Acesso a Internet em trens de alta velocidade e

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1 Acesso a Internet em trens de alta velocidade e aviões MAC 5743 Computação Móvel IME-USP Eduardo Teruo Katayama 23 de dezembro de

2 Sumário 1 Introdução 3 2 Acesso a Internet em aviões Principais dificuldades Interoperabilidade Interferência Mobilidade Qualidade de serviço Tipos de conexões existentes Conexão via satélite Conexão via torres de celular Acesso a Internet em trens de alta velocidade Principais dificuldade dasdes Tipo de ambiente Instalação e manutenção de dispositivos Interferências Handovers Efeito Doppler Tipos de conexões existentes Conexão por pontos de acesso Conexão por satélite Combinação de pontos de acesso e satélite Serviços disponíveis atualmente Trens da Alemanha Trens da França Trens da Europa Trens da China Trens do Japão Conclusão 15 2

3 1 Introdução A última década foi marcada pelo aumento dramático de usuários acessando a Internet, tradicionalmente a Internet era utilizada apenas em lugares fixos, porém, novas tecnologias permitiram o acesso a Internet em movimento. A proliferação de dispositivos eletrônicos pessoais, junto com a expansão da Internet fez com que as pessoas desejassem acessar a Internet em todos os tipos de ambientes. Nesse contexto, as companhias de aviação e de trens, perceberam uma oportunidade para aumentar a sua participação no mercado. Embora todas as companhias desejem possuir o acesso a Internet nos seus meios de locomoção, algumas dificuldades devem ser tratadas para que essas companhias consigam oferecer o serviço de forma adequada. Estas dificuldades, e algumas das soluções propostas serão apresentadas a seguir. 2 Acesso a Internet em aviões 2.1 Principais dificuldades Em aviões, existem quatro principais dificuldades que devem ser solucionadas para que se possa ter acesso a Internet em aviões, são elas: Interoperabilidade; Interferência; Mobilidade; Qualidade de serviço. Essas dificuldades serão explicadas em seguida, junto com alguns estudos que foram feitos para tratar das mesmas Interoperabilidade A interoperabilidade é a habilidade de um sistema prover serviços e aceitar serviços de outros sistemas de forma eficiente [14]. Em aviões, isso é importante, pois os passageiros desejam utilizar sistemas de telefonia e Internet. Para que seja possível prover esses serviços em aviões, é necessário que existam pontos de acessos que sejam capazes de receber e enviar ambos os tipos de sinais para satélites e para o chão. Dois estudos foram realizados para demonstrar a interoperabilidade: 3

4 Terrestrial Hybrid Environment for Verification of Aeronautical Networks (THEVAN) Nesse teste [1], um chassis de ambulância foi carregado com diversos tipos de equipamentos de rede wireless, com o objetivo de mostrar a integração de diferentes tecnologias para prover redes para aeronaves. Para isso, foram utilizados um sistema com um satélite Ku-band, um satélite médio, um rádio comercial de frequência muito alta, e IEEE b. Esse teste demonstrou que conexões TCP e UDP foram mantidas estáveis quando a ambulância percorria uma grande distância, além disso, ele mostrou que diferentes tecnologias de rede podem ser integradas para prover serviços de Internet. Apesar do teste ter sido um sucesso, ele teve um problema: o teste não foi realizado em uma aeronave. WirelessCabin Este teste [1] foi realizado em aeronaves com o objetivo de desenvolver uma arquitetura para acesso wireless em vôo. As tecnologias que foram consideradas foram GSM, UMTS, IEEE , e Bluetooth. Neste sistema, e 3G piconet foram configurados para prover conexão externa para os passageiros. Em adição, os passageiros podiam criar uma rede privada via Bluetooth, através dos seus dispositivos pessoais. A arquitetura consistiu de três segmentos: cabine, transporte e chão. Esse trabalho foi demonstrado em Setembro de 2004, com a aeronave Airbus A350. Durante esse vôo, GSM, VoIP, , e serviços webs foram utilizados com sucesso Interferência Interferência é um fenômeno descrito pelo cientista inglês Thomas Young, sendo que este fenômeno representa a superposição de duas ou mais ondas num mesmo ponto. Esta superposição pode ter um caráter de aniquilação, quando as fases não são as mesmas (interferência destrutiva) ou pode ter um caráter de reforço quando as fases combinam (interferência construtiva) [14]. A interferência é uma área de grande preocupação devido ao potencial dos dispositivos eletrônicos pessoais (PEDs) em poderem interferir nos sistemas de comunicação e navegação das aeronaves. Os PEDs podem emitir dois tipos de radiações: 4

5 Emissões intencionais são emissões com o propósito de transmitir dados nas bandas de frequências dos PEDs. Emissões não intencionais são emissões não intencionais que apenas contribuem para aumentar o ruído do ambiente. Emissões intencionais não são um ponto de preocupação devido as bandas de frequências serem limitadas e não existirem sobreposição nas frequências de sistemas wireless. No entanto, a emissão não intencional pode interferir nos sistemas de navegação e comunicação das aeronaves, se ela for de uma frequência suficientemente alta. Estudos sobre a interferência de PEDs em sistemas de aeronaves foram realizados, produzindo resultados conflitantes. Dois estudos [1] mostraram que celulares e laptops foram os principais culpados em interferir nos sistemas de aeronaves, sendo que o sistema de navegação foi o sistema mais afetado. Entretanto, estudos recentes mostraram que PEDs não deveriam gerar emissões não intencionais poderosas o suficiente para interferir nos sistemas de aeronaves. Para este estudo, foram testados emissões não intencionais de diversas tecnologias de celulares contra as frequências mais utilizadas pelos sistemas de comunição e navegação em aeronaves Mobilidade A mobilidade é o termo utilizado para identificar dispositivos que podem ser operados a distância ou sem fio [14]. A aeronave e as estações-base que se comunicam com as aeronaves devem estar atentas quanto a mobilidade, já que a comunicação entre eles é sempre feita sem fio. Enquanto a aeronave se desloca, ela deve registrar quais estações-base ela passou para que possa ser traçado um caminho de conexão para ela. A organização de aviação civil internacional desenvolveu a rede de telecomunicações da aeronáutica (ATN), esta rede foi feita para prover serviços de comunicação de dados para comunicações entre chão/chão e ar/chão. Ela é uma rede privada com seu próprio conjunto de endereços, e um método para prover serviços de rede para aeronaves. Embora tenha sido desenvolvida a mais de 15 anos, a ATN é usada para um número limitado de aplicações na indústria, como serviços de trafego aéreo, e comunicação operacional de linhas aéreas. Enquanto as indústrias de aviação utilizavam ATN, o resto do mundo usava IP. Para prover conectividade aos passageiros, é necessário que o IP seja suportado pelo ATN. Foram feitas quatro propostas para a nova arquitetura: 5

6 Transitional scenario using an airbone gateway: Suporte a mobilidade utilizando ATN Transitional scenario using a ground-based gateway: Suporte a mobilidade utilizando IPv4 móvel Transitional scenario using an IP Subnetwork dependent Convergence Function: Suporte a mobilidade utilizando ATN Interoperabiliy scenario using TCP/IPv6 : Suporte a mobilidade utilizando IPv6 O cenário de interoperabilidade utilizando TCP/IPv6 foi a solução preferida, pois ela fornece diversos tipos de serviços de mobilidade, além de serviços de qualidade nativo para o ATN. O problema do IPv6 é que, atualmente, ele não está amplamente distribuído Qualidade de serviço Qualidade de serviço pode ser entendido como sendo um requisito das aplicações para a qual exige-se que determinados parâmetros (atrasos, vazão, perdas de pacotes) estejam dentro de limites bem definidos [14]. A qualidade de serviço é um problema difícil de ser resolvido. O uso de satélite faz com que exista uma longa propagação de atrasos e erros, além de uma banda limitada. Algoritmos de handover eficientes, para tratar a transição de conexão quando uma aeronave se desloca entre a cobertura de um satélite para outro são necessários. Esses desafios são assuntos de alguns projetos de pesquisa [1]. 2.2 Tipos de conexões existentes Conexão via satélite Embora existam diversos provedores de serviço de satélite, incluindo a Iridium e a Globalstar, o maior provedor de serviços de satélite para aviões comerciais é a Inmarsat. A Inmarsat é uma companhia internacional que opera onze satélites geoestacionários. desses satélites, quatro deles são de segunda geração, cinco são da terceira geração, e dois são da quarta geração. Os satélites da Inmarsat fornecem três tipos de cobertura: Global beam: cobre quase um terço da superfície terreste, porém oferece uma comunicação de dados lenta (64 kpbs); 6

7 Wide spot beam: utiliza os satélites da geração três e quatro, e oferece conexões de até 256 kbps; Narrow spot beam: ainda não disponível, utilizará satélites da quarta geração, oferecendo conexões de até 492kbps. O preço desse tipo de conexão é de $ 8.9 por megabyte, na velocidade de 144kbps Conexão via torres de celular A Gogo Inflight Internet é um serviço de banda larga oferecida pela Aircell, este serviço permite que passageiros se conectem a Internet através de um conjunto de torres terrestres. A Aircell utiliza 92 torres que cobrem a América do Norte, incluindo Canada e México. As torres de celular são modificadas para apontar o sinal para o céu, ao invés de apontar para a terra. A Aeronave recebe o sinal através de um receiver instalado na parte de baixo dela. Assim que o sinal é recebido, ele é retransmitido através da cabine para todos os passageiros, através de sistemas Wi-Fi [13]. Alguns dados interessantes de algumas pessoas que utilizaram este produto [13]: 7

8 A velocidade atual desse sistema é de 3.1 Mbps para download e de 1.8 Mbps para upload; O preço atual é de $10 para viagens curtas, e de $13 para viagens longas; O sistema utiliza a/b/g, com pontos de acesso aberto; A companhia bloqueia conversações de voz e vídeos para manter a viagem mais agradável para todos os passageiros; Bittorents e programas similares funcionam; A companhia de aviação Virgin America não filtra o conteúdo das páginas; Espera-se que até abril de 2009, o sistema esteja disponível em todos aviões da Virgin America. 3 Acesso a Internet em trens de alta velocidade 3.1 Principais dificuldade dasdes O Trem de alta velocidade é um dos ambientes mais desafiadores para prover conexão wireless. As principais dificuldades neste ambiente são: Tipo de ambiente; Instalação e manutenção de dispositivos; Interferências; Handovers; Efeito Doppler Tipo de ambiente Um trem de alta velocidade percorre diversos tipos de ambientes, como áreas montanhosas, áreas urbanas, áreas rurais, áreas subterrâneas. Para prover um serviço de qualidade, é necessário que o trem possua capacidade de obter conexão tanto em ambientes abertos, quanto em ambientes fechados. 8

9 3.1.2 Instalação e manutenção de dispositivos Os trens de alta velocidade possuem horários pré-determinados para percorrer o seu trajeto, portanto, os equipamentos só podem ser instalados quando os trens estão em período de manutenção. Se ocorrer um problema em um equipamento que provê Internet durante o horário comercial, não será possível realizar a manutenção, pois o trem não atrasará para consertar um equipamento não vital Interferências A interferência em trens é um fator de grande preocupação, além dele sofrer dos mesmos problemas de interferências que os aviões sofrem, os trens sofrem interferências das redes elétricas de alta voltagem e interferências das diversas redes wireless privadas Handovers Handover é o processo de transferir uma estação móvel de uma célula para outra [14]. Existem dois tipos de handover: Soft handover: conecta a uma base paralelamente, utilizando duas conexões ao mesmo tempo por algum período, até que a conexão original seja quebrada; Hard handover: quebra a conexão completamente e se reconecta independentemente em outra estação. Infelizmente, o soft e o hard handover enfrentam problemas quando levados para ambientes de alta velocidade. O principal problema é a manutenção da qualidade de serviço durante a transferência de conexão entre as estações-base, o hard handover não é adequado devido a demora em estabelecer a segurança e o estado de qualidade de serviço quando se conecta a uma nova estação-base (atrasos podem ser de 100 ms). O soft handover não é a abordagem preferida devido a ineficiência espectral. Idealmente, um método de handover precisa incorporar elementos dos dois tipos. WiMax e Wi-fi possuem especificações e propostas para tratar as conexões entre estações-base [2]. As principais são: Soft Handover and Fast Base-Station Switching Procedure Inter-AP Protocol Fast BSS Transitions 9

10 IEEE e - Soft Handover and Fast Base-Station Switching Procedure Esta especificação requer que a área seja preenchida por estações-base que se sobrepõem. O handover é negociado sobre o ar antes da conexão ser quebrada e depois ela é transferida para a estação mais adequada. IEEE e suporta veículos com velocidade de até 160km/h. Quando uma estação-base é encontrada com um sinal com força apropriada, a unidade móvel irá requisitar a sua adição no conjunto de conexões ativas. A estação-base que receber a requisição, pode negar a requisição por qualquer razão (problemas técnicos, trafego intenso). Idealmente, o handover é iniciado antes da estação ser removida do conjunto ativo. O soft handover utilizado desta forma é espectralmente ineficiente, pois os dados transmitidos são enviados para todo o conjunto ativo de estaçõesbase. Um cenário para WiMax em trens não necessita de uma solução tão elaborada, pois o caminho que o trem percorre é conhecido e não muda, exceto em raras ocasiões [2]. IEEE f - Inter-AP Protocol IEEE f é uma extensão da família de especificações , que permite pontos de acesso Wi-Fi se comunicarem para permitir handover de conexões Wi-Fi. Isto é feito utilizando um conjunto de serviço extendido, esta especificação permite múltiplos pontos de acesso e LAN aparecerem como uma 10

11 única entidade lógica para qualquer estação. Pontos interconectados possuem o mesmo SSID, mas podem trabalhar em qualquer canal. Contextos de segurança são transferidos entre pontos de acesso durante o handover, com as chaves das sessões armazenadas em um servidor RADIUS(Remote Authentication Dial in User Service). Os contextos de segurança possuem um tempo de vida grande, e podem ser armazenados em cache, ou seja, não é necessário configurar associações de estações que já foram previamente conectadas. Esta idéia de contextos de segurança com grande tempo de vida poderia ser utilizada no WiMAX em trens, pois todas as estações-base são conhecidas. Além disso, transferências de contextos de informações poderiam ser passadas através de fio durante o handover, diminuindo a banda requerida para o processo de handover [2]. IEEE r - Fast BSS Transitions IEEE r é outra proposta, similar ao f, para facilitar o handover entre pontos de acesso Wi-Fi. Na especificação r, clientes podem negociar e estabelecer contextos de segurança e qualidade de serviço entre os pontos de acesso antes de desconectarem do ponto de acesso atual. Isto reduz a quantidade de trabalho necessária durante a associação, significando atrasos menores durante a transição entre pontos de acesso. Esta idéia poderia ser utilizada para aplicar WiMax em trens. Como um trem viaja em uma direção linear, é mais provável que ela possua uma estação alvo de cada vez. Portanto, é improvável que uma estação selecionada como alvo não seja conectada. Esta técnica reduz o tempo necessário para o hand-shake com AP no ar, reduzindo interrupções durante a conexão [2] Efeito Doppler Denomina-se efeito Doppler a alteração da freqüência notada pelo observador em virtude do movimento relativo de aproximação ou afastamento entre uma fonte de ondas e o observador [14]. Em trens de alta velocidade, a mudança de fase que ocorre devido ao efeito Doppler pode fazer com que erros ocorram durante a transmissão de dados. O artigo Wireless Data Transmission for High-speed Train Control [7] sugere algumas formas para diminuir os efeitos do efeito Doppler em trens de alta velocidade. 11

12 3.2 Tipos de conexões existentes Conexão por pontos de acesso Os pontos de acesso podem ser utilizados tanto em ambientes internos quanto externos, no entanto, algumas características são diferentes nestes dois tipos de ambientes. Pontos de acesso em ambientes internos Em ambientes internos, os equipamentos utilizados são TEs, pontos de acesso e T-IWU. Os passageiros de trens acessam a Internet através de uma rede de infra-estrutura, onde os TEs são conectados no T-IWU através dos pontos de acesso. Além da rede de infra-estrutura, funcionalidades de redes Ad-hoc podem ser utilizadas para grupos fechados de comunicação entre os TEs dentro dos vagões. Para acessar a máxima taxa de transmissão de dados, um máximo de dois pontos de acesso podem ser instalados no teto de um vagão. Cada ponto de acesso é capaz de prover até 11Mbps de banda dentro da mesma área de cobertura. Com dois APs, o total de banda disponível é de 22Mbps [4]. Pontos de acesso em ambientes externos Em ambientes externos, o link WLAN é utilizado para extender o link do satélite quando a cobertura é inacessível. Duas possibilidades para o uso de WLAN são considerados, em estações de trens e em áreas urbanas e suburbanas. Nestes casos, a conexão é trocada entre o terminal móvel de satélite e o gateway do satélite na área sombreada [4]. 12

13 3.2.2 Conexão por satélite Conexão de Internet por satélite não é utilizada, independentemente, em trens de alta velocidade devido a diversidade de áreas em que a cobertura de sinal não é satisfatória Combinação de pontos de acesso e satélite A combinação de pontos de acesso com satélites é chamada de redes de acesso multi-segmentado. Nestes ambientes, o satélite é a principal forma de acesso a rede, a rede W-LAN é utilizada em áreas de hotspot. Três cenários são considerados afim de se evitar interferências [4]: Cenário Um Neste cenário, cada vagão possui um ponto de acesso, e todos sempre ocupam um único canal de transmissão. Um ponto de acesso, de preferência o que está no vagão central, é conectado ao T-IWU, enquanto os outros pontos de acesso agem como replicadores de sinais. Quando um trem se aproxima de uma estação de trem, um handover deve ocorrer entre a rede de satélite e a rede W-LAN. Para evitar a interferência da rede W-LAN no interior dos vagões são utilizados três tipos de canais de transmissão. 13

14 Cenário Dois Neste cenário, as frequências são reutilizadas por todo o trem. Cada vagão possui a forma de células W-LAN suportando uma transmisão de dados de até 11Mbit/s. A rede W-LAN em de de trens, pode utilizar os canais restantes para prover o serviço, replicadores podem ser utilizados para extender a área de cobertura do ponto de acesso. A técnica de handover utilizada entre a rede de satélite e W-LAN hotspot é similar ao cenário um. Cenário Três O cenário três é uma combinação do cenário um e dois, com um suporte maior para o controle da força do sinal. Quando o trem está na estação e o link do satélite está indisponível, o cenário um é aplicado utilizando replicadores de sinais para aumentar a área de cobertura dentro do trem. O cenário dois é aplicado quando o trem sai da estação e a rede de satélite está disponível. Neste caso, o handover se inicia e os múltiplos pontos de acesso são ligados quando o trem sai de área de cobertura de hotspot. Os T-IWU, diminuem o nível de de sinal dos pontos de acesso e dos replicadores, até que os TEs se reassociem aos múltiplos APs. Usando este método, a taxa de transmissão de dados em estações de trens, e vagões é aumentado. 4 Serviços disponíveis atualmente 4.1 Trens da Alemanha No final de 2005, sete unidades da companhia InterCityExpress foram equipadas para fornecer acesso a Internet para os passageiros, essas sete unidades ficaram conhecidas pelo nome Railnet. O acesso a Internet foi gratuito durante o período de testes, que terminou em 10 de Abril de Atualmente, o acesso a Internet está disponível através de vouchers de 15, 60, 180 e 360 minutos [14]. 4.2 Trens da França Alguns trens de alta velocidade da companhia SCNF, da França, possuem serviços de Internet. O serviço, ainda em fase de testes, oferece aos passageiros dos trens TGV conexões Wi-Fi com velocidade de 2Mbps para download e 512 Kbps para upload. A conexão da Internet é feita utilizando uma combinação de satélites e pontos de acessos em túneis e estações. 14

15 Atualmente, o serviço Wi-Fi está disponível para passageiros da primeira e segunda classe de forma gratuita. Posteriormente, a companhia espera cobrar uma taxa de 5 a 10 euros de cada passageiro, por viagem, pois a solução por satélite ainda é muito cara. O plano atual é expandir o serviço para mais 52 trens, todos da frota do leste. Se o serviço for bem recebido, o serviço será adicionado em todos os trens da TGV [10]. 4.3 Trens da Europa Na Europa, diversos países já disponibilizam o serviço, ou estão em fases de testes para instalação de Internet em trens. Os países que já disponibilizam este serviço são: Alemanha, Áustria, Bélgica, França, Holanda, Luxemburgo, Londres, Suíça e Suécia. 4.4 Trens da China Alguns trens da China já possuem Internet em trens de alta velocidade, a maioria parte da conexão nesses trens foram montados especialmente para a olimpíada de Beijing. Os trens utilizam o sistema de conexão via satélite provido pela Andrew [12]. 4.5 Trens do Japão Em Março de 2009, a companhia NTT Communications irá começar a oferecer serviços Wi-Fi para seus trens N700 [11], que oferecem a mais rápida conexão por trem para as duas maiores cidades do Japão: Tokyo e Osaka. Conexões de até 2Mbps estarão disponíveis tanto para os trens quanto para todas as 17 estações que estão na rota. Para utilizar a conexão, será cobrado 500 iene (US$ 5,75) por dia, ou, iene (US$19.25) para um plano mensal. 5 Conclusão O acesso a Internet em trens de alta velocidade e aviões está se tornando realidade, as empresas investem para que não fiquem defasadas tecnologicamente, ou para que não percam os clientes que preferem um meio de transporte com acesso a Internet. Com a crescente utilização de computadores e serviços de Internet em trens e aviões, alguns obstáculos deverão ser superado para que o acesso a Internet possa ser utilizado nesses ambientes, 15

16 os dispositivos eletrônicos não poderão causar interferência em outros dispositivos, além disso, serão necessárias novas políticas para preservar a privacidade das pessoas. Algumas companhias aérea já criaram novas políticas, que restringem o uso de VOIP, para satisfazer os passageiros que se incomodam com outras pessoas conversando no computador. Referências [1] Recent developments in Aircraft Wireless Networks. Obi Orjih. [2] WiMax on Trains. Chris Lord. School of Electronics and Computer Science. University of Southampton. [3] Management of Aggregation Networks for Broadband Internet Access in Fast Moving Trains. Frederic Van Quickenborne Filip de Greve, Filip de Turck, Ingrid Moerman, and Piet demeester. [4] Mobile Internet Access for High-speed Trains via Heterogeneous Networks. Ling, Chan, Sheriff, Conforto. International Symposium on Persona1,lndoor and Mobile Radio Communication Proceedings. [5] High Speed Mobility. [6] Mobile Hotspot in Railway System. Daniel Ho, Shahrokh Valaee. [7] Wireless Data Transmission for High-Speed Train Control. BuBing, Xishi Wang, Xin Yao Wu. [8] Study of High-Speed Wireless Data Transmissions for Railroad Operation. U.S. department of Transportation. [9] Broadband Wireless Internet Access in Public Transportation. Andreas Ross, Nico Bayer, Dmitry Sivchenko, Peyman Behbahani, Michael Flegl, Profa Dr. Sabine Wieland, Prof. Dr. Joachim Habermann, Dr. Veselia Rakocevic, Dr. Banganan Xu, Dr. Gerd Zimmermann, Dr. Gerhard Kadel. [10] High speed trains get online. Disponível em Acessado em 9 de dezembro de [11] WiFi coming to Japan s bullet trains next year. Martyn Williams. Disponível em. Acessado em 21 de dezembro de

17 [12] Wireless network trains in China. Disponível em Acessado em 9 de dezembro de [13] Observations on Gogo Internet from Virgin American Launch Flight. Disponível em Acessado em 9 de dezembro de [14] Wikipedia. Disponível em Acessado em 9 de dezembro de