Redes Sem Fio Metropolitanas Baseadas No Padrão : Um Estudo de Caso Para Belém-PA

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1 Redes Sem Fio Metropolitanas Baseadas No Padrão : Um Estudo de Caso Para Belém-PA Mônica F. da Silva 1, Jeferson Câmara 1, Antônio J. G. Abelém 1, Michael A. Stanton 2 1 -Departamento de Informática - Universidade Federal do Pará (UFPA) - Caixa postal Belém - Pará Brasil 2 -Instituto de Computação Universidade Federal Fluminense (UFF) Rua Passo da Pátria, 156, bloco E, sala 350, Niterói RJ, Brasil bccmonica@gmail.com, jefersoncamara@yahoo.com.br, abelem@ufpa.br, michael@ic.uff.br Abstract. The necessity of wireless networks already has been felt a long time ago in sight of limitations imposed by the wired networks, mainly related to the increasing necessity of flexibility of the current network projects. In association to this necessity, also is observable a crescent demand for data transmissions that supply the current multimedia applications requirements, just as a larger bandwidth and a greater number of users attended on larger distances. In this context, the wireless metropolitan area networks are one solution that allies the flexibility, common in wireless networks, with the possibility of reaching a greater number of users. This paper investigates the Standard and analyses its use for Belém-PA. Resumo. A necessidade de uso redes sem fio já é sentida há muito tempo em vista das limitações impostas pelas redes cabeadas, principalmente quanto à crescente necessidade de flexibilidade que tem atingido os atuais projetos de rede. Aliada a essa necessidade de flexibilidade, observa-se também uma crescente demanda por transmissões que atendam os requisitos das atuais aplicações multimídia, tais como maior largura de banda, restrições de atraso e atendimento de um grande número de usuários a longas distâncias. Neste contexto, as redes sem fio metropolitanas apresentam-se como uma solução que alia flexibilidade, comum nas redes sem fio, com a possibilidade de atendimento de um grande número de usuários. Este artigo investiga o padrão e analisar a viabilidade do uso dessa tecnologia para a região metropolitana de Belém-PA. XXXII SEMISH 1930

2 1. Introdução Na sociedade de hoje a necessidade de comunicação tornou-se um fator fundamental para empresas e instituições de ensino, assim como para usuários residenciais. Nesse cenário, as redes de computadores exercem grande influência, pois além da interligação de pessoas, permitem disseminar a informação numa velocidade antes não imaginada. Entretanto, este acesso à informação ainda está longe de ser o ideal. Muitos locais, por serem bastante remotos, e por não contarem com uma infra-estrutura adequada, não conseguem obter acesso a redes de computadores, como a Internet, criando uma legião de excluídos digitais. A tecnologia sem fio, muito conhecida atualmente no ramo da telefonia celular, teve grande aceitação na aplicação em redes de computadores locais devido à flexibilidade permitida para a instalação de computadores em virtude de não utilizarem cabos e, portanto, não necessitarem de uma infra-estrutura física para a instalação. Entretanto, apesar dos grandes benefícios trazidos, as redes sem fio locais têm como grande restrição a sua pouca largura de banda e a sua conseqüente falta de suporte a aplicações robustas como voz e vídeo, além de atingirem poucas distâncias e poucos usuários. Diante deste cenário, as redes sem fio metropolitanas satisfazem as atuais necessidades dos projetos de rede, pois permitem transmitir dados em taxas mais elevadas que as redes locais, atingir mais usuários e alcançar maiores distâncias, eliminando antigas barreiras físicas para o acesso às redes. Estas características tornam as redes sem fio metropolitanas um importante agente no processo de disseminação do acesso à informação. Este artigo investiga as características do padrão IEEE [1], responsável por especificar o funcionamento de redes sem fio metropolitanas, e analisa a viabilidade do uso dessa tecnologia em um cenário real. Será apresentado um estudo de caso para a região de Belém, juntamente com uma comparação com outro tipo de rede metropolitana, baseada em fibra óptica. Além desta seção introdutória, o artigo é composto de mais quatro seções. Na Seção 2 são descritas as características das redes sem fio metropolitanas e o padrão IEEE A Seção 3 descreve o cenário de aplicação da solução e as possibilidades de interferências. A seção 4 apresenta o estudo de caso para Belém. A seção 5 conclui o estudo e apresenta sugestões para trabalhos futuros. 2. Redes Sem Fio Metropolitanas As redes sem fio metropolitanas podem também ser chamadas por redes sem fio de banda larga [2]. O termo banda larga sem fio (wireless broadband) refere-se, neste contexto, a transmissão de dados em alta velocidade ocorrida dentro de uma infraestrutura de pontos fixos, incluindo tanto os terminais de assinantes quanto os servidores de serviço. A tecnologia de banda larga sem fio se apresenta como um competidor para fibra óptica, para a infra-estrutura física da maioria das operadoras de TV de cabo (composta de fibra e cabo coaxial), para a tecnologia DSL, e, em uma extensão muito menor, para a banda larga por satélite. XXXII SEMISH 1931

3 Embora a banda larga já esteja disponível por um bom tempo, o acesso ainda é limitado. No final de 2002, as estatísticas mostravam que somente 46 milhões de assinantes no mundo inteiro tinham acesso à banda larga e, nos Estados Unidos, somente 17 por cento das residências estavam conectadas [2]. O problema principal não está na demanda, mas sim na maneira como o acesso é fornecido. Conexões DSL ou a cabo são limitadas porque os clientes muitas vezes: Estão fora da área onde os serviços de DSL são oferecidos; Não fazem parte de uma infra-estrutura residencial a cabo; Acham que a conexão é muito cara. Com a banda larga sem fio, essas barreiras deixam de existir. Por causa da sua natureza sem fio, a distribuição é mais rápida, o escalonamento é mais fácil e mais flexível, podendo atender aos clientes que estão fora da faixa de serviços cabeados ou que não estão satisfeitos com as alternativas existentes de banda larga com fio. Alguns padrões industriais governam o projeto e o desempenho dos equipamentos de banda larga sem fio, como o ETSI HiperMAN [3] e o desenvolvido pelo Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) O Padrão IEEE O padrão IEEE , terminado em 2001 e aprovado em 8 de abril de 2002, define, entre outras características, a especificação da interface aérea, as funcionalidades adicionais na camada física e as mudanças na camada de controle de acesso ao meio para redes sem fio metropolitanas, também denominadas como sistemas fixos sem fio de banda larga [1]. O sistema baseado no padrão é basicamente composto de uma estação base e de estações terminais, conhecidas também como CPE (Customer Premises Equipment), como ilustrado na Figura 1. A estação base é o local central que coleta todos os dados de e para as estações terminais dentro de uma célula. As estações base possuem antenas com feixes relativamente largos, divididos em um ou vários setores a fim de fornecer uma cobertura de 360 graus. Uma unidade de assinante ou CPE consiste basicamente de uma unidade externa com um radio e uma antena conectados a uma unidade interna, basicamente um modem, que faz a interface com o usuário final. Figura 1. Ilustração dos componentes de uma rede típica. XXXII SEMISH 1932

4 A primeira versão do padrão foi destinada para ambientes com visada direta (ver Figura 2), operando em bandas de freqüência elevadas abrangendo a faixa de 10-66Ghz. Em 2003 foi concluída uma variação do padrão, o padrão a [4], projetado para sistemas operando em bandas de freqüência entre 2Ghz e 11Ghz. A maior diferença entre essas duas bandas de freqüência está na capacidade de suportar a falta de visada direta nas freqüências mais baixas (2-10Ghz), algo que não é possível nas bandas de freqüência mais elevadas (10-66Ghz). Além disso, o padrão original permite a operação apenas em bandas de freqüência licenciadas, já a variação do padrão permite tanto a operação em bandas licenciadas quanto em bandas não licenciadas. Figura 2. Ilustração de cenário com visada direta [6]. O padrão da IEEE é caracterizado por suas altas taxas transferência de dados, transmitindo a 134,4 Mbps, em bandas licenciadas, e a 75 Mbps em bandas não licenciadas [2]. Um ponto diferencial do padrão IEEE é que a interface aérea foi projetada para transmitir dados ou tráfego multimídia que necessitam de alto suporte de qualidade de serviço (QoS). O padrão é completamente orientado a conexões a fim de garantir qualidade de serviço para a comunicação de telefonia e de multimídia, as quais não admitem atrasos. O padrão IEEE emprega um sistema de modulação adaptativa, com a utilização de três esquemas de modulação diferentes, quais sejam, QAM-64, QAM-16 e QPSK. Nesse sistema, o esquema de modulação do sinal é ajustado dependendo da condição do canal [5]. Quando o canal de rádio é de alta qualidade, é usado o esquema de modulação mais elevado (QAM-64). Quando ocorre a atenuação do sinal, o padrão pode alterar o esquema de modulação para QAM-16 ou QPSK a fim de manter a qualidade da conexão e a estabilidade do canal. A Tabela 1 apresenta uma comparação entre as características principais do padrão IEEE com a sua variação, o padrão IEEE a. XXXII SEMISH 1933

5 Tabela 1. Comparação entre o Padrão e o a a Completado Dezembro de 2001 Janeiro de 2003 Espectro de freqüência GHz 2-11 GHz Condições do canal Apenas visada direta Suporta a falta de linha de visada Taxa de transferência ,4 Mbps 1-75 Mbps Modulação QAM-64, QAM-16, QPSK - Single Carrier Duplexação TDD/FDD TDD/FDD Largura de banda do canal QAM-64, QAM-16, QPSK - Single Carrier - OFDM , 25 e 28 MHz Largura de banda do canal flexível entre 1.25 e 20 MHz Mobilidade Fixa Fixa Conforme observado na Tabela 1, o padrão a suporta a falta de visada direta, algo que não é permitido no padrão Entretanto, a taxa de transmissão do padrão é consideravelmente maior que a do padrão a. É importante observar também que ambos os padrões são sistemas fixos, onde a mobilidade dos assinantes da rede não é permitida. Além disso, ambos os padrões permitem o esquema de modulação adaptativa. O padrão originalmente proposto suporta uma topologia ponto-multiponto em que cada estação base comunica-se com até centenas de estações estacionárias de usuários. Já a variação do padrão (802.16a) suporta também a topologia em malha (mesh) na qual além da comunicação da estação base aos assinantes, há também a comunicação assinante para assinante, permitindo que o sinal seja roteado entre os diversos usuários da rede, conforme ilustrado na Figura 3. Figura 3. Ilustração de cenário para uma rede a. XXXII SEMISH 1934

6 2.2. O WiMax A organização sem fins lucrativos WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access Forum) foi criada pela Intel e por outras empresas líderes de equipamentos e componentes de comunicação para impedir que os problemas de interoperabilidade encontrados no padrão IEEE aconteçam novamente nos equipamentos do padrão A organização WiMax tem a meta de ajudar a promover e certificar a compatibilidade e interoperabilidade dos equipamentos de banda larga sem fio. WiMax é o nome normalmente associado aos padrões IEEE a/REVd/e. O IEEE REVd, agora publicado com o nome de IEEE , introduz suporte para CPE indoor (NLOS), que são equipamentos utilizados em ambientes fechados e que não necessitam de visada direta, e a variação IEEE e introduzirá suporte para mobilidade [6]. 3. Descrição do Cenário Em qualquer projeto de implementação de rede, há dois pontos fundamentais que devem ser avaliados: o ambiente físico em que será implementada a rede e os custos envolvidos no projeto. No caso das redes cabeadas, a análise do ambiente físico está relacionada basicamente com a distância máxima de alcance dos fios e com a infraestrutura para a passagem dos cabos, entretanto, nas redes sem fio essa análise está intimamente relacionada com os obstáculos no trajeto do sinal de rádio. O Cenário proposto neste artigo é o de implementação de uma rede sem fio metropolitana para a cidade de Belém. A cidade de Belém é caracterizada pelos aspectos naturais peculiares da região amazônica como a incidência constante de chuvas, o número elevado de árvores e as construções relativamente baixas. Todos esses aspectos irão influenciar na propagação do sinal de rádio e devem ser previamente analisados A Região de Belém Belém, maior cidade da Amazônia, com pouco mais de km 2, fica localizada no extremo norte do País, no estado do Pará, exatamente na confluência das baías de Guajará e Marajó, estando situada a aproximadamente 160 quilômetros da linha do Equador. Sua população é de habitantes e sua área é de ,30 hectares, sendo que dois terços de seu território são formados por ilhas. Belém é conhecida também como Cidade das Mangueiras, devido à grande quantidade de mangueiras encontrada em suas ruas. A altura média das árvores na cidade de Belém é de aproximadamente 20 metros. O clima da região é quente e úmido com um alto índice de chuvas. A temperatura mínima atingida na cidade é de aproximadamente 25 C, nas madrugadas, enquanto que a temperatura máxima pode chegar perto dos 40 C, especialmente entre julho e novembro [7]. Em relação ao solo, cabe salientar que a cidade de Belém, ao menos para os seus próprios moradores, sempre teve a má fama de ter um tipo de solo impróprio para grandes edifícios. Entretanto, verifica-se que nos últimos anos, essa barreira está sendo superada com a construção de novas edificações bem elevadas (em torno de 30 a 40 XXXII SEMISH 1935

7 andares), apesar de ainda estarem muito longe dos grandes prédios de outras cidades do País. Além dessa característica do terreno, cabe salientar que a região de Belém não possui grandes elevações com montanhas ou morros, apresentando apenas desnivelamentos em diversos pontos da cidade Análise das Interferências na Área de Belém Pensar em uma infra-estrutura de rede que suporte vários usuários e com uma grande área de cobertura traz logo a idéia de limitações, principalmente orçamentárias. Entretanto, além do aspecto financeiro, deve-se levar em conta também as limitações geográficas, que podem ser determinantes dependendo da topografia da cidade. Como mencionado anteriormente, a maioria das construções em Belém não são muito elevadas. Tal característica tende a ser negativa para implantação de antenas (e/ou estação base) e consequentemente para propagação do sinal uma vez que a visada direta teria dificuldades de ser conseguida. Construções importantes como órgãos públicos e universidades, que seriam clientes potenciais para a implementação de redes sem fio metropolitanas, também tendem a ser construções de pouca estatura, com crescimento basicamente horizontal, como é o caso da Universidade Federal do Pará (UFPA), da Universidade do Estado do Pará (UEPA) e da Universidade Federal Rural da Amazônia (UFRA), entre outras. Considerando as características das construções em Belém, seria necessário que a estação base estivesse situada em um local bastante elevado para conseguir uma visada direta das construções existentes na cidade, entretanto, como já foi dito a cidade não possui montanhas ou grandes elevações para a fixação da estação base. Diante desse quadro, uma alternativa seria operar a rede com equipamentos que não necessitem de visada direta, dessa forma, todas as pequenas construções conseguiriam captar o sinal, eliminando a necessidade e a preocupação de se construir uma torre muito alta. Pela natureza do clima de Belém, caracterizado pela grande incidência de chuvas, a possibilidade de interferências em uma rede sem fio metropolitana é muito grande. As ondas de rádio que operam na faixa de 10 a 60 GHz são conhecidas como ondas milimétricas e têm como principal característica o fato de serem absorvidas pela chuva [8]. Desta forma, seria preferível para Belém a utilização do padrão a que opera em faixas de 2 a 11GHz, minimizando os efeitos da absorção das ondas pela chuva. Outro aspecto que deve ser analisado é o fato de que as ondas de rádio em contato com outras superfícies tendem a sofrer absorção, e no caso em estudo, a grande quantidade de árvores na cidade de Belém pode provocar perdas significantes. Além disso, as árvores, à medida que crescem, podem gerar situações imprevisíveis de falta de visada direta. Dessa forma, diante das características da cidade de Belém, que resultam em uma dificuldade de se estabelecer visada direta entre as antenas da estação base e dos usuários da rede, conclui-se que o padrão que melhor se adapta à cidade é o a que permite a comunicação sem visada direta. 4. Estudo de Caso Para Belém-Pa O projeto de rede sem fio metropolitana proposto para a cidade de Belém irá abranger os grandes centros de tecnologia e pesquisa da região da grande Belém. O principal objetivo é interligar as instituições de pesquisa e educação (IPEs) em uma rede XXXII SEMISH 1936

8 abrangente, que possa ser confiável, veloz e segura o suficiente para compartilhar informações entre seus usuários e redundante para que alguma falha não interrompa o seu funcionamento. Tal rede estaria ligada à Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP) para obter conexão à Internet. Para uma IPE engajada em trabalhos de cooperação e colaboração com outras lpes dentro ou fora do Brasil é desejável integrar a Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP) porque as redes que integram este sistema geralmente oferecem melhor comunicação, tanto em termos de capacidade com de desempenho, do que as redes comerciais [9]. A RNP conta com um ponto de presença (PoP) em cada unidade federativa (UF) do país e tem por objetivo construir uma infra-estrutura de rede Internet nacional para a comunidade acadêmica. Para permitir a integração de uma IPE ao sistema RNP basta uma conexão ao PoP da RNP no seu estado. No estado do Pará, o PoP da RNP fica localizado na cidade de Belém, mais especificamente no principal campus da Universidade Federal do Pará -UFPA Situação Atual da Região Metropolitana de Belém As IPEs que já participam ou que poderão vir a se interessar em participar da Rede Metropolitana de Belém parecem incluir: - Centro Federal de Educação Tecnológico do Pará - CEFET-PA - Centro Nacional de Primatas - CENP - Centro Universitário do Pará - CESUPA - Comissão Executiva do Plano da Lavoura Cacaueira - CEPLAC - Companhia de Pesquisas Minerais - CPRM - Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária - EMBRAPA - Instituto Evandro Chagas - IEC - Museu Paraense Emilio Goeldi - MPEG - Universidade da Amazônia - UNAMA - Universidade do Estado do Pará - UEPA - Universidade Federal do Pará UFPA - Universidade Federal Rural da Amazônia UFRA A Figura 4 mostra a localização das IPEs em Belém. XXXII SEMISH 1937

9 UNAMA Campus Senador Lemos Antena TV cultura Antena TV RBA CESUPA Campus Almte Barroso UEPA UEPA UEPA CPRM UNAMA Campus Alcindo Cacela EMBRAPA CEFET CCS- UFPA CESUPA Campus Nazaré UEPA NPI UFPA MPEG campus UNAMA Campus Quintino CESUPA Belem Campus Gov José Malcher MPEG parque IEC Sede Hospital BB UFPA UFRA Eletro norte Figura 4. Localização das IPEs em Belém [9]. Atualmente, poucas instituições são atendidas pela RNP na cidade de Belém: além da UFPA, integram o sistema RNP o MPEG (conexão para o PoP-PA a 34 Mbps), a UEPA (512 Kbps) e a UFRA (1 Mbps). Nos casos do MPEG e da UEPA, como da própria UFPA, existem campi secundários em Belém ligados ao seu campus primário com conexões de baixa velocidade, tipicamente do 128 Kbps, nos casos da UEPA e da UFPA, e 256 Kbps no caso do MPEG. As demais IPEs mencionadas, hoje, não se integram ao sistema RNP, embora existam projetos em curso no CEFET e na EMBRAPA para realizar esta integração. A EMBRAPA conecta-se à rede EMBRAPASAT (via satélite em 128 Kbps) e o CEFET em 512 Kbps através da rede da Embratel. A agência Belém do CPRM está ligada à rede nacional da empresa através de conexão de 64 Kbps. O IEC utiliza três conexões, todas de 512 Kbps. Já o CENP utiliza uma conexão à Internet por provedor comercial via rádio. As universidades privadas, CESUPA e UNAMA, hoje, não pertencem ao sistema RNP. No caso da CESUPA, existem quatro campi em Belém, interligados através de conexões (comerciais) da Telemar. A CESUPA já está engajada no processo de estabelecer uma conexão entre dois dos seus campi usando uma infra-estrutura óptica própria, e pensa em incluir os outros dois oportunamente. A UNAMA também possui quatro campi na região metropolitana, sendo um na cidade de Ananindeua, ligados através de enlaces de rádio. Porém, alternativas já vem sendo estudadas, inclusive por infra-estrutura óptica alugada e por infra-estrutura óptica própria. Atualmente, sua conexão à Internet é de 6 Mbps via Embratel. De maneira geral, a maioria das conexões utilizadas pela IPEs mencionadas é de baixa capacidade (entre 64 Kbps a 1 Mbps), impossibilitando a utilização de aplicações mais modernas de comunicação, tais como videoconferência, VoIP, processamento distribuído intensivo, entre outras. XXXII SEMISH 1938

10 4.2. A Topologia da Rede Topologia de rede é a relação lógica e física dos nós em uma rede. É um mapa de uma rede que indica os segmentos de rede, os pontos de interconexão e as comunidades de usuários. Em geral, o objetivo de todo projeto de rede é o de apresentar uma rede segura, redundante e escalável. Tal objetivo deve ser levado em consideração na escolha da topologia da rede. O padrão a possui como vantagem a possibilidade de comunicação assinante para assinante em um ambiente sem visada direta (NLOS). No caso Belém, é preferível a utilização de equipamentos NLOS devido à dificuldade de se estabelecer uma visada direta, tanto em virtude da pouca altura das construções da cidade, quanto em virtude das árvores que cercam grandes pontos da região, conforme dito anteriormente. Entretanto, é perfeitamente possível a utilização de equipamentos LOS no projeto para a cidade de Belém, mas neste caso teria que haver um maior cuidado com a altura das antenas e com a escolha do local para a instalação da estação base, de forma que seja observado a visada direta entre as antenas da estação base e das IPEs. O padrão a suporta tanto a topologia ponto-multiponto como a topologia em malha (mesh). Levando em consideração a necessidade de ligações confiáveis e robustas, foi estabelecido como melhor escolha para Belém a topologia em malha. Uma grande vantagem desta topologia é que devido ao seu esquema de interconexão, mesmo que se verifiquem falhas em algumas conexões, é improvável que essas falhas impossibilitem a comunicação em qualquer um dos pontos da rede. Uma configuração ponto-multiponto também é uma opção possível, mas nesse caso não se teria a redundância das ligações. É necessário analisar agora onde será instalada a estação base e se haverá a necessidade de instalação de mais de uma estação base para os clientes propostos. Entretanto, antes de ser decidido em qual local estará situada a estação base para a cidade de Belém, é necessário que sejam observados os limites e distâncias permitidas pelo padrão O padrão permite que sejam alcançadas distâncias de até 50 quilômetros, desde que nas melhores circunstâncias possíveis, com uma taxa de dados reduzida a poucos Mbit/s e em um ambiente com visada direta. Tal distância seria conseguida em um cenário típico de uma área rural, com poucos carros, edifícios, árvores, ou qualquer outro fator que reduzisse a potência do sinal de rádio como a chuva. Entretanto, em um cenário típico de uma grande cidade, tais condições não seriam possíveis, dessa forma, pensando em um cenário mais realista, a cobertura típica em um ambiente com visada direta ficaria em torno de 20 quilômetros. Em um ambiente sem visada direta, o alcance da célula a ficaria em torno de 8 a 10 Km, operando com uma largura de banda de 75 Mbps e utilizando o canal de 20 MHz. Como a cidade de Belém é relativamente compacta, ela é favorável a esse tipo de solução. Tendo em vista as distâncias aqui apresentadas, para cobrir as IPEs localizadas em Belém poderíamos utilizar equipamentos sem linha de visada, visto que neste cenário as IPEs encontram-se bem próximas da estação base, sendo alcançadas pelo raio típico de cobertura da estação base. Uma única estação base pode suportar simultaneamente dezenas de empresas e centenas de residências, embora a quantidade exata dependa do equipamento que está XXXII SEMISH 1939

11 sendo utilizado. Considerando o cenário apresentado, composto por 12 Instituições de Pesquisa e Educação, será necessária apenas uma estação base para suportar todos os usuários propostos. Para a fixação da antena da estação base, pode ser utilizada uma estrutura já existente como a torre da TV RBA ou da TV Cultura, com o devido aluguel de utilização da estrutura. Entretanto, uma alternativa poderia ser a construção de uma torre própria em Belém para a instalação da antena da estação base, sendo que tal alternativa elevaria substancialmente o custo da solução. Outro fator a ser pensado no projeto é a ligação de backhaul da estação base ao PoP-PA. Uma opção interessante seria utilizar fibra óptica para essa ligação, neste caso teria que ser avaliado a necessidade de um par de fibras para possibilitar uma comunicação redundante. Na utilização de fibra óptica, é aconselhável que a torre da estação base esteja próxima ao PoP-PA para a redução dos custos com a infra-estrutura de ligação. Outra solução seria utilizar um enlace de rádio ponto a ponto para a ligação ao PoP-PA. Porém, seria necessário instalar o equipamento para a conexão na estação base e no PoP-PA. Além dessas soluções, poderíamos também utilizar parte da própria largura de banda usada para tráfego do usuário para a ligação de backhaul, neste caso haveria muita economia nos custos com infra-estrutura, pois só seria necessário instalar o equipamento no PoP-PA para efetuar a ligação. Em contrapartida, se perderia em largura de banda para os dados dos usuários Os Custos da Implantação Algo importante nas redes sem fio é que não há que se falar em custo por Km, visto que esse tipo de rede não se utiliza uma infra-estrutura física para a transmissão. Os custos, neste caso, estão basicamente relacionados com os equipamentos da estação base e dos usuários. De uma forma geral, os custos de implantação de uma rede padrão se referem à aquisição do equipamento da estação base e do assinante, à infra-estrutura de instalação da antena da estação base e à ligação de backhaul ao ponto de presença (PoP) da RNP. Os custos com os equipamentos do usuário (CPE) podem variar dependendo se este é um usuário residencial ou corporativo. Para usuários residenciais, o custo sairia em torno de US$ 350, já para usuários corporativos, o custo sairia em torno de US$ 700 a US$ [9]. Entretanto, é provável que estes custos se reduzam bastante em 2005 quando é prevista a comercialização dos primeiros produtos. Com relação à estação base, há que se falar em dois custos, o custo com o equipamento, e o custo com a instalação. Estima-se que os custos com a aquisição da estação base estariam em torno de US$ 20k para atender a 60 linhas T1 para clientes corporativos e a centenas de residências [10, 11]. Já os custos com infra-estrutura de instalação da estação base irão depender de muitos fatores, sendo o principal deles a necessidade de construção de uma torre própria para a estação base, que sairia em torno de R$18.000, segundo orçamentos obtidos [10]. Outra possibilidade seria o aluguel de espaço em torres já disponíveis, como de emissoras de TV, por exemplo. XXXII SEMISH 1940

12 Os custos com backhaul merecem algumas considerações. Se for utilizado fibra óptica para a ligação de backhaul, o custo dependerá da distância da estação base ao PoP-PA, sendo estimado um custo de aproximadamente R$ ,00 por km [9]. Uma opção mais barata seria utilizar um enlace de rádio ponto a ponto, havendo neste caso custos com os equipamentos, um na estação base e outro no PoP-PA, o que seria aproximadamente R$ ,00 [9] para uma conexão WiFi (IEEE b), sem contar com gastos envolvendo infra-estrutura e instalação (em torno de R$18.000,). Com a utilização de parte da própria largura de banda do padrão para o backhaul a economia seria o grande diferencial, pois seria necessário apenas um equipamento de CPE instalado no PoP-PA para esta ligação, o que custaria em torno de US$ 1.400,00. Mas, com isso, diminuiria a largura de banda para o tráfego de dados dos usuários. Resumindo todas essas variantes, os custos de ligação de backhaul de uma rede sem fio metropolitana para atender as IPEs localizadas em Belém seriam: Tabela 2. Custos da ligação de backhaul ao PoP-PA Backhaul Custo* Vantagem Desvantagem Fibra R$ ,00 / Km Maior banda para o backhaul. WiFi R$ ,00 Implantação mais fácil que a fibra óptica. Parte da Banda do WiMax R$ 4.200,00 Solução mais econômica. Custo altíssimo caso a estação base esteja distante. A largura de banda da conexão WiFi é inferior a da WiMax. Compromete a largura de banda de tráfego do usuário. * Custo aproximado. (Para as soluções sem fio não foram considerados custos com instalação e infraestrutura). O custo de US$ 20k para aquisição da estação base seria dividido pelas 12 IPEs participantes, resultando em um custo individual de menos de US$ ou R$ 5.100,00 para cada IPE. Além disso, cada IPE arcaria com o custo de seu equipamento de CPE, que não seria superior a US$ ou R$ 4.200,00. A Tabela 3 apresenta o custo total da solução. Custos Finais (aproximados) Tabela 3. Custo total da solução Estação Base CPE Backhaul** Por IPE R$ 5.100,00 R$ 4.200,00 R$ 350,00 Totais* R$ ,00 R$ ,00 R$ 4.200,00 Total Global R$ ,00 * Os custos finais não podem considerar a instalação, por motivo de ser esta uma tecnologia nova, sem referências para custos de instalação. ** Consideramos a melhor solução para ligação de backhaul a utilização de parte da banda do WiMax, por motivos financeiros. XXXII SEMISH 1941

13 Ou seja, com a aquisição dos equipamentos e a ligação de backhaul, cada IPE teria um custo máximo de R$ 9.650,00, salientando novamente que este custo deve se reduzir bastante à medida que os produtos começarem a ser comercializados. É importante salientar que a inclusão no projeto de outras IPEs, desde que observado o limite de usuários suportados pela estação base, reduziria os custos para as demais IPEs uma vez que os custos fixos de aquisição e instalação da estação base e de ligação de backhaul seriam divididos por mais IPEs Redes Sem Fio versus Fibra Óptica A mobilidade é um dos principais atrativos de uma rede sem fio. Sistemas que utilizam esse tipo de rede podem prover aos usuários acesso à informação em qualquer lugar em suas instituições ou fora delas, até onde a rede oferecer cobertura. Além disso, instalar uma rede sem fio pode ser rápido e fácil, podendo também eliminar a necessidade de atravessar cabos em paredes, instalar cabos em postes ou cabos subterrâneos. E no caso de a infra-estrutura da organização já estiver montada, os dois tipos de rede (com e sem fio) podem coexistir sem problemas. Fibra óptica possui muitas características interessantes do ponto do vista do um projeto de interconexão. Primeiro, é um meio físico puramente passivo. Isto significa que ele não pode deixar de funcionar, exceto por acidentes externos que resultam no corte da fibra. Este problema também pode afetar uma rede sem fio, porém a solução dele seria bem mais barata com o padrão , pois uma interrupção no serviço por motivo de corte na fibra somente pode ser evitado se houver duplicação dos cabos, enquanto que com a utilização de uma rede , com o mesmo equipamento, a redundância seria garantida uma vez que dentro da área de cobertura os nós podem se comunicar sem qualquer restrição (via topologia em malha), desde que os dispositivos sigam os mesmos padrões. Segundo, a capacidade de transmissão é praticamente ilimitada. Na pratica é determinada pelos equipamentos eletrônicos colocados nas pontas do cabo óptico. A capacidade teórica de uma única fibra é de 50 Tbps (terabits por segundo: 1 Tbps = 1012 Gbps), e hoje existem equipamentos relativamente baratos da tecnologia Gigabit Ethernet, que permitem seu uso a 1 Gbps. Neste ponto, a rede WiMax poderia ser superada pela fibra óptica. Porém, a utilização desta para uso de Gigabit Ethernet só seria justificada se todos, ou a maioria dos equipamentos das redes de campus pudessem usufruir desta tecnologia, o que encareceria ainda mais o projeto. Terceiro, a vida útil de uma infra-estrutura de cabo óptico deverá exceder 15 anos. Futuramente, os equipamentos poderão ser substituídos por novos, de capacidade maior, reutilizando a fibra já existente. Neste aspecto, a fibra óptica leva vantagem em relação aos padrões para redes sem fio, apesar de que estes também têm evoluído muito nos últimos anos, como é o caso do g e do a do IEEE. Essas variações permitem que os dispositivos mais antigos continuem sendo compatíveis com os novos produtos para redes sem fio, desde que possuam padrões como os dos dispositivos certificados WiFi e WiMax. Finalmente, os custos de instalação do um cabo de fibra óptica em área urbana, como de Belém são relativamente baixos. Instalar um cabo contendo 24 fibras ópticas tem custo, hoje, da ordem de R$ ,00 por km, quando é usada a instalação aérea usando posteamento existente. Uma proposta para montar uma rede deste tipo na cidade XXXII SEMISH 1942

14 de Belém, beneficiando entre 10 e 12 IPEs, mostra que o custo de investimento por IPE é de aproximadamente R$ ,00, sem incluir os equipamentos [9]. Já os custos de instalação de uma rede padrão para a cidade de Belém são bastante inferiores, como mostra a Tabela 3 desta seção. A Tabela 4 apresenta um quadro comparativo da solução baseada no padrão versus a solução baseada em fibra óptica. Tabela 4. Comparação do Padrão com a Fibra Óptica Padrão Instalação fácil e rápida Redundância conseguida com a topologia em malha Transmissão a 75 Mbps. Custo da rede reduzido ao equipamento do usuário (R$ 4.200,00) e da estação base (R$ ,00 rateado pelos usuários). As variações do padrão permitem a compatibilidade com os dispositivos antigos. 5. Conclusão e Trabalhos Futuros Fibra Óptica Instalação demorada devido à dificuldade de passagem da fibra Redundância conseguida com a duplicação dos cabos A capacidade teórica de uma única fibra é de 50 Tbps. Na prática depende dos equipamentos eletrônicos colocados nas pontas. Custo em torno de R$ ,00 por km. Os equipamentos poderão ser substituídos outros de maior capacidade reutilizando a fibra óptica já existente. Este trabalho apresentou o padrão IEEE para redes sem fio metropolitanas. O padrão permite a transmissão de dados sem fio em banda larga oferecendo qualidade de serviço (QoS), sendo este o grande diferencial do padrão. O padrão atende as necessidades crescentes do mercado em transmissão de voz e vídeo, aliado com uma eficiência de transmissão obtida com técnicas de modulação e propriedades de transmissão adaptáveis aos diferentes tipos de tráfegos e às necessidades específicas da transmissão. Para demonstrar toda a potencialidade do padrão foram apresentadas as características de transmissão do padrão e o funcionamento em cenários com e sem visada direta, além da apresentação de um caso concreto de implementação do padrão para a cidade de Belém. O estudo de caso permitiu avaliar os requisitos de instalação da rede sem fio metropolitana e os custos do projeto, comparando os resultados com outras soluções para redes metropolitanas como a fibra óptica. O estudo de viabilidade para a região de Belém demonstrou a robustez do padrão. Mesmo com um cenário bastante adverso, o padrão apresentou grande número de opções, de forma a se adaptar ao melhor cenário, explicando dessa forma o alarde que está sendo feito em torno do padrão. Além disso, este padrão elimina antigas restrições físicas, permitindo a interligação de equipamentos tanto em áreas urbanas como em áreas rurais, ou mesmo ribeirinhas, uma vez que não necessita de infra-estrutura de ligação, o que o faz aumentar o escopo de usuários. Isto é possibilitado também pela flexibilidade do XXXII SEMISH 1943

15 padrão, que aceita freqüências e topologias diferenciadas permitindo a adaptação aos diversos tipos de cenários. Como trabalhos futuros, pretende-se realizar o estudo da análise do desempenho do padrão, envolvendo QoS. Como a padronização deste tipo de rede é muito recente, estudos científicos que comprovem o bom desempenho dos padrões IEEE e a serão de suma importância para projetos de redes metropolitanas futuros. Além disso, também devem ser o gatilho para o desenvolvimento de software de simulação deste tipo de rede, o que também pode ser proposto como trabalho futuro. Referências Bibliográficas [1]IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. Disponível em: < Acesso em 13 de março de [2]Sweeney, Daniel. WiMAX Operator s Manual: Building Wireless Neteworks. New York: Apress, [3] [4]IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems - Amendment 2: Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2 11 GHz. Abril de Disponível em: < a-2003.pdf>. Acesso em março de [5]Tanenbaum, Andrew S. Computer Networks. 4. ed. New Jersey: Prentice Hall, [6]WiMAX s technology for LOS and NLOS environments. White Paper WiMAX Forum. Disponível em: WiMAXNLOSgeneral-versionaug04.pdf. Acesso em 19 de dezembro de [7]Nascimento, Cicerino Cabral do. Clima e Morfologia Urbana em Belém Dissertação (Mestrado em Desenho Urbano) Núcleo de Altos Estudos da Amazônia, Universidade Federal do Pará, Belém. [8]Dornan, Andy. Wireless Communication: O guia essencial da comunicação sem fio. Rio de Janeiro: Campus, p. [9]Stanton, Michael; Abelém, Antônio. Uma Rede Metropolitana para Belém do Pará Estudo de viabilidade. Relatório. Belém, abr [10]Business Case Models for Fixed Broadband Wireless Access based on WiMAX Technology and the Standard. White Paper. Outubro de Disponível em: Rev3.pdf. Acesso em dezembro de [11]Prado, Eduardo. Simplesmente o máximo: WiMAX. Revista do WiMAX, fev Disponível em: < eduardo_prado/ artigo_33.html>. Acesso em setembro de 2004 XXXII SEMISH 1944