Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia

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1 Análise técnica e de custos de implantação de rede WiMAX para provisão de serviços de telefonia Roberto Petry *, Carlos Henrique R. Oliveira, José Antonio Martins Este artigo apresenta uma avaliação técnica e uma estimativa dos custos de implantação de uma rede para prover o serviço de telefonia (voz) nas localidades que atualmente não possuem acesso ao Serviço Telefônico Fixo Comutado (STFC), no Estado de Santa Catarina, utilizando como alternativas tecnológicas dois tipos de arquitetura de instalação de redes WiMAX: modo mesh e modo pontomultiponto (com infra-estrutura). A tecnologia WiMAX, principalmente no modo de operação mesh, apresenta-se como potencial candidata para o provimento de serviços de voz e dados em locais em que as tecnologias tradicionais não se apresentam vantajosas, seja do ponto de vista técnico ou econômico. Portanto, é interessante realizar um estudo de caso real de aplicação da tecnologia WiMAX. Para atingir esse objetivo, foi desenvolvido um projeto, o mais detalhado possível, para atender ao cenário real citado. Com os dados desse projeto, foi feita a contabilização de todos os equipamentos de rede necessários e, finalmente, foi obtida uma estimativa dos custos de implantação dessa rede, para os dois modos de operação citados. Palavras-chave: WiMAX. Mesh. Ponto-multiponto. Custos. 1 Introdução 2 Análise da rede WiMAX As tecnologias WiMAX e Wi-Fi, principalmente no modo de operação mesh, são consideradas atualmente importantes candidatas para o provimento de serviços de voz e dados em locais em que as tecnologias tradicionais não se apresentam vantajosas, seja do ponto de vista técnico ou econômico. Assim sendo, é importante fazer um estudo de aplicação dessas tecnologias num cenário real, para identificar melhor suas vantagens, desvantagens e limitações. Dessa forma, foi realizado um estudo para a implantação de uma rede WiMAX para fornecer serviços de telefonia (voz) em localidades que não possuem acesso ao Serviço Telefônico Fixo Comutado (STFC) no Estado de Santa Catarina. Esse estudo envolveu a contabilização de todos os equipamentos de rede necessários e uma estimativa dos custos de implantação dessa rede, para as duas alternativas de operação do sistema WiMAX: modo mesh e com infra-estrutura. Neste trabalho são apresentados os resultados desse estudo. Na Seção 2, é apresentada uma análise de redes WiMAX, considerando a topologia e o desempenho dessas redes. A Seção 3 descreve o cenário de implantação da rede WiMAX considerado nesse estudo. Na Seção 4, é apresentada a análise técnicofinanceira de implantação da rede WiMAX. A conclusão deste trabalho é apresentada na Seção 5. *Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: petry@cpqd.com.br. Neste item são apresentados detalhes técnicos referentes a uma rede do tipo Wireless Metropolitan Area Network (WMAN)/Fixed Broadband Wireless Access (FBWA) baseada no padrão IEEE Esse padrão é comumente chamado de WiMAX. Ainda que atualmente a família do padrão IEEE inclua a possibilidade de mobilidade, esta análise considera apenas terminais fixos. Os sistemas FBWA geralmente empregam arquiteturas multiponto, que incluem os modos mesh e ponto-multiponto (PMP). O grupo de trabalho IEEE , que trata de BWA, desenvolveu uma família de padrões: IEEE , IEEE c-2002, IEEE a e IEEE (consulte referências), que especificam a interface aérea para sistemas PMP (2-66 GHz) e mesh (2-11 GHz). Um dos objetivos do padrão IEEE é oferecer acesso banda larga sem fio na última milha de redes metropolitanas (WMAN). O escopo do padrão é focado nas camadas física e Medium Access Control (MAC). A camada MAC do padrão IEEE possui dois modos de operação: o modo pontomultiponto (PMP) e o modo multipoint-tomultipoint (mesh). No modo PMP, os nós são organizados em uma estrutura celular que consiste em uma estação-base (base station BS) e algumas estações do assinante (subscriber stations ), também referenciadas como Customer Premises Equipment (CPE). No modo mesh, os nós são organizados em uma estrutura ad hoc, em que não há uma topologia Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez. 2006

2 predeterminada. O agendamento de pacotes pode ser centralizado ou distribuído. Neste trabalho se considera o modo distribuído. 2.1 Arquitetura da rede WiMAX Os elementos básicos da arquitetura da rede WiMAX são as BSs e as s. A Figura 1 apresenta uma arquitetura da rede WiMAX (FIGUEIREDO & CARDIERI, 2005) tanto para transmissão no modo PMP como para transmissão no modo mesh. Hot Spots Core Network 2.2 WiMAX no modo PMP IP ATM BS BS SOHO Figura 1 Arquitetura da rede WiMAX Sistemas FBWA do tipo ponto-multiponto tipicamente incluem estações-base, estações do assinante, equipamento terminal (terminal equipment ), enlaces entre as diversas células, estações repetidoras (repeater station RS) e os equipamentos do núcleo da rede (core network), tais como servidor Authentication, Authorization, and Accounting (AAA), servidor Simple Internet Protocol (SIP), switches, gateways, roteadores de concentração, etc. A Figura 2 ilustra a arquitetura de referência, apresentada no padrão IEEE , de um sistema FBWA ponto-multiponto. Esse diagrama ilustra a relação entre as várias partes componentes do sistema FBWA. Podem existir sistemas FBWA mais simples que esse, contendo apenas alguns dos elementos de rede mostrados na figura, como, por exemplo, um sistema instalado para atender a um cenário do tipo Serviço Limitado Privado (SLP), sem conexão com redes externas. Um sistema FBWA contém pelo menos uma BS e um certo número de s. As BSs usam antenas com aberturas relativamente grandes, dividindo a sua área de Enterprise cobertura em um ou vários setores, com o uso de uma ou mais antenas e estágios de RF. Para assegurar cobertura completa numa área geográfica grande, geralmente são necessárias várias BSs. Esse é o caso do cenário analisado no presente trabalho, ou seja, as localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina. Os enlaces entre as várias células (BSs) podem ser implementados com equipamentos sem fio, fibra óptica ou cabos de cobre. Em alguns casos, os enlaces intercélulas podem utilizar rádios ponto-a-ponto (PTP) da tecnologia WiMAX e operar na mesma licença de freqüências do sistema ponto-multiponto (PMP). Em alguns cenários, também é necessário que o sistema utilize repetidores (RS). Os repetidores geralmente são utilizados para estender a cobertura a locais não atendidos pela cobertura normal das BSs. Também são utilizados para levar os sinais de uma BS até uma ou até um grupo de s isoladas. Uma estação repetidora pode operar na mesma freqüência do enlace direto com a qual ela se comunica com a BS ou pode utilizar freqüências diferentes, isto é, demodular e remodular o tráfego em diferentes canais. No caso da tecnologia WiMAX, as estações do assinante são chamadas de Customer Premises Equipment (CPE) e são constituídas pelo agrupamento dos elementos e. As CPEs utilizam antenas direcionais e compartilham um mesmo canal de rádio, utilizando as técnicas OFDM/TDMA e OFDMA. A Figura 3 ilustra outro exemplo de arquitetura do sistema WiMAX. 2.3 WiMAX no modo mesh No modo mesh, todas as CPEs podem atuar como roteadores transmitindo pacotes para seus vizinhos, conforme Figura 3, e evitando pontos de congestionamento. Algumas CPEs podem prover funcionalidades de gateway, conectando a rede mesh em seu backhaul (CAO et al., 2005). O padrão IEEE possui dois mecanismos de agendamento para transmissão de dados no modo mesh: o agendamento centralizado e o agendamento distribuído. No agendamento centralizado, a BS trabalha como o ponto central das estações e determina como elas compartilham o canal em diferentes time slots. No agendamento distribuído não há necessidade de BS. Cada CPE compete no acesso, usando um algoritmo pseudo-aleatório baseado nas informações de agendamento de estações vizinhas dentro de dois saltos. Neste trabalho se considera o agendamento distribuído no modo mesh por não necessitar de BS. 40 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez. 2006

3 para outras BS(s) core network BS intercell link RS antena direcional antena omni-direcional ou setorizada intercell link RS core network Figura 2 Arquitetura de referência de um sistema FBWA ponto-multiponto Base Station Antena CPE Antena IP Modem Radio Radio Modem Router Switch Figura 3 Exemplo de arquitetura do sistema WiMAX 2.4 Capacidade e cobertura da rede WiMAX A capacidade e a cobertura da rede WiMAX estão relacionadas com o mecanismo de modulação adaptativa utilizado. Esse mecanismo permite ajustar a modulação de acordo com a Relação Sinal/Ruído (SNR) do enlace de rádio. Maior SNR implica a possibilidade de uso de modulação espectralmente mais eficiente (maior quantidade de bits/hz), o que proporciona maior capacidade do sistema em termos de taxa de transmissão. Menor SNR implica o uso de modulação espectralmente menos eficiente, mas que, por proporcionar maior robustez contra erros nos bits transmitidos com menor SNR, propicia maior cobertura do sistema. As taxas de codificação e as SNRs mínimas de recepção de sinal para as quatro possíveis modulações apresentadas no padrão IEEE são mostradas na Tabela 1. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez

4 Tabela 1 Relação entre modulação, taxa de codificação e SNR do sistema WiMAX Modulação Taxa de codificação SNR (db) BPSK 1/2 6,4 QPSK 16-QAM 64-QAM 1/2 9,4 3/4 11,2 1/2 16,4 3/4 18,2 2/3 22,7 3/4 24,4 2.6 Freqüência de operação No atual estágio da tecnologia WiMAX, os principais fabricantes mundiais de equipamentos e chipsets (Aperto, Proxim, Redline, Nextnet, Sequans e Wavesat) disponibilizam comercialmente produtos para a faixa de freqüência licenciada em 3,5 GHz nos modos Time Division Duplexing (TDD) e Frequency Division Duplexing (FDD). Neste trabalho será considerada a operação em 3,5 GHz no modo TDD. 2.7 Análise de desempenho do sistema WiMAX no modo PMP A Figura 4 apresenta a cobertura do sistema WiMAX em função da modulação adaptativa de acordo com a SNR. 2.5 Link budget para a rede WiMAX O link budget do canal de rádio determina a cobertura de um sistema sem fio, tanto no enlace direto (da base para o cliente) quanto no enlace reverso (do cliente para a base). O padrão WiMAX especifica a camada física para cobertura com linha de visada (Line of Sight LOS) e para cobertura sem linha de visada (Non Line of Sight NLOS), para freqüências abaixo de 11 GHz. O modelo de predição de cobertura proposto por Erceg et al. (1999), para ambiente suburbano e adotado pelo IEEE (2001), prevê a operação na condição NLOS e foi adotado para a predição de cobertura da rede WiMAX operando no modo mesh. Modulação BPSK SNR = 6 db QPSK SNR = 9 db 16 QAM SNR = 16 db 64 QAM SNR = 22 db Figura 4 Cobertura em função da modulação adaptativa e da SNR A análise de desempenho do sistema WiMAX apresentada a seguir considera a operação no modo PMP, sem linha de visada (NLOS) e CPE outdoor. Esta análise apresenta os possíveis alcances e taxas de transmissão do sistema. O modelo de propagação, usado para predição de cobertura de sinal, adotado nesta análise, foi proposto por Erceg et al. (1999). Esse modelo foi desenvolvido considerando três tipos de terreno classificados por categorias. A categoria A é caracterizada por terreno montanhoso, com alta densidade de árvores. A categoria B é caracterizada por terreno montanhoso, com moderada densidade de árvores e a categoria C é caracterizada por terreno plano, com baixa densidade de árvores. Considera-se, nesta análise, um ambiente urbano caracterizado pela categoria A, um ambiente suburbano caracterizado pelo categoria B e um ambiente rural caracterizado pelo categoria C. É importante ressaltar que, na prática, cada ambiente deve ser avaliado de acordo com suas características específicas. Os parâmetros e valores considerados, típicos de equipamentos comerciais, são os seguintes: freqüência de operação de 3,5 GHz; largura de banda do sistema de 3,5 MHz; potência de transmissão da BS de 21 dbm; potência de transmissão da CPE de 21 dbm; ganho da antena da CPE de 18 dbi; taxa de erro de bit de 10-5 ; ganho da antena da BS de 18 dbi; perda em cabo e conectores de 2 db. A Tabela 2 apresenta valores típicos para a mínima potência de sinal de RF necessária na recepção (Prx), em função do tipo de modulação e da taxa de codificação, para a taxa de erro de bit assumida. Tabela 2 Sensibilidades do receptor, ganhos de sistema, alcances e taxas do sistema WiMAX Ganho de Taxa de codificação Prx (dbm) sistema (db) Ambiente urbano Alcance (km) Ambiente suburbano Ambiente rural Taxas de transmissão (Mbit/s) BPSK 1/2-97,1 152,10 1,98 2,63 4,63 1,5 QPSK 1/2-95,0 150,00 1,79 2,36 4,11 2,9 42 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez. 2006

5 Modulação Ganho de Taxa de codificação Prx (dbm) sistema (db) Ambiente urbano Alcance (km) Ambiente suburbano Ambiente rural Taxas de transmissão (Mbit/s) QPSK 3/4-92,7 147,70 1,60 2,09 3,62 4,4 16-QAM 1/2-89,7 144,70 1,38 1,78 3,06 5,8 16-QAM 3/4-86,4 141,40 1,18 1,50 2,54 7,9 64-QAM 2/3-82,3 137,70 0,97 1,21 2,02 11,6 64-QAM 3/4-80,3 135,30 0,88 1,09 1,81 13,1 Em sistemas de comunicação sem fio, denomina-se ganho de sistema o resultado em db da soma da potência efetivamente radiada com o ganho da antena de recepção, subtraído da potência mínima de recepção (Prx). Os ganhos de sistema correspondentes aos valores considerados nesta análise são dados na Tabela 2. Com os ganhos do sistema e o modelo de predição de cobertura proposto por Erceg et al. (1999), é possível calcular os alcances máximos para os três tipos de ambiente de propagação. Para esse cálculo, foram considerados os seguintes parâmetros: altura da antena da BS de 30 m; altura da antena da CPE de 10 m; margem de desvanecimento lento de 12,74 db, considerando 90% de cobertura e desvio-padrão de 8,2 db. A Tabela 2 apresenta os alcances do sistema WiMAX para os três ambientes de propagação em função das modulações, das potências mínimas de recepção e dos ganhos de sistema. Apresenta ainda as taxas de transmissão típicas, para um intervalo de guarda de 1/32. Analisando-se a Tabela 2 verifica-se que: os maiores alcances são encontrados no ambiente rural em razão das melhores condições de propagação, por haver menos obstrução do sinal na comunicação entre a BS e as CPEs; os alcances são menores quando as potências mínimas de recepção são maiores; as maiores taxas de transmissão ocorrem para distâncias menores; a operação em distâncias menores permite taxas de transmissão maiores. Para o ambiente urbano, aproximar a BS da CPE em 1 km significa a possibilidade de aumentar aproximadamente nove vezes a taxa de transmissão. Para o ambiente suburbano, o mesmo aumento da taxa de transmissão ocorre com uma aproximação em torno de 1,5 km. Para o ambiente rural, o mesmo aumento da taxa de transmissão ocorre com uma aproximação em torno de 3 km. O desempenho do sistema WiMAX operando no modo PMP, sem linha de visada (NLOS), e CPE outdoor varia de acordo com o ambiente de propagação do sinal. Do ponto de vista de máxima cobertura para o ambiente urbano o alcance é de até 1,98 km, para o ambiente suburbano o alcance é de até 2,63 km e para o ambiente rural o alcance é de até 4,63 km. Nos três casos é possível uma comunicação com taxa de 1,5 Mbit/s. Do ponto de vista de taxa de transmissão, o valor da taxa máxima é de 13,1 Mbit/s, porém os alcances são os menores e variam de acordo com o ambiente de propagação do sinal. Para o ambiente urbano o alcance é de 0,88 km, para o ambiente suburbano o alcance é de 1,09 km e para o ambiente rural o alcance é de 1,81 km. 3 Descrição do cenário de implantação O cenário de implantação, considerado na análise técnica e de custos de implantação de uma rede WiMAX, consiste no oferecimento do serviço de telefonia (voz) em todas as localidades que não possuem acesso ao STFC no Estado de Santa Catarina. 3.1 Localidades não atendidas no Estado de Santa Catarina A lista das localidades não atendidas pelo STFC, no Estado de Santa Catarina, foi obtida do site da Anatel (ANAL, 2005). Na data da consulta ao site, havia no Estado de Santa Catarina um total de localidades sem acesso ao STFC. A maior parte dessas localidades se situa em regiões rurais. A Figura 5 mostra um mapa de todo o estado. Neste mapa cada um dos pontos representa uma das localidades que não possuem acesso ao STFC, sendo que essas localidades estão espalhadas por todo o estado. Atender todas elas com um sistema sem fio significa prover cobertura de rádio em praticamente toda a área do estado. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez

6 Figura 5 Localidades de Santa Catarina não atendidas pelo STFC 3.2 Demanda de tráfego Para as localidades não atendidas, considerouse que o mercado potencial para um serviço de telefonia (voz) é, na média, de oito linhas de assinantes e dois telefones de uso público (TUP) por localidade. Portanto, são considerados dois tipos de nós distintos: Telefone de Uso Público (TUP): telefone de uso coletivo instalado em local de fácil acesso, disponível 24 horas por dia; terminal residencial: telefone de uso privado instalado na residência do usuário final. Para o TUP, são considerados dois aparelhos por nó, e para o terminal residencial é considerado um aparelho por nó, cada qual com seu respectivo tráfego, descrito na Tabela 3. Descrição Tabela 3 Tráfego estimado por nó Aparelhos por nó Tráfego por aparelho (Erl) Tráfego por nó (Erl) TUP 2 0,25 0,50 Terminal residencial 1 0,1 0,1 Considerando-se então, por localidade, dois TUPs (o que representa um tráfego de 500 merl) e oito linhas de assinantes (o que representa um tráfego de 800 merl), o tráfego total por localidade é de 1,3 Erl (OLIVEIRA & PETRY, 2006). 4 Análise técnico-financeira de implantação de rede WiMAX A análise técnico-financeira de implantação de uma rede WiMAX foi realizada para o cenário descrito na Seção 3, considerando os modos de operação PMP e mesh. 4.1 Modo de operação mesh Considerações relativas à atribuição de custos da solução mesh a) Distância de alcance dos equipamentos da rede WiMAX no modo mesh para cobertura sem linha de visada (NLOS): 1 km (modulação QPSK, taxa de codificação de ¾, taxa de erro de 10-5, antena da CPE outdoor, 90% de cobertura em ambiente suburbano com modelos de predição de cobertura de Erceg et al. (1999), categoria A, e Hata (1980), usando parâmetros típicos de equipamentos comerciais. b) Demanda de tráfego total por localidade: 1,3 Erl, conforme apresentado no Item 3.2. c) Pontos de acesso à rede WiMAX: para o acesso no modo mesh considera-se o uso de uma CPE transmitindo nas seguintes condições: freqüência de operação, de acordo 44 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez. 2006

7 com a disponibilidade de equipamentos em operação comercial, de 3,5 GHz, quadros de 5 ms de forma simétrica, intervalo de guarda de 1/8 para ambiente outdoor, largura de banda de 3,5 MHz, modulação QPSK, taxa de codificação de ¾, taxa de dados de 1,08 Mbit/s (em cada sentido da comunicação) e vazão efetiva de dados, considerando 20% de perda de pacotes, de 800 kbit/s. d) Capacidade de tráfego do ponto de acesso, empregando codec G.729A (8 kbit/s): utilizando a calculadora 1 Erlangs and VoIP Bandwidth Calculator (Calculadora VoIP) foi possível encontrar uma oferta de tráfego de 22,9 Erl correspondente à vazão efetiva de dados de 800 kbit/s. Dessa forma, do ponto de vista de capacidade, é possível atender até 18 (22,9/1,3) localidades com o codec G.729A. e) Capacidade de tráfego do ponto de acesso, empregando codec G.726 (32 kbit/s): utilizando a calculadora Erlangs and VoIP Bandwidth Calculator (Calculadora VoIP) foi possível encontrar uma oferta de tráfego de 8,85 Erl correspondente à vazão efetiva de dados de 800 kbit/s. Dessa forma, do ponto de vista de capacidade, é possível atender até 7 (8,85 /1,3) localidades com o codec G.726. f) Com raio de alcance de 1 km (apresentado no Subitem a), as localidades de Santa Catarina são distribuídas em 114 localidades agrupadas em 57 clusters (cluster de duas localidades) e localidades isoladas conectadas por meio de CPEs repetidoras. Adotando-se o codec G.726, dado que este é de utilização livre, para cobrir as localidades de Santa Catarina e atender os oito assinantes e o TUP de cada localidade, são necessários: (1.342 x 8) CPEs para os assinantes; CPEs para os TUPs; 57 CPEs como ponto de acesso (uma para cada cluster); CPEs como repetidoras, para atingir as localidades isoladas. g) Interconexão com a rede pública de telefonia: considerando-se que todo o tráfego gerado pela rede mesh WiMAX é roteado para a rede pública (STFC) e que o grau de ocupação dos entroncamentos E1 é de 70%, calcula-se a necessidade de troncos E1 entre a rede mesh WiMAX e a rede pública. Como um E1 corresponde a 30 canais de voz, na máxima ocupação, isso implica em 21 Erl (70% de 30 canais) Investimentos fixos para a rede WiMAX no modo mesh Para a prestação de serviços com a utilização da tecnologia WiMAX no modo mesh, supõe-se que sejam utilizados o máximo possível dos recursos já existentes de uma operadora STFC, como a existência de infra-estrutura de rede, centros de gerência e pessoal técnico qualificado. Considera-se o uso de software livre e o uso de equipamentos Soft Switch e Trunk Gateway já existentes na operadora. Os itens necessários para a rede WiMAX no modo mesh e seus custos correspondentes, extraídos de Oliveira e Petry (2006), são apresentados na Tabela 4. Tabela 4 Investimento fixo da rede WiMAX nos modos mesh e PMP Site principal Quant. Unitário R$ Total R$ Servidores (em cluster) para SIP Server e AAA Servidores para gerência Firewall Software para gerência Total Investimentos modulares para a rede WiMAX no modo mesh Os investimentos pertencentes a essa categoria cobrem equipamentos terminais por ponto de acesso, por assinante e TUP, gateways de acesso para a rede de dados, Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede TDM e as licenças de software para telefonia, os quais serão detalhados a seguir. a) Equipamentos terminais de assinante e TUP: considera-se que os investimentos nos equipamentos terminais serão realizados pela própria operadora da rede WiMAX: equipamento terminal por ponto de acesso: é o equipamento utilizado para comunicação com os gateways de acesso para a rede de dados. Para esse equipamento considera-se apenas o valor de US$ 380,00 (WiMAX Forum 2005)/ R$ 836,00 (dólar a R$ 2,20) referente às CPEs. São necessárias CPEs (57 CPEs para os clusters e CPEs para repetidoras), que representam um investimento de R$ ,00; 1 Como o help da calculadora informa que BW é a quantidade de dados em kbit/s para tráfego em uma rede baseada no protocolo IP, levou-se em conta que a BW a ser convertida incluía todos os overheads da pilha completa de protocolos. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez

8 equipamentos terminais por assinante: considera-se que os custos de instalação e do aparelho telefônico são de responsabilidade do assinante. Para o terminal de acesso por assinante, considera-se apenas o valor de US$ 380,00 (WiMAX Forum 2005)/R$ 836,00 (dólar a R$ 2,20) referente à CPE. Como foram considerados oito assinantes para cada uma das localidades, isso representa um investimento de R$ ,00; TUP: consideram-se dois TUPs para cada uma das localidades. Os itens necessários para o TUP e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira e Petry (2006), são apresentados na Tabela 5. Tabela 5 Terminal WiMAX no modo mesh para TUP Item Quant. Unitário R$ Total R$ CPE WiMAX c/ 2 saídas de voz Telefone público No break Material de instalação Mão-de-obra para instalação Total b) Gateways de acesso para a rede de dados: considera-se que próximo de cada localidade não atendida há uma localidade atendida onde se possa instalar um gateway de acesso, formado por uma CPE WiMAX operando no modo mesh, para escoamento de tráfego à rede convencional de dados. Neste trabalho, entende-se como dados apenas tráfego VoIP: cada localidade gera um tráfego de 1,3 Erl. Utilizando a Calculadora VoIP foi possível encontrar a necessidade de 240 kbit/s de taxa de transmissão mínima (codec G726) por localidade; com raio de cobertura de 1 km, a capacidade de taxa de transmissão é de 1 Mbit/s (em cada sentido da comunicação). Para a tecnologia WiMAX operando no modo mesh de forma distribuída, não se encontrou na literatura nenhuma referência sobre o valor resultante da capacidade do sistema em função do aumento da quantidade de saltos entre CPEs. Por este motivo, adotou-se, como hipótese de pior caso, a queda da capacidade para cada CPE com o número n de CPEs na razão 1/n (JUN, 2003). Dessa forma, existe a necessidade de um gateway de acesso a cada três saltos entre quatro CPEs (1 Mbit/s/4) para atender à demanda de 240 kbit/s de taxa de transmissão por localidade. Conforme apresentado no Item 4.1.1, Subitem f, são necessárias CPEs como repetidoras e 57 CPEs como gateways (pontos) de acesso aos clusters. Portanto, são necessários [57 + (2.799/4) ] = 757 gateways de acesso para escoamento do tráfego VoIP para a rede de dados; os itens necessários para os gateways de acesso e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira e Petry (2006), são apresentados na Tabela 6. Tabela 6 Gateways de acesso para a rede de dados Item Quant. Unitário R$ Total R$ Roteador CPE WiMAX com Ethernet Material de instalação Mão-de-obra para instalação Total c) Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede TDM: considera-se que o Trunk Gateway e os links E1 para acesso da rede WiMAX mesh à rede convencional de telefonia (TDM) estarão localizados em um escritório central. A quantidade desses itens dependerá do tráfego total cursado: a cada 21 Erlangs, será necessário um link E1 adicional no Trunk Gateway e na central de comutação telefônica. Como cada uma das localidades geram um tráfego de 1,3 Erl, são necessários 84 (1.342 x 1,3 / 21) links E1; os itens necessários para esses investimentos e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira (2006), são apresentados na Tabela 7. Tabela 7 Conexão à rede TDM Item Quant. Unitário R$ Total R$ Módulo E1 central de comutação Módulo E1 Trunk Gateway Total Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez. 2006

9 d) Licenças de software para telefonia: para a execução de VoIP é necessário o gerenciamento de usuários na Soft Switch. Considera-se a necessidade de uma licença a cada grupo de mil usuários no valor de R$ ,00. Como são oito usuários e dois TUPs para cada uma das localidades, são necessárias 14 licenças (1.342 x 10 / 1.000), totalizando um investimento de R$ , Investimento total para implantação do sistema WiMAX no modo mesh Para o cálculo do total do investimento para cobertura das localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina, com o sistema WiMAX operando no modo mesh, foram considerados os seguintes itens: a) Investimento fixo de R$ ,00. b) Investimentos modulares: equipamentos terminais (CPE) para desempenhar o papel de repetidores e pontos de acesso; equipamentos terminais (CPE) para os assinantes; telefone de uso público (TUP); gateways de acesso para a rede de dados (backbone); Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede TDM; licenças de software para telefonia. Os custos dos investimentos modulares são apresentados na Tabela 8. Tabela 8 Custos dos investimentos modulares Elemento de rede Custo (R$) CPEs para repetidoras e pontos de acesso CPEs para assinantes TUP Gateway de acesso ao backbone Trunk Gateway/links E1 para acesso à rede TDM Licenças de software O total do investimento para cobertura das localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina, com o sistema WiMAX operando no modo mesh, é de R$ , Modo de operação ponto-multiponto Considerações relativas à atribuição de custos da solução PMP a) Distância de alcance da BS WiMAX para cobertura com linha de visada (LOS): 27 km (modulação QPSK e 99,95% de disponibilidade de serviço). Esse alcance, apresentado por alguns fabricantes, representa uma situação de melhor caso e supõe-se que as antenas da BS WiMAX estejam montadas em torre e localizadas em pontos elevados do terreno. Supõe-se também a utilização de antenas de alto ganho e montagem outdoor no lado do assinante. b) Da mesma forma que no caso mesh, pretende-se atender as localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina. Em cada localidade supõe-se: dois terminais de uso público para cada localidade gerando 500 merl de tráfego telefônico; oito terminais de acesso individual gerando 800 merl de tráfego telefônico. c) Demanda de tráfego total por localidade: 1,3 Erl, conforme apresentado no Item 3.2. d) Interconexão com a rede pública de telefonia: considerando-se que todo o tráfego gerado pela rede WiMAX no modo PMP é roteado para a rede pública (STFC) e que o grau de ocupação dos entroncamentos é de 70%, calcula-se a necessidade de troncos E1 entre a rede WiMAX no modo PMP e a rede pública. Como um E1 corresponde a 30 canais de voz, na máxima ocupação, isso implica 21 Erl (70% de 30 canais) Investimentos fixos para a rede WiMAX no modo PMP Neste item estão incluídos: os custos do transporte dos dados (de VoIP) no backbone o caso mais comum é o transporte do tráfego IP por uma rede SDH, cuja camada física é uma rede óptica, sendo necessário prever principalmente os equipamentos de transmissão óptica, os equipamentos para agregação do tráfego e os Add/Drop Multiplexers; os custos do sistema de gerência da rede de transporte; os custos do servidor SIP. Para manter a coerência com as premissas adotadas na análise do modo mesh, no modo PMP também foi adotada a hipótese de utilizar o máximo possível dos recursos já existentes de uma operadora STFC, tais como a existência de infra-estrutura de rede, centros de gerência, Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez

10 equipamentos Soft Switch e Trunk Gateway, pessoal técnico qualificado e uso de software livre, e, portanto, os custos associados com Edge, Core e Central Office não foram contabilizados na análise financeira do WiMAX no modo PMP. Os itens relativos ao investimento fixo para rede WiMAX no modo PMP e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira e Petry (2006), são os mesmos atribuídos ao modo mesh e apresentados na Tabela Investimentos modulares para a rede WiMAX no modo PMP a) Equipamentos terminais de assinante e TUP: mesmas hipóteses elaboradas no caso mesh, isto é, que os investimentos nos equipamentos terminais serão realizados pela própria operadora da rede WiMAX, os custos de instalação e do aparelho telefônico serão de responsabilidade do assinante, o valor da CPE será de R$ 836,00 e os valores dos TUPs são dados na Tabela 5. b) Base station WiMAX: o preço da BS WiMAX é composto por R$ ,00 do enlace ponto-a-ponto entre a BS WiMAX e a core network (também chamada de backhaul) e R$ ,00 da BS WiMAX propriamente dita, equipada com dois canais de 3,5 MHz para transmissão ponto-multiponto, totalizando R$ ,00; considera-se a freqüência de operação da BS WiMAX, de acordo com a disponibilidade de equipamentos comerciais, de 3,5 GHz, transmitindo em quadros de 5 ms de forma assimétrica, intervalo de guarda de 1/8 para ambiente outdoor, largura de banda de 7 MHz 2, modulação QPSK, taxa de codificação de ¾ e taxa de dados de 4,8 Mbit/s; considera-se que a BS WiMAX será instalada em uma localidade atendida para minimizar o investimento nos gateways que fazem o escoamento do tráfego para a rede convencional de dados; se for utilizado o codec G.729A (8 kbit/s), com taxa de bloqueio de 2%, a taxa de dados de 4,8 Mbit/s da BS resulta, segundo a Calculadora VoIP, em um tráfego total de 186,15 Erl. Considerando o tráfego total de 1,3 Erl por localidade, a quantidade máxima de localidades atendidas por uma BS é de 143 (186,15/1,3); se for utilizado o codec G.726 (32 kbit/s), com taxa de bloqueio de 2%, a taxa de dados de 4,8 Mbit/s da BS resulta, segundo a Calculadora VoIP, em um tráfego total de 87,95 Erl. Considerando o tráfego total de 1,3 Erl por localidade, a quantidade máxima de localidades atendidas por uma BS é de 67 (87,95/1,3); dado que o codec G.729A possui necessidade de licença de utilização e o codec G.726 é de utilização livre, considera-se o uso do codec G.726 e, portanto, cada BS WiMAX cobre no máximo 67 localidades; considerando o raio de cobertura máximo assumido (27 km) e o número máximo de localidades atendidas (67), para as BS WiMAX, determina-se que são necessárias 64 BSs WiMAX para cobrir todas as localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina, sendo 14 BSs com raio de cobertura de 20 km (para não exceder a quantidade máxima de 67 localidades por BS) e 50 BSs com raio de cobertura de 27 km, conforme Figura 6. c) Gateway de acesso para a rede de dados: os itens necessários para o gateway de acesso do sistema WiMAX no modo PMP e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira e Petry (2006) e de WiMAX Forum (junho 2005), são apresentados na Tabela 9. Tabela 9 Gateway de acesso para a rede de dados Item Quant. Unitário R$ Total R$ BS WiMAX Serviço de instalação Torres Energia Total d) Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede TDM: considera-se que o Trunk Gateway e os links E1 para acesso da rede WiMAX PMP à rede convencional de telefonia (TDM) estarão localizados em um escritório central em que fica o ponto de presença (PoP) do sistema. A quantidade desses itens dependerá do tráfego total cursado: a cada 21 Erlangs será necessário um link E1 adicional no Trunk Gateway e na central de comutação telefônica. Como cada uma das localidades gera um tráfego de 1,3 Erl, são necessários 84 (1.342 x 1,3 / 21) links E1; os itens necessários para esses investimentos e seus valores correspondentes, extraídos de Oliveira e 2 Considera-se essa largura de banda para aumentar a capacidade de atendimento da BS. 48 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez. 2006

11 Figura 6 Distribuição das BSs WiMAX no Estado de Santa Catarina Petry (2006), são apresentados na Tabela 10, para 84 links E1 na central de comutação, 84 links E1 na BS e 168 links E1 no Edge. A quantidade de links E1 no Edge é duplicada porque se trata de um elemento intermediário entre a BS e a central de comutação. Tabela 10 Conexão à rede TDM Item Quant. Unitário R$ Total R$ Módulo E1 Central de comutação Módulo E1 BS WiMAX Módulo E1 Edge Total e) Licenças de software para telefonia: consideram-se as mesmas premissas e os custos utilizados para o caso mesh, ou seja, um investimento total de R$ , Investimento total para implantação do sistema WiMAX no modo PMP O total do investimento para cobertura das localidades não atendidas pelo STFC no Estado de Santa Catarina, com o sistema WiMAX operando no modo PMP, é formado por: a) Investimento fixo de R$ b) Investimentos modulares: equipamentos terminais (CPE) para os assinantes: R$ ; TUP: R$ ; gateways de acesso para a rede de dados: R$ ; Trunk Gateway e links E1 de acesso à rede TDM: R$ ; licenças de software para telefonia: R$ O total do investimento com o sistema WiMAX operando no modo PMP é de R$ ,00. 5 Conclusão Neste trabalho foi apresentada uma análise técnica e de custos para implantação de uma rede WiMAX para atendimento das localidades sem STFC no Estado de Santa Catarina. Os custos estimados para implantação da rede WiMAX no modo mesh (aproximadamente R$ 22 milhões) foram menores que os do caso PMP (aproximadamente R$ 24,6 milhões), mas a diferença é pequena. Um dos fatores que afeta muito o custo da solução mesh no cenário analisado é o isolamento e a dispersão das localidades não atendidas por todo o estado, o que demanda uma grande quantidade de repetidoras (2.799) e de pontos de acesso (757) Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez

12 para a rede de dados. No modo de operação com infra-estrutura (PMP), em razão também da dispersão das localidades não atendidas por todo o estado, a operação da rede WiMAX demanda uma quantidade grande de BSs (64), o que constitui um componente importante nos custos de implantação. A implantação da rede WiMAX no modo mesh apresenta custos mais baixos que no modo com infra-estrutura pelo fato de prescindir de alguns elementos onerosos na infra-estrutura, tais como cell sites. Entretanto, em determinados cenários, é possível que isso não ocorra. Referências AGÊNCIA NACIONAL DE LECOMUNICAÇÕES (ANAL). Cadastro Nacional de Localidades. Disponível em: < Acesso em: 7 jan CALCULADORA VoIP. Erlangs and VoIP Bandwidth Calculator. Disponível em < Acesso em: 28 abr CAO, M. et al. Modeling and performance analysis of the distributed scheduler in IEEE mesh mode. In: MOBIHOC, 5, Urbana- Champaign, Illinois, EUA, ERCEG, V. et. al. An empirically based path loss model for wireless channels in suburban environments. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 17, n. 7, p , julho FIGUEIREDO, F. L.; CARDIERI, P. Coverage prediction and performance evaluation of wireless metropolitan area networks based on IEEE Journal of the Brazilian Telecommunications Society, abril Abstract HATA, M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services. IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 29, n. 3, agosto INSTITU OF ELECTRICAL AND ELETRONICS ENGINEERS (IEEE) : Air interface for fixed broadband wireless access, INSTITU OF ELECTRICAL AND ELETRONICS ENGINEERS (IEEE) a- 2003: Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems Medium access control modifications and additional physical layer specifications for 2-11 GHz, INSTITU OF ELECTRICAL AND ELETRONICS ENGINEERS (IEEE) c- 2002: Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems Amendment 1: Detailed system profiles for GHz, IINSTITU OF ELECTRICAL AND ELETRONICS ENGINEERS (IEEE) : Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems, INSTITU OF ELECTRICAL AND ELETRONICS ENGINEERS (IEEE) c- 01/29r4: Channel models for fixed wireless applications, JUN, J.; SICHITIU, M. L. The nominal capacity of wireless mesh networks. Wireless Communications Magazine, outubro OLIVEIRA, C. H. R.; PETRY, R. Análise de viabilidade técnico-financeira da rede WiMAX: PA ad hoc. PD A.0034A/RT-04-AB. Campinas: CPqD, maio (Relatório técnico) WiMAX FORUM. WiMAX: The business case for fixed wireless access in emerging markets. Junho (Relatório técnico) This article addresses technical issues and the estimated deployment costs of a WiMAX network, designed to provide basic telephony services (mainly voice VoIP) in small villages (suburban or rural areas), in Santa Catarina State, Brazil, that aren't connected to PSTN. The analysis considers two different operation modes: mesh and infrastructure. WiMAX and Wi-Fi technologies, specially in mesh operation modes, are now largely considered as good technological choices to provide voice and data services in situations where conventional solutions show technical or economical drawbacks. In order to identify the advantages, drawbacks and limitations of WiMAX technologies, a study of WiMAX deployment in the above-mentioned cenarios was conducted. This study enumerates all the network elements needed and the total network rollout cost was estimated, considering mesh and PMP topologies. Key words: WiMAX. Mesh. Point-to-multipoint. Costs. 50 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 2, n. 2, p , jul./dez. 2006