TECNOLOGIA LONGA DISTANCIA SEM FIO WIMAX

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1 TECNOLOGIA LONGA DISTANCIA SEM FIO WIMAX Eules Alves Teixeira Lincown Dhiego Nathiell Bernardino Rômulo Rodrigues de Assis ORIENTADOR: RICARDO CAMELO, M. Sc. BRASÍLIA-DF 2012

2 EULES ALVES TEIXEIRA LINCOWN DHIEGO NATHIELL BERNARDINO RÔMULO RODRIGUES DE ASSIS TECNOLOGIA LONGA DISTANCIA SEM FIO WIMAX ORIENTADOR: RICARDO CAMELO, M. Sc. Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Centro Universitário do Planalto (Uniplan) como requisito para a obtenção da aprovação do curso superior de redes de computadores, sob orientação do Professor Ricardo Camelo. BRASILIA DF 2012

3 DEDICATÓRIA Eules Alves Teixeira Dedico este trabalho aos meus familiares, amigos e todos aqueles que me deram forças durante toda essa jornada. Lincown Dhiego Nathiell Bernardino Dedico este TCC a minha querida e amada namorada, Juliana Martins pelo amor, carinho, apoio, paciência e incentivo e também ao meu filho Lucas Dhiego que mesmo sem saber o que se passava me trazia muita alegria com um simples sorriso e aquele abraço maravilhoso de filho. Dedico também a minha mãe Claudete e ao meu pai Paulo, meus irmãos Bhrayan, Erick e a todos que estiveram nos momentos difíceis me apoiando e dando força. Rômulo Rodrigues de Assis Dedico esse trabalho a meus pais e a minha namorada, que me deram todo apoio que sempre me incentivaram a estudar me dando toda assistência e força e nas horas difíceis estiveram sempre ao meu lado.

4 AGRADECIMENTOS Eules Alves Teixeira Agradeço os professores, coordenadores, amigos, parentes, minha namorada Benedita e especialmente a meu amigo Jeann Wilson pelo incentivo e a força para que possa ter chegado ate aqui. Lincown Dhiego Nathiell Bernardino Agradeço primeiramente a Deus por me dar forças e sabedoria e por esta a frente de toda esta fase. Agradeço a meus Pais Claudete e Paulo por estarem sempre preocupados e me dando apoio e incentivando a seguir em frente. Agradeço ao meu filho Lucas Dhiego de 5 anos, que me deu muita força e coragem para seguir com mais esta etapa da minha vida, pois era ele que quase todos os dias me aguardando chegar em casa tarde da noite. Agradeço a meu sogro Roberto e minha sogra Luzmarina pela força. Agradeço a minha linda e querida namorada Juliana por me apoiar e incentivar como ninguém a seguir em frente nos momentos mais difíceis. Agradeço ao meu orientador Camelo pela dedicação na correção do TCC e na atenção no desenvolvimento do mesmo e a todos que me ajudaram mesmo que com boas intenções na elaboração teste TCC. Rômulo Rodrigues de Assis Agradeço minha Família por eu esta aqui hoje me formando, é com grande alegria que eu termino esse curso, e especialmente agradeço minha companheira por estar ao meu lado em todos os momentos da minha vida, e por estar ao meu lado todos os dias me dando forca. Agradeço também aos meus amigos Eules e Lincown por me incentivar todas as vezes que eu estava desanimado.

5 RESUMO A utilização das redes de computadores torna-se cada vez mais necessária na atualidade. Há diversas maneiras de realizar uma interligação entre computadores, sendo uma delas, por meio de rede sem fio. Com o objetivo de utilizar uma tecnologia de interligação de dois ou mais pontos, este trabalho descreve um tipo de tecnologia de rede sem fio, chamada WiMAX o primeiro padrão oficial para redes wireless de longa distância -, a qual visa atender ambientes onde é impossível utilizar-se de rede física ou como uma forma de baixar os custos de infraestrutura de rede. O WiMAX se baseia na tecnologia IEEE buscando oferecer conectividade fixa, nômade, portável e eventualmente móvel sem a necessidade de visada direta com uma estação base. Num cenário típico, a distâncias de 3 a 10 quilômetros, um produto com certificado WiMAX deve ter uma capacidade de 40 Mbps por canal, possibilitando milhares conexões a velocidade de DSL. WiMAX é uma tecnologia emergente que possui diversas vantagens: tem a capacidade de atender grandes áreas geográficas sem as limitações de distância do DSL ou o alto custo de instalação de infraestrutura de cabos, com menor custo de manutenção, grande facilidade e rapidez de instalação da rede, além de atingir regiões nas quais não existe infraestrutura de banda larga com fio, cobre uma área considerável, como áreas rurais. Este TCC foi escrito visando aumentar nossos conhecimentos na área de redes sem fio. Com o uso da rede WiMAX, observa-se uma diferença nos padrões e , na qualidade do serviço oferecido, na segurança do envio dos pacotes e na velocidade de transmissão. Nos três processos o padrão foi superior ao seu sucessor Palavras-Chaves: Redes Sem Fio, WiMAX.

6 ABSTRACT The use of computer networks becomes increasingly necessary nowadays. There are several ways to realize an interconnection between computers, one of which, via the wireless network. With the goal of using technology for interconnection of two or more points, this paper describes a type of wireless network technology called WiMAX - the first official standard for long-distance wireless networks - which aims to meet environments where it is impossible utilize physical network or as a way to lower the cost of network infrastructure. The WiMAX technology based on IEEE connectivity seeking to offer fixed, nomadic, portable and eventually mobile without the need of-sight with a base station. In a typical scenario, at distances of 3-10 km, a product with certified WiMAX must have a capacity of 40 Mbps per channel, enabling thousands of DSL connections speed. WiMAX is an emerging technology that has several advantages: it has the ability to serve large geographic areas without the distance limitations of DSL or high cost of installation of cable infrastructure, with lower maintenance cost, ease and speed of installation network, besides reaching regions where no infrastructure of wired broadband covers a considerable area, such as rural areas. This CBT was written with the aim of increasing our knowledge in the area of wireless networks. Using the WiMAX network, there is a difference in standards and , the quality of service, security and sending the packets in transmission speed. In the three cases the standard was superior to his successor Key words: Wireless Networks, WiMAX.

7 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Parte da pilha de protocolos do Figura 2 - Torre de transmissão WiMAX Figura 3 - Antena WiMAX Figura 4 - Funcionamento da conexão WiMAX Figura 5 - Componentes de uma rede Figura 6 - Arquitetura do padrão IEEE Figura 7 - A pilha de protocolos do Figura 8- O ambiente de transmissão do Figura 9 - Quadros e slots de tempo para duplexação por divisão de tempo Figura 10 - WiMAX hoje e no futuro Figura 11 - Valores disponibilizados no site da Oi no dia 01 de dezembro de Figura 12 - Valores disponibilizados no site da GVT no dia 01 de dezembro de Figura 13 - Unidades da Uniplan no DF Figura 14 - Caminho direto entre os Campus da Uniplan DF Figura 15 - Perfil de elevação do Campus da Uniplan Águas Claras Figura 16 - Perfil de elevação do Campus da Uniplan Asa Sul Figura 17 - Tela de Informações do Software utilizado para distâncias e elevações 39 Figura 18 - Antena adotada no estudo para interligação das Unidades Figura 19 - Antena autoportante para telecomunicações... 43

8 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Comparação dos padrões , a, b e g Tabela 2 - Comparação entre IEEE e IEEE Tabela 3 - Frequências Wimax no Brasil Tabela 4 Especificações técnicas da antena adotada... 42

9 LISTA DE ABREVIATURAS AP - Access Point BB - Base Station BSA - Basic Service Area BSS - Basic Service Set CCK - Complementary Code Keying CDMA - Code Division Multiple Access CPE - Customer Premises Equipment DSSS - Direct sequence spread spectrum ERBs - Estação Rádio Base FDD - Frequency Division Dup FHSS - Frequency hopping spread spectrum HR-DSSS High Rate Direct Sequence Spread Spectrum IEEE - Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos ISM - Industrial, Scientific and Medical LAN - Local Area Network LLC - Logical Link Control MAC - Medium Access Control LOS - Alcance com Linha de Visada (Line Of Sight) NLOS - Alcance sem Linha de Visada (Non Line Of Sight) OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing QAM-64 - Quadrature Amplitude Modulation QPSK - Quadrature Phase Shift Keying SS - Subscriber Station TDD - Time Division Duplexing Wi-Fi - Wireless Fidelity WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access

10 SUMÁRIO 1. Introdução Objetivo Geral: Objetivos Específicos: Justificativas Estruturas do trabalho Revisão de literatura Redes Wireless Padrão IEEE Arquitetura do padrão IEEE Pilha de protocolos do padrão IEEE Camada Física IEEE Camada Física original DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum Infrared (Infravermelho) Padrão IEEE a Padrão IEEE b Padrão IEEE g Comparações entre os padrões IEEE , a, b e g Redes WiMAX Padrão IEEE Arquitetura IEEE Pilha de protocolos do padrão IEEE Camada Física do IEEE O protocolo da subcamada MAC do padrão IEEE Padrão a Padrão d Padrão e Comparação entre IEEE e

11 2.9. Aplicação WiMAX Metodologia Classificações do trabalho Planos de Pesquisa Discussões e Resultados Questionário aplicado Desenvolvimento da pesquisa Comparativo de custos Conclusão Referencias bibliográficas Anexos... 48

12 12 1. INTRODUÇÃO O WiMAX é o primeiro padrão oficial para redes wireless de longa distância, aprovado em Dezembro de Naturalmente, antes do padrão IEEE já existiam vários projetos de redes sem fio de longa distância, a maioria utilizando transmissores e antenas de alta potência. Mesmo assim, as distâncias não superam a marca de alguns poucos quilômetros, fazendo com que fossem necessários vários repetidores pelo caminho para atingir distâncias mais longas. A partir de certo limite, a única opção eram as caras transmissões via satélite. O IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos) visa resolver este problema. Ao contrário do b o padrão utiliza um espectro variável, utilizando as faixas de frequência entre 10 e 60 GHz, com um padrão alternativo que utiliza frequências entre 2 e 11 GHz. Isto permite atingir altas taxas de transferência a distâncias de vários quilômetros. O WiMAX se baseia na tecnologia IEEE buscando oferecer conectividade fixa, nômade, portável e eventualmente móvel sem a necessidade de visada direta com uma estação base. Num cenário típico, a distâncias de 3 a 10 quilômetros, um produto com certificado WiMAX deve ter uma capacidade de 40 Mbps por canal, possibilitando milhares conexões a velocidade de DSL. WiMAX é uma tecnologia emergente que possui diversas vantagens: tem a capacidade de atender grandes áreas geográficas sem as limitações de distância do DSL ou o alto custo de instalação de infraestrutura de cabos, com menor custo de manutenção, grande facilidade e rapidez de instalação da rede, além de atingir regiões nas quais não existe infraestrutura de banda larga com fio, cobre uma área considerável, como áreas rurais Objetivo Geral: Fazer o estudo comparativo dos padrões e , mostrando as características de cada um e as vantagens que a Tecnologia de rede sem fio WiMAX trás para facilitar a vida das pessoas que moram em zonas rurais afastadas do centro das cidades.

13 Objetivos Específicos: Analisar o protocolo diante das suas camadas e arquitetura; Analisar os padrões a, b e g mostrando suas diferenças; Estudar o protocolo mostrando suas camadas e um pouco de sua arquitetura; Analisar os padrões a, d e e mostrando as vantagens de cada um; Fazer comparações dos dois protocolos, e ; Mostrar aplicações da rede WiMAX no Brasil e no mundo; 1.3. Justificativas O interesse pelo tema baseia-se na sua atualidade e na possibilidade de afetar o cotidiano das pessoas, que possuem acesso a Internet rompendo as fronteiras territoriais e culturais, não limitando o acesso a países subdesenvolvidos ou cidades distantes de grandes metrópoles, alem 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 infraestrutura de alto custo, mobilidade e acesso a banda larga para um grande numero de usuários, alem de apresentar promessas para permitir a inclusão digital em todo mundo, principalmente nos países e nas áreas subdesenvolvidas Estruturas do trabalho O texto está organizado em capítulos da seguinte maneira: No Capítulo 2 será apresentado o padrão da arquitetura IEEE , pilhas de protocolos, camada física e física original e também padrão da arquitetura IEEE a, b e g e comparações entre essas arquiteturas.

14 14 Neste capítulo será apresentado o padrão da arquitetura IEEE , pilhas de protocolos, camada física e protocolo da subcamada MAC e padrão da arquitetura a, d e e. Será realizada uma comparação entre o padrão da arquitetura IEEE e e aplicação da tecnologia WIMAX em Agências bancárias, em capitais Brasileiras e o uso de WIMAX em carros nos Estados Unidos. No capítulo 3 será apresentada a metodologia utilizada para a realização do trabalho, tipos de procedimentos e plano de pesquisa. No capítulo 4 serão apresentados os resultados das discussões realizadas para a elaboração do trabalho, demonstrando as vantagens de utilização da tecnologia de WIMAX para interligação de redes de longa distância. No capítulo 5 serão apresentadas as conclusões do trabalho.

15 15 2. REVISÃO DE LITERATURA 2.1. Redes Wireless A palavra wireless vem do inglês wire (cabo ou fio) e less (sem), portanto sem fio. As redes sem fio estão cada vez mais populares. Muitos prédios comerciais, aeroportos, faculdades e outros lugares públicos estão sendo equipados com essa tecnologia. As redes sem fio podem ser operadas em uma de duas configurações, ou com uma estação base ou sem a estação base. A única diferença entre uma rede com fio e uma rede sem fio é que a rede sem fio transmite os dados por ondas de rádio e já a com fio transmite as mesmas informações através do cabo. A rede wireless é baseada no padrão IEEE São nesse padrão que é estabelecida as normas para criação e uso do mesmo Padrão IEEE Este padrão teve início em 1990 com um projeto para desenvolver especificações detalhadas de controle de acesso ao meio MAC (Medium Access Control) e especificações da camada física para rede wireless dentro de uma LAN (Local Area Network). Existem vários padrões para redes sem fio onde serão citados apenas os mais utilizados Arquitetura do padrão IEEE A arquitetura é baseada na divisão da área coberta pela rede sem fio em células. Essas células são denominadas BSA (Basic Service Area). É pelas características do ambiente e pela potência dos transmissores que é definido o tamanho da BSA. Já dentro da BSA temos um BSS (Basic Service Set), que representa um conjunto de estações executando o mesmo protocolo MAC dentro de uma mesma rede sem fio. O BSS pode ser isolado ou pode ser conectado a um sistema de distribuição através de um ponto de acesso (AP Access Point). O ponto de acesso

16 16 funciona como uma ponte, fornecendo o acesso ao sistema de distribuição através da rede wireless para estações associadas. O sistema de distribuição pode ser um switch, uma rede com fio ou uma rede sem fio Pilha de protocolos do padrão IEEE A estrutura de protocolos usados pelas variantes 802 tem certas propriedades equivalentes. A camada de enlace na pilha de protocolo do se divide em duas ou mais subcamadas, já a camada física representa muito bem a camada física do modelo OSI. A subcamada MAC controla a transmissão de dados e determina como o canal é alocado. Acima da subcamada MAC, temos a subcamada LLC (Logical Link Control Controle de enlace lógico), que torna as variações dos 802 indistinguíveis no que se diz respeito à camada de rede (Tanenbaum, 2003). A figura 1 a seguir apresenta um pedaço da pilha de protocolos do padrão Figura 1 - Parte da pilha de protocolos do São três técnicas de transmissão permitidas na camada física pelo padrão Duas delas são métodos que funcionam por ondas de rádio e a outra é o método do infravermelho, parecido com a tecnologia de controles remotos das televisões. Os métodos que empregam rádio são de alcance limitado e utilizam as técnicas FHSS e DSSS que serão especificadas na camada física desse padrão. Ambas utilizam a banda ISM de 2.4 GHz que não exige licenciamento (Tanenbaum, 2003). Os controles remotos de portões de garagem também utilizam essa mesma banda e seu notebook pode concorrer com tal dispositivo. Para evitar muitos

17 17 conflitos, essas técnicas operam em baixa frequência a uma transmissão de 1 ou 2 Mbps. A partir de 1999 foram apresentadas duas técnicas novas para alcançar maior largura de banda chamadas de OFDM e HR-DSSS. A técnica OFDM opera em até 54 Mbps e a HR-DSSS em até 11 Mbps (Tanenbaum, 2003) Camada Física IEEE A camada física para IEEE foi definida em quatro estágios; a primeira parte foi definida em 1997, duas partes adicionais em 1999 e a mais recente em A primeira parte, chamada simplesmente de IEEE , inclui a camada MAC e três especificações da camada física, duas na banda 2,4 GHz e uma no infravermelho, todas operando em 1 e 2 Mbps. A opção de infravermelho usa transmissão difusa a 0,85 ou 0,95 mícrons. O IEEE a opera na banda de 5 GHz com taxa de transferência de dados até 54 Mbps. IEEE b opera na banda de 2,4 GHz em 5,5 e 11 Mbps. Já o IEEE g estende a IEEE b a taxas mais elevadas (Stallings, 2004) Camada Física original Três meios físicos são definidos no padrão original : Direct-sequence spread spectrum (DSSS) opera na banda de 2,4 GHz, com uma taxa de transferência de dados de 1 Mbps e 2 Mbps; Frequency-hopping spread spectrum (FHSS) opera na banda de 2,4 GHz, com uma taxa de transferência de dados de 1 Mbps e 2 Mbps; Infravermelho de 1 Mbps e 2 Mbps opera com um comprimento de onda entre 850 e 950 nm DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum Até sete canais, cada um com uma taxa de transferência de 1Mbps ou 2Mbps pode ser usado no sistema DSSS. O número de canais disponíveis depende da

18 18 largura de banda alocada pelas agências reguladoras nacionais. O esquema usado tem algumas similaridades com o sistema CDMA utilizadas nos celulares. Cada bit é transmitido em 11 intervalos curtos denominados chips. Usa a modulação de deslocamento de fase em 1 Mbaud, transmitindo 1 bit por baud quando opera em 1 Mbps e transmite 2 bits por baud quando opera em 2 Mbps (Stallings, 2004) FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum Utiliza 79 canais de 1 MHz de largura cada um, na banda ISM. A sequencia da frequência dos saltos é produzida por um gerador de números pseudo-aleatórios. Todas as estações mantêm-se sincronizadas. A quantidade de tempo gasto em cada frequência, o tempo de permanência, é um parâmetro ajustável, mas deve ser menor que 400 ms. A randomização do FHSS também fornece um pouco de segurança, pois uma pessoa não autorizada não poderá espionar as transmissões sem conhecer a sequencia de saltos ou o tempo de parada. O FHSS não tem problemas com interferência de rádio, o que o torna popular para enlaces entre edifícios. A baixa largura de banda é sua principal desvantagem (Stallings, 2004) Infrared (Infravermelho) O infravermelho utiliza transmissão difusa a 0,85 ou 0,95 mícron. Duas velocidades são permitidas: 1 Mbps e 2 Mbps. Por ser uma conexão muito limitada, pois não atravessam paredes e a largura de banda é muita baixa, não se tornou uma conexão muito popular (Stallings, 2004) Padrão IEEE a O padrão IEEE a utiliza uma faixa de frequência de 5 GHz. Essa frequência é mais limpa, pois não existe interferência com outras arquiteturas de rede como, por exemplo, o Bluetooth, nem com aparelhos de micro-ondas, que por consequência poderia acarretar na perda significativa na velocidade de transferência. Esse padrão utiliza a modulação OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e pode chegar a uma taxa de transmissão de até 54Mbps OFDM, também chamado de modulação multi-portadora, usa múltiplos sinais em

19 19 diferentes frequências, enviando os bits em cada canal. É similar ao FDM, entretanto todos os subcanais são dedicados a uma única origem de dados (Stallings, 2004) Padrão IEEE b O padrão IEEE b utiliza o esquema de espalhamento espectral por sequencia DSSS e trabalha em uma frequência de 2,4 GHz e pode chegar a uma taxa de transmissão de 5,5 e 11 Mbps, dependendo das condições do ambiente em que as ondas estão se propagando. Para conseguir uma largura de banda de 5,5 e 11 Mbps o padrão IEEE b utiliza uma técnica chamada CCK (Complementary Code Keying) (Stallings, 2004). Foi o primeiro padrão a ser utilizado em grande escala e o padrão que permitiu que placas de diferentes fabricantes tornassem compatíveis e os preços caíssem. Uma das principais desvantagens desse padrão é de utilizar a mesma frequência de aparelhos celulares, micro-ondas e bluetooth, podendo apresentar interferências na transmissão e na recepção de dados Padrão IEEE g O padrão IEEE g é uma extensão mais rápida do IEEE b, mas utiliza a mesma frequência de transmissão de 2,4 GHz. Este padrão utiliza uma variedade de técnicas de codificação das camadas físicas usadas no padrão a e b para fornecer o serviço. A velocidade de transmissão no IEEE g é de 54 Mbps. Caso seja colocada uma placa do IEEE b na rede junto com o padrão IEEE g o mesmo trabalhará em 11 Mbps, que é a velocidade que os dois padrões suportam (Stallings, 2004) Comparações entre os padrões IEEE , a, b e g A tabela abaixo resume as quatro especificações da família dos padrões aprovados. Tabela 1 - Comparação dos padrões , a, b e g IEEE IEEE a IEEE b IEEE g Homologação Julho de 1997 Setembro de 1999 Setembro de 1999 Junho de 2003 Aplicação Rede sem fio de Acesso banda Rede sem fio de Acesso banda dados larga (LAN) dados larga (LAN) Taxa Máxima de 2 Mbps 54 Mbps 11 Mbps 54 Mbps

20 20 Transmissão Alcance 100m 50m 100m 100m 48 Mbps 36 Mbps 24 Mbps 5,5 Mbps Taxas de 1Mbps 18 Mbps 2 Mbps Fallback 12 Mbps 1 Mbps 9 Mbps 6 Mbps Número de canais 79 (FHSS) 3 ou 6 (DSSS) Mbps 36 Mbps 24 Mbps 18 Mbps 12 Mbps 9 Mbps 6 Mbps Frequência 2,4 GHz 5 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz Modulação FHSS ou DSSS OFDM DSSS OFDM ou DSSS Compatibilidade a (somente) (somente) g b 2.7. Redes WiMAX WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) é um avanço da tecnologia Wi-Fi, aliás, ela nasceu da necessidade de ter uma rede de banda larga sem fio de alta velocidade e de longo alcance. Em teoria, dizem que os equipamentos WiMAX terão um alcance de até 50 km e capacidade de banda passante de até 70 Mbps. Na prática, o alcance e a velocidade de banda se darão pelo equipamento utilizado e a frequência utilizada e também dependerá da existência ou não de visada (se a antena de uma ponta enxergará a antena de outra ponta, se não há obstáculos no caminho como montanhas, prédios, construções de um modo geral). O WiMAX possui atualmente os padrões Portátil IEEE d e o Móvel IEEE e. O d é o padrão de rede sem fio de banda larga fixa e o e é o padrão de rede sem fio de banda larga móvel, assegurando conectividade a velocidades até 100 Km/h. O funcionamento da tecnologia WiMAX é parecida com a das redes Bluetooth e de telefones celulares. Uma torre central manda sinal para as torres espalhadas e dessas torres mandam o sinal para receptores. O usuário vai precisar de uma antena receptora que pode ou ficar ao lado do computador como as DSLs de hoje ou pode ficar no alto do prédio no caso de condomínio. Essa antena receptora é conectada via placa de rede. Um ponto importante no funcionamento da WiMAX é que mesmo os chamados usuários de última-milha (o usuário final) terão uma conexão mais veloz e estável do que as disponíveis hoje. Outro foco da WiMAX é buscar aqueles usuários rurais aonde a conexão via cabo não pode chegar. Na

21 21 figura 2 a seguir é mostrada uma torre de transmissão WiMAX e, em seguida, na figura 3, uma antena WiMAX. Figura 2 - Torre de transmissão WiMAX Figura 3 - Antena WiMAX

22 22 A figura 4 a seguir mostra o esquema de transmissão de sinal WiMAX. Figura 4 - Funcionamento da conexão WiMAX A figura 4 mostra dois tipos de serviços sem fio: Um sem linha de visada (non-line-of-sight), onde o WiMAX utiliza uma baixa frequência (2 GHz a 11 GHz) para transmissão, no qual uma pequena antena é instalada no computador do usuário onde se conecta a torre, bem parecida com a Wi-Fi. Essas ondas de baixo comprimento não são interrompidas, pois apresentam muita facilidade de se curvarem aos obstáculos e de se difratarem. O outro serviço com linha de visada no qual uma antena fixa aponta a antena WiMAX a partir de um poste ou telhado. Essa conexão é mais forte e mais estável que a sem visada e trabalha com frequências mais altas podendo chegar a 66 GHz. Nessas frequências há muito menos ruídos e muito mais largura de banda Padrão IEEE O padrão IEEE foi terminado em outubro de 2001 e publicado em 8 de abril de Oficialmente o padrão é chamado de interface aérea para sistemas fixos de acesso sem fio de banda larga (Air Interface for Fixed Broadband Wireless System). Esse padrão define as funcionalidades adicionais na camada física,

23 23 especificação da interface aérea e as mudanças na camada de controle de acesso ao meio para redes sem fio metropolitanas. O funcionamento do WiMAX depende basicamente de uma estação base e de estações terminais que recebem sinal da estação base. Essas estações terminais são conhecidas também como CPE (Customer Premises Equipment), conforme mostra a figura 5 a seguir. A estação base geralmente se localiza no centro das estações terminais a fim de fornecer cobertura de 360 graus, para isso possuem antenas com feixes relativamente largos. Figura 5 - Componentes de uma rede Arquitetura IEEE Nas redes WiMAX são definidos dois elementos: o BB (Base Station Estação Base) e o SS (Subscriber Station), que podem ser encontrados também como CPE. Logo abaixo a figura 6 apresenta a arquitetura do Figura 6 - Arquitetura do padrão IEEE

24 24 A estação base (BS) realiza conexão entra a rede sem fio e a rede núcleo especificada na figura como core network, suportando interfaces ATM, IP, Ethernet ou E1/T1. Para o usuário acessar a rede, a SS utiliza uma conexão com a estação base por intermédio de uma topologia Ponto-Multiponto. Outra topologia que é utilizado no padrão é a topologia Mesh (malha), na qual uma SS pode se comunicar com outra SS antes de chegar à estação base. A transmissão de dados da estação base para a SS é chamado de downlink e o caminho inverso é chamado de uplink. Na transmissão downlink só existe um transmissor e o protocolo MAC é bastante simples; já no uplink existem vários assinantes tentando acessar resultando num protocolo mais complexo Pilha de protocolos do padrão IEEE A pilha de protocolos não se diferencia muito das pilhas de protocolos dos padrões 802, mas tem um número maior de camadas. Uma das diferenças é a camada de convergência e transmissão que é utilizada para ocultar as diferentes tecnologias da camada de enlace de dados. A figura 7 a seguir ilustra a pilha de protocolos do padrão (Tanenbaum, 2003). Figura 7 - A pilha de protocolos do Na pilha de protocolos, como se pode observar na figura 7, a camada de enlace de dados apresenta três subcamadas: subcamada de segurança, parte comum da subcamada MAC e subcamada de convergência de serviços específicos. Subcamada de segurança: cuida da criptografia, da descriptografia e do gerenciamento de chave que é bem mais importante para redes públicas externas do que para redes privadas internas (Tanenbaum, 2003). Parte comum da subcamada MAC: são encontrados os principais protocolos como o de gerenciamento de canais e a estação base que controla o

25 25 sistema. É ela que controla os canais de downstream e upstream. A subcamada MAC é completamente orientada a conexões, com o objetivo de garantir ótima qualidade de serviço para telefonia e multimídia (Tanenbaum, 2003). Subcamada de convergência de serviços específicos: substitui a camada de enlace lógico, que define a interface à camada de rede (Tanenbaum, 2003) Camada Física do IEEE Uma rede sem fio de banda larga para funcionar bem precisa de uma grande fração do espectro, e na faixa de 10 a 66 GHz é onde podemos encontrar essa tal fração (Tanenbaum, 2003). Essas ondas milimétricas trafegam de maneira muito parecida com as ondas da luz, em linha reta, e por isso, a estação base pode ter várias antenas, cada uma apontando para um lado do terreno ao seu redor. Cada lado terá seus próprios usuários e é bastante independente dos lados adjacentes. Figura 8- O ambiente de transmissão do O padrão utiliza três esquemas de modulação devido à perda significativa da intensidade do sinal na banda milimétrica em relação à distância da estação base. Como mostrado na figura 8 pode-se observar que para clientes próximos a base é usada a modulação QAM-64 (Quadrature Amplitude Modulation - Modulação por amplitude em Quadratura), com 6 bits/baud. Em um cliente que está a média distância é usada a modulação QAM-16, com 4 bits/baud. Já para assinantes que ficam muito distantes da estação base é usada uma modulação

26 26 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying chaveamento por deslocamento de fase quadratura), com 2 bits/baud (Tanenbaum, 2003). Quanto mais distante o cliente estiver da base menor será a taxa de dados oferecida pela modulação. O padrão utiliza dois esquemas mais flexíveis para alocar a largura de banda, a FDD (Frequency Division Duplexing duplexação por divisão de frequência) e TDD (Time Division Duplexing duplexação por divisão de tempo). No TDD a estação base transmite quadros os quais são divididos por slots de tempo. Os primeiros slots se destinam para o tráfego downstream, em seguida há um slot usado pelas estações para comutar o sentido e no final do quadro há slots para o tráfego upstream. A seguir a figura 9 mostra os quadros e slots de tempo do TDD (Tanenbaum, 2003). Figura 9 - Quadros e slots de tempo para duplexação por divisão de tempo

27 27 A estação base tem o controle total do tráfego downstream que é mapeado em slots de tempo. Já o tráfego upstream é mais complexo e depende da qualidade de serviço exigida. A camada física do tem um recurso que aumenta a eficiência espectral, reduzindo o número de preâmbulos e cabeçalhos da camada. Esse recurso é a habilidade da camada física para reunir vários quadros MAC enfileirados em uma única transmissão física (Tanenbaum, 2003). Em um ambiente de banda larga são esperados tantos erros de transmissão que a correção de erros é feita na camada física. A camada física utiliza códigos de Hamming para fazer tais correções antecipadamente. Tudo isso, para fazer com que o canal pareça melhor do que realmente é (Tanenbaum, 2003) O protocolo da subcamada MAC do padrão IEEE Na subcamada MAC cada quadro possui subquadros nos quais os dois primeiros são os mapas downstream e upstream. Esses quadros ocupam um slot inteiro de tempo da camada física. Os mapas downstream e upstream informam o que há dentro de cada slot de tempo e se eles estão ocupados ou livres. Quando novas estações são conectadas no sistema o mapa downstream fica encarregado de informá-los, pois possui vários parâmetros do sistema (Tanenbaum, 2003). No canal downstream quem decide o que vai inserir em cada subquadro é a estação base. Já no canal upstream existem assinantes concorrentes não coordenados que precisam de acesso ao canal, tornando o mapa upstream um pouco mais complicado do que o downstream. No mapa upstream a inserção depende muito da qualidade de serviço oferecida pelo sistema. São definidas quatro classes de serviço: serviço de taxa de bits constante, serviço de taxa de bits variável de tempo real, serviço de taxa de bits variável de tempo não real e serviço de melhor esforço (Tanenbaum, 2003). Serviço de taxa de bits constante: esse serviço se destina à transmissão de voz não compactada onde os dados enviados são predeterminados a intervalos de tempo predeterminados. Quando a largura de banda está ocupada, automaticamente são liberados os slots de tempo.

28 28 Serviço de taxa de bits variável de tempo real: esse serviço é destinado a aplicações multimídia e a aplicações de software de tempo real onde pode ocorrer a variação da largura de banda. A estação base consulta o assinante para saber a largura de banda necessária em cada momento. Essas consultas são feitas em intervalos fixos. Serviço de taxa de bits variável de tempo não real: destinado à transferência de grandes arquivos que necessita de transmissão pesada e de tempo não real. Nesse serviço o assinante é consultado com frequência pela estação base, mas não efetua o polling a intervalos de tempo prescritos com rigidez. Serviço de melhor esforço: Nesse serviço nenhum polling é feito e se destina a todos os outros casos. O assinante disputará a largura de banda com outros assinantes do serviço de melhor esforço. No mapa upstream as solicitações de largura de banda são marcadas como disponíveis para disputa nos slots de tempo. Para minimizar colisões de solicitação de banda é usado o algoritmo de recuo binário exponencial da Ethernet Padrão a Este padrão foi aprovado em janeiro de 2003 e utiliza uma frequência de 2 a 11 GHz. A sua taxa de transmissão vai até 75 Mbps, utiliza canais de 20 MHz e antenas NLOS (Non Line Of Sight) sem linha de visada (VIVASEMFIO.com) Padrão d Este padrão foi o resultado do aprimoramento das tecnologias anteriores e foi aprovado em junho de 2004, tornando as outras tecnologias ultrapassadas. O padrão d, é também conhecido por WiMAX Nomádico, e seus primeiros equipamentos foram homologados no começo de O d não faz handoff entre as ERBs (Estação Rádio Base) em altas velocidades. Sua frequência é de 2 a 11 GHz, taxa de transmissão de até 75 Mbps e utiliza canais de 20 MHz como no padrão a. Em ambientes sem linha de visada este padrão tem um alcance de 8 a 12 Kms e em ambientes com linha de visada chega a oferecer de 30 a 40 Kms de cobertura (VIVASEMFIO.com).

29 Padrão e O padrão e também conhecido como WiMAX Móvel, foi ratificado no final de Este padrão ao contrário do d, é capaz de efetuar handoff entre ERBs em altas velocidades, velocidade esta de até 150 quilômetros por hora. A sua principal desvantagem é que com essa mobilidade são necessários a utilização de canais de 5MHz e que pode chegar a taxas de transmissão em torno de 15Mbps (VIVASEMFIO.com) Comparação entre IEEE e Os ambientes em que os padrões e operam são similares em muitos caminhos, mas também há muitas diferenças. Primeiramente foram designados para oferecer uma elevada largura de banda na comunicação sem fio. Entretanto, o padrão oferece serviço para edifícios nos quais não são móveis, enquanto mobilidade é fundamental no padrão A tecnologia foi desenvolvida para atuar em ambientes privados (rede local) oferecendo maior mobilidade à rede cabeada enquanto o padrão foi desenvolvido para oferecer banda larga sem fio a regiões metropolitanas (Tanenbaum, 2003). Observa-se na tabela 2 a seguir, que o alcance do padrão IEEE é bem inferior ao IEEE e a segurança do padrão IEEE é bem superior ao seu sucessor. Tabela 2 - Comparação entre IEEE e IEEE IEEE IEEE Aplicação Inicial LAN sem fio Acesso a banda larga sem fio (BWA) Taxa de Transmissão 54Mbps (canal de 20 MHz) 100Mbps (canal de 20 MHz) Alcance Otimizado para 100m Até 50Kms QoS Nenhum QoS para voz e vídeo, diferenciação de serviços Cobertura Otimizada para NLOS indoor LOS e NLOS Otimizada para NLOS outdoor Segurança i Triple-DES, RSA Níveis de Serviço Nenhum Diferentes níveis de serviço oferecem suporte a requisições diferenciadas de largura de banda

30 30 Protocolo de Acesso CSMA/CA (802.11b/802.11a/802.11g) Request/Grant (802.16a) Usuários Centenas Milhares Outra diferença entre o padrão IEEE e IEEE é a existência de QoS para controlar a qualidade de serviço da rede, ajudando muito a organizar o tráfego na rede definindo prioridades e limites. O não foi projetado para suportar telefonia e uso pesado de multimídia ao contrário do padrão que dá suporte a todas essas aplicações. O oferece banda para parte de uma cidade, as distâncias podem ser de vários quilômetros e por isso a potência na estação base pode variar de estação pra estação. Outro ponto que devemos ressaltar é a segurança e a privacidade no por oferecer banda larga pra uma grande área aberta. Nesse padrão ainda se espera que cada célula tenha muito mais usuários que uma célula típica e que cada usuário utilize uma largura de banda maior que no É por essa razão que o padrão opera na faixa de frequências de 10 a 66 GHz, pois necessita de mais espectros que as bandas ISM podem oferecer Aplicação WiMAX Há agências bancarias utilizando WiMAX como por exemplo o Bradesco, que interligou três unidades com a sede em Osasco, na grande São Paulo, para teste. Agora mais quatorze agências serão ligadas ao sistema central do Bradesco já que as outras três teve resultados excelentes. A Embratel levou o WiMAX a 12 capitais brasileiras, onde oferecerá o serviço coorporativo. O objetivo da Embratel não é fornecer banda larga a residências, pois a tecnologia 3G está em vantagem, e sim oferecer banda larga para pequenas e médias empresas localizada na área de cobertura das antenas WiMAX. Diz a Embratel que os investimentos na rede somarão R$ 175 milhões. A segunda etapa do projeto da Embratel é levar banda larga a mais 49 municípios instalando 1018 rádios ERB para cobrir toda a área desejada (ZMOGINSKI, 2008). Nos Estados Unidos, a marca Chrysler irá começar a montagem de carros com GPS e WiMAX integrados. O motorista receberá informações do trânsito, previsão do tempo, imagens, s, compromissos e opções de compra online

31 31 (Plantão Info, 2008). Na figura abaixo se observa como é o WiMAX hoje e como será no futuro. Hoje é preciso intermediar a conexão da antena WiMAX aos computadores pelo modem que na figura está como CPE (Customer Premises Equipment). No futuro os notebooks, computadores, carros e qualquer aparelho que tenha conexão com a internet virá com uma placa para conexão com WiMAX sem precisar passar pelo modem, como pode ser observado na figura 10 abaixo. Figura 10 - WiMAX hoje e no futuro Outra implantação do WiMAX muito interessante foi na beira do rio Amazonas na cidade de Parintins, 420 quilômetros de Manaus. A rede WiMAX montada nessa cidade conecta um centro de saúde, escolas públicas, um centro comunitário e a universidade do Amazonas. Foram colocadas quatro antenas WiMAX e até o final do ano a previsão é de colocar mais 25 antenas para atender inclusive as regiões rurais, mais afastadas da cidade (Plantão Info, 2008). A Worldmax, um operadora holandesa, está oferecendo a rede WiMAX com velocidade mínima de 2 Mbps a um custo de 20 euros, aproximadamente R$ 52,00. Por enquanto a área de cobertura da rede é apenas no centro da cidade de Amsterdã, mas a operadora pretende cobrir toda a cidade. A única restrição do WiMAX para a operadora, é que para cobrir o país todo com a conexão, levaria aproximadamente 12 meses, é como se montasse toda a rede de celulares da Holanda novamente (ZMOGINSKI, 2008).

32 32 3. METODOLOGIA 3.1. Classificações do trabalho Trata-se de uma pesquisa exploratória, cujo objetivo é proporcionar maior familiaridade com os protocolos e , com vista a torná-los mais explícitos. Quanto ao tipo procedimental e ao objeto adotado, a pesquisa foi classificada como bibliográfica e documental, pois foi realizada uma pesquisa intensa sobre o assunto em livros, monografias, artigos científicos, apostilas, papers e outros materiais disponíveis que continham informações sobre o assunto abordado neste trabalho. Para Lênin apud Minayo (1994, p. 17), o método é a alma da teoria, distinguindo a forma exterior com que muitas vezes é abordado tal tema (como técnicas e instrumentos) do sentido generoso de pensar a metodologia como articulação entre conteúdos, pensamentos e existência. Dilthey apud Minayo (1994, p. 17) pondera que o método é necessário por causa de nossa mediocridade. Para sermos mais generosos, diríamos, como não somos gênios, precisamos de parâmetros para caminhar no conhecimento. Porém, ainda que simples mortais, a marca de criatividade é nossa grife em qualquer trabalho de investigação. Segundo Lakatos e Marconi (2004, p. 83), não há ciência sem o emprego de métodos científicos. Sendo assim, a metodologia a ser aplicada no presente estudo será o método dedutivo, onde a partir de uma situação geral, procurou-se particularizar a conclusão a respeito do tema proposto. Segundo Gil (2002, p.41) pode-se dizer que estas pesquisas têm como objetivo principal o aprimoramento de ideias ou a descoberta de intuições. Seu planejamento é, portanto, bastante flexível, de modo que possibilite a consideração dos mais variados aspectos relativos ao fato estudado. Na maioria dos casos, essas pesquisas envolvem: (a) levantamento bibliográfico; (b) entrevistas com pessoas que tiveram experiências práticas com o problema pesquisado; e (c) análise de exemplos que estimulem a compreensão.

33 33 Foram efetuados também estudos de casos para demonstrar as aplicações do WiMAX ao nosso meio Planos de Pesquisa Escrever sobre a tecnologia WIMAX; Falar sobre seus aspectos gerais, vantagens e desvantagens; Fazer comparação entre as tecnologias WI-FI e WIMAX; Conhecer mais as frequências e taxas de transferências usadas na tecnologia WIMAX; Analisar custo/beneficio.

34 34 4. DISCUSSÕES E RESULTADOS 4.1. Questionário aplicado Para a realização da pesquisa e coleta dos dados foi utilizado o seguinte questionário abaixo, que foi submetido aos responsáveis pela Tecnologia da Informação das Faculdades Uniplan. 01- Qual a tecnologia de acesso a Internet que a Uniplan possui? 02- A Uniplan possuem quantos campos no Distrito Federal? 03- Qual a tecnologia utilizada para interligação dos Campus? 04- Cada Campus tem um link de acesso a Internet ou a saída é única? 05- Qual o custo mensal para acesso a Internet? 06- Qual a velocidade de acesso? 07- Qual o custo para interligação dos Campus? 08- Possui algum tipo de acesso por VPN (Rede Privada)? 09- Caso positiva a resposta anterior, qual o tipo de protocolo usado para realização de VPN? 10- Qual a velocidade de interligação dos Campus? Como o questionário não foi respondido, não foi possível obter os dados reais para a realização da pesquisa. Baseado nos motivos acima especificados, serão utilizados alguns valores fictícios como referência para demonstrar as vantagens na utilização da tecnologia WiMAX para interligação de escritórios a longa distância Desenvolvimento da pesquisa Será utilizada como referência a velocidade de acesso a Internet de 10 Mbps, pois um dos provedores de serviço utilizado como referência no trabalho, só disponibiliza em seu site os valores para acesso na tecnologia ADSL até esta velocidade.

35 35 Figura 11 - Valores disponibilizados no site da Oi no dia 01 de dezembro de Figura 12 - Valores disponibilizados no site da GVT no dia 01 de dezembro de Suponhamos que a Uniplan possua dois acessos a Internet em cada Campus, sendo um restrito aos servidores para acesso a Internet e interligação das Unidades e outro para disponibilizado para acesso à Internet aos usuários e alunos. Conclui-se que a Uniplan tem um custo mensal em cada Unidade, na empresa OI/Brt de R$ 99,90 (Noventa e nove e noventa) mais um acréscimo de R$ 30,00 para disponibilização de um IP fixo, totalizando R$ 129,90 (Cento e vinte nove e noventa), se o serviço contrato for na empresa GVT o custo será de R$ 94,90

36 36 (Noventa e quatro e noventa) mais um acréscimo de R$ 50,00 (Cinquenta reais) totalizando um gasto mensal de R$ 144,90 (Cento de quarenta e quatro e noventa), como a faculdade possui dois link em cada Unidade o custo mensal será de R$ 229,80 (Duzentos e vinte e nove e noventa), e na empresa GVT o custo mensal será de R$ 239,80 (Duzentos e trinta e no reais e oitenta centavos). Para estimativa de custo recurso financeiro foi utilizado apenas um link com IP fixo, pois foi considerado que não há necessidade deste recurso no link de Internet para acesso dos alunos e usuários da Uniplan. Para a elaboração deste trabalho foi utilizado como base para o estudo a interligação das unidades da Uniplan com sede no Distrito Federal, atualmente existem 2 (dois) campus, um instalado na Asa Sul e outro em Águas Claras, conforme informado no site da Uniplan ( Figura 13 - Unidades da Uniplan no DF

37 37 A distância aproximada entre os dois Campus é de 11,3 Km (Onze kilometros e 300 metros), medido em linha reta com visada direta. Figura 14 - Caminho direto entre os Campus da Uniplan DF

38 38 O Campus de Águas Claras encontra-se em uma atitude de aproximadamente 1.190m (um mil cento e noventa metros), e o Campus da Asa Sul encontra-se a uma altitude de aproximadamente 1.127m (mil cento e noventa e sete metros), possuindo de diferença de altitude de altitude e aproximadamente de 63 m (Sessenta e três metros). Figura 15 - Perfil de elevação do Campus da Uniplan Águas Claras Figura 16 - Perfil de elevação do Campus da Uniplan Asa Sul

39 39 Para a extração das imagens e informações de distâncias e elevações foi utilizado como referência o software Google Earth na versão (beta) com data de compilação em 10/29/2012. Figura 17 - Tela de Informações do Software utilizado para distâncias e elevações

40 40 Identificado que é possível a interligação das Unidades utilizando tecnologia Wimax, foi iniciado um estudo para identificar qual a melhor frequência a ser utilizada para esta transmissão, dentre as frequências abaixo informadas no site da Teleco: Faixa de Frequência 2,5 GHz 3,5GHz 5,8 GHz 10,5 GHz Tabela 3 - Frequências Wimax no Brasil Características Frequência licenciada. Esta é a melhor frequência disponível para WiMAX no Brasil. É a mais baixa, então teremos os melhores alcances, exigindo uma menor quantidade de estações rádio-base para cobrir uma determinada área. Hoje em poder das empresas de MMDS. Alcance com Linha de Visada (LOS) = km Alcance sem Linha de Visada (NLOS) = 9 10 km Frequência licenciada. Esta é a frequência disponível para WiMAX no Brasil, utilizada pelas operadoras e prestadoras de serviço de telecomunicações. Alcance com Linha de Visada (LOS) = km Alcance sem Linha de Visada (NLOS) = 6 7 km Frequência NÃO licenciada. Esta é a frequência LIVRE disponível para WiMAX no Brasil, podendo ser utilizada por qualquer empresa prestadora de serviços. Por ser não licenciada, existe a possibilidade de interferências e congestionamento de frequências em áreas de grande densidade. É importante, pois não exige gastos com a aquisição de licenças, o que pode viabilizar o plano de negócio de muitas áreas no Brasil. Alcance com Linha de Visada (LOS) = 7 8 km Alcance sem Linha de Visada (NLOS) = 3 4 km Frequência licenciada. Não existem ainda equipamentos de WiMAX para cobertura desta frequência. O principal motivo é a necessidade de microcélulas, pois o poder de cobertura em grandes distâncias nesta frequência é baixo. Futuramente poderá se tornar uma alternativa, quando houver um esgotamento de banda em frequências mais baixas e uma proliferação do conceito de WiMAX. Referência: CDMA vs OFDM do Dailywireless. Os valores acima especificados foram extraídos de estudos práticos com antenas comuns, porém o fabricante dos equipamentos garante distâncias maiores com a utilização de antenas com melhores qualidades.

41 41 A frequência utilizada para a interligação foi a de 5,8 GHz, por se tratar de uma frequência não licenciada, livre no Brasil, não gerando custos para a utilização, reduzindo com isso custos na implantação. Após definida a frequência de trabalho, foi realizado um novo estudo para verificar quais as antenas poderiam ser utilizadas para a interligação dos Campus. Após uma ampla pesquisa de vários fabricantes foi verificado que a antena que melhor atendia as especificações necessárias garantindo velocidade e desempenho durante as transmissões de dados, foi a antena Ubiquiti Airgrid M5 5,8 GHz AGM dbi, disponível nas lojas da D antenas ao custo de R$ 350,00 (Trezentos e cinquenta reais). Figura 18 - Antena adotada no estudo para interligação das Unidades Soluções do CPE de BreakthroughComplete AirMax do preço/desempenho. A tecnologia pendente de TechnologyUtilizing InnerFeed da antena de InnerFeed da patente, a série nova de AirGrid M representa a evolução de dispositivos sem fios de faixa larga ao ar livre. Termine a antena e a integração de sistema de rádio fornece soluções revolucionárias do custo/desempenho a indústria de faixa larga