado. Estas características podem ser

melhoradas através da otimização de algumas características opcionais do padrão 802.16.

Os problemas resultantes da comunicação sem visada são resolvidos pelo padrão

802.16, utilizando: Multiplexação por divisão ortogonal da freqüência; sub-canalização;

antenas direcionais; variação na transmissão e recebimento; modulação adaptativa; técnicas

de correção de erros e controle de potência.

• Multiplexação por divisão ortogonal de freqüência

Praticamente todos os padrões IEEE para comunicação sem fio utilizam

atualmente a técnica de multiplexação conhecida como OFDM. Apesar de ser uma técnica

que já existe há algum tempo, somente recentemente sua implementação se tornou praticável

por apresentar valores competitivos, uma vez que possibilita transmissões com elevadas taxas

de dados e a maximização da eficiência adaptando-se ao comportamento do canal. Esta

técnica é considerada uma técnica efetiva para transmissão digital sob condições severas em

54

caminhos múltiplos com atenuação. Outra vantagem pode ser adicionada ao esquema de

OFDM incluindo-se um componente de espectro de seqüência direta de propagação no

sistema. Tais características são muito apropriadas aos sistemas móveis, o que faz da OFDM

uma técnica passível de ser bastante utilizada no futuro.

Mesmo nos ambientes tipo indoor, o canal de radio é seriamente afetado pela

distorção do tipo multipath fading9 (atenuação por caminhos múltiplos). Esta é causada por

mudanças no ambiente físico originadas no movimento relativo entre o transmissor, o

receptor e as superfícies de refração/reflexão presentes no espaço circundante. Uma

alternativa robusta frente aos efeitos desta distorção corresponde à utilização da técnica de

multiplexação OFDM.

• Sub-Canalização

A subcanalização no circuito de envio do cliente é outra possibilidade na

arquiteutura WiMAX. Sem a subcanalização, são necessários restrições para o custo efetivo

da CPE. Tipicamente a assimetria do circuito limita a capacidade de tráfego upstream. A

subcanalização faz com que a banda passante seja balanceada equilibrando os circuitos de

envio e recebimento. Ela concentra a capacidade de transmissão numa quantidade menor de

portadoras OFDM, isto aumenta o ganho do sistema e pode ser utilizado para estender o seu

alcance, superando as perdas ocorrentes de penetração em estruturas. Pode também reduzir o

consumo de energia na CPE. O uso de subcanalização será utilizado no futuro com OFDMA

para prover um acesso mais flexível aos recursos que podem, inclusive, suportar operações

móveis.

9 Refere-se à perda de potência do sinal pela decomposição deste ao encontrar-se com obstáculos

no seu caminho.

55

Figura 3.10 - os efeitos da subcanalização (WiMAX FORUM [3] )

Antenas Direcionais

Antenas direcionais aumentam a margem de queda dos sinais incrementando

ganhos, isto melhora a persistência do circuito entre as antenas direcionais e omni-direcionais.

O atraso de propagação é reduzido tanto pelas antenas direcionais quanto nas EB ou nas CPE.

Os testes padrão da antena suprimem todos os sinais enviados por caminhos múltiplos que

chegarem aos lóbulos laterais ou aos lóbulos traseiros. A eficácia deste método foi aprovada e

utilizada com sucesso em instâncias desenvolvidas que operam sob significativa queda de

sinal em ambientes sem linha de visada. (WiMAX FORUM [3])

O sistema de antenas adaptáveis (AAS- Adaptive antenna systems) é uma opção

ao padrão 802.16. sistema conforma o feixe de ondas eletromagnéticas de tal forma que pode

direcionar seu foco em um ou vários sentidos determinados. Isto significa que, ao transmitir, o

sinal pode ser delimitado ao sentido requerido pelo receptor, como um feixe de luz pontual.

Em contrapartida, ao receber, o AAS pode focar apenas no sentido de origem do sinal. Este

sistema tem a capacidade de suprimir a interferência advinda dos co-canais de outras células.

Por isso, o AAS é considerado a tecnologia do futuro para transmissão de sianis. Nele será

possível melhorar a capacidade dos espectros e ainda reutiliza-los em uma rede sem fio.

Variação na transmissão e recebimento

Diversos esquemas de variação são utilizados para avaliar a vantagem dos sinais

de múltiplos caminhos e das reflexões ocorrentes em comunicação sem visada. A variação é

uma característica opcional da teconogia WMAN. Os algoritmos utilizados na tecnologia

oferecem um aumento na disponibilidade do sistema tanto no transmissor quanto no receptor.

O padrão transmite várias opções de codificação de espaço e tempo a serem

utilizadas para transmissão independente da origem, isto reduz a margem de dispersão do

sinal exigida e combate a interferência. Existem várias técnicas disponíveis que, combinadas,

melhoram a disponibilidade do sistema. Por exemplo, na máxima relação combinada há a

56

vantagem de existirem dois canais distintos de recepção para auxiliarem na recuperação do

sinal e reduzirem o caminho de propagação. A Variação mostrou-se como uma ferramenta

efetiva para lidar com as necessidades da propagação sem linha de visada.

Modulação adaptativa

A modulação adaptativa permite que o sistema ajuste o esquema de modulação de

acordo com a relação sinal/ruído (cap 1, item 2.2). Quando o circuito de rádio for de

qualidade elevada, o esquema de modulação de maior rendimento será utilizado, dando ao

sistema maior capacidade. Ao contrário, quando a dispersão do sinal for muito perceptível, o

padrão utiliza um esquema de modulação de menor rendimento que, no entanto, é capaz de

manter a estabilidade e persistência do enlace. Assim, o sistema adapta a modulação do sinal

conforme a qualidade do canal. A principal característica do esquema de modulação

adaptativa é que ela provê uma variação no esquema de modulação. Segundo este sistema

flexível, é possível ter altas taxas de transmissão que, irão diminuir conforme a qualidade do

sinal, ao contrário do que ocorreria num esquema fixo de modulação que teria que ser

projetado para operar no pior caso, portanto com baixa taxa de transmissão. (OLEXA, 2005)

Técnicas de correção de erro

Técnicas de correção de erros foram incorporadas ao sistema para reduzir os

prejuízos resultantees da relação sinal/ruído. Algoritmos são utilizados para detectar e corrigir

erros, melhorando assim o throughput. Técnicas robustas de correção de erros ajudam a

recuperar quadros de dados danificados que podem ter sido perdidos devido a queda de

freqüência ou estouro de tempo de chegada. O pedido de reenvio automático (Automatic

repeat request – ARQ) é usado para corrigir os erros que não puderam ser corrigidos no

recptor. Isto melhora significativamente a taxa transmissão, mantendo-a num nível adequado.

(WiMAX FORUM [3])

Controle de potência

Os algoritmos de controle de potência são utilizados para melhorar o desempenho

do sistema como um todo. Eles são executados a partir da estação base que envia a

informação de controle de força a todos os CPEs para que estes regulem seu nível de

transmissão de sorte que o nível do sinal recebido pela EB esteja em um patamar pré-

determinado. Em ambientes onde varia a intensidade da dispersão do sinal a CPE transmite

apenas o suficiente para ir de encontro ao patamar de intensidade determinado. O inverso

acontece quando a CPE determina o nível de transmissão. Nesta situação as CPEs estão

baseadas no pior caso. O controle de potência reduz o consumo de energia da CPE e, por

conseguinte, a interferência com outras estações base próximas. Para ambientes com linha de

57

visada, a potência requerida é proporcional à distância entre a CPE e a EB, enfatizando que

ambientes sem linha de visada são extremamente dependentes da distância e obstruções.

(WiMAX FORUM [3]).

4.2. A camada de Enlace

Das três subcamadas que compõe a camada de enlace, a primeira, subcamada de

segurança, utiliza criptografia para os dados, assim, apenas a carga útil dos pacotes é

criptografada, mantendo os cabeçalhos não criptografados. Isto é importante do ponto de vista

do gerenciamento das comunicações uma vez que, sendo os cabeçalhos planos, será possível

observar quem está se comunicando, mas sendo os dados criptografados, não será possível

conhecer o conteúdo dos dados transmitidos.

A subcamada MAC do IEEE 802.16 foi projetada para acesso sem fio ponto-a-

ponto-multiponto com banda larga para aplicações que necessitem de elevadas taxas de dados

com qualidade de serviço. Os algoritmos de locação de largura de banda foram projetados

para prover comunicação de centenas de terminais por canal. O Padrão permite que cada canal

de comunicação seja compartilhado por diversos usuários finais, com exigências variáveis de

largura de banda e tempo de latência nos serviços. Isto exige do protocolo que roda na

subcamada MAC flexibilidade eficiente sobre uma vasta escala de tráfego e modelos de

dados diferentes. Este protocolo foi projetado para trabalhar com multiplexação na divisão do

tempo (TDM) e permitir comunicação de voz e dados sobre IP.

A subcamada MAC e dividida em outras duas: a subcamaca de convergência de

serviços específicos e a subcamada da parte comum. A primeira subcamada é utilizada para

mapear o tráfego específico da camada de transporte a um protocolo MAC que seja flexível o

bastante para carregar eficientemente qualquer tipo de tráfego. A parte comum da subcamada

MAC é independente do mecanismo de transporte, ela é responsável pela fragmentação e

segmentação das unidades de dados do serviço MAC (MAC-Service Data Units - SDUs) em

unidades de dados do protocolo MAC (MAC Protocol Data Units - PDUs). Nela também e

feito o controle de qualidade de serviço (QoS) e escalonamento e retransmissão dos MAC-

PDUs.

4.2.1 Protocolo de Acesso ao Meio

58

A camada de controle de acesso ao meio (MAC) do padrão 802.16 utiliza um

protocolo de unidade de dados (PDU – Protocol Data Unit) de tamanho10 variável juntamente

com outros conceitos que melhoram sobremaneira a eficiência do padrão. Na camada MAC,

várias unidades de PDU podem ser concatenadas para economizar a banda passante na

camada física. Além disso, várias unidades de dados de serviços (SDU ), desde que sejam do

mesmo serviço, devido a qualidade de serviço, podem ser concatenadas em um único PDU

economizando assim, espaço que seria necessário para cabeçalhos do protocolo da camada

MAC. A fragmentação variável permite que SDUs muito extensas sejam divididas em partes

para garantir a qualidade de serviço. Além disso, a diminuição da quantidade de cabeçalhos

emitidos implica em uma redução da carga efetiva de tráfego, o que culmina com a economia

da banda pela supressão de cabeçalhos de SDUs redundantes.

A camada MAC utiliza um algoritmo conhecido como Múltiplos acessos

atribuídos sob demanda/ Divisão do tempo para acessos múltiplos ( DAMA/ TDMA

-Demand Assigned Multiple Access /Time Division Multiple Access) de auto-correção de

largura de banda para solicitações/concessões que elimina as verificações periódicas

utilizadas no protocolo CSMA/CA que é protocolo de acesso ao meio do padrão 802.11.

O DAMA adapta-se para corresponder às necessidades de demanda variável dos

clientes. Com este protocolo, a atribuição dos slots de tempo aos canais varia dinamicamente

com base na necessidade dos clientes. Para transmissões da estação-base aos assinantes, o

padrão especifica dois modelos de operação: Um que tem o objetivo de suportar transmissão

contínua (modo A) tal como áudio ou vídeo, e outro especificado para picos de transmissão

(modo B) como serviço de e-mail, transferência de arquivos, ou consultas a bancos on-line,

todos baseados em IP. Os clientes têm várias opções disponíveis para solicitação de largura de

banda dependendo da qualidade de serviço requerida pela aplicação e dos parâmetros do

tráfego para o serviço em questão. Os usuários podem receber classes de serviço em grupos

ou individualmente, podendo indicar sua necessidade de largura de banda para o serviço que

estão utilizando no momento.

TDMA é uma técnica que divide o tempo de um canal de dados em uma

sequência de quadros, cada quadro consiste em determinada quantidade de slots. Há a

alocação de um ou mais slots por quadro para criar um canal lógico.

4.2.2. Estabelecendo Conexões no 802.16

10 Refere-se aos tamanhos dos pacotes que transmite os dados incluindo o cabeçalho da mensagem

59

A conexão de um cliente à estação-base, dá-se da seguinte forma: existe um

processo de autenticação mútua com criptografia que usa, para tanto, certificados de chave

pública. Durante as comunicações, somente as cargas úteis (os dados propriamente ditos) são

criptografadas com a utilização de um sistema de chave simétrica.

Os quadros MAC ocupam um número inteiro de slots de tempo da camada física.

Tais quadros são formados por subquadros, sendo que os dois primeiros subquadros são os

mapas de downstream e upstream que informam o que está contido nos slots de tempo, desta

forma, é possível saber quais slots de tempo estão livres para então utilizá-los.

O canal de downstream é bastante direto e contém em seu mapa vários parâmetros

do sistema que são passados às estações quando estas se conectam à rede. Neste canal, a

estação-base simplesmente decide o que inserir em cada subquadro. No canal de upstream

existem assinantes concorrentes não coordenados que precisam de acesso à rede, o que o torna

mais complexo. A alocação do canal de upstream está relacionada à qualidade de serviço

suportada pelo padrão 802.16.

Para que uma estação cliente conecte-se à rede, é executada a seguinte seqüência

de passos:

• A estação cliente busca um sinal transmitido pela estação base que serve para

estabelecer os parâmetros do canal de comunicação.

• A área de cobertura do sinal permite que a estação cliente configure corretamente

os parâmetros da camada física, para então estabelecer um canal de “gerenciamento

primário” com a estação base. Este canal é usado para a negociação das capacidades,

tais como: número máximo de estações clientes e carga, além de parâmetros de

autorização e gerenciamento de chaves;

• O protocolo de gerenciamento de chave de privacidade (PKM – Privacy Key

Management) autoriza a estação cliente a conectar-se com a estação base;

• A estação cliente efetua seu registro enviando mensagens de requisição para a

estação base. A resposta da estação base envia um ID da conexão associado a uma

conexão de gerenciamento; e

• Tanto a estação cliente quanto a estação base criam conexões de transporte

dinâmicas usando uma requisição MAC_create_connection, o que indica que a

criptografia no nível MAC está sendo requisitada.

60

Uma vez completada essa seqüência de passos, a estação cliente está apta a

comunicar-se com outra estação cliente ligada direta, ou indiretamente com a estação base a

qual está conectada.

5 QUALIDADE DE SERVIÇO NO IEEE 802.16

No padrão 802.16, todo serviço é orientado à conexão. Assim, cada uma das

conexões recebe uma das quatro classes de serviço: Serviço de taxa de bits constante; Serviço

de taxa de bits de tempo real; Serviço de taxa de bits variável de tempo não-real; Serviço de

melhor esforço. A classe de serviço é determinada no momento em que é estabelecido o canal

de comunicação.

Cada uma das classes de serviço disponível tem uma finalidade específica, a

saber:

• Serviço de taxa de bits constante

Destina-se à transmissão de voz não-compactada. Neste serviço é necessário o

envio de quantidades de dados pré-determinadas em intervalos de tempo pré-determinados.

Para tanto são reservados slots de tempo no momento em que uma conexão dessa classe é

estabelecida, assim, os slots de tempo ficam à disposição e são utilizados quando necessários,

não havendo necessidade de solicitação no momento da transmissão.

• Serviço de taxa de bits variável de tempo real

É utilizado para transmissão multimídia compactada ou outras aplicações de

tempo real onde a largura de banda necessária a cada instante seja passiva de variação. Os

slots de tempo são determinados fazendo-se a estação-base consultar o assinante para

determinar a largura de banda necessária a cada instante.

• Serviço de taxa de bits variável de tempo não-real

Elaborado para transmissões pesadas onde taxa constante não é fator

determinante da qualidade do serviço, tal como transferências de grandes arquivos. Para

prover este serviço, a estação-base consulta o assinante com freqüência, entretanto não efetua

o polling a intervalos de tempo prescritos com rigidez. Um cliente que esteja utilizando uma

taxa de bits constante pode definir um bit em um de seus quadros solicitando uma consulta

para transmitir tráfego adicional (de taxa de bits variável). Se não houver resposta de uma

estação a uma consulta solicitada n vezes seguidas, a estação-base a colocará em um grupo de

multidifusão, retirando-a do polling pessoal. Em vez disso, quando o grupo de multidifusão

61

for consultado, qualquer das estações que ele contém poderá responder, disputando o serviço.

Desse modo, estações com tráfego não irão desperdiçar valiosos períodos de polling.

• Serviço de melhor esforço

Aplicável a todos os outros casos. Nenhum polling é feito, assim o assinante deve

disputar a largura de banda com outros assinantes do serviço de melhor esforço. As

solicitações de largura de banda são feitas nos slots de tempo marcados como disponíveis para

disputa no mapa upstream. Caso uma solicitação seja bem sucedida, seu sucesso será notado

no próximo mapa downstream. Se não houver sucesso, os assinantes mau sucedidos terão de

tentar de novo mais tarde. Para minimizar colisões, é usado o algoritmo de recuo binário

exponencial da Ethernet. O padrão define duas formas de alocação de largura de banda: por

estação e por conexão. No primeiro caso, a estação do assinante agrega as necessidades de

todos os usuários do cliente e faz solicitações coletivas por eles. Quando a largura de banda é

concedida, a estação reparte essa largura de banda entre seus usuários, conforme seus

critérios. No segundo caso, a estação-base administra diretamente cada conexão.

6 ARQUITETURA DE SEGURANÇA

O WiMAX é um padrão que objetiva conexões rápidas a longas distâncias. Neste

contexto, a captação do sinal por usuários não autorizados, é uma realidade pertinente que

deve ser prevenida. Para garantir a usabilidade das soluções baseadas no protocolo 802.16, a

primeira subcamada (mais baixa) da camada de controle de acesso ao meio (MAC)

implementa a segurança no protocolo IEEE 802.16, com o objetivo principal de controle de

acesso e confidencialidade do enlace de dados. Para tanto, são utilizados cinco componentes:

Associações de segurança, certificação X509, autorização PKM (Privacy Key Management),

gerenciamento de chave de privacidade e criptografia.

6.1 Associações de Segurança

As associações de segurança explicitamente definidas pelo padrão controlam o

estado relevante à conexção, mantendo seguras as conexões de transporte entre uma EB, e

uma ou mais estações cliente. As associações são formadas por:

• Um identificador de 16 bits;

• Criptografia simétrica para salvaguardar os dados trocados nas sessões;

62

• Duas chaves de criptografia, uma operacional corrente, e outra utilizada quando

expira a chave corrente

• Dois identificadores de chave: um para cada chave de criptografia

• Um valor de tempo de vida (TTL – time to live) para a chave corrente;

• Um vetor de inicialização; e,

• Uma indicação do tipo de associação definida, que pode ser: primária, quando é

estabelecida durante a inicialização do enlace ou estática quando configurada pela

estação base ou ainda dinâmica, cuja necessidade está nas conexões de transporte que

são estabelecidas sob demanda.

Para que uma conexão de transporte torne-se segura são tomados os seguintes

passos: A estação cliente inicia uma associação de segurança usando uma requisição

(create_connection), como é necessário o suporte a multicast, o padrão garante o

compartilhamento de muitos IDs por uma associação. Quando entra na rede, o IEEE 802.16

cria, automaticamente, uma associação de segurança para o canal de gerenciamento

secundário. Uma estação cliente fixa possui, normalmente, duas ou três associações de

segurança, uma responsável pelo gerenciamento do canal secundário e outras para as

conexões de transporte tanto de recepção quanto de envio. O processo de associação de

segurança na autorização consiste de um certificado padrão X.509 que deve identificar a

estação cliente e de uma chave de autorização compartilhada entre duas estações. É a partir

deste processo de autorização que a estação base consegue permissão de configurar dados nas

estações cliente, por exemplo, quando precisa configurar dados de associações de segurança.

6.2 Certificação X.509

O WiMAX suporta autenticação com certificados X.509, cuja recomendação do

ITU-T descreve dois níveis de autenticação: Uma simples, utilizando senha para verificação

de uma identidade; e outra forte, envolvendo credenciais consolidadas por técnicas

criptográficas. Este segundo nível define uma estrutura para o fornecimento de serviços de

autenticação controlado por um paradigma central representado por um diretório.

Certificados X.509 identificam as partes em uma comunicação com os seguintes

campos: certificado X.509 versão 3; número serial; algoritmo de assinatura do emissor –

criptografia de chave pública: RSA (Rivest and Shamir Algorithm) com hashing SHA1

(Secure Hash Algorithm); emissor do certificado; período de validade; identificação do dono

63

do certificado; chave pública do certificado; algoritmo de assinatura usada pelo dono do

certificado e assinatura do emissor.

O padrão IEEE 802.16 não especifica extensões ao certificado X.509, mas define

dois tipos de certificados: o certificado do fabricante e o certificado da estação cliente, não

definindo o certificado da estação-base

O certificado do fabricante identifica o fabricante do dispositivo 802.16. Pode ser

um certificado auto-assinado ou emitido por uma terceira parte. Um certificado da estação

cliente identifica uma estação cliente em particular e inclui o seu endereço MAC no campo de

identificação do dono do certificado. Normalmente, os fabricantes emitem e assinam os

certificados das estações cliente. A estação-base usa tipicamente a chave pública do

certificado do fabricante para verificar o certificado da estação cliente e identificar

originalidade do dispositivo. Esta abordagem assume que a chave privada da estação cliente,

originária de sua chave pública, está armazenada de forma protegida, prevenindo que

atacantes comprometam-na.

O X.509 reconhece três entidades para procedimentos de certificação. O CA,

nome genérico de qualquer entidade que controla serviços de autenticação e que administra

certificados, o assinante, entidade que fornece as informações que devem constar em seu

próprio certificado assinado por uma CA e o usuário, qualquer entidade que utiliza os

certificados emitidos por um CA para obter informações de um assinante. Em outras palavras,

o diretório é implementado por uma Autoridade Certificadora (CA) que emite certificados

para que assinantes (clientes da CA) possam ser verificados por usuários (público em geral).

6.3 Autorização PKM (Privacy and Key Management)

O protocolo de autorização PKM distribui um token de autorização a uma estação

cliente da rede. Este protocolo de autorização consiste de três mensagens trocadas entre a

estação cliente e a estação base:

A estação cliente inicia o protocolo, enviando a primeira mensagem (1) para a

estação base, fornecendo o certificado do fabricante do seu dispositivo. A estação base, por

sua vez, utiliza os dados desta mensagem para reconhecer o fabricante da estação cliente; se a

estação base ignorar a mensagem recebida e não enviar a resposta, significa que sua política

de segurança não permite acesso para aquela estação cliente. Imediatamente após a mensagem

(1), a estação cliente envia a mensagem (2) composta de seu certificado X.509, que a

identifica. Se a estação base verificar e reconhecer o certificado da estação cliente, então esta

64

é autorizada e a estação base responde com a mensagem (3), autorizando a estação cliente a

conectar-se ao sistema.

6.4 Gerenciamento de Chave de Privacidade

O Gerenciamento de chave de privacidade ocorre em uma instância do protocolo

PKM onde é estabelecida uma associação de segurança de dados entre estação-base e estação

cliente. Da mesma forma que o PKM, este protocolo, também, consiste de três mensagens

trocadas entre a estação cliente e a estação base. A estação base utiliza a mensagem (1), que é

opcional, para forçar um rechaveamento ou criar uma nova associação de segurança. Por

outro lado, a estação cliente inicia o protocolo enviando uma segunda mensagem e a estação

base responde com a terceira mensagem. A segunda mensagem é usada para requisitar os

parâmetros da associação de segurança e a estação base por sua vez, responde e configura a

associação de segurança usando a mensagem 3.

6.5. Confidencialidade e Integridade

O padrão inicial do 802.16 define criptografia com DES-CBC (Data Encryption

Standard – Cipher Block Chaining), com ganchos para uso de criptografias mais robustas

como AES (Advanced Encryption Standard), sobre o campo de payload. Isso garante a

confidencialidade dos dados trafegados na rede.

O DES possui o algoritmo de encriptação de dados mais utilizado no mundo. Este

algoritmo continua em larga utilização em governos e instituições financeira, agora numa

versão denominada "triple-DES".

O padrão 802.16 não provê autenticidade dos dados. No entanto, implementações

atuais do WiMAX requerem que todo o tráfego sejar criptografado com CCMP (Counter

Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol –AES-CCM). O

CCMP usa AES para prover confidencialidade (criptografia) bem como integridade

(autenticação) dos dados. E desta forma, para autenticação fim-a-fim o WiMAX utiliza o

PKM-EAP (Extensible Authentication Protocol), o qual confia no padrão TLS (Transport

Layer Security) usando criptografia de chave pública.

65

6.6 Ameaças e Vulnerabilidades

As ameaças previstas no padrão são identificadas tanto na camada física quanto na

sub-camada de controle de acesso ao meio (MAC). As ameaças comuns na camada física

podem ser advindas de:

• Ataques de tortura de água - “water torture”: neste tipo, o atacante envia uma série

de quadros a qualquer estação da rede a fim de descarregar sua bateria;

• Jamming: é uma forma de ataque de DoS (Denial of Service) e ocorre quando um

atacante deliberadamente emite sinal com o objetivo de criar congestionamento para

os sinais legítimos.

A inclusão de mobilidade no padrão através do IEEE 802.16e traz facilidades para

um possível invasor, uma vez que sua localização não se configura mais como um fator

limitante, já que o padrão 802.16e suporta conexões móveis e sem linha de visada. Desta

forma os sinais de rádio, poderão ser interceptados por um atacante posicionado

apropriadamente.Para evitar isto, o padrão define o uso de mecanismo de confidencialidade.

Uma outra ameaça importante consiste na fabricação de dados ou modificação dos

dados enviados no meio. Como o padrão 802.16 não define mecanismos para garantir a

autenticidade e integridade da informação que trafega. É possível, a um atacante, reenviar

dados antigos, pois o padrão, também, não contempla um mecanismo de atualidade

(freshness) dos dados que trafegam no ambiente de rede.

Uma outra falha importante do protocolo é a inexistência de autenticação mútua

entres as partes em uma comunicação. Como pode ser observado anteriormente, somente a

estação cliente possui certificados que a identificam, enquanto a estação base não possui

qualquer tipo de certificação. Um modo de proteger uma estação cliente de não se comunicar

com estações-base falsas é através do processo de autenticação mútua.

Outras vulnerabilidades estão na autorização, gerenciamento de chave e proteção

de dados. Quanto a vulnerabilidades na autorização, a associação de segurança na autorização

é considerada fraca, pois o protocolo PKM, que gerencia a autorização, possui

vulnerabilidades. Como não há autenticação mútua, uma estação cliente não tem como

verificar se as mensagens recebidas do protocolo de autorização foram realmente enviadas

pela estação-base autorizada. Assim, qualquer estação-base falsa (rougue) pode criar uma

resposta para a estação cliente. E uma vez que a estação-base participa do processo de geração

66

de chave secreta para criptografia dos dados trocados, o sistema como um todo fica

comprometido.

O padrão IEEE 802.16 possui diversas falhas de segurança. Muitas destas

vulnerabilidades existem devido a especificações iniciais do padrão 802.16, que são

erradicadas através das definições de novos sub-padrões e das novas implementações

previstas.

7 FREQÜÊNCIAS DE USO EM WiMAX

O protocolo IEEE 802.16 define, considerando todos os padrões, a faixa de

freqüências de 2 a 66 GHz. As soluções que realmente devem conquistar o mercado são as

baseadas no 802.16-2004 e 802.16e, operando em faixas licenciadas e não licenciadas, entre 2

e 11 GHz. Contudo os equipamentos WiMAX na prática devem operar nas bandas de 2,5 e

3,5 GHz, onde os desenvolvedores estão de fato concentrando seus esforços. A freqüência de

10,5 GHz, apesar de estar definida não deve ser utilizada em WiMAX padrões, mas poderá

ser utilizada em soluções proprietárias para acesso a banda larga sem fio.

A proposta dos fabricantes é padronizar as faixas de freqüências dos

equipamentos, provendo assim interoperabilidade. Contudo, como as regulamentações sobre o

uso de freqüências variam de acordo com o país, de forma que mesmo em países onde a

divisão das freqüências é similar, há variações nas aplicações a que elas se destinam, o que

torna a padronização de freqüência um empecilho para disseminação do WiMAX. Assim

sendo, a dificuldade de padronização não está nas freqüências em si, mas sim na

regulamentação dos espectros dentro de uma nação.

Segundo PRADO [5], o WiMAX Vai operar em duas situações distintas: Uma

utilizando a banda licenciada e outra utilizando a banda não licenciada. A tendência no uso

das freqüências licenciadas no mundo, exceto EUA está na faixa de 2,5 e 3,5 GHz, enquanto

que as freqüências de 2,5 a 2,7 GHz, devem ser a faixa licenciada a operar nos EUA. A

freqüência de 5,8 GHz deve ser a banda não licenciada no mundo todo.

Deve-se entender por freqüências licenciadas, aquelas que são controladas por um

órgão regulador dentro de um país (no caso do Brasil, a ANATEL) Para os equipamentos que

funcionam na faixa licenciada faz-se necessário registro no órgão regulador, bem como o

atendimento a regras de irradiação como, máxima potência, ruído, etc.

As freqüências não licenciadas ou livres não necessitam de registro algum para

funcionar, porém são mais limitadas que as anteriores. Obviamente que como as regras de

67

divisão dos espectros variam em cada país, a faixa de freqüências livres e licenciadas é

diferente, o que remonta na dificuldade supra.

Tradicionalmente existe uma grande massa de usuários que definem o espectro

não licenciado como não confiável, uma vez que se utilizam equipamentos sem registro

algum, conseqüentemente o espectro não licenciado não deveria ser utilizado, tornando as

faixas de freqüências licenciadas as preferidas. Com a ascensão da tecnologia de banda larga

sem fio implementando criptografia na camada de enlace, esse conceito começa a mudar,

provocando desta maneira um grande crescimento na utilização do espectro não licenciado.

Segundo PRADO [5], “Todos os países hoje enfrentam problemas de alocação de

espectro com serviços não nobres ocupando muita banda”. Também segundo o autor, é

necessário um processo de reengenhearia para alocação dos espectros de maneira mais

racional. Processo este que já está ocorrendo de maneira paulatina em todo o mundo.

7.1 Freqüências de Uso no Brasil

No Brasil, a ANATEL tem trabalhado intensamente na regulamentação das

freqüências para uso em transmissão de dados sem fio como WiMAX e Wi-Fi. Em um leilão

ocorrido em 2003, a ANATEL vendeu os direitos de uso das freqüências a serem utilizadas

por redes de banda larga sem fio aos seguintes grupos ou empresas: EMBRATEL,

DirectNET, Grupo Editorial Sinos, Inforwave, Universal Telecom, Vant e WKVE.

Os pontos mais importantes da divisão destas freqüências são:

• A EMBRATEL ficou com a freqüência licenciada de 3,5GHz no Brasil inteiro;

• A Brasil Telecom ficou com o uso destas freqüências nas capitais dos estados

Ceará, Pernambuco, Bahia, Minas Gerais, Rio de Janeiro, São Paulo, Paraná e Rio

Grande do Sul e em mais 04 localidades.

• Outras empresas também garantiram faixas de 3,5Ghz para atuarem em regiões

específicas

• A licença para operar na freqüência dos 10,5GHz também foi leiloada, e adquirida

por algumas empresas em regiões específicas

8. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO PADRÃO 802.16

68

As mudanças introduzidas no 802.16-2004 (que inclui o que já existia nas versões

anteriores: 802.16-2001, 802.16c-2002 e 02.16a em 2003) são focadas em aplicações para

acesso fixo e nomâdico no intervalo de freqüências de 2-11 GHz, com ou sem linha de visada.

Para atender a estes requisitos, duas técnicas de modulação de multi-portadoras são

suportadas: OFDM com 256 portadoras e OFDMA com 2048 portadoras. Estas mudanças

propostas no padrão aplicam-se somente às camadas física e MAC, mantendo constante o

restante da pilha 802.16.

Uma das principais características do padrão IEEE 802.16 é a entrega até a última

milha. O IEEE 802.16-2004 melhora a entrega até a última milha em vários aspectos:

• Interferência Multi-caminhos

• Atraso de propagação

• Robustez

A interferência multi-caminho e o atraso de propagação melhoram o desempenho

nos casos onde não há linha de visada direta entre a estação base e a estação do cliente. No

padrão 802.16-2004 o Controle de Acesso Ao meio – MAC é otimizado para ligações de

longa distância porque foi projetado para tolerar longos atrasos com variações .

A especificação 802.16 inclui gerenciamento de mensagens do controle de acesso

ao meio que permitem a EB solicitar retransmissão da estação do cliente, para tanto há um

limite no tempo de atraso.

Os Equipamentos deste padrão que operam em faixas de freqüência não

licenciadas utilizam a duplexação por divisão de tempo (TDD - time-division duplexing). Os

equipamentos que operam em faixas licenciadas, utilizam a duplexação por divisão de

freqüência (FDD - frequency-division duplexing).

O IEEE 802.16 utiliza OFDM para otimização do serviço de transmissão de dados

sem fio. Sistemas baseados neste padrão são os únicos a utilizar OFDM para plataformas de

redes metropolitanas sem fio.

No caso do 802.16, o sinal de OFDM é dividido em 256 portadoras ao invés das

64 portadoras no padrão 802.11. O maior número de subcanais na mesma faixa, implica em

subcanais mais estreitos o que equivale a períodos maiores de sinalização. A mesma

percentagem de tempo de espera ou prefixo cíclico (CP - cyclic prefix) fornece maiores

valores absolutos de tempo para maiores atrasos de propagação e imunidade multi-caminhos.

69

Por exemplo, para uma largura de banda de 20 MHz, entre o 802.11 e o 802.16 no

¼ prefixo cíclico seria um fator de 4, por conta da relação 256/64. Em OFDMA que tem o

tamanho de 2048 FFT a relação é de 32. (INTEL, ).

A camada física para o 802.16 foi projetada para tolerar atrasos de propagação.

Enquanto o 802.11 consegue tolerar um atraso de 900 nanosegundos, o 802.16 tem um atraso

de até 10 microsegundos, mais de 1000 vezes o padrão de redes locais sem fio. Isto porque o

padrão LAN sem fio foi projetado para um alcance máximo de 100 metros, portanto, muito

menor que o padrão para redes metropolitanas.

O protocolo de acesso ao meio do 802.16-2004, confia no pedido de concessão ,

ao contrário do protocolo do padrão 802.11que não permite colisões dos dados. Como

conseqüência o 802.11 não utiliza a largura de banda disponível eficiententemente. Nenhuma

colisão não significa que não há nenhuma perda por retransmissão de dados. No 802.16, toda

comunicação é coordenada pela estação base. Outras características deste padrão são:

a)Melhor conectividade: O 802.16-2004 suporta mais usuários conectados em

virtude das suas larguras de banda flexíveis e modulação adaptativa.

Como o 802.16 utiliza canais mais estreitos que os 20 MHz fixos utilizados pelo

padrão 802.11, o padrão para redes metropolitanas pode atender assinantes com baixa taxa de

transferência de dados sem desperdiçar largura de banda. Quando ocorrem interferências ou

ruídos nos canais de transmissão dos usuários, o esquema de modulação adaptável os mantém

conectados mesmo com taxas menores, não permitindo queda na conexão.

b) Melhor qualidade de serviço: Este padrão permite que WISPs (Wireless

Internet Service Provider – Provedor de serviços Internet sem fio) assegurem a qualidade de

serviço para seus clientes que solicitam diferentes níveis de serviço mantendo, por exemplo

baixo tempo de latência para voz e vídeo, alta taxa de transmissão para clientes de negócios e

serviço de melhor esforço para usuários residenciais.

c) Suporte total para serviço WMAN: Em sua concepção, o padrão 802.16-2004

foi projetado para fornecer serviço de WMAN, portanto pode suportar mais usuários a mais

elevadas taxas de dados por maiores distâncias que as implementações baseadas no padrão

802.11g.

d) Operação de classe de portadora robusta: Este padrão foi projetada para

operação de classe de portadora. Quanto mais usuários compartilham a banda passante, mais

diminui seu throughput individual linear. Esta diminuição, entretanto, é muito menos

70

dramática que a experimentada no 802.11. A esta potencialidade chama-se “aceso múltiplo

eficiente”

e) Largura de banda flexível: Quando a distância entre o assinante e a EB aumenta

ou quando o assinante é móvel, existem mais empecilhos para que este assinante transmita

corretamente. Para plataformas sensíveis como notebooks ou handhelds, frequentemente não

é possível transmitir a longas distâncias da EB se a banda passante do canal for larga. No

padrão 802.11, a banda passante do canal é fixa em 20 MHz. Ao contrário, em aplicações

moderadas na terceira geração, a banda é limitada em aproximadamente 1,5 MHz para

fornecer um intervalo maior.

Os Padrões IEEE 802.16 -2004 e IEEE 802.16e têm as larguras de banda dos

canais variando entre 1,5 e 20 MHz para facilitar a transmissão sobre longas distâncias à

diferentes tipos de clientes e plataformas. Além desta flexibilidade, a largura de banda do

canal também é crucial para a equalização (planificação) da célula, especialmente no espectro

licenciado. Por exemplo, um operador com 14 MHz de espectro disponível pode dividir esse

espectro em 4 setores de 3,5 MHz, formando assim múltiplos setores (pares

transmissão/recepção) em uma única estação base.

Com antenas dedicadas, cada setor terá potencial de alcançar usuários a maiores

distâncias com maior throughput que uma antena omnidirecional11. Um canal flexível rede-a-

rede é imperativo para a planificação da célula.

A variação proposta pelo 802.16e, para proporcionar acesso portável e móvel

utilizando freqüências abaixo de 6 GHz, também para acesso com ou sem linha de visada,

utiliza a modulação SOFDMA, que é uma especialização da OFDMA com a possibilidade de

um número variável de portadoras. A Alocação da portadora no modo SOFDMA, é utilizada

para minimizar o efeito da interferência nos dispositivos de usuários com antenas

omnidirecionais. Esta característica importantíssima para garantir o serviço de usuários

móveis.

Segundo o fórum WiMAX (www.wimaxforum.org), futuramente o IEEE 802.16e

oferecerá suporte melhorado para antenas MIMO (Multiple Input multiple output) e sistema

de antenas adaptáveis (AAS - Adaptative Antenna Systems) assim como hardware e software

para prover handoff. Tanto o AAS como o MIMO, fornecerão substancial incremento de

througput e de capacidade NLOS, que também são características indispensáveis para o

funcionamento de usuários móveis, uma vez que não é previsível o local onde determinado

usuário irá realizar sua conexão com o sistema.

11 Que se propaga em todas ou que capta sons de todas as direções

71

Entretanto, mesmo com os padrões 802.16-2004 e 802.16e mantendo definições

das especificações anteriores, ambos não são compatíveis entre si, porque utilizam duas

técnicas distintas de modulação. Como resultado, uma CPE que utiliza OFDM não trabalha

em redes com SOFDMA e inversamente, uma CPE que trabalha com SOFDMA não irá

trabalhar em uma rede com modulação OFDM, o que pode ser caracterizado como uma

desvantagem para futuros usuários da tecnologia.

Portanto, um projeto que utilize a tecnologia WiMAX, deve ter sua especificação

cuidadosamente planejada para determinar qual das duas versões será aplicável na situação

em questão, garantindo desta forma que não hajam incompatibilidades na comunicação dos

sistemas no futuro.

9 DIFERENÇAS ENTRE 802.11 E 802.16

Até o momento, o desenvolvimento de soluções com tecnologia sem fio para

comunicação de dados está mais avançado no padrão para redes locais WLAN, que é

suportado pelo protocolo IEEE 802.11 apresentado três revisões significativas:

• 802.11a que suporta larguras de banda com velocidades de até 54 Mbps, com

multiplexação OFDM operando a freqüência de 5 GHz.

• 802.11b que suporta larguras de banda com velocidades de até 11 Mbps, com

multiplexação DSSS e freqüência de 2.4GHz.

• 802.11g que suporta larguras de banda com velocidades de até 54 Mbps a

freqüências de 2.4 GHz e multiplexação OFDM.

As definições técnicas do padrão 802.11 o direcionam para a utilização em redes

locais, com alcance previsto para cerca de 100 m e normalmente em aplicações indoor.

Tecnicamente, cada padrão deveria corresponder a um alcance, entretanto na prática existem

sobreposições de padrões. Por exemplo: o UWB suporta altas taxas de transferência e pode

permitir que um usuário com esta tecnologia, transporte arquivos mais rapidamente do que

utilizando as tecnologias Wi-Fi e WiMAX.

No caso das tecnologias Wi-MAX e Wi-Fi, na prática, a linha que as separa é

muito tênue, apesar destas tecnologias serem extremamente diferentes. Pois já é possível

WISPs utilizando soluções Wi-Fi com antenas direcionais ou utilizando topologias Wi-Fi

mesh transmitirem à velocidade de 54 Mbps por um raio de até 10 Km (INTEL [1]) o que

sobrepõe as especificações do padrão 802.16.

72

9.1 Antenas Utilizadas em Wi-Fi

Com a intenção de incrementar o alcance das redes WLANs baseadas em Wi-Fi,

são utilizados, basicamente, dois tipos de antenas, conforme a necessidade do ambiente

desenvolvido.

Antenas direcionais transmitem e recebem energia de RF mais em uma direção do

que em outras. O modelo desta radiação é similar a um feixe de luz produzido por um ponto, e

tipicamente apresentam ganhos muito maiores que antenas omni-direcionais. Ao se estreitar o

feixe de antenas direcionais, estas torna-se-ão antenas de alto desempenho, porque o sinal

recebido estará mais concentrado.Antenas de alto desempenho são utilizadas para cobertura

em longa distância com visada, ou para suportar enlaces ponto-a-ponto entre edifícios. Em

alguns casos antenas direcionais podem reduzir o número de pontos de acessos necessários.

Antenas omnidirecionais são mais utilizadas para comunicações LOS com

estações móveis em todas as direções porque antenas direcionais propagam sinais de RF de

maneira igualitária no plano horizontal. Porém estas antenas apresentam limites no plano

vertical. Antenas ominidirecionais são normalmente utilizadas em WLANs tradicionais e

Redes em mesh.

Figura 3.11 – Antenas direcionais para levar o alcance até a última milha em redes Wi-FI ponto a ponto (INTEL [1])

Uma infra-estrutura Wi-Fi é formada com uma coleção de nós base 802.11a, b ou

g interconectados. O padrão 802.11a é mais comumente utilizado em links ponto-a-ponto,

porém, alcances maiores para redes Wi-Fi são obtidos utilizando-se a topologia em mesh (cap

Internet

Ethernet (802.3)

Wi-Fi

(802.11)

Ethernet

Estação do usuário com antena de alto ganho

Wi-Fi

Estação base Wi-Fi

Internet

Ethernet (802.3)

Wi-Fi

(802.11)

Ethernet

Estação do usuário com antena de alto ganho

Estação base Wi-Fi

Protocolo inter pontos de acesso

Premissa do usuário

73

3 item 2) (figura 3.12) cuja estutura pode ser formada utilizando-se as versões “b” e “g” do

protocolo 802.11.

Figura 3.12 – Aumento do alcance de rede Wi-Fi utilizando topologia em mesh (INTEL [1])

Uma arquitetura “multi-hop” provê uma estrutura flexível para transmissão dos

dados entre os nodos de maneira eficiente, provendo ainda uma série de vantagens sobre

implementações com linha de visada direta, entre as quais estão:

• Baixo custo inicial: o baixo custo ocorre porque normalmente os clientes (como

um laptop, por exemplo) já trazem alguns dispositivos Wi-Fi.

• Tráfego balanceado: através da disponibilidade de uma grande quantidade de

nodos ao longo da malha.

• Mobilidade: já que os clientes podem conectar-se a qualquer estação base

disponível na malha.

• Disponibilidade e Robustez: mesmo quando uma estação base está fora do ar, o

cliente pode ser atendido por outra estação base adjacente. Isto torna o sistema de

comunicação tolerante à falhas.

• Resiliência: como o sinal é regenerado a cada retransmissão pelos nós da malha, é

possível comunicar-se por longas distâncias mesmo com sinais emitidos a baixa

potência;

• Reuso do espectro: não há interferência entre os canais das células, assim o

espectro pode ser reutilizado adotando-se o sistema de co-canais, o que “economiza”

faixas de freqüências.

Por outro lado, a aplicação das redes mesh para o padrão 802.11, trás algumas

limitações, tais como:

• Uma grande quantidade de estações base é necessária para cobrir longas áreas

• Como a banda é compartilhada entre todos os usuários, quanto mais usuários,

menor será velocidade de cada um deles.

• Latência causada pela grande quantidade de saltos entre as estações base.

• Somente implementações proprietárias comtemplam esta solução, o que torna

o usuário dependente de um desenvolvedor. A topologia em mesh Wi-Fi padronizada não

estará disponível ainda no padrão 802.11s.

74

• A qualidade de serviço (QoS) também não está disponível em nenhuma

implementação do padrão, o que torna qualquer tipo de aplicação concorrente com todas as

outras aplicações na rede.

Porém, o alcance não se constitui no único elemento determinante da classificação

de um padrão. Diversas outras variáveis como a distância entre os pontos de acesso, a

quantidade de usuários, protocolos de acesso ao meio e segurança implementada são também

parâmetros norteadores da classificação de uma solução.

Hoje, a popularidade, o custo-benefício e o throughput associados às redes Wi-Fi

tem causado nesta tecnologia um crescimento no desenvolvimento, uso e adoção. Fazendo

dela mais uma opção disponível para acesso até a última milha. Os WISPs estão levando o

Wi-Fi ao seu limite, tentando cobrir alcances de MANs, não esquecendo que circuitos

utilizando esta tecnologia não podem garantir a resiliência do sinal e nem tampouco a

segurança exigida para comunicações sem fio a longas distâncias. Algumas das características

que apontam o padrão 802.16 como não adequado para redes metropolitanas são mostradas na

tabela3.1.

802.11 802.16

Alcance Otimizado para usuários num raio de até 100 mAdiciona pontos de acesso ou antenas elevadas para ganho de cobertura

Otimizado para células típicas de 7a 10 Km Alcance de até 50 Km

Tipo de Cobertura

Otimizada para ambientes indoor

Otimizada para ambientes outdoorPadrão suporta técnicas de antenas avançadas e mesh

Escalabilidade Canal de largura de banda fixo de 20 MHz

Canal flexível de 1,5 a 20 MHz para faixas licenciadas e não licenciadasReutilização de freqüênciasHabilita planificação de célula para provedores de serviços comerciais

Taxa de Dados 2,7 bps/Hz com taxa de dados de até 54 Mbps em um canal de 20 MHz

3,8 bps/Hz até 75 Mbps em 20 MHz

Qualidade de serviço

Não suportada Qos planejada para voz/ vídeo e serviços diferenciados

Tabela 3.1 – Diferenças entre os padrões IEEE 802.11 e IEEE 802.16

As Redes Wi-Fi tem atendido a demanda gerada para comunicação até a última

milha em redes metropolitanas sem fio. Entretanto com a proliferação das WMANs, os

75

sistemas baseados no protocolo 802.11 não devem suportar as exigências de comunicação

para sistemas metropolitanos.

Depois da aprovação do padrão 802.16e, os analistas mais otimistas prevêem o

lançamento dos primeiros equipamentos padrão WiMAX já para o final de 2006. A

expectativa gerada sobre a relação entre WiMAX e Wi-Fi, para que ambas competissem pelo

mesmo mercado não é real, uma vez que ambas por definição devem atuar em nichos

diferentes sendo, portanto, complementares. Assim ao contrário de concorrentes, será possível

utilizando WiMAX, estender o alcance de redes Wi-Fi já que estas foram planejadas para

alcance limitado como redes locais, enquanto WiMAX foi concebido implementando QoS e

desenvolvido para operar em ambientes outdoor com longo alcance, sendo por isso uma

tecnologia mais complexa.

10 COMPARAÇÃO ENTRE 802.16-2004 E 802.16e

As duas versões do WiMAX que devem dominar o mercado, refletem na demanda

dos produtos desenvolvidos para acesso fixo ou móvel. As necessidades dos dois tipos de

acesso variam e cada uma delas requer uma solução diferente.

Diversas características serão comuns a ambas tecnologias (tabela 3.2) mas serão

provavelmente implementadas apenas nos dispositivos 802.16e, isto porque os serviços

móveis devem ganhar mais funcionalidades que os serviços fixos. Como exemplo destas

funcionalidades estão as antenas MIMO e o AAS que trarão melhorias ao througput e ao

acesso sem linha de visada.

Definição Dispositivo Localização/VelocidadeHandoffs

802.16-2004

802.16e

Fixo Outdoor e indoor CPEs

Simples/ estacionário Não Sim sim

Nomâdico Indoor CPEs, e Cartões PCMCIA

Multiplos/ Estacionários Não Sim sim

Portável PCMCIA de laptops ou minicards de PDAs

Multiplos / Velocidade em espera

handoff por hardware

Não sim

Mobilidade simples

PCMCIA de laptops, minicards de PDAs ou

Multiplos/ Velocidade veicular baixa

handoff por hardware

Não sim

76

smartphones

Mobilidade Total

PCMCIA de laptops, minicards de PDAs ou smartphones

Multiplos/ Velocidade veicular alta

handoff por software

Não sim

Tabela 3.2 – Tipos de acesso para redes WiMAX

10.1 OFDM e OFDMA

A chave da diferença entre 802.16 2004 e o 802.16e é a técnica de multiplexação

empregada. Os perfis baseados no 802.16-2004 são melhores para aplicações fixas já que

utilizam antenas direcionais, além do que OFDM é inerentemente menos complexa que a

SOFDMA. Como resultado, Equipamentos com características do 802.16-2004 podem ser

desenvolvidas mais rapidamente e as redes baseadas neste padrão terão um custo mais baixo.

Além disso os produtos certificados para o 802.16-2004 devem estar disponíveis o mais breve

possível, devendo ser adotados para instalação de redes em um futuro próximo.

As características do 802.16e utilizando OFDMA são perfis com maior

flexibilidade para o gerenciamento de diferentes dispositivos de usuários com uma variedade

de tipos de antena além de outros fatores. O que significa uma redução nas interferências para

usuários com antenas omnidirecionais e melhorias para o acesso NLOS. A subcanalização

define subcanais que podem ser alocados para diferentes assinantes dependendo das

condições do canal e da necessidade dos dados. Isto dá ao operador mais flexibilidade no

gerenciamento da banda e transmissão de potência, levando a um uso mais eficiente dos

recursos.

Por exemplo, dentro do mesmo slot de tempo, mais potência de transmissão pode

ser disponibilizada a um usuário com condições de canal menos favoráveis, baixando a

potência para usuários em melhores localizações.

A Subcanalização nos uplinks traz performance adicional já que a potência do

transmissor do usuário é bastante limitada. Em OFDM os dispositivos de usuários transmitem

utilizando toda a portadora de uma única vez, já OFDMA suporta acessos múltiplos, o que faz

com que o dispositivo de usuário transmita somente através do subcanal alocado a ele. Em

OFDMA, com 2048 portadoras e 32 sub-canais, se um único canal for alocado a determinado

dispositivo, todo o poder de transmissão será concentrado em 1/32 do espectro disponível e

77

trará cerca de 15 dB de ganho sobre OFDM. Acessos múltiplos são particularmente

vantajosos quando vários canais são utilizados.

10.2 Handoff e Roaming

O suporte a handoff é outra característica crucial adicionada ao 802.16e para

prover acesso móvel. A habilidade de manter uma conexão enquanto circula entre as células é

um pré-requisito para a mobilidade. O 802.16-2004 oferece capacidades de handoff opcionais,

ou seja, não é requerido nos sistemas deste protocolo. O 802.16 suportará handoff por

hardware e por software.

O handoff por hardware usa a técnica break-before-make, onde o dispositivo do

usuário é conectado a somente uma EB em uma sessão, o que o torna menos complexo que o

handoff por software que tem uma alta latência. Estes são comparados à técnica utilizada por

redes de telefonia celular, que permitem que um dispositivo retenha a conexão à estação base

até que esteja apto a associar-se a outra, assim reduzindo a latência break-before-make. As

aplicações móveis como voz sobre IP se beneficiam da baixa latência dos handoffs por

software enquanto os hardware handoffs são utilizados tipicamente para serviços de

transmissão de dados. Qualidade de serviço e níveis de acordo de serviço (Service Level

Agreements -SLAs) são mantidos durante os handoffs.

Potencialidades de roaming podem ser implementadas tanto no 802.16-2004

como no 802.16e, entretanto esta funcionalidade não deve ser incluída no 802.16e (artigo) já

que está fora do escopo do programa de certificação.

10.3 IEEE 802.16-2004 x IEEE 802.16e

Acessos fixos e móveis têm claramente diferentes necessidades de

funcionalidades e segmentos de mercado substancialmente diferentes. Com diferentes tipos de

usuários em diferentes localizações, diferentes throughputs necessários para os dispositivos

de usuários e SLAs. As duas vertentes do WiMAX são definidas para atender demandas

distintas para ambos segmentos de mercado e requisitos variáveis para aplicações diferentes.

Na necessidade de acesso fixo com funcionalidades básicas, tanto o 802.16-2004

quanto o 802.16e oferecem performance similar. O throughput máximo para um setor em

ambas as versões é de 15 Mbps para um canal de 5 MHz ou 35 Mbps para um canal de 10

MHz. O Alcance da estação base em áreas populosas pode percorrer vários quilômetros

78

dependendo do tipo da CPE, da banda de freqüência, mobilidade e morfologia. Em redes onde

a capacidade é limitada, o número de EBs instaladas depende da demanda de throughput

assim como o alcance planejado.

Como as performances das duas versões Wi-MAX são substancialmente similares

para aplicações específicas, já que o 802.16 é otimizado para acesso fixo e o 802.16 para

acesso móvel, ambos podem ser utilizados para acesso fíxo.

Redes fixas podem se beneficiar de várias vantagens oferecidas para os produtos

certificados no padrão 802.2004:

• Modulação sem complexidade: OFDM é uma técnica simples de modulação, sendo

muito utilizada por sistemas que não requerem mobilidade.

• Faixas não licenciadas: Serviços móveis requerem espectros licenciados para

prover cobertura em áreas extensas. Para o acesso fixo, entretanto, frequentemente

são utilizadas faixas não licenciadas em áreas onde o nível de interferência é

aceitável. Por esta razão, a maioria dos projetos cujo objetivo seja as faixas não

licenciadas, provavelmente serão baseados no padrão 802.16-2004.

• Alto throughput: Espectros de bandas mais elevadas selecionadas para o perfil

802.16-2004 resultam em um alto throughput. Isto é uma clara vantagem,

especialmente quando se deseja atender usuários empresariais com níveis elevados

de tráfego e CPEs com antenas outdoor.

Por outro lado, alguns operadores podem decidir pelo padrão 802.16e mesmo para

acesso fixo, pelos seguintes motivos.

• Suporte à mobilidade: os produtos 802.16e, são planejados para prover mobilidade

e permitir suporte a handoffs em velocidades de até cerca de 120 Km/h. O suporte a

economia de energia e modo sleep, irão extender a vida das baterias para usuários

móveis.

• Melhor cobertura interna: Conseguida com a subcanalização e opção de AAS que

beneficia tanto aplicações fixas quanto móveis, uma vez que frequentemente os

usuários internos não possuem linha de visada, antenas externas podem compensar

para cobertura indoor em ambientes fixos. Isto não é claramente uma opção para

usuários móveis com um laptop ou PDA, por exemplo.

• Maior flexibilidade para o gerenciamento dos recursos do espectro: a

subcanalização elenca a habilidade de usar a inteligência da rede para alocar recursos

aos dispositivos de usuário que mais necessitarem. Efetivamente, isto resulta em um

79

uso mais eficiente do espectro, permitindo um throughput mais elevado e

melhorando a cobertura interna. Além de, em alguns casos, baixar o custo de

desenvolvimento o que é particularmente importante para usuários com espectro

limitado.

• Maior escala de produtos para os dispositivos de usuários: Enquanto CPEs indoor e

outdoor e cartões PCMCIA para laptops são esperados para dominar o mercado do

802.16-2004, Cartões PCMCIA para laptops, mini cards, modems internos, PDAs e

telefones estarão disponíveis para usuários 802.16e. Esta variedade permitirá que

operadoras estendam seus serviços para novos segmentos de mercado, dando maior

liberdade para seus assinantes. Segundo o fórum WiMAX, é provável que mesmo

com a entrada atrasada no mercado, os preços dos produtos para o padrão 802.16e

caiam mais rapidamente do que os produtos para o 802.16-2004 já que os primeiros

alcançam um segmento muito maior de mercado. Como o custo é tipicamente, a

variável mais importante em todo o planejamento de um negócio. A disponibilidade

de dispositivos de baixo custo será um dos fatores que norteará qual das versões de

Wi-MAX adotar-se.

A escolha entre os produtos do 802.16-2004 ou 802.16e dependerá muito do tipo

de serviços oferecidos e do modelo de negócios do operador. Em alguns casos a escolha será

obvia. Um operador móvel que construa uma rede para complementar uma rede 3G seguirá

diretamente para 802.16e. Um provedor de serviços Wireless internet ( WISP - Wireless

Internet Service Provider ) que pretende atender a uma comunidade rural, escolherá o sistema

menos complexo de modulação (OFDM), optando por tanto pelo padrão WiMAX 802.16-

2004.

Além disso, muitos outros fatores podem afetar a escolha entre os produtos do

802.16-200 ou 802.16e, a saber:

• Se a faixa de mercado da operadora são usuários empresariais e domésticos, em

sua maior parte, com acesso LOS, CPEs com antenas outdoor tem um thoughput

mais elevado e a performance LOS pode ser mais apropriada. Isto levará a operadora

a adotar alguma solução baseada em 802.1.-2004. No entanto se a operadora

pretende atingir uma faixa de mercado móvel em sua maior parte, CPEs de baixo

custo podem ser adquiridos para tornar o negócio viável.

• Como o fórum WiMAX deve continuar a adicionar novos perfis em resposta as

exigências de mercado, é provável que hajam somente os perfis 802.16-2004 e

80

802.16e em algumas faixas. Na maioria dos casos a operadora terá pouco o que

escolher no que se refere aos espectros de faixas disponíveis. E a escolha do sabor

Wi-MAX pode depender da disponibilidade do produto.

• Regulamentação: Alguns órgãos regulamentadores exigem tipos específicos que

podem ser oferecidos em determinada faixa do espectro. Por exemplo, alguns

regulamentadores na Europa limitam em 3,5 GHz o espectro para serviços fixos e

nomâdicos, que podem prejudicar a adoção do 802.16e que suporta serviços móveis,

mesmo que as licenças do espectro não sejam limitadas a uma tecnologia em

particular.

• Linha de tempo: A disponibilidade adiantada do 802.16-2004 para produtos na

faixa de 3,5 GHz será um importante fator para os provedores de serviço que

desejam instalar uma rede WiMAX rapidamente.

10.4 Trajetos de Migração Para o 802.16e

A migração para redes que suportam serviços portáveis e móveis dever ser

suportada, segundo o WiMAX fórum. As operadoras que desejarem migrar de forma eficaz de

uma rede 802.16-2004 para uma rede 802.16e, terão para tanto várias opções disponíveis, entre

as quais:

• Overlay de rede: em áreas onde a operadora deseja implantar acessos portáveis e

móveis, um overlay para uma rede 802.16e operando em paralelo com 802.16-2004

pode ser implementado se forem suficientes os recursos de espectro disponíveis. Isto

permite que a operadora forneça simultaneamente acesso fixo e móvel na mesma

área. Porém requer assinatura para as duas CPEs caso o usuário deseje acesso às duas

redes.

• Dual-mode CPEs: Operadoras que precisem comutar para o 802.16e podem utilizar

o dual-mode CPEs que suporta tanto o 802.16-2004 como o 802.16e. Inicialmente a

operadora utilizará o 802.16-2004 nas estações base e CPEs. Quando estiverem

disponíveis produtos padrão 802.16e será introduzida a modalidade dupla para CPEs.

Então quando todos os assinantes operarem em dual-mode CPEs, a operadora trocará

as EB do 802.16-2004 para o 802.16e e as CPEs serão automaticamente comutadas.

81

• Sofware atualizável de EBs: esta solução poderá ser utilizada em conjunto com o

dual-mode CPE. Neste caso, ao invés de substituir a EB, a operadora implantará um

upgrade de sofware para o modo 802.16e.

• Dual-mode de EBs: se as CPEs suportam um único modo, e a operadora planejar

mudar gradualmente para o padrão 802.16e. EBs dual-mode podem ser instaladas.

Onde o overlay de rede não é aplicável ou a operadora não possui o espectro

necessário, as EBs dual-mode provém uma maneira de suportar ambos os modos e

eventualmente comutar totalmente para 802.16e quando todas as CPEs estiverem

nesta tecnologia.

11 PERSPECTIVAS PARA A TECNOLOGIA WiMAX

Segundo PRADO [1],o WiMAX tem tido um forte começo para se transformar no

padrão principal AWB nos próximos anos. Também segundo o autor esta possibilidade é fruto

da consciência entre Operadoras de telefonia e WISPs além do potencial inerente à banda

larga do WiMAX, porque estas estão fomentando investimentos em equipamentos fixos e

móveis sem fio, mesmo que não sejam necessariamente WiMAX.

Juntamente com o Wi-Fi, ZigBee, UWB e Mobile-Fi, todos também tecnologia de

comunicação sem fio, o WiMAX deverá contribuir para uma revolução na comunicação sem

fio nos próximos cinco anos.

Acreditando nessa suposição, algumas das maiores empresas de tecnologia no

mundo estão investindo esforços no desenvolvimento dos primeiros chips para suportar a

tecnologia WiMAX. Para que as soluções proprietárias desenvolvidas tornem-se realmente

um padrão, serão necessários os testes de conformação com o padrão e interoperabilidade

entre os fabricantes, garantindo assim ao mercado, a funcionalidade necessária para uma

tecnologia mundial.

Os padrões atualmente me vigor são o IEEE 802.16-2004 para acesso fixo e

nomâdico e o IEEE 802.16e para acesso móvel. Nos dois grandes nichos que vão surgir no

mercado com o desenvolvimento da tecnologia.

Os fornecedores típicos para a tecnologia fixa, por ser mais simples, são as

pequenas empresas como: Alvarion, Airspan Networks, Aperto Networks, Redline

Communications, Proxim e Wi-LAN. As empresas grandes tais como: Alcatel, Motorola,

82

Siemens, Nokia, e Nortel Networks, entre outras, estão investindo seus esforços no WiMAX

móvel, tecnologia mais complexa, que no entanto pode atender usuários fixos e móveis e

portanto cobre uma faixa de mercado muito maior.

11.1. Os pré-padrões

Para que as soluções sejam compatíveis, há a necessidade de conformidade dos

equipamentos com os padrões definidos pelo IEEE, no caso os IEEE 802.16-2004 e IEEE

802.16e, e os pretendentes a fabricantes desses equipamentos ou chipsets, devem estar

sintonizados para que seus equipamentos sejam compatíveis, o que no Caso do WiMAX

ocorre no Fórum WiMAX, onde o fabricante deve ser consorciado. Os três principais

fabricantes de chipsets para a tecnologia WiMAX atualmente, são a já consagrada na

fabricação de chips Intel, a Fujitsu, e a canadense Wavesat Wireless. Estas empresas estão

fechando parcerias com os fornecedores de solução em WiMAX, conhecidos na linguagem

mercantilista como vendors para que estes desenvolvam suas soluções utilizando os chipsets

fabricados por elas.

O desenvolvimento das primeiras soluções proprietárias baseadas em WiMAX já

tem disponibilizado ao mercado equipamentos “pré-padrão”, chamados assim porque ainda

não existem equipamentos “certificados WiMAX”. A primeira rodada de testes de

conformação e interoperabilidade começou em agosto de 2005, mas não foram concluídos os

testes principalmente no que tange a compatibilidade, pela falta de equipamentos a serem

testados enviados por fornecedores.

Um produto será totalmente compatível com WiMAX (ou full compliant

WiMAX) quando for comprovadamente aderente ao padrão, sendo aprovado tanto em

conformidade (conformance) quanto inter-operabilidade (Interoperability), enfatizando que

para estes testes de interoperabilidade são necessários no mínimo, equipamentos de três

fabricantes diferentes.

Para atender à demanda de equipamentos WiMAX é necessário antes de mais

nada a criação de chips compatíveis. Os chips são a base do hardware para o

desenvolvimento da tecnologia, a partir dos quais vão ser desenvolvidos os equipamentos.

Alguns dos fabricantes de chips já consolidados no mercado estão investindo no padrão

WiMAX, como os citados acima: Intel, a Fjitsu e Wavesat Wireless. No escopo dos pré-

padrões, consumindo os chips desenvolvidos, estão alguns vendors associados aos

desenvolvedores fabricantes dos chips compatíveis com a tecnologia.

83

Alguns exemplos de equipamentos desenvolvidos segundo o padrão 802.16, mas

ainda sem conformidade com o padrão ou interoperabilidade certificadas, são:

• O BreezeMAX, da empresa Israelense Alvarion

(http://www.alvarion.com) está disponível desde de o segundo semestre de 2004. Este

equipamento utiliza o chip PRO/Wireless 5116 da Intel. Baseado no IEEE 802.16-2004,

o BreezeMAX suporta acesso fixo, nomâdico e portável, com possibilidade de emergir

para o WiMAX móvel, segundo o fabricante. Projetado para trabalhar tanto em

freqüências licenciadas como não licenciadas no espectro entre 2 e 6 GHz operando

tanto em FDD como TDD. Utilizando tecnologia de rádio OFDM, o equipamento é

suficientemente robusto para trabalhar em condições adversas do canal e sem linha de

visada. Com rádios de alta potência ele suporta intempéries utilizando técnicas de

antenas inteligentes permitindo instalação de CPEs indoor tanto em ambientes urbanos

densos como em ambientes suburbanos. Atende a uma alta gama de clientes tais como

residenciais, SOHO, SME e grandes empresas.

• A Aperto Networks (http://www.apertonetworks.com/products/pmax.html)

coloca no mercado uma família de equipamentos, que incluem estações-base, unidades

de usuários, rádios e antenas para EBs para prover comunicação utilizando as

premissas do WiMAX. Utilizando o chipset MB87M3400 WiMAX SoC (abreviação de

System-on-Chip) fabricado pela Fujitsu, a solução batizada pela empresa de

PacketMAX, oferece vários tipos de elementos para EBs, permitindo um

custo/benefício eficaz pois permite a escalabilidade partindo desde poucos assinantes

até altas densidades de clientes. Projetados para suportar tanto padrão o IEEE 802.16-

2004 quanto o IEEE 802.16e, incluindo a qualidade de serviço (QoS), o pacote foi

produzido para suportar comunicação fixa e emergir para o uso de dispositivos móveis

sem muitos custos adicionais. Seus equipamentos operam nas bandas de 2.5, 3.5 e

5GHz, utilizando TDD, OFDM e 256 FFT.

• Outra solução pré-WiMAX é o WIDAX, (http://www.widax.com.tw) da

empresa Gen-WAN Technology, de Taywan. Baseado no padrão IEEE 802.16a, o

WIDAX oferece estações rádio-base e terminais fixos e móveis, o equipamento trabalha

na faixa não licenciada de 5.2 a 5.9 GHz utilizando tecnologia OFDM para operação

NLOS num raio de até 10 KM, e até 35 Km para comunicação LOS, ambos com

antenas ponto-a-ponto, e modulações do tipo QPSK, 16QAM, 64QAM. Podendo

84

alcançar velocidades de até 56 Mbps. O WIDAX trabalha tanto com duplexação FDD

quando TDD.

• A Redline Communications (http://www.redlinecommunications.com/),

implementou a solução RedMAX, com uma família de produtos para acesso em banda

larga sem fio com conexões ponto-a-ponto e ponto-multiponto para áreas urbanas e

rurais. A solução da Redline utiliza tecnologia OFDM com uma rede de EBs (modelo

AN 100U) para construir o backbone de comunicação do sistema que suporta

aplicações avançadas como voz, vídeo, VoIP e priorização de tráfego. A solução é

composta pelas EBs, unidades de assinante internas (SU-I), Unidades de assinante

externa (SU-O) e unidades de transporte (backhaul), os equipamentos são baseados no

processador PRO/Wireless 5116 da Intel. O produto é compatível com o padrão 802.16-

2004, com possibilidade de migração para 802.16e, além de suportar Ipv6, classe de

serviço e padrões alternativos de criptografia. Utiliza FDD e OFDM e por isso pode

funcionar em tanto em ambiente LOS quanto em NLOS, de acordo com o equipamento

determinado.

Também com o objetivo de atender a demanda para banda larga sem fio com

acesso fixo e móvel, muitos outros fabricantes de solução estão desenvolvendo seus produtos

baseados na determinação dos padrões 802.16. Uma prova deste empenho é o Fórun WiMAX

(http://www.wimaxforum.org/home/), uma organização internacional para fomentar a

tecnologia WiMAX que hoje conta com mais de 150 membros, Entre os quais, Universidades,

organizações governamentais e desenvolvedores como os discriminados acima.

11.2. Aplicações do WiMAX

Dentre as várias possibilidades de aplicações novas que podem advir com a

popularização do WiMAX, algumas são perceptiveis em primeira mão. Entre estas, podem

ser citadas:

• Canal de comunicação para acesso à Internet em alta velocidade. Hoje o acesso

resisencial depende de um canal DSL de comunicação que utiliza cabo como meio de

transmissão de dados. Esta tecnologia deixa a desejar em requisitos de performance

sem contar que muitas vezes estes serviços são caros em demasia. Em áreas rurais, os

clientes residenciais estão limitados a conexões discadas, que sempre fornecem

comunicação a velocidades baixas. Em locais mais afastados dos grandes centros,

85

muitas vezes não existe nenhum meio disponível para comunicação de dados. A

utilização de redes metropolitanas sem fio fornecerá comunicação com qualidade de

serviço a um custo de instalação relativamente reduzido quando comparado à

instalações cabeadas.

• Pequenas e médias empresas: Este segmento de mercado normalmente está situado

fora de ambientes urbanos muito competitivos. A tecnologia de comunicação sem fio

pode trazer um custo/benefício requerido em pequenas e médias empresas situadas

fora dos grandes centros comerciais, competindo com a comunicação DSL

• Canais de comunicação entre redes locais sem fio: As instalações de redes locais

sem fio estão crescendo em rítmo acelereado. Entretanto, um dos obstáculos para o

crescimento continuado destas instalações é a falta de disponibilidade de serviços

com capacidade elevada e custo acessível. As redes metropolitanas sem fio podem

prover esse serviço, conectando ainda redes locais sem fio dispersas em áreas que o

padrão 802.11 não atinge.

Mesmo com demora na certificação de produtos full WiMAX, algumas soluções

proprietárias como as acima, já podem ser vista em pleno funcionamento. Atualmente as

soluções WiMAX se configuram em sua grande maioria como serviços de internet de banda

larga sem fio. Contudo, algumas aplicações no segmento corporativo já podem ser

encontradas.

Como exemplo, a aplicação da tecnologia em bancos pode trazer inúmeras

vantagens com a utilização de banda larga sem fio. Uma característica do WiMAX, desejável

pelas instituições financeiras é a segurança já inerente ao sistema incorporada pela

criptografia. Como no Wi-Fi, que é o padrão atualmente mais disseminado, a segurança

intrínseca deve estar disponível apenas no IEEE 802.11i ainda não concluído, estas

instituições foram reticentes quanto ao uso deste padrão.

A convergência de tecnologias possibilitada pelo uso de WiMAX, como por

exemplo servindo como backbone para conectar redes wi-fi, conectando redes ethernet a redes

sem fio, ou servindo de backbone entre redes locais sem fio e ainda sistemas de comunicação

de dados integrados à telefonia celular entre outras inúmeras possibilidades, pode fazer deste

padrão o grande avanço nos sistemas de informação e comunicação da próxima década.

11.3. Certificação Wi-MAX

86

Até o momento, são encontradas apenas soluções proprietárias para aplicações

WiMAX, o que em outras palavras significa dizer que os equipamentos existentes atendem

aos requisitos de uma comunicação baseada no protocolo que define a categoria, tais como

velocidade e freqüência do canal, alcance do sinal e operação com ou sem linha de visada,

entretanto não se pode afirmar que equipamentos estão em conformidade com o protocolo.

Some-se a isso o fato de que soluções proprietárias funcionam apenas com seu próprio

equipamento, ou seja será necessário adquirir estações base, estações de usuários, antenas e

todos os outros hardwares e softwares necessários para a infra-estrutura de um sistema de

WLAN do mesmo fabricante, pois a adição de produtos de outro fabricante no sistema, não

terá seu funcionamento garantido.

Para garantir que um produto seja de fato padrão WiMAX, o fórum WiMAX está

trabalhando no desenvolvimento da certificação WiMAX (WiMAX Certified) com o apoio

das organizações de padronização IEEE e ETSI. Segundo estas organizações um produto será

considerado WiMAX certified, quando for aprovado nos testes de conformidade e

interoperabilidade.

Os testes de conformidade são para garantir que um produto WiMAX esteja

aderente à padronização, ou seja, realmente atenda às especificações determinadas pelo

protocolo do IEEE 802.16 (a, 2004 ou e) conforme o caso ao qual se destina um equipamento.

Os testes de interoperabilidade, são para garantir a padronização de fato com outros

equipamentos também conformes, garantindo assim que numa solução WiMAX poderão ser

utilizados equipamentos de diversos fabricantes.

Em suma, a conformidade é feita do produto contra a norma, onde o produto deve

estar de acordo com a norma, e a interoperabilidade, e feita entre, no mínimo produtos de três

fabricantes diferentes, para garantir a funcionalidade entre eles.

• Outras diferenças entre conformidade e interoperabilidade são:

• A conformidade pode ser atestada por organizações individuais, laboratórios

independentes, agências de certificação etc. Enquanto a interoperabilidade é atestada

pelas organizações regulamentadoras que testam os aparelhos de fabricantes

diferentes entre si em rodadas de testes chamados plugfests.

• A conformidade Pode ser baseada na interpretação pessoal do padrão IEEE ou

ETSI

• O objetivo da interoperabilidade é remover ambigüidades nos padrões e

implementações deste num estágio mais avançado.

87

Dentre as vantagens mais evidentes no uso de produtos certificados, podem ser

citadas as seguintes:

• Um produto certificado terá qualidade garantida, podendo funcionar em soluções

onde operam equipamentos de vários vendors, tais como EBs e estações de

assinantes de origens diferentes, o que minimiza os riscos de determinado usuário ou

provedor de solução não evoluir seu sistema de comunicação por não encontrar

equipamentos disponíveis de determinado vendor.

• Um produto só poderá ser certificado WiMAX se for aprovado nos testes de

conformidade e interoperabilidade, garantindo assim seu funcionamento dentro do

padrão estabelecido.

Para que a tecnologia WiMAX torne-se um padrão produtivo, com custo-

benefício competivo no mercado, é imprescindível a interoperabilidade entre os vendors. A

primeira rodada de testes do padrão 802.16 foi realizada no laboratório Cetecom em Málaga,

na Espanha. Agora em 2006, outras rodadas de testes são esperadas para que se garanta, até o

final de 2007 a consolidação de produtos, uma vez que os analistas apontam o ano de 2008

como o ano do WiMAX.

88

CONCLUSÃO

A utilização de redes sem fio para redes metropolitanas baseadas no padrão IEEE

802.16, surge como uma tecnologia cuja promessa é atender a todas as demandas para

comunicação de dados e tráfego multimída, como voz e vídeo, funcionado em sistemas

baseados em TCP/IP versão quatro (IPv4) ou seis (IPv6). Esta característica de transparência

quanto aos protocolos das camadas de rede e transporte, certamente fará do WiMAX, uma

solução atraente para a migração dos sistemas atuais de comunicação de dados e telefonia,

sobretudo os móveis.

São inúmeras as possibilidades de aplicações sobre a tecnologia WiMAX, o que

deve contribuir sobremaneira para a migração de serviços existentes para uma infra-estrutura

de comunicação não cabeada, bem como para o aparecimento de novos serviços. A

capacidade de transmissão desse padrão unida a facilidade de instalação dos sistemas, fará

desta tecnologia um forte fomentador da convergência para sistemas robustos de comunicação

de dados.

As técnicas de modulação utilizadas na tecnologia, fazem um uso racional do

espectro, provendo maneiras mais eficientes para transmissão de elevadas taxas de dados

através de sinais de rádio, aproveitando ao máximo as freqüências disponíveis. A má

utilização de freqüências hoje, com serviços que apresentam menores exigências, deve ser um

empecilho para o avanço da tecnologia. Esta situação deve exigir dos órgãos

regulamentadores de telecomunicações uma reengenharia na divisão dos espectros para que

sejam usados com mais cautela, evitando perdas.

No Brasil, a ANATEL vem trabalhando no intuito de prover um esquema de

divisão dos espectros que atenda à nova demanda gerada por tecnologias como Wi-Fi,

WiMAX, UWB e etc.

A possibilidade de operar tanto em freqüências licenciadas quanto em freqüências

livres, colocará o WiMAX como um padrão capaz de atender tanto necessidades de usuários

domésticos quanto necessidades de instituições como financeiras ou militares, pois mesmo

utilizando freqüências não licenciadas, a segurança intrínseca garantida pela criptografia da

carga de dados úteis do sistema conferirá a este o nível de segurança exigido pelas mais

diversas categorias de usuários. Uma das primeiras aplicações vislumbradas para as soluções

89

baseadas no protocolo IEEE 802.16 é a substituição dos atuais sistemas baseados em Wi-Fi,

interligando redes com ou sem fio para comunicação de dados em áreas metropolitanas,

inserindo a estes esquemas de comunicação resiliência, qualidade de serviço e segurança, os

que tornará mais confiáveis que as atuais aplicações em comunicação sem fio.

A incompatibilidade entre os dois principais padrões atuais IEEE 802.16 e IEEE

802.16e, por utilizarem modulações diferentes para a transmissão dos dados, será um ponto

prejudicial na tecnologia, uma vez que operadoras e clientes devem ter em mente exatametne

o que desejam do sistema de comunicação sem fio sob o risco de verem perdidos seus

investimentos.

Contudo, como as primeiras soluções WiMAX devem funcionar baseadas no

acesso fixo e nomâdico providos pelo 802.16-2004, os vendors estão criando soluções que

permitam a migração desses sistemas para o padrão móvel baseado no 802.16e, uma vez que

por serem naturalmente mais simples, as primeiras soluções baseadas em WiMAX devem

contemplar as características do padrão 802.16-2004, mas as exigências dos usuários e a

demanda devem impor uma mudança para o padrão móvel.

A manutenção dos sistemas não cabeados, uma vez instalados é baixa, já que

haverá diluição do custo de instalação ao longo do tempo, mesmo onde forem utilizadas

freqüências licenciadas, o que deve fazer do padrão em estudo um concorrente para outras

tecnologias de banda larga sem fio como o Mobile-Fi, e para tecnologias cabeadas como o

modem DSL.

O Estado do Pará surge como usuário potencial para esta tecnologia, já que as

características do estado, que apresenta diversas áreas de florestas e rios, impede muitas vezes

que sejam instalados sistemas de comunicações cabeados, além do que a vasta área territorial

do Pará não é atendida em sua totalidade pelas operadoras de comunicação credenciadas para

a região. A utilização do Wi-MAX, pode trazer para esta região, como para tantas outras, a

possibilidade de comunicação de banda larga para áreas rurais afastadas dos grandes centros

provendo, há um custo acessível, além da comunicação necessária para empresas e órgãos

governamentais, a inclusão digital em comunidades afastadas.

90

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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93

APÊNDICE

Definições do forum WiMAX para acesso fixo, nomâdico, portável e móvel.

Acesso fixo: assume-se que o dispositivo do usuário está fixo em uma única

localização geográfica por toda a duração de sua inscrição na rede. O dispositivo do usuário

pode conectar e desconectar da rede, podendo ele selecionar a melhor estação base no tempo

da conexão. O referido dispositivo tipicamente está associado com o setor ou célula de

alguma estação base, e nenhuma associação com outro setor ou célula será controlada pela

rede por instância, mesmo que hajam falhas ou macro diversidade no sistema.

Acesso nomâdico: o dispositivo de usuário tem uma localização geográfica fixa

pelo período de uma sessão de operação. Se o dispositivo do usuário for movido para uma

localização diferente na mesma rede sem fio, a subscrição do assinante é reorganizada e uma

nova sessão de dados é estabelecida. O dispositivo pode estar habilitado a selecionar a melhor

estação base no momento para conectá-lo à rede. Durante a sessão, cada dispositivo estará

tipicamente associado a algum setor ou célula de uma estação base. E nenhuma re-associação

com outro setor ou célula será controlada pela rede, por instância, pela ocorrência de falhas ou

macro-diversidade.

Acesso portável: Neste tipo de acesso, o dispositivo do usuário manterá uma

operação com uma sessão de serviço de dados móvel à velocidade de um pedestre com uma

área de rede limitada. A capacidade de handover, também limitada, é utilizada durante uma

sessão de serviço da rede, enquanto o dispositivo de usuário trafega entre diferentes células

ou setores na mesma célula, mantendo a conexão ativa.

Acesso móvel simples: O dispositivo de usuário irá manter uma operação de

sessão para aplicações que não sejam tempo real, movimentando-se a velocidades veiculares

dentro da área de convergência de uma rede. São permitidos handover entre setores e estações

base neste serviço continuamente para todas as aplicações que não sejam de tempo real.

Acesso com mobilidade total: O dispositivo do usuário manterá uma sessão a

altas velocidades veiculares na área da rede. A performance do handover é garantida entre

setores e estações base continuamente para todas as aplicações.