Bacharel em Sistemas de Informação pela Universidade Presbiteriana Mackenzie.

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1 Wi-Fi e WiMAX II: As Tecnologias de Rede Sem Fio Esta série de tutoriais apresenta um estudo de algumas das tecnologias de transmissão de dados através de sistemas de comunicação sem fio, wireless, utilizadas em redes. Nos sistemas wireless atuais observa-se uma alta qualidade de transmissão de dados aliada a comunicação através de distâncias cada vez maiores. Dentre essas tecnologias, o WiFi (Padrão IEEE ) e o WiMax (Padrão IEEE ) se destacam, apresentando características que são comparadas no decorrer deste trabalho, mostrando como elas coexistem e complementam-se de modo a prover soluções integradas para o acesso às redes de comunicação. Este tutorial parte II apresenta o padrão WiMax, definido pela recomendação IEEE , descrevendo de forma detalhada as principais técnicas de transmissão, a pesquisa exploratória realizada sobre as tecnologias WiFi e WiMax, e a conclusão do trabalho. Esta série de tutoriais foi desenvolvida a partir do Trabalho de Graduação Interdisciplinar Comparações entre as Tecnologias WiFi e WiMax: Um Breve Estudo Exploratório elaborado pelo Anderson e pelo Bruno, para ser apresentado à Faculdade de Computação e Informática, da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como exigência parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Sistemas de Informação. Anderson Porto da Silva Bacharel em Sistemas de Informação pela Universidade Presbiteriana Mackenzie. Atuou como Programador ASP e Javascript na Aborígine S.A., exercendo atividades de desenvolvimento de páginas interativas, com comunicação bancária. 1

2 Bruno Tarouco Álvares Soares Bacharel em Sistemas de Informação pela Universidade Presbiteriana Mackenzie (2008) e Técnico em Informática pelo Serviço Nacional de Aprendizagem Comercial (SENAC, 2005). Atuou como Técnico de Informática na CODY Informática, exercendo atividades de instalação de hardware e software em computadores e redes nos ambientes Windows e Linux e como Estagiário no Banco ABN AMRO Real AS, exercendo atividades de consolidação e auditorias de dados em aplicativos do tipo banco de dados e planilhas. Atuou também como Técnico de Telecomunicações Junior na Ericsson Serviços de Telecomunicações LTDA, exercendo atividades de operação e análise de problemas de sistemas de telecomunicações. Atualmente trabalha como Solution Integrator Junior na Ericsson Serviços de Telecomunicações LTDA, exercendo atividades de implantação e integração de sistemas de telecomunicações. Categorias: Banda Larga, Redes de Dados Wireless Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 20 minutos Publicado em: 20/04/2009 2

3 Wi-Fi e WiMAX II: Introdução Nos últimos anos, as redes de computadores tem se popularizado. Há basicamente dois tipos de redes: redes com fio, utilizando meios físicos de comunicação (cabos) e redes sem fio que utilizam o ar como meio de comunicação, onde trafegam sinais de rádio-freqüência e a transmissão e recepção ocorre através de antenas, sistema Wireless. Entre os possíveis sistemas de comunicação para redes wireless pode-se destacar o sistema WiFi (Wireless Fidelity), e o sistema WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Com a popularização recente da tecnologia WiFi nas redes locais, os usuários finais tem acesso a conexão de a banda larga, visto que, o sistema permite que dispositivos se conectem à rede local (LAN Local Area Network) e à Internet a velocidades de até 54 Mbit/s (banda larga), livres de cabos e com portabilidade, porém sem mobilidade plena, ainda que restrita a 100 metros de cada ponto de acesso. O WiMax, por sua vez, integra infra-estruturas de redes que vão desde as redes de área local sem fio (LAN) até as redes metropolitanas (MAN Metropolitan Area Network), estas sendo seu principal foco. Embora o WiMax não proporcione um novo mercado, o sistema permite a utilização da tecnologia wireless associada a redução de custos quando comparada com soluções já existentes, possibilitando o crescimento desse tipo de mercado. Os custos são menores com o WiMax, pois o seu alcance (pode-se atingir até 50 km da antena de acesso) é muito superior quando comparado ao seu antecessor o WiFi. O presente trabalho de pesquisa exploratória apresenta uma descrição de duas empresas que já utilizam o sistema de transmissão WiMax em cenários diferentes e também será visto um estudo feito na universidade Pontifica em Campinas. Uma dessas empresas migrou de uma rede padrão (cabeada) para a rede sem fio, WiMax. A segunda empresa estudada migrou do WiFi para o WiMax, porém a solução adotada foi uma integração entre os dois sistemas de transmissão de dados sem fio. Já a universidade, implementou em um cenário parecido com o segundo caso que será estudado, em um processo de integração das duas tecnologias, WiMax e WiFi. Objetivo Tecnologias de comunicação quando utilizam meios físicos de comunicação como pares telefônicos, fibraótica, ADSL e cable-modem estão disponíveis para construção de redes, porém, sua utilização não permite suprir acesso com mobilidade. Essa é a motivação para a pesquisa de tecnologias alternativas de baixo custo que tenham potencial para atender esse tipo de demanda conhecida como comunicação wireless. As tecnologias atuais para a implantação de redes locais sem fio (Wireless Local Area Networks - WLANs) permitem a operação desse tipo de sistema em taxas de transmissão de dados relativamente altas quando comparadas às outras redes sem fio, como por exemplo, Bluetooth. Essas altas taxas de transmissão têm interessado até operadoras de redes celulares, as quais começam a ver as redes IEEE como um complemento às suas redes de acesso. Atualmente, a pesquisa de soluções de comunicação de baixo custo para redes de computadores é um dos tópicos mais importantes na área de telecomunicações. O objetivo deste trabalho é estudar redes de comunicação sem fio, especificamente os sistemas WiFi e WiMax, observando sua operação, apresentando ainda uma avaliação de desempenho desse tipo de sistema wireless através da pesquisa exploratória onde são apresentados alguns parâmetros de desempenho e a avaliação de sistemas práticos em funcionamento. 3

4 Justificativa do Estudo O interesse pelo tema baseia-se na sua atualidade e na possibilidade de afetar o cotidiano das pessoas, que possuem acesso à Internet rompendo as fronteiras territoriais e culturais, não limitando o acesso a países subdesenvolvidos ou cidades distantes de grandes metrópoles, além de trazer novas oportunidades de trabalho na área tecnológica. O tema WiMax representa a capacidade de conectar grandes áreas geográficas sem a necessidade de investimentos em infra-estrutura de alto custo, mobilidade e acesso a banda larga para um grande número de usuários, além de apresentar promessas para permitir a inclusão digital em todo mundo, principalmente nos países e nas áreas subdesenvolvidas. Metodologia adotada A metodologia adotada na formulação deste estudo é apoiada em pesquisas realizadas em artigos e livros técnicos, que abrangem o assunto de WiMax, utilizando essas informações técnicas e teóricas como base para a realização do trabalho, além de pesquisas realizada nas empresas Casas Bahia Comercial Ltda e Diveo Broadband Networks Inc, auxiliando na elaboração da Pesquisa Exploratória. Estrutura do Estudo O tutorial parte I apresentou o padrão WiFi, definido pela recomendação IEEE , descrevendo inicialmente os conceitos de redes e a seguir as características principais da tecnologia WiFi. Este tutorial parte II apresenta o padrão Wimax, definido pela recomendação IEEE , descrevendo os conceitos e as características principais da tecnologia, as recomendações desenvolvidas pelo IEEE e noções de propagação e segurança. O tutorial parte III apresentará as diferenças existentes entre as tecnologias WiFI e WiMax, e a seguir a pesquisa exploratória de aplicações práticas dessas tecnologias, composta por uma descrição dos principais parâmetros relacionados ao projeto de um sistema de rede wireless, incluindo ainda valores empíricos obtidos através de pesquisa junto a empresas que já utilizam esse tipo de solução. 4

5 Wi-Fi e WiMAX II: Conceitos do WiMAX O WiMax é uma tecnologia de acesso sem fio (wireless) que oferece acesso a banda larga a grandes distâncias que variam de 6 a 9 km (TELECO 2008). Similar a telefonia celular, onde a cobertura é implantada em formato de células. Deste modo é possível a transmissão da estação base para uma estação terminal que oferece acesso a uma rede local, como por exemplo, uma rede WiFi, ou até mesmo diretamente para dispositivos de usuários. A Tecnologia WiMax e seu Papel O WiMax foi desenvolvido para atender a necessidade de um acesso à Internet móvel (sem fio) e de banda larga na última milha (a conexão entre o assinante residencial/corporativo e a provedora do serviço de acesso), serviço este que atualmente é atendido por conexões com fio, que usam a infra-estrutura da rede telefônica, de TV a cabo ou especializada (ex.: fibra óptica). Porém estas conexões não atendem o mundo dos negócios cada vez mais rápido e dinâmico. De modo simplificado, no WiMax um equipamento em uma torre (semelhante às de telefonia celular) transmite o sinal aos assinantes que, por sua vez, utilizam um equipamento especializado para a recepção do sinal, que pode ficar, por exemplo, no alto (telhado) de uma casa ou de um prédio, ao lado do computador de mesa, ou até mesmo embutido em notebooks ou dispositivos portáteis, onde também podem ser utilizadas placas e adaptação. Essa não é a única tecnologia que permite acesso sem fio à Internet, hoje já é possível acessar também através da popular tecnologia WiFi. O WiMax tem como principal diferencial o alcance: enquanto o WiFi provê conexões de curto alcance, da ordem de dezenas de metros, o alcance do WiMax é da ordem de quilômetros. Em uma rede WiFi para se cobrir grandes áreas, é necessário a instalação de diversos pontos de acesso, interligados entre si usando cabeamento tradicional. Além disso, o WiMax incorpora diversos avanços tecnológicos, sendo capaz de atender melhor a diferentes requisitos de tráfego garantindo qualidade na transmissão de voz e vídeo e de segurança, bem como os requisitos de transmissão em ambientes metropolitanos(nokia 2008). Não se pode pensar que o WiMaxé o substituto do WiFi, no entanto cada tecnologia tem melhor desempenho em função da aplicação, o WiFi é mais adequado para situações que exigem conectividade local e de curto alcance. Entre os exemplos de redes WiFipode-se citar a comunicação direta entre dispositivos (ex.: troca de arquivos entre um computador e um tocador de áudio), redes domésticas e extensão de redes cabeadas para dispositivos sem fio (ex.: notebooks sem fio interligados a uma rede corporativa). Porém estas duas tecnologias que parecem tão similares podem se complementar, com o WiMax interligando os pontos de acesso WiFiem grandes áreas, juntando a conveniência do WiFi nas pontas com o alcance do WiMax. O WiMax ao não exigir a instalação de cabos, diminui o tempo de instalação bem como os investimentos necessários para que as operadoras possam disponibilizar o serviço, oferecendo concorrência acirrada contra as operadoras de serviço com fio. Também permite que o serviço de banda larga seja ofertado em lugares não atendidos atualmente por ser economicamente inviável ou de alto custo, tais como regiões remotas e/ou com pouca densidade de usuários (ex.: prover banda larga em áreas periféricas das grandes cidades, pequenas cidades no interior, fazendas, ilhas costeiras, no Pantanal ou na Amazônia). Além das aplicações convencionais já citadas, ao se explorarem os diferenciais da tecnologia, é possível visualizar aplicações inovadoras de multimídia em dispositivos especializados ou integrados nos dispositivos móveis tradicionais (notebooks, palmtops, celulares) que demandem taxas de transmissão mais altas. A 5

6 mobilidade e alcance do WiMax permitem que tais aplicações sejam utilizadas em qualquer lugar coberto pelo serviço, ao contrário do WiFi, que exige que se esteja próximo a um ponto de acesso. Para as aplicações do WiMax há diversos exemplos: Um executivo poderia participar de uma videoconferência dentro de um táxi em movimento; Um jovem na rua poderia efetuar a compra e download de uma música diretamente para o seu tocador de MP3; Câmeras fotográficas digitais poderiam automaticamente atualizar blogs de viagem; Um dispositivo de TV digital móvel permitiria a consulta dos resultados esportivos e replay dos principais lances, escolhendo-se o ângulo de visão; Ambulâncias e viaturas de polícia conectadas auxiliariam as equipes de atendimento ao permitir o acesso às fichas médica e criminal dos indivíduos; Aplicações de rádio e TV digital, jogos on-line, informações em tempo real de rotas, vídeomonitoramento de segurança são alguns outros exemplos de aplicações multimídia possíveis, sem precisar estar ligado fisicamente para ter acesso (NOKIA 2008). Além do WiMax, as redes de telefonia celular de 3ª Geração (3G) também oferecem acesso móvel de longo alcance com segurança e qualidade de serviço. No entanto, nos celulares 3G, o principal tipo de serviço oferecido continua sendo a transmissão de voz, com a transmissão de dados em um segundo plano. Em comparação com o WiMax, as redes 3G apresentam taxas de transmissão menores e maior custo de transmissão de dados. No Brasil, a tecnologia tem sido testada pelas operadoras tradicionais de telefonia celular, fixa, de TV a cabo bem como por novas empresas, e diversos projetos-piloto já foram implementados. Por ser recente, a tecnologia ainda deve passar por uma etapa de maturação, com a queda do custo de seus equipamentos. Deve ser usada num primeiro momento para acesso sem fio fixo (ex. antenas no alto de um prédio) ou para complementar soluções WiFi ou 3G. No entanto, pela promessa de aumentar o alcance e diminuir o custo de acesso a banda larga, bem como pelas potenciais aplicações inovadoras, as atenções se manterão no WiMax. Definições Importantes Alguns termos são importantes para o entendimento da tecnologia WiMax, como os tipos de clientes que podem ser atraídos para a rede e os tipos de transmissão existentes. Alguns termos e sua utilização são apresentados a seguir. Cliente Residencial Nos Clientes Residenciais, de pequeno e médio porte, utiliza-se a rede WiMax com serviços relacionados à Banda Larga, contudo o custo de um equipamento para rede WiMax é elevado, tornando-se difícil competir com outras tecnologias de acesso a internet. Dessa forma o acesso seria fornecido através de empresas, que venderiam o serviço a condomínios e residências, já que inicialmente o serviço seria implantado para clientes corporativos e à medida que seu custo fosse reduzido, passaria a ser implantado para atender aos clientes residenciais. A infra-estrutura seria barateada com o passar do tempo, viabilizando o maior acesso do cliente residencial(prado 2008). Cliente Corporativo Inicialmente o Cliente Corporativo é o principal alvo do WiMax, pois seus investimentos para utilização dessa tecnologia permitirão um maior desenvolvimento na qualidade e na agilidade dos serviços oferecidos. 6

7 Estes clientes farão uso de diversos de serviços, como por exemplo, VOIP (Voice Over Internet Protocol), internet e transmissão de dados, deste modo substituindo os acessos privativos já existentes como IP (Internet Protocol), Frame-Relay e ATM(PRADO 2008). Um dos pontos onde essa tecnologia se destaca de qualquer outro tipo de transmissão de dados existente é a agilidade, pois quando o cliente precisar de qualquer tipo de serviço, em um lugar onde já exista uma Base Station (BS), ou seja, que exista uma cobertura será possível a ativação do mesmo em um curto período de tempo. Backhaul O Backhaul pode ser definido como uma infra-estrutura de suporte de conexão para a banda larga do STFC (Serviço Telefônico Fixo Comutado), que interliga as redes de acesso ao backbone da operadora. O backhaul pode ser classificado em redes de: Tecnologia wireless: através de um site de uma célula transmite dado e voz para um Switch e de um site central para um remoto; Tecnologia de satélite: são transmitidos dados para um satélite através de um ponto para o qual pode ser transmitido (Uplink). Pode ser utilizado também para que transmita dados para um backbone de rede. A figura 15 que ilustra o link WiMax. As principais características do Backhaul são: Formação da rede; Capacidade para escoar o tráfego da ERB; Interligação das estações rádio-base (ERB). Podem ser classificados como: Fibra-óptica; Linhas privativas; Rádio digital ponto a ponto (TELECO 2008). Throughput Figura 1: Backhaul. 7

8 A velocidade ofertada a cada usuário WiMax é um compromisso entre distância e visada direta, ou seja, quanto mais distante ou mais obstruído estiver o usuário, será utilizada uma codificação menos robusta (ex. QPSK) que não tem a característica de transportar muitos bits/hz. Por outro lado, usuários próximos ou com visada direta poderão utilizar codificação 64QAM, atingindo taxas de até 2,2 bits/hz. O que se observa em várias cidades brasileiras é um uso misto de codificação, resultando em velocidade de dados sempre inferior àquela prevista em condições ideais (TELECO 2008). O Thoughput é a quantidade de dados transmitidos em uma unidade de tempo, deste modo o usuário tem a possibilidade de especificar que uma quantidade de informação deve ser movida em determinado tempo. A taxa de entrada no throughput pode ser menor por motivo de perdas ou atraso no sistema na taxa de transferência de um determinado sistema, como no caso de uma rede de roteadores. Existem alguns softwares que são capazes de medir o throughput de uma rede em diversos sistemas operacionais, analisando deste modo a taxa de transferência efetiva de um sistema. 8

9 Wi-Fi e WiMAX II: Características do WiMAX O WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access) foi formado em 2003 por empresas de equipamentos e componentes, como Microsoft, Intel, Motorola entre outros 230 membros. Deste modo criaram o WiMax Fórum, que é um importante fórum que cuida da estratégia global desta tecnologia (PRADO 2008). WiMax Fórum é uma corporação sem fins lucrativos, com a intenção de promover e certificar a compatibilidade e a interoperabilidade entre os produtos sem fio de banda larga. O WiMax surgiu com a necessidade de se ter uma tecnologia sem fio, de banda larga, com longo alcance e alta taxa de transmissão. Em redes em áreas metropolitanas (WMAN), o WiMax propicia conectividade sem fio em banda larga interoperável a diversos tipos de usuários (fixo, nômade e portátil), oferecendo uma interface de serviço de aproximadamente 50 quilômetros, permitindo que os usuários se conectem em banda larga sem a necessidade de uma linha de visada (Non Line-Of-Sight ou NLOS) com a estação base, além de oferecer taxas de transferência de dados de até 75 Mbit/s(INTEL 2004). Tendo uma taxa de transferência de dados dessa magnitude, suportando assim vários clientes, sejam empresas ou residências, são ligadas por uma largura de banda suficiente em uma única estação base(finneran 2008). Segundo Amparoweb (2008) os principais benefícios do WiMax, são: QoS (Quality of Service) incluída, alto desempenho, baseado em padrões e suporte para antenas inteligentes, diminuição dos custos de infraestrutura de banda larga para conexão com o usuário final, redução de custos de tecnologia, seguindo o exemplo do WiFi, altas taxas de transmissão de dados, criação de uma rede de cobertura de conexão de Internet similar à de cobertura celular, permitindo acesso à Internet mesmo em movimento, oferta de conexão internet banda larga em regiões onde não existe infra-estrutura de cabeamento telefônico ou de TV a cabo, amplo suporte do desenvolvimento e aprimoramento desta tecnologia por parte da indústria, criação de uma alternativa viável aos provedores tradicionais, total independência das redes das concessionárias de telefonia. As faixas e freqüências destinadas ao WiMax são determinadas pelo governo de cada país, que podes ser licenciadas ou isentas de licença. No entanto, para impor algum controle sobre as soluções isentas de licença visando minimizar o potencial de interferências, alguns governos estipulam requisitos de potência para as operações de alta potência e baixa potência. (INTEL 2005). Na tabela 1, é possível verificar como cada região geográfica regulamenta e define seu conjunto de faixas licenciada e isentas de licenças. Tabela 1: Alocação mundial das faixas licenciadas e isentas de licença. País/Área Geográfíca América do Norte, México América Central e do Sul Europa Ocidental e Oriental Oriente Médio e África Ásia e Pacífico Faixas Utilizadas 2,5 GHz e 5,8 GHz 2,5 6Hz, 3,5 6Hz e 5,8 6Hz 3,5 6Hz e 5,8 6Hz 3,5 6Hz e 5,8 6Hz 3,5 6Hz e 5,8 6Hz 9

10 Fonte: INTEL Dentre as faixas apresentadas na tabela anterior, é possível verificar que a faixa 2,5 GHz foi alocada em boa parte do mundo, como na América do Norte, América Latina, Europa Ocidental e Oriental, e partes da Ásia e do Pacífico utilizando uma faixa licenciada. Tanto a solução licenciada quanto às isenta de licença, possuem suas vantagens, como é demonstrado a seguir: Solução licenciada: o serviço possui uma melhor qualidade, melhor recepção sem linha de visada (NLOS), freqüências mais baixas e maior controle de acesso; Solução isenta de licença: Ativação mais rápida, custos significativamente mais baixos e um maior nível de opções com relação a freqüências e faixas a serem utilizadas (INTEL 2005). A tabela 2 apresenta a disponibilidade das freqüências para o WiMax. Faixa 2,5 GHz 3,5 GHz Tabela 2: Faixas e freqüências disponíveis para o WiMax. Freqüências Requer licença? 2,5 a 2,69 GHz Sim 3,3 a 3,8 GHz, porém principalmente de 3,4 a 3,6 GHz Sim, em alguns países 5 GHz 5,25 a 5,85 GHz Não Multiplexação FDD e TDD Disponibilidade Alocada no Brasil, México, alguns países do sudeste asiático e nos EUA (o WiMax Fórum também inclui 2.3 GHz nesta categoria de faixa, pois se espera que o [2,3 GHz] seja coberto pelo rádio de 2,5 GHz".) Na maioria dos países, a faixa de 3,4 GHz a 3,6 GHz é alocada para o wireless de banda larga. Na porção de 5, 725 GHz a 5,85 GHz, muitos países permitem uma potência maior (4 watts), o que pode melhorar a cobertura. Fonte: INTEL O WiMax suporta dois tipos de multiplexação: Time Division Duplexing (TDD) e Frequency Division Duplexing (FDD) (figura 2). 10

11 Figura 2: Tráfego de Uplink e Downlink. Fonte: INTEL O padrão FDD (Frequency Division Duplexing) utiliza duas bandas separadas de freqüência, possibilitando o TM (TerminalMóvel) transmitir em uma freqüência (Link Direto - Donwlink) e receber em outra (Link Reverso - Uplink) (CONNIC 2008). Para que seja possível utilizar duas bandas separadas de freqüência são necessários dois canais, sendo que estes precisam estar separados por uma freqüência de 50 a 100 MHz na tecnologia WiMax. Na figura 3 é possível visualizar as duas faixas de freqüência separadamente. Figura 3: Faixa de freqüência FDD. Fonte: CONNIC No TDD (Time Division Duplex), é utilizada a mesma faixa de freqüência para a transmissão e recepção em tempos distintos, ou seja, separa fatias de tempo para as tarefas de envio e de recebimento. Tem como principal característica à possibilidade de alocar dinamicamente largura de banda entre o link reverso (Uplink) e o link direto (Donwlink). Na figura 4 é possível notar a utilização de uma mesma faixa de freqüência (CONNIC 2008). Figura 4: Faixa de freqüência TDD. Fonte: CONNIC Na implementação do WiMax fixo (IEEE d), a tabela 3 seguinte lista os perfis definidos pelo WiMax Fórum, em FDD e TDD. A principal freqüência licenciada é a 3,5 GHz, em semelhança à disponibilidade de produtos comerciais. A freqüência de 5,8 GHz é aberta (não licenciada), mas tem advertência de potência de transmissão. A exceção aos 3,5 GHz são os Estados Unidos, que utilizam 2,5 a 2,7. Já no Brasil o perfil 3,5 GHz tem mobilidade restrita. 11

12 Tabela 3: Implementação do WiMax Fixo. Freqüência (MHz) Duplexing Canais (MHz) TDD 3,5 e FDD 3,5 e TDD 10 Fonte: HEMSI Implementando o WiMax móvel (IEEE e) os perfis definidos pelo WiMaxFórum são todos em TDD (tabela 4). As bandas de 2,3 GHz são utilizadas na Coréia. As de 2,5 GHz, nos Estados Unidos, Japão e Austrália. Porém a Europa definiu 2,5 GHz para redes celulares WCDMA (Wideband CDMA). No Brasil para as operadoras de televisão (futuramente utilizando serviços de comunicação multimídia)(conniq 2008). Tabela 4: Implementação do WiMax Móvel. Freqüência (MHz) Duplexing Canais (MHz) TDD 5, 7 e TDD 5, 7 e TDD 5 e e TDD 5 e TDD 5, 8, 75 e 10 Fonte: HEMSI Na tabela 5 são comparados os dois tipos de multiplexação TDD e FDD: Descrição Vantagens Tabela 5: Comparação entre TDD e FDD. TDD Uma técnica de duplexação utilizada em soluções isentas de licença que utiliza um único canal tanto para uplink quanto para downlink. Maior flexibilidade, pois não é necessário um par de espectros; Maior facilidade de equiparação com tecnologias de antenas inteligentes; Assimétrico. FDD Uma técnica de duplexação utilizada em soluções licenciadas que utilizam um par de canais no espectro, um para uplink e outro para downlink. Tecnologa comprovada para voz; Projetado para tráfego simétrico; Não requer tempo de guarda. 12

13 Desvantagens Utilização Não pode transmir e receber ao mesmo tempo. Aplicações de dados que apresentam picos e são assimétricas; Ambientes com padrões variados de tráfego; Onde a eficiência de RF for mais importante que o custo. Fonte: INTEL Não pode ser implementado onde o espectro não for par; O espectro é geralmente licenciado; Custos mais elevados assodados à compra de espectro. Ambientes com padrões de tráfego previsíveis; Onde os custos do equipamento forem mais importantes do que a eficiênda de RF. Tecnologia de Transmissão OFDM O OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) é um método de modulação de dados projetada para sistemas sem visada direta (NLOS Non Line Of Sight) e reduz a influência dos multipercursos, por exemplo, em ambientes montanhosos ou com edificações, é comum que o receptor receba reflexões do sinal com certo atraso. O conceito envolvido na utilização da modulação OFDM é o de fazer uma transmissão paralela de dados a baixas velocidades e com multiplexação por divisão de freqüência com subcanais sobrepostos, evitando o uso de equalização e explorando de maneira eficiente a largura de banda disponível. O OFDM pode ser visto tanto como uma técnica de modulação como uma técnica de multiplexação (figura 5). Uma das principais razões do uso do OFDM é o aumento da robustez em relação aos desvanecimentos seletivos em freqüência ou a interferência de banda estreita. Em um sistema de portadora única, um desvanecimento ou um sinal interferente pode fazer um enlace inteiro falhar, mas em um sistema com multiportadoras somente uma pequena porcentagem das subportadoras é afetada. 13

14 Tecnicamente, o OFDM tem as seguintes vantagens: Figura 5: Modulação OFDM. Fonte: PRADO O OFDM é uma maneira eficiente de lidar com os multipercursos, para um dado atraso de espalhamento a complexidade de implementação é significativamente menor que a de um sistema de portadora única com um equalizador; O OFDM é robusto em relação a interferentes de banda estreita porque tal interferência afeta somente uma pequena parte das subportadoras; Em canais variantes no tempo e lentos é possível aumentar o desempenho de modo significativo pela adaptação da taxa de dados por subportadora de acordo com a relação sinal ruído de cada subportadora; O OFDM torna possível a construção de redes de freqüência única (SFN Single Frequency Network), as quais são especialmente atrativas para aplicação de radio difusão. Porém essas redes possuem também suas desvantagens, como: Maior sensibilidade ao desvio de freqüência e ruído de fase; Razão de potência de pico por potência média relativamente grande, o que reduz significativamente a eficiências dos amplificadores de potência de RF. A Técnica OFDMA A tecnologia Orthogonal Frequency Division Multiplexing tem sido usada em projetos de camada física para sistemas wireless de múltiplo acesso, e é conhecido como sistemas OFDMA, como no padrão IEEE O OFDMA herda, do OFDM, a restrição de ser sensível a freqüências inexatas (Augusto 2008). Similar ao OFDM, a tecnologia OFDMA emprega múltiplas subportadoras sobrepostas, contudo a sua principal diferença pode ser encontrada na subdivisão das subportadoras em grupos, onde cada grupo é 14

15 denominado de subcanal, estas não precisam ser adjacentes. No fluxo de transmissão descendente (downlink), os subcanais podem ser requisitados por diferentes receptores, já no fluxo de transmissão ascendente (uplink), um transmissor pode ser associado a um ou mais subcanais. Os subcanais, que podem ser alocados às Estações dos Assinantes (Subscriber Stations - SSs) dependem das condições dos canais e de seus requisitos de transmissão. Com a utilização da subcanalização (figura 6), uma estação base WiMax pode alocar uma maior capacidade de transmissão, em um mesmo time-slot, para os dispositivos dos usuários, mesmo que os dispositivos tenham uma menor SNR (Signal to Noise Ratio - Relação Sinal ruído) e uma potência menor em relação aos dispositivos de usuários com grande relação sinal ruído. Com a subcanalização, também é possível às BS s (Base Station) alocar uma potência maior para os subcanais associados à SS s (Subscrites Stations). Figura 6: Subcanalização. Fonte: CONNIQ A subcanalização do tráfego ascendente (uplink) conserva a capacidade de transmissão dos dispositivos dos usuários, com a concentração de potência somente para os subcanais alocados (figura 7). Esta é uma característica útil, pois a conservação de energia é uma crítica em sistemas wireless. Figura 7: OFDM/OFDMA. Fonte: CONNIQ A subcanalização no uplink torna econômica a utilização de energia, pois a concentração de energia é mantida apenas em certos subcanais alocados para o mesmo. As vantagens do OFDMA (Fonte: AUGUSTO 2008) relacionado à tecnologia de múltiplo acesso são: 1. Não apresenta banda de guarda entre as portadoras. 2. Possui uma elevada eficiência espectral. 3. Fácil implementação por utilizar os algoritmos IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) e FFT (Fast Fourier Transform), na modulação e demodulação respectivamente. 15

16 4. Ortogonalidade dos sinais e robustez em relação à interferência e propagação multipercurso. 5. Diminuição do desvanecimento seletivo em freqüência causada por multipercurso. 6. Redução significativa do uso de equalizadores. 7. Apresenta um melhor desempenho em ambientes NLOS (Non Line of Sight). 8. Utilização do protocolo HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), que provê uma resistência adicional em situações de alta mobilidade. 9. Escalabilidade da largura de banda dos canais, com isso é possível operar com os canais variando de 1,25 MHz até 20 MHz. 10. Para que o usuário suporte uma aplicação de altas taxas, mais de uma portadora pode ser designada. 11. Suporta vários tamanhos de quadros diferentes, tornando a utilização mais flexível. 12. Utilização da técnica AMC (Adaptative Modulation and Coding) que utiliza determinado tipo de modulação, dependendo da distância do usuário a base. 13. A técnica OFDMA também suporta o TDD (Time Division Duplex) como método de multiplexação. Citado no item 5 acima, o desvanecimento é a oscilação na intensidade do sinal. Essas oscilações podem ser para mais (ganho) ou para menos (atenuação). Ele é chamado de seletivo em freqüência já que essas oscilações não são uniformes em todo espectro, sendo verificado apenas em certas freqüências. A conseqüência desse fenômeno é um aumento na taxa de BER (Bit Error Rate). OFDMA Camada Física Segundo Esposito (2008): A camada OFDMA foi baseada em modulação OFDM. Desenvolvida para operação sem linha de visada e com freqüências inferiores a 11 GHz. O modelo emprega FTT com 2048 e 4096 portadoras. O símbolo no domínio do tempo é semelhante ao do padrão OFDM (figura 22). Seu tempo útil é chamado de T b. Uma cópia do final do símbolo (T g) é posicionada no início, para coletagem caso o sinal tenha passado por múltiplos caminhos, mantendo assim sua ortogonalidade. No domínio de freqüência, a diferença é que as sub-portadoras são divididas em sub-canais. No downlink, cada sub-canal pode ser utilizado para a transmissão para grupo diferente de usuários. No uplink, cada cliente pode utilizar um ou mais canais. Diversos clientes podem transmitir simultaneamente. A divisão em sub-canais lógicos tem por objetivo a escalabilidade, acesso múltiplo e ao processamento de grupos de antenas. Não é necessário que as sub-portadoras que compõem um mesmo canal sejam adjacentes (figura 23). As modulações utilizadas são QPSK com mapeamento de Gray, 16-QAM e 64-QAM. Figura 8: Estrutura do símbolo OFDMA no tempo. Fonte: ESPOSITO

17 Figura 9: Propagação na faixa de 2 a 11 GHz. Fonte: ESPOSITO Através dos avanços tecnológicos (antenas, técnicas de multiplexação e técnicas de acesso e codificação adaptativa) utiliza-se a faixa de freqüência de 2 a 11 GHz em sistemas ponto multiponto, e mesmo ponto-área, com capacidade de transmissão dentro dos parâmetros de banda larga. Entre a faixa de 6 e 11 GHz, as características de propagação são adequadas a sistemas ponto a ponto e ponto multiponto, estacionários. Sistemas ponto a ponto podem ser projetados para suportar altas capacidades de transmissão. Comunicação ponto multiponto também é possível em toda a faixa, sendo que, no extremo superior, a comunicação deve ocorrer primordialmente em linha de visada (LOS) entre o cliente e a estação rádio-base. Na porção mais baixa da faixa, é possível o uso de CPEs (Costumer Premises Equipments) indoor, em situações específicas onde a cobertura em ambientes interiores for favorável. A partir de 8GHz, a atenuação devido à chuva passa a ser o fator principal na determinação da qualidade das comunicações ponto a ponto e ponto multiponto. Os tópicos na Recomendação ITU-R P.530 referentes ao desempenho de enlaces em freqüências afetadas por chuva, bem como a Recomendação ITU-R P.383, ou metodologia alternativa à disposta nesta recomendação, devem ser considerados nos cálculos de desempenho(esposito 2008). 17

18 Wi-Fi e WiMAX II: Padrões IEEE O padrão IEEE desenvolvido pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), define uma camada física para sistemas em operação nas bandas entre 10 e 66GHz, foi completado o padrão em outubro de 2001 e relatado em abril de 2002, e tem como finalidade especificar uma interface sem fio para redes metropolitanas (WMAN). O Comitê 802 do IEEE, (Institute of Electrical and Electronics Engineers) dos Estados Unidos, desenvolveu e publicou uma série de normas para redes locais (LANs) e Metropolitanas (MANs) que foram adotadas mundialmente inclusive pela ISO (International Organization for Standardization)(FIGUEIREDO 2008). As desenvolvidas pelo IEEE para o padrão é ilustrada na figura 10, conforme o padrão OSI. Protocolos Figura 10: Pilha de protocolos. Fonte: FIGUEIREDO Os protocolos apresentados no padrão IEEE podem ser classificados, no modelo OSI, nos níveis: Usuário, Controle e Gerência. Conforme a figura 11, é possível notar que existem 2 camadas, MAC (Medium Access Control Controle de Acesso ao Meio) e PHY (Physical Layer Camada Física), onde a camada MAC possui três sub-camadas, CS (Service-Specific Convergence Sublayer Sub-camada de Convergência Específica), CPS (Common Part Sublayer Sub-camada de Convergência Comum) e Sub-camada de Segurança (Security Sublayer). 18

19 Essas camadas têm as seguintes funções: Figura 11: Pilha de protocolos do IEEE Subcamada de convergência: Transformação ou mapeamento de dados da rede externa em SDU s (Service Data Unit) MAC (Oferece suporte a ATM Asynchronous Transfer Mode e protocolos baseados em pacotes); Parte Comum da Subcamada MAC: Funcionalidade do núcleo MAC do sistema de acesso, alocação de largura de banda, estabelecimento e manutenção de conexão; Subcamada de Privacidade: Troca de chaves seguras, criptografia e autenticação; Camada Física (PHY): Apresenta diversas especificações, onde cada uma delas é apropriada a uma dada faixa de freqüência. Na camada MAC, dependendo da demanda dos assinantes, é alocado pelas estações base à banda necessária nos canais de Uplink e Downlink, utilizando a camada física que se adapte a faixa de freqüência de uso (LIMA 2008). Camada Física A camada física contém a região física que provê características mecânicas, elétricas, funcionais e procedimentais para ativar, manter e desativar conexões físicas para transmissão de bits entre entidades da camada de enlace. Uma rede sem fio de banda larga necessita de mais espectro do que as bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) podem oferecer. Isso determinou a escolha da banda entre 10 e 66 GHz para a operação do padrão IEEE As microondas nesta faixa de freqüências se difundem em linha reta, de maneira semelhante à luz, fazendo com que seja necessária à propagação com linha de visada (Line Of Sight ou LOS). Foi projetado o padrão para alcançar até 50 km de cobertura, para padrões mais robustos na modulação e transmissão com linha visada. Diferente resultado disto é que as microondas podem ser reunidas em feixes direcionais, desta forma, uma mesma estação base pode direcionar várias antenas para diferentes setores 19

20 com grande independência. Em razão das grandes distâncias cobertas por uma rede metropolitana, a potência recebida na estação base pode mudar expressivamente de estação para estação, fazendo com que a relação sinal/ruído atenue. Por isso, são utilizados três esquemas de modulação diversos, dependendo da extensão entre o assinante e a estação base: o QAM-64 (6 bits/baud); o QAM-16 (4 bits/baud); e o QPSK (2 bits/baud). A conseqüência da utilização de distintos esquemas de modulação é a extensão do alcance do serviço ao valor de uma taxa de dados mais baixa. A figura 12 mostra a faixa de atuação dos três esquemas. Figura 12: QAM-64, QAM-16, QPSK. A multiplexação dos sinais emitidos da estação base para o assinante é realizada por TDM (Time Division Multiplexing) e o acesso dos assinantes à estação base é por TDMA (Time Division Multiple Access). Para que seja aceitável colocar a banda de modo flexível, são usados dois tipos de multiplexação: a FDD (Frequency Division Duplexing) e a TDD (Time Division Duplexing). Na inicial, o uplink e o downlink estão em canais separados, podendo operar simultaneamente, enquanto que, no segundo, o canal é dividido, não permitindo a transmissão simultânea(lima 2008). Enquanto o TDD utiliza somente um canal de radiofreqüência, o FDD (Frequency Division Duplexing) utiliza dois canais, sendo utilizado o mesmo na multiplexação do sistema WiMax. Na TDD, a estação base transmite quadros periodicamente. Os quadros são formados por slots de tempo, sendo que os primeiros destinam-se ao tráfego downstream. Antes dos slots para tráfego upstream, a um tempo de proteção, durante o qual as estações comutam o sentido. A figura 13 mostra o quadro de slots TDD. Figura 13: Quadros e slots de tempo para TDD. Fonte: VASQUES

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