WiMAX - Acesso à Internet Banda Larga Sem Fio

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1 MAC Computação Móvel WiMAX - Acesso à Internet Banda Larga Sem Fio Marcio Masaki Tomiyoshi 8 de Dezembro de Introdução O acesso à Internet de alta velocidade vem ganhando novos usuários a cada dia, expandindo seu alcance especialmente nas grandes cidades. Nas metrópoles, a maior parte das conexões ainda são feitas a partir de redes cabeadas, sejam de telefone (ADSL) ou televisão (internet a cabo), exigindo que exista toda uma infraestrutura para que a velocidade alcançada seja alta. Por causa disso, muitas localidades acabam privadas de uma internet rápida, já que o investimento necessário para cabear toda uma região não compensaria os retornos que a empresa conseguiria com a quantidade de usuários em áreas menos populadas. Com isso em mente, uma das possíveis soluções para se diminuir o custo de implementação de internet banda larga em áreas sem a infraestrutura necessária é se aproveitar de tecnologias sem fio, pois assim, não é preciso instalar cabeamento, por exemplo, reduzindo tanto o tempo de implantação quanto o custo. Essa é uma das motivações por trás da criação do padrão WiMAX (worldwide interoperability for microwave access) de acesso sem fio criado pelo WiMAX Forum. O WiMAX é a implementação comercial do padrão IEEE Com seu desenvolvimento iniciado em 1998 e com a primeira versão da especificação pronta em 2001, a tecnologia é voltada para aplicação em WMANs (wireless metropolitan area network), assim, o WiMAX tem como meta atingir uma área de alcance grande com altas velocidades. Conseguindo alcançar estes objetivos, o WiMAX pode substituir o acesso via ADSL e a internet a cabo, sendo chamado de banda larga sem fio fixa. 1

2 Outra meta do padrão é possibilitar o que é denominado banda larga sem fio móvel, oferecendo maior mobilidade e portabilidade. Além disso, o WiMAX exige compatibilidade com o padrão criado pela ETSI (European Telecommunications Standards Institute), o HiperMAN (High Performance Metropolitan Area Network). Esta exigência só é possível pois tanto o IEEE quanto o HiperMAN sofreram modificações em suas camadas para que se tornassem compatíveis entre si. 2 WiMAX Forum O WiMAX Forum é um consórcio entre diversas empresas interessadas na padronização e implementação do WiMAX. Reunindo líderes de mercado, como Intel, AT&T, Samsung, Motorola, Cisco, Fujitsu e Siemens, o grupo divide suas forças para tratar dos aspectos técnicos e comerciais do padrão. O modelo criado foi baseado na WiFi Alliance, que regulamentava produtos baseados na tecnologia IEEE , que obteve bastante sucesso, bastando observarmos a popularização das redes WiFi atualmente. Também foi criado um programa de certificação, garantindo que os produtos que chegassem ao mercado fossem compatíveis entre si, aumentando a confiabilidade dos consumidores no WiMAX, já que diversos dispositivos de diferentes fabricantes, das mais diversas partes do mundo, que passassem por esse processo seriam previamente testados, diminuindo a ocorrência de casos de produtos que não funcionassem corretamente devido a pequenas diferenças de implementação por parte do fabricante. Outro aspecto importante em que o WiMAX Forum possui grande participação é no contato com os governos de todo o mundo, negociando quais serão as bandas em que o WiMAX poderá ser utilizado, regulamentando o padrão nos mais diversos países. Por ser uma tecnologia padronizada e aberta a novas empresas, uma das grandes forças do WiMAX é a possibilidade de que, com uma adoção cada vez maior, haja ganhos de escala consideráveis, reduzindo os custos de manufatura e, por conseqüência, os custos de implementação de sistemas baseados na especificação. 2.1 Vantagens e Desvantagens da Padronização Aqui serão discutidos brevemente os prós e contras da adoção de um padrão comum a diversas empresas em comparação com o uso de tecnologias privadas. 2

3 2.1.1 Vantagens 1. Impede a dependência em relação ao fabricante, facilitando a popularização. 2. Reduz os custos de produção e, por conseqüência, os custos ao consumidor final. 3. Diminui os riscos de não funcionamento adequado devido à falta de compatibilidade Desvantagens 1. Estabelecer as regras e especificações normalmente requer um grande consumo de tempo de desenvolvimento, aumentando o tempo até os produtos estarem disponíveis para consumo. Isto pode levar à adoção de outras tecnologias, substituindo o WiMAX. 2. Definir o padrão às vezes pode requerer uma diminuição na qualidade das especificações a fim de que todos os interessados concordem com o resultado final. Assim, o padrão pode não satisfazer às necessidades dos usuários, ou, ao menos, pode existir uma solução proprietária que tem características técnicas mais interessantes. 3. Forçar a adoção ao padrão pode causar uma diminuição nas inovações realizadas pelos diferentes fabricantes. 3 IEEE e Suas Extensões O WiMAX possui um grande alcance, cerca de 50 quilômetros, pois sua regulamentação permite que se usem antenas de alta potência. Em teoria, a velocidade alcançada pelo IEEE chega a até 75 Mbits por segundo (Mbps) por canal, tanto para download quanto para upload. Com o uso de diversos canais, é possível alcançar taxas de até 350 Mbps [9]. Apesar disso, idealmente, o alcance das bases deve ser limitado a cerca de 15 quilômetros, para que o número de assinantes de tal base não suba muito, fazendo com que a qualidade do serviço decaia e cada usuário acabe recebendo uma banda muito baixa. Inicialmente, o padrão previa seu uso na forma de ponto-para-multiponto, isto é, um ponto de acesso central seria utilizado para se comunicar com os diversos assinantes, que teriam antenas externas fixas, instaladas nos telhados, por exemplo. 3

4 Por ter como foco a banda larga sem fio fixa no começo de seu desenvolvimento, diversas decisões tomadas foram influenciadas por esse tipo de uso. A faixa de freqüências utilizada ia dos 10 até os 66 GHz, o que exigia que não houvessem obstáculos entre as antenas instaladas. Devido a uma característica da própria onda a estas altas freqüências, há mais banda disponível e menos chances de ocorrer interferências. Porém, ao mesmo tempo, os sinais emitidos não conseguem difratar, forçando esta limitação de que normalmente fosse preciso ter uma linha direta entre as antenas [5]. Com essa limitação, os custos de implementação acabam por subir, pois são necessárias mais estações bases para cobrir efetivamente uma mesma área. IEEE a Assim, com o subseqüente desenvolvimento das especificações do IEEE , freqüências mais baixas passaram a ser aceitas, variando entre 2 GHz e 11 GHz, permitindo que fossem criadas soluções que não exigissem que não houvessem obstáculos entre as antenas. Os interesses comerciais estão especialmente interessados nessa faixa de freqüência, devido à facilidade e custos envolvidos na implementação. Sem a linha direta entre as antenas, a velocidade máxima cai para cerca de 40 megabits por segundo e o alcance se limita a algo em torno de 10 quilômetros a partir da estação base. Por serem mais suscetíveis a interferências, houve a necessidade de se criar alguns esquemas para se ajustar a freqüência escolhida e a potência utilizada para a transmissão, a fim de se obter um maior desempenho. A freqüência a ser usada é escolhida dinâmicamente, procurando aquela que possibilitará a melhor performance. O modelo criado diferencia entre as interferências que ocorrem quando o usuário WiMAX interfere com outras tecnologias usando a mesma freqüência e as interferências entre dois ou mais usuários WiMAX. A potência utilizada pelo dispositivo também é escolhida afim de reduzir a interferência com transmissores vizinhos. Outra novidade na revisão foi a possibilidade de usar malhas (mesh), onde é possível que estações assinantes se comuniquem entre si, aumentando ainda mais o alcance da rede WiMAX e relaxando ainda mais as restrições sobre a linha direta entre a base e os assinantes, mesmo sob as freqüências mais altas, como pode ser visto na figura 1. IEEE b Foi adicionado o suporte à tecnologia QoS (quality of service ou qualidade de serviço), facilitando o uso do WiMAX para aplicações de vídeo e voz em tempo real ao serem criadas diversas categorias de uso, diferenciando os tipos de transmissão desejados. Assim, uma aplicação como 4

5 Figura 1: Conexão sem linha direta entre antena e usuário realizada por mesh. Imagem retirada de [5]. o torrent, por exemplo, que exige uma grande largura de banda, mas não possui necessidade de uma baixa latência, é tratada de uma forma, enquanto as já citadas aplicações em tempo real recebem outro tipo de tratamento. IEEE c Criou um perfil que padronizava mais detalhes da tecnologia que se aproveitava das freqüências de 10 a 66 GHz, aumentando a compatibilidade entre diversos dispositivos. IEEE d Consertou alguns problemas e fez pequenas melhoras para a revisão a. Também criou um perfil para testar a compatibilidade dos dispositivos a. IEEE Publicação oficial da revisão IEEE d. Reuniu e substituiu as revisões , a e c com um único padrão, que é o chamado WiMAX fixo. 5

6 IEEE e É uma das extensões mais significativas do WiMAX, ao adicionar suporte a unidades móveis. A partir do IEEE e, a conexão consegue ser mantida mesmo a velocidades de 120 quilômetros por hora. Com isso, não é mais necessário ter antenas fixas instaladas nos assinantes para a comunicação com a estação base. Também abre a possibilidade de se usar o WiMAX de modo semelhante ao WiFi, porém com alcance e velocidades maiores. IEEE e-2005 Publicação oficial da revisão IEEE e, é o que tratamos por IEEE durante este texto. Também é chamado de WiMAX móvel. Futuras revisões Além destas, diversas outras revisões já estão sendo planejadas, estudadas e desenvolvidas. Em [1], revisões de f a até m tem seus propósitos especificados. 4 Problemas e Soluções Adotadas As maiores preocupações relacionadas às tecnologias sem fio estão relacionadas aos seguintes aspectos: Interferências: O uso de outros aparelhos sem fio pode atrapalhar a navegação? Qualidade de Serviço (QoS): Será possível atingir latências baixas o suficiente para que seja viável fazer chamadas de áudio e vídeo em tempo real? Segurança: Quão segura é a conexão entre o usuário e a estação base? Confiabilidade: Qual a probabilidade do usuário ficar sem serviço devido a falhas em equipamentos? Em seguida discutiremos as soluções tomadas durante o desenvolvimento do IEEE para que estas preocupações não afetem o usuário. 4.1 Interferência Como dito anteriormente, para se evitar interferências, a faixa de freqüência e a potência de transmissão ideais são escolhidas dinâmicamente afim de reduzir ao máximo a possibilidade de sua ocorrência. 6

7 Outro meio utilizado é através do emprego da técnica de OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) na modulação do sinal. A idéia básica do OFDM é dividir o sinal em diversas partes, de forma que, mesmo que o receptor não consiga ter todas as partes ao fim do processo, seja possível reconstruir a informação original desde que a quantidade de subsinais perdidos seja razoavelmente baixa [2]. O sistema AAS (Adaptive Antenna Systems) faz com que o sinal a ser transmitido entre a estação base e o assinante seja um raio que saia diretamente de um ponto a outro, evitando que o sinal seja dispersado pelo ar e possa ser capturado por outros assinantes, diminuindo a interferência. Além disso, múltiplos receptores e transmissores podem ser equipados em cada antena, possibilitando que ambos troquem de freqüência de comunicação para que haja menos interferências e, conseqüentemente, maior desempenho. 4.2 Qualidade de Serviço Os maiores fatores que afetam a qualidade da conexão sem fio, acabam sendo a latência, perda de pacotes e jitter 1, além da própria largura de banda. Dependendo da aplicação, alguns fatores pesam mais que outros. Por exemplo, durante uma conferência de voz e vídeo, a latência se torna muito mais importante do que a largura de banda. Embora uma melhor qualidade na transmissão de voz e imagem sejam desejadas, atrasos entre a imagem real e a transmitida causadas por uma latência grande tendem a incomodar de maneira muito grande. Segundo [2], a maior parte da latência percebida por conexões via WiMAX não será devido à comunicação entre a estação base e o assinante, tendo latências médias de apenas 5 milisegundos. Assim, a diferença de latência real entre uma conexão por cabos e uma por WiMAX chegaria a apenas 10 milisegundos; no exemplo da conferência em tempo real, isso significaria que se a mesma imagem estivesse sendo transmitida para duas máquinas, uma conectada via WiMAX e outra por uma conexão ADSL, o usuário conectado por fios receberia a imagem a, no máximo, 10 milisegundos antes (isso se ainda desconsiderarmos a latência entre o modem ADSL e a operadora). O WiMAX divide as aplicações em cinco classes, priorizando aquelas que são mais sensíveis ao tempo, como pode ser observada na tabela 1. Assim, dependendo da classe em que a aplicação se encontra, diferentes prioridades de largura de banda e latência, por exemplo, são atribuídas a ela. 1 Variação indesejada do sinal original 7

8 Modo Unsolicited Grant Service (UGS) Real-time Packet Service (rtps) Extended real time Packet Services (ErtPS) non-real time Packet Services (nrtps) Best Effort (BE) Aplicação VoIP Stream de áudio e vídeo VoIP (com detecção de atividade) FTP Transferência de dados, navegação web Segurança Tabela 1: Tipos de QoS disponibilizados. Uma das grandes preocupações em relação às conexões sem fio são relacionadas à segurança destas. Tomando como exemplo o WiFi, diversas opções de segurança estabelecidas pelo padrão são facilmente quebradas, o que, dada a grande popularidade do formato, pode dar a impressão de que qualquer tipo de conexão sem fio acaba sendo pouco segura. Para apagar essa má impressão, o WiMAX utiliza-se de diferentes formas de segurança. Para o WiMAX fixo, a autenticação é feita através de certificados X.509 e criptografa os dados com DES (Digital Encryption System) de 56-bits. Já o WiMAX móvel, usa EAP para autenticação e AES (Advanced Encryption System) para criptografia. Os fabricantes podem implementar variações deste modelo, alguns oferecendo chaves AES de 152-bits, que supõe-se precisar de milhões de anos para ser quebrado em um desktop comum. 4.4 Confiabilidade O WiMAX é extremamente confiável por não utilizar cabos para suas conexões. É dito que os cabos utilizados pelas companhias de telefone e televisão são os maiores pontos que ocasionam falhas e interrupções no serviço. Ainda assim, as companhias de telefone são consideradas as que provêm o serviço mais confiável, havendo uma interrupção de cerca de 5 minutos por ano apenas. Assim, redes WiMAX também conseguiriam atingir este alto nível de excelência, através da existência de equipamentos redundantes que substituíssem outros em caso de defeito, já que a ausência de fios eliminaria o elemento com o maior potencial de causar interrupções no fornecimento do serviço. 5 WiMAX e Outros Padrões Além do WiMAX, diversos outros padrões sem fio, sejam eles proprietários ou não, oferecem funcionalidades equivalentes ou, ao menos, que competem em 8

9 alguma das áreas cobertas pela especificação, seja alcance, disponibilidade, velocidade ou mobilidade. Nesta seção, alguns dos maiores concorrentes do WiMAX serão abordados. 5.1 Telefonia Celular Provavelmente um dos maiores competidores do WiMAX atualmente sejam as redes de telefonia celular. A grande vantagem delas é já estarem estabelecidas há muito tempo, possuindo toda a infraestrutura para cobrir uma área muito grande nas mais diversas localidades do mundo inteiro. Além disso, as tecnologias empregadas na telefonia celular vão evoluindo conforme o passar do tempo e é esperado que se chegue a uma etapa em que a telefonia celular disponibilize uma conexão que se equipare à sensação de se estar em uma conexão com fios. Porém, ainda existem algumas desvantagens que favorecem às redes WiMAX. O custo de implementação é uma delas: apenas o custo de ter permissão de utilização de certas faixas de freqüências regulamentadas é alta. Além disso, o custo de implementação de uma base que usa tecnologia celular é maior do que o custo necessário para se instalar uma estação base WiMAX [6]. Outro fator que causa um aumento de custos para as empresas de telefonia celular é a necessidade de se manter diversas redes com diferentes tecnologias para que a base de usuários, composta por aparelhos de diversas gerações, tenham a garantia de acesso à rede celular, mesmo sem possuir os equipamentos mais modernos. Outra desvantagem das redes celulares é relacionado ao próprio projeto delas. Inicialmente criadas apenas para a transmissão de voz, aos poucos a rede foi ganhando novas funcionalidades para que fosse possível utilizar outras tecnologias mais recentes para transmissão de dados. As redes WiMAX em compensação foram desenhadas desde o início para aceitar diversas formas de comunicação, incluindo dados e voz. Resultados sugerem ainda que, comparando-se redes WiMAX com redes celulares de características semelhantes (tipo de antena, largura de banda e potência), as redes WiMAX levam uma vantagem de 28 a 96% em desempenho. 5.2 IEEE Este padrão foi desenvolvido tendo em mente principalmente a mobilidade, conflitando em partes com a proposta do WiMAX móvel, mas com algumas diferenças importantes. 9

10 A meta do IEEE é atingir velocidades de 1 Mbps para usuários com velocidades de até 250 quilômetros por hora, praticamente o dobro da suportada pelo IEEE A faixa de freqüências utilizada pelo IEEE situa-se abaixo dos 3,5 GHz, enquanto o IEEE é focado entre 2 e 6 GHz. Todo o trabalho realizado com a mobilidade no WiMAX foi feito a partir de uma especificação que já existia, enquanto no IEEE , todo o projeto foi feito pensando nisso. Mas a maior diferença é o estado atual das duas especificações, já que o WiMAX já está estabelecido enquanto o IEEE ainda está sendo projetado. 5.3 WiFi A partir da adição de suporte à mobilidade no WiMAX, tanto o WiFi quanto o WiMAX acabam por suprir alguns objetivos comuns, o que pode levar a crer que ambos estejam concorrendo pelo mesmo setor, o que não é necessariamente verdade, já que elas podem se complementar. O mercado alvo das duas tecnologias é bastante diferente. O WiFi foi criado tendo em mente as WLANs (wireless local area network), ou seja, para conectar pequenas redes domésticas ou de pequenos escritórios sem que seja necessário fazer toda a instalação de cabos de rede. Por isso, o alcance das antenas é bastante limitado, chegando a pouco mais de algumas dezenas de metros em ambientes internos e algumas centenas em ambientes externos. Além disso, a velocidade máxima teórica é de 54 Mbps, mas na prática, o limite alcançado é bastante inferior, chegando a cerca de 25 Mbps [7]. Apesar destas características, o WiFi é perfeitamente adequado ao uso para o qual é proposto. Porém, o que pode-se observar é que o uso de WiFi se popularizou de forma que os pontos de acesso são instalados em praças públicas e áreas externas para que a população tenha acesso à internet mesmo ao ar livre. Para que isto ocorra, as antenas instaladas funcionam a potências próximas ao limite permitido pela especificação, o que não é desejado e que poderia ser muito melhor implementado a partir de um ponto WiMAX, que é projetado para cobrir áreas grandes. Além disso, por diferenças de projeto, o WiMAX possui uma escalabilidade muito superior ao WiMAX, possibilitando um aumento na base de usuários muito maior que a conseguida no WiFi. Uma das formas possíveis de integração entre os dois sistemas é fazer com que os pontos de acesso WiFi sejam conectados aos assinantes de WiMAX, já que diversos dispositivos atualmente são equipados com WiFi. Assim, 10

11 o WiMAX seria responsável por distribuir uma internet rápida para uma cidade ou uma parte considerável dela e, a partir destes pontos conectados via WiMAX, a conexão fosse distribuída através de hotspots de WiFi, como pode ser observado na figura 2. Figura 2: Integração entre WiMAX e WiFi. Imagem retirada de [8]. 6 WiMAX no Brasil Diversas iniciativas já estão sendo tomadas em formato experimental em nosso país, como pode ser visto em [3]. Dentre as faixas de freqüência disponíveis para o uso com WiMAX, estão as de 2,5 GHz que precisariam ser compartilhadas com o sistema MMDS usado para televisão, os 3,5 GHz que estão em fase de licitação e os 5 GHz que não precisam de licença de uso. Empresas como a Embratel estão implantando o sistema em diversas cidades, com previsão de atingir 61 cidades através de 1,018 estações base e podendo expandir este número para cerca de 200 cidades. Além dela, a Telefónica instalou em caráter experimental três estações base em São Paulo, cobrindo cerca de 150 usuários com velocidades de 2 Mbps de download e 600 Kbps de upload se aproveitando da faixa de freqüências de 2,5 GHz que ela adquiriu da TVA. 11

12 Outros testes também foram realizados pela Brasil Telecom nas freqüências de 3,5 GHz. Além destas, a própria Intel vem realizando testes com a tecnologia no país, por acreditar que futuramente o WiMAX atinja uma fatia grande do mercado de conexão sem fio [4]. 7 Conclusão Com todo o apoio da indústria, o WiMAX tem grandes chances de se tornar um padrão popular, algo parecido com o sucesso que o WiFi obteve, porém em uma escala maior, modificando a forma que as conexões banda larga são realizadas entre o usuário final e as operadoras. O menor custo de implantação e manutenção comparado às tecnologias com fio, além de características técnicas desejáveis como garantia de qualidade de serviço e segurança, fazem com que o WiMAX possa ser considerado como um bom substituto das conexões via cabo ou telefone, especialmente em áreas que ainda não possuam a infraestrutura necessária para internet banda larga. O WiMAX também tem grandes chances de se estabelecer como um bom produto dado seu grande alcance, mesmo em sua variante móvel que não requer uma linha direta entre a base e o usuário, fazendo com que hajam mais locais de acesso à internet nas cidades, comparados aos ambientes razoavelmente restritos em que podem ser encontrados atualmente os pontos de acesso WiFi, dando a sensação de estarmos constantemente conectados à internet, algo similar ao que ocorre hoje com a telefonia. Assim, o futuro do WiMAX foca na idéia de criar uma região inteira conectada à internet em que estes pontos ainda podem redistribuir a banda recebida em uma área local menor, como por exemplo, dentro de um escritório, via WiFi. 12

13 Referências [1] IEEE Acessado em 7 de dezembro de [2] WiMAX Book Overview - Learn about WiMAX. com/education/wimax/wimax_overview, Acessado em 7 de dezembro de [3] WiMAX no Brasil Acessado em 8 de dezembro de [4] Intel investment shows Brazil is poised to be major WiMAX nation. spotlight mw1, Acessado em 8 de dezembro de [5] Z. Abichar, Y. Peng, and J.M. Chang. WiMAX: The Emergence of Wireless Broadband. IT PROFESSIONAL, pages 44 48, [6] N.A. Ali and H.S. Hassanein. IEEE Standards and Amendments. WiMAX, page 19. [7] J.G. Andrews, A. Ghosh, and R. Muhamed. Fundamentals of WiMAX: Understanding Broadband Wireless Networking (Prentice Hall Communications Engineering and Emerging Technologies Series). Prentice Hall PTR Upper Saddle River, NJ, USA, [8] M. Brain and E. Grabianowski. How WiMAX Works. howstuffworks.com/wimax.htm, Acessado em 8 de dezembro de [9] S.J. Vaughan-Nichols. NEWS-Industry Trends-Achieving Wireless Broadband with WiMax. Computer-IEEE Computer Magazine, 37(6):10 13,