WiMax I: Estudo de Caso em Parauapebas PA

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1 WiMax I: Estudo de Caso em Parauapebas PA Esta série de tutoriais apresenta um estudo de caso de cobertura da cidade de Parauapébas - PA com uma tecnologia de acesso a internet sem fio (wireless) denominada de PRÉ-WIMAX operando na faixa de 5,8GHz. São comparados alguns tipos de conexões existentes, a diferenças entre as frequências usadas, seus pontos positivos e negativos, ensaios realizados em laboratório e os resultados obtidos são apresentados, conduzindo a conclusão de que os mesmos são satisfatórios, pois são coerentes com a abordagem teórica descrita. Os tutoriais foram preparados a partir do trabalho de conclusão de curso Tecnologia WiMAX Aplicando na cidade de Parauapebas - PA, elaborada pelo autor, e apresentado à Universidade Norte do Paraná - UNOPAR, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro em Engenharia Elétrica com ênfase em Telecomunicações. Foi orientador do trabalho o Prof. Mauro Borges. Este tutorial parte I apresenta a conceituação teórica das tecnologias de redes sem fio baseadas na tecnologia WiMax e as recomendações e padrões utilizados. A seguir apresenta o desenvolvimento prático de redes WiMax e sua aplicação prática. Rodrigo Bargoena Engenheiro Eletricista Modalidade Telecomunicações pela Universidade do Norte do Paraná (UNOPAR, 2010). Técnico em eletrônica pelo IPOLON (06/2003). Técnico em eletrônica industrial e digital pelo SENAI (12/2004). Técnico em Informática CDI (Completo 08/2004) e CDM (Completo 04/2006). Atuou como Estagiário Téc. Eletrônica na GET (Global Energy and Telecom), executando atividades de manutenção, conserto, projeto de projetos de novos equipamentos, e assistência e manutenção de computadores, como Técnico em Informática na Eletrônica Jover, executando atividades de cadastramento de clientes, manutenção de micro computadores, instalação de software e hardware, e como Supervisor e Técnico em manutenção de aparelhos eletrônicos na Exxcel Gerenciamento de Risco, executando atividades de supervisão geral, gerenciamento de frotas, cadastramento de clientes, callcenter, manutenção de equipamentos eletrônicos, manutenção de computadores, instalação de software e hardware. Atuou também como Professor de Informática na SE7E INFORMÁTICA, como Técnico na ITEC Informática, executando atividades de manutenção de computadores, servidores, redes com fio e sem fio (wireless), incluindo formatação, instalação, e configuração, coordenação e execução de projetos de redes, suporte a clientes e empresas, e como Técnico na LEXCOM Telecomunicações, executando atividades de manutenção de computadores, servidores, redes com fio e sem fio (wireless), incluindo formatação, instalação, configuração, e coordenação e execução de projetos de redes, suporte a clientes e empresas, instalação e manutenção de centrais telefônicas (PABX) da marca SIEMENS, INTELBRAS, instalações 1

2 elétricas e instalações de rede. rodbargoena@hotmail.com Categorias: Banda Larga, Redes de Dados Wireless Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 17/07/2011 2

3 WiMax I: Introdução O grande avanço tecnológico e o crescimento da internet nos dias de hoje fornece enormes vantagens, facilidades e comodidade a vida do ser humano. Hoje as pessoas podem fazer compras, consultas a bancos, se ingressam em redes de relacionamento e vários outros sérvios que são capazes de serem feitos sem ter que sair de casa. A internet também é uma poderosa ferramenta de marketing e propaganda sendo atualmente a mídia de maior crescimento no mundo. Hoje em dia existem diversos tipos de internet e diversos serviços agregados a essa tecnologia. O mais difundido e o mais usado é a conexão de banda larga. Essa tecnologia é bem superior a sua antecessora mais conhecida como conexão discada. Mas infelizmente não são todos os lugares do mundo que possuem o acesso a essa tecnologia, existem inúmeras cidades que ainda utilizam o acesso à internet discada, o que torna o acesso mais lento comparado à conexão banda larga ou qualquer outra forma de acesso à internet. Outra tecnologia que está bastante difundida hoje em dia é o acesso sem fio (wireless). A história das conexões sem fio começou com a telefonia de voz, em sistemas de banda estreita denominados wireless local-loop (WLL), que se tornaram bastante populares em países em desenvolvimento como Brasil, Rússia e China, devido à alta demanda por serviços de telefonia, que não era suprida pela infra-estrutura existente. Os primeiros esforços no desenvolvimento de sistemas sem fio de banda larga surgiram no final dos anos 90, um dos quais foram os MMDS (multichannel multipoint distribution services), cuja banda foi utilizada principalmente para serviços de transmissão de vídeo. A segunda geração de serviços de banda larga sem fio pôde fornecer maior capacidade de transmissão e corrigir um dos grandes problemas da geração anterior: a necessidade de linha de visão (line-of-sight LOS). Muitos utilizaram em sua solução técnicas como OFDM (orthogonal frequency-division multiplex) e CDMA (code division multiple access). Em 1998, o IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) iniciou, por meio do grupo , o desenvolvimento de um padrão para a chamada WMAN (Wireless Metropolitan Area Network). O primeiro padrão produzido e aprovado por esse grupo foi o WirelessMAN-SC foi lançado em dezembro de 2001e especificava uma camada física usando técnicas de modulação com portadora única e uma subcamada MAC que possuía uma estrutura TDM (time division multiplex) em rajada que suportava FDD (frequency division duplexing) e TDD (time division duplexing). Esta solução foi desenvolvida para a faixa de frequências compreendidas entre 10 e 66 GHz. Após esse feito esse mesmo grupo começou a estudar algumas formas de ampliar o padrão para faixas de frequências que fossem a partir de 2 GHz. Esta emenda, denominada IEEE a, adicionou esquemas OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) à camada física, o que possibilitou o uso deste padrão em situações NLOS (non-line-of-sight). Foram definidas também opções na subcamada MAC, uma das principais sendo o suporte a OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access). Em 2004, foram completadas revisões que substituíram os padrões anteriores desenvolvidos pelo grupo Este novo padrão foi lançado formalmente como , é usualmente conhecido como d e foi adotado pela ETSI (European Telecommunications Standards Institute) como base para a rede metropolitana de alto desempenho (High Performance Metropolitan Area Network, ou HiperMAN). Paralelamente, iniciou-se o desenvolvimento de um melhoramento das especificações para tornar-se o padrão compatível com aplicações móveis veiculares. Completa em dezembro de 2005, essa revisão foi denominada e-2005, mas é geralmente conhecida por e. Os padrões e e-2005 são a base atual para os serviços de banda larga sem fio, fixa e móvel, respectivamente. A 3

4 velocidade atingida teórica atualmente pelo WiMAX é de 70 Mbit/s. Ao longo desta evolução, foi necessário chegar a diversos consensos de modo que as especificações permitissem o desenvolvimento de soluções interoperáveis por estes padrões. Para isto, foi criado o WiMAX Fórum, uma organização não-lucrativa liderada por indústrias, com o objetivo de certificar e promover a compatibilidade e interoperabilidade de produtos banda larga sem fio baseados no padrão /ETSI HiperMAN. Objetivo O principal objetivo deste trabalho é a implantação da tecnologia WiMAX na cidade de Parauapebas PA, estudando suas aplicações, topologia de rede, protocolos. Fornecer uma conexão rápida e de fácil acesso a população. Este projeto trata da implantação de uma rede de comunicação sem fio na cidade de Parauapebas PA para a população que lá reside. Numa primeira abordagem será apresentada a parte teórica referente ao projeto, desde a história do PRÉ-WiMAX, o órgão regulamentador, os padrões, enfim toda a parte teórica referente ao funcionamento da rede. Em um segundo plano será aprofundado o desenvolvimento pratico do projeto, abordando temas como a estrutura física, ap s, módulo do cliente, backhaul entre outros temas importantes para a execução do projeto. Tutoriais Este tutorial parte I apresenta a conceituação teórica das tecnologias de redes sem fio baseadas na tecnologia WiMax e as recomendações e padrões utilizados. A seguir apresenta o desenvolvimento prático de redes WiMax e sua aplicação. O tutorial parte II apresentará os detalhes do desenvolvimento do projeto para a cidade de Parauapebas, e fará uma comparação analítica do WiMax com outras tecnologias de redes sem fio existentes. Finalmente, apresentará as conclusões e resultados dos trabalhos realizados. 4

5 WiMax I: Conceituação Teórica WiMax FÓRUM WIMAX (World Wide Interoperability for Microwave Access) fundada em Abril 2002 é uma organização sem fins lucrativos, formada por operadoras de telecomunicação (British Telecom, France Telecom) e vários fabricantes (INTEL, NOKIA, Siemens).O seu objetivo é acelerar a introdução de tecnologias BWA (Broadband Wireless Access), através da certificação de equipamentos baseados em normas, tornando possível níveis de preço/desempenho impossíveis de alcançar com as tecnologias proprietárias (2G, 3G,...). Providenciar especificações para comunicações fixas LOS na gama 10-66GHz (802.16c), para comunicações fixas nómadas NLOS na gama 2-11GHz (802.16a e d) e também define especificações para estações móveis a 150 km/h na gama 2-6GHz (802.16e). Um operador escolhendo interoperabilidade e equipamentos baseados em Standards beneficiam de um crescente mercado de massas e reduz o risco de implementação, não ficando preso a um único fabricante. A sua Base Station é compatível com qualquer Subscriber Station desde que sejam certificadas pelo WiMAX Fórum. Um fabricante de um produto apenas recebe o certificado WiMAX Fórum se cumprir a norma (atualmente IEEE ) e garantir a interoperabilidade com os outros equipamentos certificados. WiMAX Fórum é semelhante ao Wi-Fi Alliance em promoção do standard IEEE O primeiro laboratório de certificação abriu em Julho 2005 para o standard IEEE na banda dos 3.5GHz, e começou a receber de imediato equipamentos para teste. Em 16 de Janeiro de 2006, foram anunciados os primeiros 7 produtos certificados pelo WiMAX Fórum: 3 Base Stations (Aperto Networks, Redline Communications e Sequans Communications) e 3 Subsciber Station (Redline Communications, Sequans Communications e Wavesat Wireless Inc.). Mais tarde, em Março 2006 outros equipamentos receberam o mesmo certificado totalizando agora 14 produtos certificados. (WIMAX FORUM BRASIL) Padrões IEEE 802 para Redes Sem Fio O IEEE definiu uma hierarquia de padrões complementares para redes sem fio (figura 1). Essa padronização inclui o IEEE para as redes pessoais (Personal Area Network PAN), IEEE para as redes locais (Local Area Network LAN), para as redes metropolitanas (Metropolitan Area Network) e o IEEE para as redes geograficamente distribuídas (Wide Area Network WAN). Cada padrão representa a tecnologia otimizada para mercados e modelos de uso distintos, sendo projetado para complementar os demais. Um bom exemplo é a proliferação de redes locais sem fio domésticas, empresariais e hotspots comerciais baseados no padrão IEEE Essa proliferação de WLANs está impulsionando a demanda por conectividade de banda larga para a Internet, demanda essa que o padrão pode atender oferecendo conexão outdoor aos provedores de serviço de comunicação. Para os operadores e provedores de serviço, os sistemas construídos sob o padrão representam um terceiro canal (third pipe), de fácil implantação, capaz de conectar residências e corporações ao núcleo das redes de telecomunicações em todo o mundo. 5

6 Figura 1: Padronização global (IEEE e ETSI) para redes sem fio Fonte: matrasistemas.com.br A figura 1 apresenta o posicionamento de cada um dos padrões de acesso wireless, mostrando do lado esquerdo o padrão IEEE e do lado direito o padrão ETSI equivalente. As tecnologias sem fio existentes hoje se dividem em quatro tipos: Wireless Personal Area Network (W-PAN): são as redes pessoais, com uma área de cobertura bastante limitada, principalmente em dispositivos móveis. Wireless Local Area Network (W-LAN): são as redes locais, que atingem uma área geográfica limitada, com grande largura de banda, confiabilidade e disponibilidade. Wireless Metropolitan Area Network (W-MAN): são as redes metropolitanas, com a finalidade principal de backhauling, ou seja, interconexão da rede. Atingem velocidades consideráveis a boas distâncias, para conectar LANs. Wireless Wide Area Network (W-WAN): são as redes de longa distância, que atingem grandes áreas geográficas num enlace ponto a ponto, a fim de interconectar cidades ou MANs. São os chamados backbones das redes. O WiMAX pode ser classificado com W-WAN, mas não é exclusivamente ponto a ponto. Ele pode operar na W-LAN (como hotspot), na W-MAN (como backhaul) ou na W-WAN (como backbone). A cobertura dos serviços wireless varia de acordo com a tecnologia e a forma como esta é utilizada. No caso do WiMAX segundo a definição do próprio WiMAX Fórum: WiMAX não é uma tecnologia e sim uma marca de certificação, ou melhor, um selo de qualidade. Isso significa que o WiMAX foi desenvolvido para operar em diversas topologias e formas diferentes, em LANs, MANs e WANs. 6

7 Figura 2: Cenários de aplicações sem fio Fonte: Telecom.com.br O Padrão IEEE WiMAX é o nome popular dado ao padrão IEEE para redes metropolitanas sem fio, também conhecido como IEEE WirelessMAN ou ainda Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. Esse padrão tem como proposta inicial disponibilizar o acesso banda larga sem fio para novas localizações cobrindo distâncias maiores sem a necessidade de investimento em uma infra-estrutura de alto custo (como ocorre com uma rede de acesso banda larga cabeada) e sem as limitações de distância das tecnologias DSL. Entre as promessas associadas ao figura a solução para o problema da última milha8, através da redução do custo de implantação e do tempo necessário para se conectar residências e escritórios aos troncos das linhas de comunicação. 7

8 Figura 3: Diferentes áreas de atuação WiMAX Fonte: hasgar.4h.com.br O padrão IEEE pode ser definido como um padrão global, pois foi desenvolvido de modo a ser compatível com os padrões do ITU (International Telecommunication Union) e do ETSI (European Telecommunications Standards Institute), mais especificamente com os padrões HiperACCESS (High Performance Radio Access) e HiperMAN (High Performance Radio Metropolitan-Area Network) do projeto BRAN10 (Broadband Radio Access Networks) do ETSI e com o grupo de trabalho TM4 do ETSI. O mesmo não aconteceu com o padrão IEEE , o que de certa forma retardou a sua adoção. A Intel, uma das maiores patrocinadoras do Fórum WiMAX, acredita que o é a coisa mais importante desde o advento da própria Internet. O padrão estenderá o potencial do Wi-Fi atual para distâncias bem maiores - em torno de 30 a 50 quilômetros. A empresa já comanda um teste real de uma rede sem fio de longo alcance em seu escritório na cidade de Hillsboro, no estado de Oregon, nos Estados Unidos. Com uma fazenda de antenas no topo do edifício, o sinal cobre aproximadamente 30 quilômetros e fornece acesso banda larga sem fio ao aeroporto da cidade, que fica a mais de 1 km de distância do edifício da Intel, e para 15 residências na vizinhança. A popularidade das redes sem fio tem crescido rapidamente em função de uma padronização efetiva. Nesse contexto, os padrões são importantes pois viabilizam uma economia de escala, baixando os custos de equipamentos, assegurando a interoperabilidade e reduzindo o risco de investimento para os operadores da tecnologia sem fio. A Família de Padrões IEEE A versão inicial do padrão IEEE , publicada em abril de 2002, opera nas frequências de 10 a 66 GHz 8

9 e requer visada direta (LOS Line Of Sight). A extensão a, aprovada em janeiro de 2003, não requer transmissão com visada direta (NLOS Non Line Of Sight) e permite o uso de frequências mais baixas (2 a 11 GHz), muitas das quais não são licenciadas. O padrão IEEE ostenta um alcance de 50 km e taxas médias de transferência de 70 Mbit/s, com taxas de pico de 268 Mbit/s, podendo atender a centenas de usuários. (figura 4). Figura 4: Conexão sem fio NLOS ponto a multiponto e backhaul LOS Fonte: blogcdigital.wordpress.com As emendas ao padrão , possibilitarão que uma única estação base ofereça BWA tanto para terminais fixos quanto móveis. Essas correções irão preencher a lacuna entre as altas taxas de dados das redes locais sem fio (WLAN) e a alta mobilidade celular das redes metropolitanas (WAN). A seguir, a família de padrões que compõem o WiMAX é brevemente apresentada: IEEE : Corresponde a especificação original, projetado para padronizar implementações LMDS (Local Multipoint Distribution System). É usado em frequências de GHz. IEEE a: Projetado para atender as frequências mais baixas (2-11 GHz). Foi especificado com o objetivo de competir com as tecnologias que oferecem acesso à última milha, como xdsl e cable modems. Pode obter taxas de transmissão de até 75 Mbit/s com um alcance máximo de 50 km. Emprega antenas fixas NLOS. IEEE b: Trata aspectos relativos à qualidade de serviço. IEEE c: Interoperabilidade, protocolos e especificação de testes de conformação. IEEE d (Nomádico): Atualização do padrão que consolida as revisões dos padrões a e c em um único padrão, substituindo o a como o padrão base. Entre as alterações pode-se destacar a provisão de suporte para antenas MIMO (Multiple-Input Multiple- Output), o que aumenta a confiabilidade do alcance com multipercurso. Facilita instalações com o uso de antenas indoor. Teve seus primeiros equipamentos (Aperto Networks, Redline Communications, Wavesat e Sequans) homologados em Janeiro de 2006 pelo laboratório espanhol Cetecom. Opera, assim como o a, nas frequências de 2 a 11 GHz. Porém o mesmo não é capaz de efetuar handoff entre as ERBs (Estação Rádio Base) em altas velocidades. Sua taxa de transmissão também fica em torno dos 75 Mbit/s e utiliza canais de 20 MHz. Quanto ao alcance deste padrão, consegue-se 8 a 12 km em cobertura NLOS e 30 a 40 km em cobertura LOS. 9

10 Figura 5: Dimensionamento em WiMAX Nomádico Fonte: wimaxworld.com IEEE e: Adiciona especificações de mobilidade (WMANs móveis). Aspectos como largura de banda limitada (um máximo de 5 MHz), velocidade mais lenta e antenas menores possibilitam o walkabout ou mobilidade veicular (até 150 km/h). É compatível com a especificação do padrão A.tabela 1 complementa a apresentação efetuada nos parágrafos anteriores trazendo um resumo comparativo que aponta as principais características dos padrões mais importantes da família IEEE Em frequências inferiores a 3.5 GHz pode oferecer concorrência à tecnologia celular com alcance de 2 a 5 km (nas cidades). Tabela 1: Tabela comparativa de padrões (WiMAX Fórum) Características IEEE IEEE a/REVd IEEE e a: Janeiro de Homologação Dezembro de 2001 de A ser homologado em REVd: junho 2005 Frequência 10-66GHz 2-11GHz 2-6GHz Condições do LOS NLOS Canal (Line of Sight) (Non Line of Sight) Entre 32 e 134 Taxa de Até 75 Mbit/s Mbit/s Transmissão (canal de 20 MHz) (canal de 28 MHz) Modulação Mobilidade QPSK, 16 QAM e 64 QAM Fixa OFDM 256 sub-portadoras, OFDMA 64 QAM, 16 QAM, QPSK, BIT/SK Fixa e portátil (nômade) NLOS (Non Line of Sight) Até 15 Mbit/s (canal de 5 MHz) OFDM 256 sub-portadoras, OFDMA 64 QAM, 16 QAM, QPSK, BIT/SK Mobilidade, roaming regional 10

11 Largura de Banda Raio da Célula 20, 25 e 28 MHz 2-5 km Entre 1,5 e 20 MHz, com até 16 sub-canais lógicos 5-10 km Alcance máximo de 50 km dependendo do tamanho da antena, seu ganho e potência de transmissão (entre outros parâmetros) Entre 1,5 e 20 MHz, com até 16 sub-canais lógicos 2-5 km Considerações Tecnológicas Como definido pelo padrão IEEE (padrão base), a provisão de acesso banda larga sem fio nas redes metropolitanas é garantida inicialmente através do acesso fixo sem fio. Nesse cenário, um backbone de estações base é conectado a uma rede pública, cada estação base tem capacidade para prover acesso à centenas de estações assinantes fixas, as quais podem ser tanto hot spots Wi-Fi públicos quanto redes empresariais protegidas por firewalls. As estações base devem usar a camada MAC como definida no padrão e alocar largura de banda nos canais de uplink e downlink para os assinantes de acordo com as suas necessidades, utilizando a especificação da camada física que se adéque a faixa de frequência em uso. Nas próximas subseções serão apresentadas as especificações das camadas físicas e de controle de acesso ao meio (MAC) definidas no padrão [Ramachandran, 2004] (figura 6). Pilha de Protocolos IEEE Figura 6: Pilha de protocolo do IEEE Fonte: teleco.com.br No projeto de especificação da camada física a propagação LOS foi adotada por questões tecnológicas, já que em faixas de frequências mais altas (10 66 GHz) não há suporte à propagação NLOS. A partir dessa restrição de projeto a técnica de modulação escolhida foi a SCM (Single Carrier Modulation) com FEC (Forward Error Correction), o que orientou a especificação da interface aérea, denominada WirelessMAN-SC. Muitos desafios de projeto ainda permanecem em aberto. 11

12 Por causa da arquitetura ponto-multiponto a estação base basicamente transmite um sinal TDM (Time Division Multiplexing),com cada assinante alocado serialmente a slots de tempo. Na direção do uplink a transmissão é feita através de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA). Depois de uma série de discussões relativas à duplexação, um projeto para rajada foi selecionado o que permitiu que a interface aérea oferecesse suporte para os modos de operação TDD (uplink e downlink compartilham um canal mas não transmitem simultaneamente) e FDD (uplink e downlink operam em canais separados, algumas vezes simultaneamente). Essa característica permite a interoperabilidade do IEEE com sistemas celulares e outros sistemas sem fio. A provisão de suporte para assinantes FDD half-duplex (que é uma opção mais barata já que a transmissão e a recepção não são simultâneas) foi adicionada com pouca complexidade. Ambas as alternativas, TDD e FDD, oferecem suporte a perfis adaptativos de tráfego em rajada (figura 7) nos quais as opções de modulação e codificação podem ser associadas dinamicamente (burst by burst) [Eklund, 2002]. Figura 7: Perfis de rajada Fonte: enigmatic-consulting.com Assim como a intensidade do sinal diminui em função da distância relativa à estação base, a relação sinal/ruído também diminui. Por essa razão, o padrão IEEE emprega três esquemas de modulação diferentes, dependendo da distância que a estação do assinante se encontre em relação à estação base representado na figura 7. Para assinantes próximos, é usado o 64 QAM, com 6 bits/baud. No caso de assinantes situados a uma distância média, é usado o 16 QAM, com 4 bits/baud. Para assinantes distantes, é usado o QPSK, com 2 bits/baud. Por exemplo, para um valor típico de 25 MHz de espectro, o 64 QAM oferece 150 Mbit/s, o 16 QAM oferece 100 Mbit/s, e o QPSK oferece 50 Mbit/s. Em outras palavras, quanto mais distante o assinante estiver em relação à estação base, mais baixa será a taxa de transmissão de dados. Como mencionado, as técnicas de modulação disponíveis no padrão IEEE para as frequências de GHz englobam os sistemas com modulação de fase (PSK - Phase Shift Keying) e os sistemas com modulação de amplitude em quadratura (QAM Quadrature Amplitude Modulation). Dentre os sistemas PSK, a camada física do padrão utiliza o QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) que é uma técnica de modulação na qual uma portadora é enviada em quatro fases (45o, 135o, 225o e 315o), com a transição entre dois símbolos vizinhos sendo codificada através de dois bits por símbolo. 12

13 Na figura 8 é mostrado um diagrama da constelação13 QPSK com quatro possíveis estados por símbolo, onde cada símbolo transmite dois bits de informação, exemplificando um possível mapeamento de estados para valores binários. Reuso das Frequências Figura 8: Diagrama da constelação do sistema QPSK Fonte: enigmatic-consulting.com A figura 9 ilustra o conceito do reuso de frequência, onde células com o mesmo número utilizam os mesmos grupos de canais. Nessa figura, D é a distância de reuso co-canal, que separa duas células pertencentes a clusters adjacentes que utilizam o mesmo conjunto de frequências. O plano de reuso de frequências é sobreposto a um mapa para mostrar onde serão usados diferentes grupos de canais. A forma hexagonal das células é conceitual, sendo um modelo simplista da cobertura provida por cada estação base. A cobertura real de uma célula é conhecida como planta (footprint) e é determinada por medições ou estimada por modelos de predição de propagação. A planta real de cobertura é irregular por natureza, porém um formato regular de célula é necessário para o planejamento sistemático e adaptação a futuro crescimento. Embora pareça natural a escolha de um círculo para representar a área de cobertura de uma estação base, a superposição de círculos adjacentes sobre um mapa gera áreas descobertas (gaps) ou regiões de sobreposição. 13

14 Figura 9: Reuso das Frequências Fonte: vivasemfio.com Devemos considerar o reuso de frequências uma necessidade sendo o fato de 3 muito utilizado, pois apresenta a melhor relação entre eficiência e máxima taxa disponível entre setores. Figura 10: Reuso de Frequência, evitando interferência de co-canal Fonte: teleco.com.br 14

15 WiMax I: Desenvolvimento Prático O Desenvolvimento prático tem por finalidade o estabelecimento de condições mínimas para esclarecer as características técnicas, de instalação e de planejamento de radio frequência dos equipamentos. Descrição Técnica Especificação Técnica - Wireless Tipo I AP Os equipamentos denominados Wireless Tipo I AP operam nas faixas de 5725 a 5840 GHz conforme resolução da ANATEL número 365, permitindo enlaces de até 16km. Segue demais características: Latência bidirecional da interface aérea menor que 10ms; Mecanismo intrínseco de proteção contra interferência interna e externa; Analisador de espectro gráfico integrado, como recurso para identificar potenciais fontes de interferência; Relação Sinal/Ruído menor ou igual a três db, de forma a permitir operação em ambientes com piso de interferência significativos; Cobertura de 360º e setorização de 60º; Largura de banda efetiva mínima de cada setor de 60º de 14 Mbit/s (downlink + uplink); Conexão simultânea de até 200 módulos por setor de 60º; Reset para retornar à configuração de fábrica; Imunidade à chuva, neblina e poluição, sem a adição de caixas herméticas; Proteção contra descargas de raios; Suporte ao padrão IEEE 802.1q, 8021p, RFC791; Suporte a 3000 endereços MAC dentro de cada setor de 60º; Suporte a gerenciamento http e snmp; Suporte a encriptação de mensagens de autenticação, encriptação dos dados, seleção entre DES e AES 128 bit para padrão de encriptação; Suporte a alimentação PoE; Faixa de temperatura de operação: -40 C a +55 C; Resistência a ventos de até 190 km/h; Gerência específica tipo EMS (Element Management System) e NMS. Produtos Homologados Pela Anatel Access Point ou AP ou em Português Ponto de Acesso é um dispositivo em uma rede sem fio que realiza a interconexão entre todos os dispositivos móveis. Em geral se conecta a uma rede cabeada servindo de ponto de acesso para outra rede, como por exemplo a Internet. Segue a relação dos produtos ditos Access Points homologado pela Anatel. Tabela 2: AP S homologados pela ANATEL MODELOS Canopy 5700AP Canopy 5701AP Canopy 5750AP Canopy 5751AP 15

16 Canopy 5700APC Canopy 5750APC Abaixo segue uma tabela com as características técnicas básicas do AP. FAIXA DE FREQUENCIA TX (MHZ) FSK (Frequency Shift Keying) Tabela 3: Características básicas do AP POTÊNCIA MÁXIMA DESIGNAÇÃO DE SAÍDA DE (W) EMISSÕES TIPOS DE MODULAÇÃO 5725 a , M0F1D 2FSK, 4FSK A modulação FSK atribui frequências diferentes para a portadora em função do bit que é transmitido. Portanto, quando um bit 0 é transmitido, a portadora assume uma frequência correspondente a um bit 0 durante o período de duração de um bit. Quando um bit 1 é transmitido, a frequência da portadora é modificada para um valor correspondente a um bit 1 e analogamente, permanece nesta frequência durante o período de duração de 1 bit, como mostrado na figura a seguir: Figura 11: Frequência da portadora em relação ao bit transmitido Fonte: wirelessbrasil.org Abaixo segue uma tabela demonstrando a potencia de saída do radio e da antena. Tabela 4: Potencia de saída do radio e da antena POTÊNCIA Antena 7 dbi Rádio 23 dbm Especificação Técnica - Wireless Tipo II e III SM s Os equipamentos denominados Wireless Tipo II e III SM s operam nas faixas de 5725 a 5840 GHz conforme resolução da ANATEL número 365, permitindo enlaces de até 16km. Segue demais características: Latência bidirecional da interface aérea menor que 10ms; Suporte a NAT, DHCP Server; Mecanismo intrínseco de proteção contra interferência interna e externa; Relação Sinal/Ruído menor ou igual a 3 db, de forma a permitir operação em ambientes com piso de 16

17 interferência significativos; Largura de banda nominal de até 7 Mbit/s (downlink + uplink); Reset para retornar à configuração de fábrica; Imunidade à chuva, neblina e poluição, sem a adição de caixas herméticas ou outros acessórios para constituir tal característica; Mecanismo intrínseco de proteção contra descargas de raios; Suporte ao padrão IEEE 802.1q, IEEE 802.1p e RFC791; Suporte a gerenciamento http e snmp; Suporte a encriptação das mensagens de autenticação, encriptação dos dados, seleção entre DES e AES 128 bit para padrão de encriptação; Suporte a alimentação PoE; Faixa de temperatura de operação: -40 C to +55 C; Resistência a ventos de até 190 km/h; Sistema de gerência específico tipo EMS e NMS. Produtos Homologados Pela Anatel O Subscriber Module (SM) é o ponto localizado no lado Usuário (Assinante). O Subscriber Module é a unidade de rádio utilizada nos assinantes ou pontos remotos do sistema CANOPY. Essa unidade pode ser utilizada com ou sem um refletor passivo. Sem o refletor a unidade pode estar distante até 3km dos Access Points. Com refletor essa distância aumenta para até 16km. A taxa de transmissão para uplink e downlink por SM pode ser controlada de forma centralizada pelo BAM - Software de Controle, Autenticação e Controle de Banda do sistema CANOPY. Para funcionamento do sistema é necessário visada, ou seja, o contato visual sem obstruções entre os dois pontos (central e assinante). No lado do usuário, estaremos com módulos SM (Subscriber Module). Estes por sinal estarão conectados com os equipamentos do cliente. Segue a relação dos produtos ditos Subscriber Module homologados pela Anatel: Tabela 5: Subscriber Module homologados pela ANATEL MODELOS Canopy 5700SM Canopy 5701SM Canopy 5750SM Abaixo segue uma tabela com as características técnicas básicas do Subscriber Module: FAIXA DE FREQUENCIA TX (MHZ) Tabela 6: Características Básicas do SM POTÊNCIA MÁXIMA DESIGNAÇÃO DE SAÍDA DE (W) EMISSÕES TIPOS DE MODULAÇÃO 5725 a , M0F1D 2FSK, 4FSK Abaixo segue uma tabela demonstrando a potência de saída do rádio e da antena: Tabela 7: Potência de saída do rádio e da antena do SM 17

18 Antena Rádio Refletor POTÊNCIA 7 dbi 23 dbm 18 dbm Especificação Técnica - Wireless Tipo IV BH (Backhaul) Os equipamentos denominados Wireless Tipo IV BH operam nas faixas de 5725 a 5840 GHz conforme resolução da ANATEL número 365, permitindo enlaces de até 16km. Segue demais características: Operação em situações de LOS, NLOS e nlos; Antena integrada aos módulos; Suporte a antenas externas com diversidade espacial; Suporte a modulação adaptativa e OFDM; Latência bidirecional da interface aérea deve ser menor que 15 ms; Modulação OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing); Suporte a modulação BPSK e 256QAM; Capacidade de enlace de até 300Mbit/s em LOS; Adaptativa variando entre -88 dbm e -59 dbm; Mecanismo de DFS dinâmico e troca automática de canal de transmissão em função do piso de interferência; Reset para retornar à configuração de fábrica; Imunidade à chuva, neblina e poluição e proteção contra descargas de raios; Suporte a alimentação PoE; Alinhamento através de sinal audível; Faixa de temperatura de operação: -40 C to +60 C; Resistência a ventos de até 240 km/h. Produtos Homologados Pela Anatel Em redes de tecnologia wireless, é utilizado para transmitir voz e dados do site de uma célula para um switch de um site central para um remoto. Em redes com tecnologia de satélite, é utilizado para transmitir dados de um ponto para o qual ele pode ser transmitido (uplinked) para o satélite, ou é utilizado para transmitir dados para um backbone de rede. Abaixo Segue a relação dos produtos ditos Backhaul homologados pela Anatel. Tabela 8: Backhaul homolados pela Anatel. MODELOS 5830BH / 5830BH BHC / 5830BHC15 Abaixo segue uma tabela demonstrativa das características técnicas básicas do Backhaul. Tabela 9: Características técnicas básicas do Backhaul POTÊNCIA DESIGNAÇÃO MÁXIMA DE FAIXA DE FREQUENCIA TIPOS DE MODULAÇÃO 18

19 PSK (Phase Shift Keying) DE SAÍDA TX (MHZ) (W) EMISSÕES 5725 a ,12 27M1X9D OFDM O PSK é uma forma de modulação em que a informação do sinal digital é embutida nos parâmetros de fase da portadora. Neste sistema de modulação, quando há uma transição de um bit 0 para um bit 1 ou de um bit 1 para um bit 0, a onda portadora sofre uma alteração de fase de 180 graus. Esta forma de particular do PSK é chamada de BPSK (Binary Phase Shift Keying). Quando não há nenhuma destas transições, ou seja, quando bits subsequentes são iguais, a portadora continua a ser transmitida com a mesma fase. Esta variação de fase em função da transição de bit do sinal é ilustrada na figura a seguir: QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Figura 12: Variação de fase em função da transição de bit Fonte: Telecom.com.br A modulação QAM combina a modulação PSK, onde a informação digital é transmitida através da variação da fase da portadora analógica e a modulação ASK, onde a informação digital é transmitida através da variação da amplitude da portadora analógica. Desta forma a modulação QAM, tanto a fase como a amplitude da portadora variam de acordo com a informação digital a ser transmitida. Nesta forma de modulação, os símbolos são mapeados em um diagrama de fase e quadratura, sendo que cada símbolo apresenta uma distância específica da origem do diagrama que representa a sua amplitude, diferentemente da modulação PSK, na qual todos os símbolos estão a igual distância da origem. Isto significa que as informações são inseridas nos parâmetros de amplitude e quadratura da onda portadora. Para se obter uma modulação eficiente, é importante distribuir os pontos da constelação de uma maneira adequada. As constelações mais utilizadas são as constelações retangulares, pois esse tipo de constelação apresenta uma boa relação entre a energia média de símbolos e a complexidade de formação da constelação. É importante citar que há estudos e propostas de constelações que possuem geometrias não retangulares quem otimizam os ganhos obtidos com relação as constelações retangulares. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) A modulação OFDM utiliza diversas portadoras ortogonais para transmitir um sinal. Mas antes de ser modulado na portadora, este sinal passa por diversas etapas de processamento que melhoram ainda mais a performance alcançada pelo OFDM. Primeiro, os dados são submetidos a sistemas de proteção de erro que são a inserção de um código corretor de erros como por exemplo o Reed- Solomon e embaralhamento (scrambling), em que os bits de um mesmo byte são todos misturados. Em seguida, os bits passam por um 19

20 processo de entrelaçamento ou interleaving, no qual eles são reorganizados de modo que bits subsequentes passam a ser separados no tempo. Desta forma, a informação torna-se mais imune a erros do tipo rajada (erros de burst), que atingem bits subsequentes, pois após este processamento, estes erros passam a atingir bits pertencentes a diversos bytes diferentes, que estão muito distantes na informação original. Isto torna mais fácil a recuperação do sinal original no receptor. Num sistema OFDM, cada portadora é uma senóide com frequência igual a um múltiplo de uma frequência base senóide fundamental. Esta condição permite a ortogonalidade. Figura 13: Comparativo entre portadora e senóide Fonte: ee.pucrs.br A técnica de modulação pode variar muito. Exemplos incluem PSK e QAM. Finalmente, as portadoras são adicionadas para gerar um sinal a ser transmitido. Figura 14: Adicionamento da portadora Fonte: ee.pucrs.br Abaixo segue a tabela demonstrativa da potencia de saída do rádio e da antena. Tabela 10: Potencia de saída do rádio e da antena do Backhaul POTÊNCIA Antena 23 dbi Rádio 25 dbm Refletor 18 dbm Descrição da Instalação dos Equipamentos Wireless Tipo I AP Para instalação dos equipamentos denominados Wireless Tipo I - AP se faz necessárias abraçadeiras metálicas e uma haste de aproximadamente 1. O equipamento Wireless Tipo I - AP é fixado na haste por 20

21 meio das abraçadeiras metálicas conforme figura abaixo: Figura 15: Fixação do AP na haste Fonte: Autoria própria Para comunicação com a rede local e alimentação elétrica do equipamento denominado Wireless Tipo I - AP é conectado um cabo UTP Cat5e que prove tanto energia elétrica como comunicação ethernet. Segue figura com o esquema para conexão do cabo UTP Cat5e: Figura 16: Esquema para a energização e comunicação da rede Fonte: Autoria própria Segue figura com o esquema da instalação do Cluster de APs cobrindo 360º: 21

22 Figura 17: Fixação do Cluster de AP s Fonte: Motorola.com A fonte de energia para alimentação elétrica vem através do CMM (Cluster Management Module) pelas portas RJ45 PoE. Esse equipamento faz parte do Wireless Tipo I - AP. Segue figura com os detalhes do CMM: Onde: 1 Compartimento; 2 e 3 Sistema de segurança física; Figura 18: Disposição interna do CMM Fonte: Autoria própria 22

23 4 Portas RJ45 Ethernet PoE; 5 Conector BNC fêmea para conexão GPS ; 6 Saídas e Entradas de cabos UTPs e Alimentação Elétrica; 7 Sistema de fixação; 8 Sistema de aterramento. Wireless Tipo II E III SM s Para instalação dos equipamentos denominados Wireless Tipo II e III SM s se faz necessárias abraçadeiras metálicas e uma haste de aproximadamente 1. O equipamento Wireless Tipo II e III SM s é fixado na haste por meio das abraçadeiras metálicas conforme figura abaixo: Figura 19: Fixação do SM s na haste Fonte: Autoria própria Para comunicação com a rede local e alimentação elétrica do equipamento denominado Wireless Tipo I - SM é conectado um cabo UTP Cat5e que prove tanto energia elétrica como comunicação ethernet. Segue figura com o esquema para conexão do cabo UTP Cat5e: 23

24 Fontes de Alimentação Figura 20: Esquema para a energização e comunicação da rede Fonte: Autoria própria Para a alimentação de todo o sistema é necessário fontes de alimentação. Segue a figura da fonte de alimentação elétrica para o equipamento SM via Power Over Ethernet: Segue figura com o esquema da instalação do SM: Figura 21: Fonte de alimentação POE Fonte: Motorola.com 24

25 Figura 22: Instalação do SM Fonte: Motorola.com Esquema Geral Nesse tópico será apresentado o esquema geral de ligação dos equipamentos do modulo SM. Segue figura com o esquema geral de funcionamento e instalação do equipamento SM: Uso de Refletores Figura 23: Esquema de ligação do equipamento SM Fonte: teleco.com Com os equipamentos trabalhando na banda de frequência de 5,7 GHz, o sistema multiponto pode cobrir a distância de 3.2 km, com o uso de refletores essa distância pode chegar a 16 km. 25

26 Figura 24: Diagrama do refletor Fonte: wimaxworld.com Figura 25: Imagem de um Refletor Fonte: Motorola.com Wireless Tipo IV BH Para instalação dos equipamentos denominados Wireless Tipo IV - BH se faz necessários suportes metálicos e uma haste de aproximadamente 1. O equipamento Wireless Tipo IV - BH é fixado na haste por meio de suportes metálicos conforme figura abaixo: 26

27 Protetor Contra Descargas Elétricas Figura 26: Fixação do BH em haste Fonte: Motorola.com Para a proteção dos equipamentos e para garantir o funcionamento correto dos mesmos é necessário o uso de um protetor contra descargas elétricas. Segue figura com o esquema de instalação do protetor contra descargas elétricas do equipamento denominado Wireless do Tipo IV BH: 27

28 Figura 27: Protetor contra descargas elétricas Fonte: Motorola.com A fonte de energia para alimentação é através do Canopy Power IDU via Power Over Ethernet: Esquema Geral Figura 28: Fonte de energia IDU Fonte: Motorola.com Segue abaixo a figura com o esquema de instalação dos equipamentos de transmissão e recepção do sinal WiMAX. 28

29 Esse sistema se divide em quatro partes: Figura 29: Esquema de ligação do sistema wireless Fonte: teleco.com 1 Comunicação entre CMM e BH Máster; 2 Comunicação entre BH Máster e BH Slave; 3 Comunicação entre BH Slave e AP; 4 Comunicação entre AP e SMs. Visão Geral do Sistema Wireless Nessa seção será mostrada uma visão geral do sistema wireless, como é disposto os equipamentos. Abaixo segue duas figuras com a visão geral do sistema wireless. 29

30 Figura 30: Visão geral do sistema wireless Fonte: Motorola.com Fonte: teleco.com Figura 31: Diagrama de blocos do sistema wireless 30

31 WiMax I: Considerações finais Este tutorial parte I procurou apresentar a conceituação teórica das tecnologias de redes sem fio baseadas na tecnologia WiMax e as recomendações e padrões utilizados. A seguir apresentou o desenvolvimento prático de redes WiMax e sua aplicação. O tutorial parte II apresentará os detalhes do desenvolvimento do projeto para a cidade de Parauapebas, e fará uma comparação analítica do WiMax com outras tecnologias de redes sem fio existentes. Finalmente, apresentará as conclusões e resultados dos trabalhos realizados. Referências ANATEL. Broadband Access and digital Broadcasting: Were we are and where we go from here. The Broadband and Digital Broadcasting Conference. São Paulo. April 23, Disponível em: palestra_jl_06_05_2003.pdf [Acesso em: Junho de 2010] CHEN, Tao. QoS Support in Packet Networks (presentation). University of Trento, Italy. May, Disponível em: [acesso em junho de 2010] HAWA, Mohamed & PETR, David W. Quality of Service Scheduling in Cable and Broadband Wireless Access Systems. Tenth International Workshop on Quality of Service, pp , May Disponível em: [Acesso em: junho de 2010] INTEL Corporation. IEEE * and WiMAX Broadband Wireless Access for Everyone. White Paper. July 1, Disponível em: [Acesso em: Junho de 2010] ITU International Telecommunications Union. Birth of Broadband. September Disponível em: [Acesso em: junho de 2010] KAY, Russell. QuickStudy: WiMAX. ComputerWorld. 01 December Disponível em: [Acesso em: junho de 2010] MARKS, Roger. The IEEE WirelessMAN Standard for Broadband Wireless Metropolitan Area Networks (presentation). Fifth Annual International Symposium On Advanced Radio Technologies. Colorado, USA. March Disponível em: [Acesso em: Agosto de 2004] PAOLINI, Monica. Wi-Fi, WiMAX and The Disruptive Potential of Wireless Broadband. March, 31

32 2004. Disponível em: [Acesso em: Agosto de 2004] WiMAX no Brasil. Disponível em: [Acesso em: junho de 2010] WiMAX x LTE. Disponível em: [Acesso em: junho 2010] 32

33 WiMax I: Teste seu entendimento 1. Como se classifica a tecnologia WiMax na padronização global IEEE e ETSI para redes sem fio? Como rede PAN Personal Area Network. Como rede LAN Local Area Network. Como rede MAN Metropolitan Area Network. Como rede WAN Wide Area Network. 2. Qual dos releases dos padrões foi apresentado para o uso Nomádico? IEEE e IEEE b IEEE a IEEE d IEEE c 3. Quais são esquemas de modulação empregados no padrão IEEE , em função da distância da estação do assinante até a estação base? Assinantes próximos: 64 QAM, assinantes a média distância: 16 QAM e assinantes distantes: QPSK. Assinantes próximos: 16 QAM, assinantes a média distância: 64 QAM e assinantes distantes: QPSK. Assinantes próximos: QPSK, assinantes a média distância: 16 QAM e assinantes distantes: 64 QAM. Assinantes próximos: QPSK, assinantes a média distância: 8 QAM e assinantes distantes: 64 QAM. 33