Cidades Inteligentes e Comunicações

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1 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, NÚMERO 1, OUTUBRO Cidades Inteligentes e Comunicações José Ewerton P. de Farias, Senior Member, OSA, Marcelo S. Alencar, Senior Member, IEEE, Ísis A. Lima, Student Member, IEEE e Raphael T. Alencar Instituto de Estudos Avançados em Comunicações (Iecom) Universidade Federal de Campina Grande (UFCG) Campina Grande, Brasil Abstract Este artigo apresenta o conceito de cidade inteligente, descreve uma arquitetura e mostra o papel das redes de acesso híbridas, parte óptica, parte sem fio, na infraestrutura de comunicação de cidades inteligentes. Index Terms Cidade inteligente, cidade ubíqua, cidade digital, rede de acesso híbrida. E I. IHTRODUÇÃO M 2011, a humanidade ultrapassou um marco importante na sua história: mais de metade da população mundial vive em cidades [1]. Mais cinco milhões de pessoas passam a viver em cidades a cada mês nos países do chamado mundo em desenvolvimento. Na América Latina, onde a urbanização veio mais cedo que em outras regiões em desenvolvimento, vários países e cidades ignoraram ou, sem sucesso, tentaram retardar o crescimento urbano. Isso contribuiu para os atuais níveis de favelização, de insegurança e de violência em muitas regiões metropolitanas do continente. Na Terra, cerca de 1 bilhão de pessoas vivem hoje em favelas, 90% delas nos chamados países em desenvolvimento. Na África subsaariana, mais que sete em 10 habitantes urbanos moram em uma favela. A população urbana dessa região já é aproximadamente igual à população urbana de toda a América do Norte. Fontes de crimes, poluição, doenças, entre outros males, as cidades, há muito tempo, vêm sendo também os engenhos da inovação e de prosperidade econômica para centenas de milhões de pessoas [2],[3]. Estudos recentes demonstram que, em média, à medida que crescem, as grandes cidades geram mais prosperidade econômica e inovação per capita do que cidades menores [4]. A ideia básica para a realização do conceito de cidade inteligente é a criação de espaços urbanos ambientalmente balanceados, onde as pessoas possam trabalhar e ter suas necessidades e desejos razoavelmente satisfeitos no tocante aos serviços oferecidos pela infraestrutura urbana. O ambiente-alvo deverá ser dotado de uma capacidade funcional sustentável, à prova de futuro. Uma cidade inteligente utiliza tecnologia para transformar a sua infraestrutura básica e otimizar o uso de energia e de outros recursos. A tendência irreversível no sentido da urbanização no mundo vem associada com diversos desafios, entre eles (i) o desenvolvimento de uma teoria preditiva e quantitativa para a organização urbana e para o desenvolvimento sustentável, (ii) preocupação com as mudanças climáticas e (iii) viabilização de fontes de energia em longo prazo. Ao tempo em que as cidades crescem, novas e importantes TICs (Tecnologias de Informação e Comunicação) são desenvolvidas ou adaptadas. Com a crescente implantação de sensores, o uso disseminado de dispositivos de comunicações móveis, e a introdução de redes de acesso de faixa larga, novas maneiras para a utilização racional dos recursos urbanos são viabilizadas. Por exemplo, há algum tempo, serviços governamentais usando a Internet tornaram-se realidade em muitos países. Com estruturas técnicas de apoio adequadas, comunidades podem resolver ou mitigar cooperativamente, de forma descentralizada, problemas envolvendo: uso de energia, congestionamentos de tráfego veicular, saúde, educação, transportes urbanos, etc. Grandes quantidades de informação sobre as cidades e sobre os seus habitantes, podem ser utilizadas em favor da construção de cidades inteligentes. Nesse sentido, em [5] algumas importantes interseções entre urbanização e digitalização são apresentadas, enquanto que[6], [7] e [8] tratam sobre algumas tecnologias e experiências no contexto de cidades inteligentes. II.UMA ARQUITETURA PARA CIDADE INTELIGENTE A construção de uma cidade inteligente tem como base a existência de uma infraestrutura tecnológica inteligente, isto é, a disseminação pelo espaço urbano de instrumentos eletrônicos (optoeletrônicos ou de outra natureza física) para aquisição, tratamento e transmissão de dados. E tem como ápice a disponibilização de serviços inteligentes para os usuários dos serviços urbanos (pessoas, empresas, administrações públicas). Em se tratando de equipamentos urbanos construídos, o momento mais apropriado para a instalação de certos sensores físicos (hardware) com respectivo software é durante a criação ou concepção do equipamento urbano em questão. Essa, infelizmente, não é a situação encontrada para a maioria dos projetos de cidades inteligentes. Algumas fontes de dados de interesse em um ambiente urbano têm suas especificidades. Exemplos: sensores de poluição do ar, sensores de poluição de cursos de água, nível de rios (períodos de cheias). Tecnologias hoje largamente utilizadas como o GPS (Sistema de Posicionamento Global), as redes de comunicações móveis celulares e RFID (Identificação de objetos usando Rádio Frequência) são aliados naturais para a composição de infraestruturas para cidades inteligentes. A evolução até o conceito de ambientes urbanos

2 29 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, NÚMERO 1, OUTUBRO 2011 inteligentes necessita de redes metropolitanas de faixa larga e de sistemas de informação complexos. Embora algumas práticas comuns tenham sido desenvolvidas nas diversas iniciativas já implantadas mundo afora, arquiteturas e prioridades diferem caso a caso. Um plano detalhado que uma cidade inteligente deve seguir a fim de concretizar sua plena implementação e sua sustentabilidade é descrito em [9]. Para efeito ilustrativo, a arquitetura de cidade digital incluída em [9] e em [10] é utilizada neste artigo. Tal arquitetura, com pequenas adaptações, mostrada na Figura 1, é detalhada a seguir. A arquitetura lógica possui as seguintes camadas, resumidas na Tabela I: Tabela I. Arquitetura lógica de uma cidade inteligente Camadas de fornecedores e usuários de serviços (Externas, superior e inferior na Figura 1) Usuários finais, grupos de usuários finais, funcionários. Camada de serviços Portais Web, engenhos de busca, serviços via Web, serviços geoespaciais, serviços baseados em localização. Camada de gerência da cidade inteligente Arquitetura, políticas, regras operacionais. Camada da infraestrutura Rede óptica metropolitana (núcleo), rede óptica passiva de acesso (PON), rede Wi-MAX, redes Wi-Fi, sistemas de informação, call centers, redes locais para acesso comunitário. Camada de informação Dados públicos e privados criados e armazenados, centros de armazenagem, armazenagens móveis, repositórios de redes sociais. Camadas de fornecedores e usuários de serviços Contêm os potenciais grupos de usuários dos serviços da cidade inteligente: usuários finais (cidadãos, lojas, estudantes), grupos de usuários finais (associações, grupos com interesses comuns), servidores que oferecem serviços públicos ou comerciais por meio da cidade digital (funcionários civis, repartições públicas, empresas privadas). Camadas de serviços Contém aplicações em software que entregam serviços e informações para cidadãos e empresas (Governo digital, portais de comércio eletrônico, serviços de monitoramento remoto, serviços geoespaciais, etc.). A camada interage com aquela imediatamente acima (Figura 1) por meio de uma interface-padrão que coleta todos os serviços disponibilizados pela cidade inteligente e evita replicação de informação. Camada da gerência Define as políticas, as regras operacionais e a arquitetura da cidade inteligente. Camada da infraestrutura Inclui as redes de faixa larga disponíveis (rede óptica metropolitana, rede óptica passiva de acesso, rede Wi-MAX, redes Wi-Fi), um sistema de transportes inteligente,locais de acesso público à cidade inteligente,pontos de acesso público à cidade inteligente em prédios públicos selecionados, etc. Camada da informação Refere-se aos dados gerados e armazenados na camada da infraestrutura e demais repositórios de informações. III. INFRAESTRUTURA DE COMUNICAÇÕES Uma infraestrutura de rede de acesso capaz de prover comunicação capilarizada e a altas taxas é um componente importante para vários dos serviços previstos em ambientes de cidades inteligentes. A utilização das tecnologias de redes de acesso baseadas em redes ópticas passivas (PONs) é hoje uma realidade em dezenas de países. Em dezembro de 2010, mais de 50 milhões de assinantes FTTH (fiber to the home) usando PONs estavam conectados: 3,9 milhões na Europa, 45 milhões na região Pacífico e Ásia (Japão, Coréia do Sul, China, Singapura, Malásia e Austrália) e 8,8 milhões na América do Norte. Para 2012, somente na região Pacífico e Ásia, o número de assinantes FTTx, atingirá os 100 milhões, sendo 25% FTTH (fibra até a residência) e 75% FTTB (fibra até o condomínio) [11]. O sucesso da introdução de FTTx nessa região está ligado a alguns fatores, entre os quais: (a) políticas e investimentos governamentais em TICs (tecnologias da informação e comunicação); (b) regulamentação do setor: ações confiáveis e consistentes, regras claras para a competição; (c) condições geográficas e demográficas que atraem os investimentos; (d) infraestrutura de rede fixa pré-existente cuja reutilização diminui custos para o lançamento dos cabos ópticos para FTTx; (d) utilização de novos serviços (vídeo, IPTV, etc) como estimuladores para os investimentos. Apesar do sucesso da introdução das PONs em várias regiões, uma arquitetura híbrida (parte óptica, parte sem-fio) para uma rede de acesso pode ser uma melhor opção, para diminuir custos, ampliar a penetração das redes ópticas passivas (PONs) e agregar flexibilidade, atributos importantes de uma infra-estrutura para cidades inteligentes [12]. A ideia da criação de uma rede que possibilite as altas taxas de transferência e confiabilidade das redes ópticas e a praticidade da mobilidade oferecida pelas redes sem fio deu origem ao conceito das redes de acesso híbridas. A proposta dessas redes é criar um back end de suporte composto por uma rede óptica, que termina em um ponto relativamente próximo ao usuário, de onde se inicia um front end com uma rede sem fio. No sentido de satisfazer as exigências crescentes em termos de largura de faixa de vários serviços via Internet, três tendências podem ser identificadas: (i) Convergência de serviços: voz, dados, vídeos e multimídia interativa em uma mesma rede; (ii) Convergência de redes metropolitanas DWDM com redes WAN (longas distâncias) e (iii) Convergência de redes sem fio com redes ópticas, no âmbito das redes de acesso. A Figura 2 ilustra cinco alternativas para redes de acesso. De cima para baixo, a primeira, chamada de FTTC (fibra até o meio-fio), liga os usuários por meio de cabo metálico a uma URA (unidade de rede de acesso) da PON localizada a

3 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, NÚMERO 1, OUTUBRO Figura 1. Arquitetura física de uma cidade inteligente. algumas dezenas ou centenas de metros das suas dependências. Na segunda alternativa a URA (ONU em inglês) é instalada dentro das dependências do(s) usuário(s). As demais alternativas ilustradas são exemplos de redes de acesso híbridas, descritas na próxima seção. IV. REDES DE ACESSO HÍBRIDAS A consolidação dos padrões para redes de acesso passivas baseadas em TDM (TDM-PON), com topologia ponto-amultiponto, e os recentes avanços no campo dos lançamentos comerciais, conforme mencionado na seção anterior, constitui o que se convencionou chamar de primeira geração de redes ópticas de acesso. Prevê-se que essas redes venham, no futuro, a ser substituídas por redes ponto-aponto, por meio do uso da tecnologia WDM, possibilitando maior largura de faixa dedicada por usuário e suporte de diferentes tipos de serviços em uma mesma rede [12]. Será a chamada segunda geração de redes ópticas de acesso. Entre a primeira e a segunda gerações, uma alternativa intermediária (TDM-WDM PON) poderá ser adotada [13]. Como a largura de banda de uma única fibra é muito grande para usuários de redes de acesso, a utilização de redes ópticas ponto-a-ponto é viável se uma única fibra for compartilhada por diversos usuários. Isso sugere a existência de um terminal óptico a partir do qual o sinal seja multiplexado e encaminhado, o que pode ser feito por meio da alternativa apresentada e avaliada em [13]. Assim, um trecho de comunicação entre o terminal óptico e o usuário final deve ser feito por meio de outra tecnologia (como par trançado, cabo coaxial ou sem fio), reduzindo a quantidade de fibra necessária. Mesmo diante das vantagens inquestionáveis oferecidas pela utilização de WDM, é um consenso que as redes TDM são o presente, já que muito se investiu em pesquisa e desenvolvimento para essa tecnologia que foi consolidada e padronizada há pouco tempo. Todavia, tendo em vista a crescente demanda de largura de banda por parte dos usuários, a necessidade de migração das arquiteturas PON existentes [Ethernet PON (EPON), Broadband PON (BPON), Gigabit PON (GPON), Generic Framing Procedure PON (GFP- PON)] para WDM PON é essencial. Por outro lado, as características de eliminação dos custos de cabeamento, facilidade de implantação da infraestrutura e comodidade disponibilizada ao usuário, oferecidas pelas

4 31 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, NÚMERO 1, OUTUBRO 2011 Figura 2. Alternativas para redes de acesso. redes sem fio (wireless) tornaram a tecnologia bastante popular. Existem três técnicas que se destacam nas redes de acesso wireless: Wi-Fi, Wi-MAX e redes móveis celulares. A tecnologia Wi-Fi (padrões IEEE a,b,g) é utilizada especialmente em WLANs (redes locais), enquanto WiMAX é bastante atrativa em WMANs (redes metropolitanas), já que apresenta taxa de bist/segundo alta e maior raio de cobertura. Já a tecnologia celular é usada especialmente para transporte de voz, imagens, e outras aplicações com taxas relativamente modestas. A tecnologia de ROF (Radio Over Fiber), que permite o transporte de sinais de rádio por enlaces de fibra óptica já existentes, criou o conceito de HRF (Hybrid Fiber Radio), enquanto a tecnologia WOBAN (Wireless-Optical Broadband-Access Networks) emprega uma arquitetura de rede de híbrida [12], descrita resumidamente a seguir. A proposta das redes de acesso híbridas é a implantação de um cenário que permita ao usuário o acesso à rede por intermédio de interface wireless com suporte em uma rede PON (que apresenta robustez, confiabilidade e elevadas taxas). A Figura 3 ilustra uma arquitetura proposta para uma WOBAN. Diversos segmentos PON são suportados na CO (Central Office, ponto de presença de uma operadora de telecomunicações), partindo cada um de uma OLT (Terminal de Linha Óptica) e terminando na ONU (Optical Network User, ou URA em português) correspondente. Cada ONU (Unidade de Rede de Acesso) é conectada a uma BS (Estação Base), que serve como uma porta de saída da rede óptica (gateway router, mostrados em vermelho na Figura 3), para dar início à parte wireless da rede. Além de gateway routers (BSs ligadas diretamente às ONUs), o front end possui outros roteadores/bss para gerenciamento eficaz da rede. Figura 3. Arquitetura para uma WOBAN utilizando PON.

5 REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, NÚMERO 1, OUTUBRO O back end óptico pode utilizar a infraestrutura TDM-PON atualmente disponível em diversos cenários, para facilitar o emprego das WOBANs em curto prazo. No entanto, a esperada implantação da tecnologia WDM-PON promete aumentar a capacidade e reduzir os custos para as WOBANs. O front-end da WOBAN pode empregar tecnologias padrão como Wi-Fi e Wi-MAX, sendo que a tecnologia Wi-MAX é especialmente indicada por se aplicar melhor a redes metropolitanas (reduzindo a quantidade de BSs necessárias). Tipicamente, os usuários estão espalhados geograficamente, sendo muitas vezes móveis. A mobilidade dos usuários finais pode ser solucionada na camada IP por uma das três abordagens dominantes desenvolvidas no Internet Engineering Task Force (IETF): mobile IP, migrate e protocolo host-identify. Assim, as características consideradas críticas dessas redes são a escolha dos algoritmos de posicionamento das ONUs (ou URAs, unidades de redes de acesso) e de roteamento dos dados na rede wireless. Algoritmos de posicionamento e roteamento são apresentados em [12] e mais detalhadamente em [14], juntamente aos resultados comparativos de sua aplicação em uma rede WOBAN experimental real. [6] T. Ishida e K. Isbister (Eds.),Digital Cities: Technologies, Experiences, and Future Perspectives, Springer-Verlag, [7] Diane Cook e Das Sajal, Smart Environments: Technologies, Protocols, and Applications, Wiley-Interscience, [8] Carlo Ratti e Anthony Townsend, The Social Nexus, in Scientific American, Vol. 305, No. 3, September 2011, pp [9] L. Anthopoulos e P. Fitsilis, From Digital to Ubiquitous Cities: Defining a Common Architecture for Urban Development, Proceedings of the Sixth International Conference on Intelligent Environments, Kuala Lumpur, Malásia,Julho 2010, pp [10] L. Anthopoulos e I. A. Tsoukalas, The implementation model of a Digital City. Tha case study of the first Digital City in Greece: e-trikala, in Journal of e-government (Haworth Press, Inc., University of Southern California, Center for Digital Government), Vol. 2, Issue 2, [11]S. Hanatani (Presider). Sessão Especial OSA/IEEE OFC/NFOEC 2011: FTTH around the World: Today and Tomorrow, 09/03/2011, Los Angeles, CA. [12] S. Sarkar, et al. Hybrid Wireless-Optical Broadband-Access Network (WOBAN): A Review of Relevant Challenges, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, Vol. 25, No. 11, pp , Novembro [13] J. E. P. de Farias et al. Rede óptica passiva usando TDM e WDM, Anais do XXVII SBrT, Blumenau, [14]S. Sarkar, H. Yen, S. Dixit e B. Mukherjee et al. Hybrid Wireless-Optical Broadband-Access Network (WOBAN): Network Planning and Setup, IEEE/OSA Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 26, No. 6, pp , Agosto de V.CONCLUSÕES A implantação de cidades inteligentes exige inovação em planejamento, gerência e nas operações dos equipamentos urbanos com a finalidade principal de melhorar a qualidade de vida dos cidadãos urbanos. Utilizando infraestruturas de TIC (tecnologias da informação e comunicação) avançadas, cidades inteligentes (ou ubíquas, ou digitais) disponibilizam hoje serviços em áreas metropolitanas de dezenas de países. Neste artigo é apresentado o conceito de cidades inteligentes. Uma possível arquitetura de cidade inteligente voltada para serviços inteligentes é descrita. Aspectos da infraestrutura física de comunicações são também abordados, com ênfase nas redes de acesso híbridas, parte óptica, parte sem fio. AGRADECIMENTO Os autores agradecem o apoio da RNP (Rede Nacional de Pesquisa e Educação), através do Projeto (CIA)² Construindo Cidades Inteligentes: da Instrumentação dos Ambientes ao desenvolvimento de Aplicações, Contrato RNP-Iecom- PaqTc/PB, , e o apoio do Iecom, da UFCG e do CNPq. REFERÊNCIAS [1] Luís M. A. Bettencourt,José Lobo,Dirk Helbing,Christian Kühnert, and Geoffrey B. West, Growth, innovation, scaling, and the pace of life in cities, in Proceedings of the National Academy of Sciences USA, Vol. 104, No. 17, April 24,2007, pp [2] M. Naphade, et. al., Smarter Cities and Their Innovation Challenges, IEEE Computer Magazine, Vol. 44, No. 6, pp , Junho, [3] Edward Glaeser, Engines of Innovation, in Scientific American, Vol. 305, No. 3, September 2011, pp [4] Luís M. A. Bettencourt e Geoffrey B. West, Bigger Cities Do More with Less, in Scientific American, Vol. 305, No. 3, September 2011, pp [5] Anthony Townsend, The Future of Cities, Information, and Inclusion,Institute for the Future, 2010.