Seção: Tutoriais Banda Larga

 

Wi-Fi e WiMAX II: Características do WiMAX

 

O WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access) foi formado em 2003 por empresas de equipamentos e componentes, como Microsoft, Intel, Motorola entre outros 230 membros. Deste modo criaram o WiMax Fórum, que é um importante fórum que cuida da “estratégia global” desta tecnologia (PRADO 2008).

 

WiMax Fórum é uma corporação sem fins lucrativos, com a intenção de promover e certificar a compatibilidade e a interoperabilidade entre os produtos sem fio de banda larga. O WiMax surgiu com a necessidade de se ter uma tecnologia sem fio, de banda larga, com longo alcance e alta taxa de transmissão.

 

Em redes em áreas metropolita­nas (WMAN), o WiMax propicia conectividade sem fio em banda larga interoperáv­el a diversos tipos de usuários (fixo, nômade e portátil), oferecendo uma interface de serviço de aproximadamente 50 quilômetros, permitindo que os usuários se conectem em banda larga sem a necessidade de uma linha de visada (Non Line-Of-Sight ou NLOS) com a estação base, além de oferecer taxas de transferência de dados de até 75 Mbit/s(INTEL 2004).

 

Tendo uma taxa de transferência de dados dessa magnitude, suportando assim vários clientes, sejam empresas ou residências, são ligadas por uma largura de banda suficiente em uma única estação base(FINNERAN 2008).

 

Segundo Amparoweb (2008) os principais benefícios do WiMax, são: QoS (Quality of Service) incluída, alto desempenho, baseado em padrões e suporte para antenas inteligentes, diminuição dos custos de infra-estrutura de banda larga para conexão com o usuário final, redução de custos de tecnologia, seguindo o exemplo do WiFi, altas taxas de transmissão de dados, criação de uma rede de cobertura de conexão de Internet similar à de cobertura celular, permitindo acesso à Internet mesmo em movimento, oferta de conexão internet banda larga em regiões onde não existe infra-estrutura de cabeamento telefônico ou de TV a cabo, amplo suporte do desenvolvimento e aprimoramento desta tecnologia por parte da indústria, criação de uma alternativa viável aos provedores tradicionais, total independência das redes das concessionárias de telefonia.

 

As faixas e freqüências destinadas ao WiMax são determinadas pelo governo de cada país, que podes ser licenciadas ou isentas de licença. “No entanto, para impor algum controle sobre as soluções isentas de licença visando minimizar o potencial de interferências, alguns governos estipulam requisitos de potência para as operações de alta potência e baixa potência.” (INTEL 2005). Na tabela 1, é possível verificar como cada região geográfica regulamenta e define seu conjunto de faixas licenciada e isentas de licenças.

 

Tabela 1: Alocação mundial das faixas licenciadas e isentas de licença.
País/Área Geográfíca Faixas Utilizadas
América do Norte, México 2,5 GHz e 5,8 GHz
América Central e do Sul 2,5 6Hz, 3,5 6Hz e 5,8 6Hz
Europa Ocidental e Oriental 3,5 6Hz e 5,8 6Hz
Oriente Médio e África 3,5 6Hz e 5,8 6Hz
Ásia e Pacífico 3,5 6Hz e 5,8 6Hz
Fonte: INTEL 2005.

 

Dentre as faixas apresentadas na tabela anterior, é possível verificar que a faixa 2,5 GHz foi alocada em boa parte do mundo, como na América do Norte, América Latina, Europa Ocidental e Oriental, e partes da Ásia e do Pacífico utilizando uma faixa licenciada. Tanto a solução licenciada quanto às isenta de licença, possuem suas vantagens, como é demonstrado a seguir:

  • Solução licenciada: o serviço possui uma melhor qualidade, melhor recepção sem linha de visada (NLOS), freqüências mais baixas e maior controle de acesso;
  • Solução isenta de licença: Ativação mais rápida, custos significativamente mais baixos e um maior nível de opções com relação a freqüências e faixas a serem utilizadas (INTEL 2005).

A tabela 2 apresenta a disponibilidade das freqüências para o WiMax.

 

Tabela 2: Faixas e freqüências disponíveis para o WiMax.
Faixa Freqüências Requer licença? Disponibilidade
2,5 GHz 2,5 a 2,69 GHz Sim Alocada no Brasil, México, alguns países do sudeste asiático e nos EUA (o WiMax Fórum também inclui 2.3 GHz nesta categoria de faixa, pois “se espera que o [2,3 GHz] seja coberto pelo rádio de 2,5 GHz".)
3,5 GHz 3,3 a 3,8 GHz, porém principalmente de 3,4 a 3,6 GHz Sim, em alguns países Na maioria dos países, a faixa de 3,4 GHz a 3,6 GHz é alocada para o wireless de banda larga.
5 GHz 5,25 a 5,85 GHz Não Na porção de 5, 725 GHz a 5,85 GHz, muitos países permitem uma potência maior (4 watts), o que pode melhorar a cobertura.
Fonte: INTEL 2005.

 

Multiplexação FDD e TDD

 

O WiMax suporta dois tipos de multiplexação: Time Division Duplexing (TDD) e Frequency Division Duplexing (FDD) (figura 2).

 

Figura 2: Tráfego de Uplink e Downlink.
Fonte: INTEL 2005.

 

O padrão FDD (Frequency Division Duplexing) utiliza duas bandas separadas de freqüência, possibilitando o TM (TerminalMóvel) transmitir em uma freqüência (Link Direto - Donwlink) e receber em outra (Link Reverso - Uplink) (CONNIC 2008).

 

Para que seja possível utilizar duas bandas separadas de freqüência são necessários dois canais, sendo que estes precisam estar separados por uma freqüência de 50 a 100 MHz na tecnologia WiMax.

 

Na figura 3 é possível visualizar as duas faixas de freqüência separadamente.

 

Figura 3: Faixa de freqüência FDD.
Fonte: CONNIC 2008.

 

No TDD (Time Division Duplex), é utilizada a mesma faixa de freqüência para a transmissão e recepção em tempos distintos, ou seja, separa fatias de tempo para as tarefas de envio e de recebimento.

 

Tem como principal característica à possibilidade de alocar dinamicamente largura de banda entre o link reverso (Uplink) e o link direto (Donwlink). Na figura 4 é possível notar a utilização de uma mesma faixa de freqüência (CONNIC 2008).

 

Figura 4: Faixa de freqüência TDD.
Fonte: CONNIC 2008.

 

Na implementação do WiMax fixo (IEEE 802.16d), a tabela 3 seguinte lista os perfis definidos pelo WiMax Fórum, em FDD e TDD.

 

A principal freqüência licenciada é a 3,5 GHz, em semelhança à disponibilidade de produtos comerciais. A freqüência de 5,8 GHz é aberta (não licenciada), mas tem advertência de potência de transmissão. A exceção aos 3,5 GHz são os Estados Unidos, que utilizam 2,5 a 2,7. Já no Brasil o perfil 3,5 GHz tem mobilidade restrita.

 

Tabela 3: Implementação do WiMax Fixo.
Freqüência (MHz) Duplexing Canais (MHz)
3400-3600 TDD 3,5 e 7
3400-3600 FDD 3,5 e 7
5725-5850 TDD 10
Fonte: HEMSI 2007.

 

Implementando o WiMax móvel (IEEE 802.16e) os perfis definidos pelo WiMaxFórum são todos em TDD (tabela 4). As bandas de 2,3 GHz são utilizadas na Coréia. As de 2,5 GHz, nos Estados Unidos, Japão e Austrália.

 

Porém a Europa definiu 2,5 GHz para redes celulares WCDMA (Wideband CDMA). No Brasil para as operadoras de televisão (futuramente utilizando serviços de comunicação multimídia)(CONNIQ 2008).

 

Tabela 4: Implementação do WiMax Móvel.
Freqüência (MHz) Duplexing Canais (MHz)
3400-3800 TDD 5, 7 e 10
3300-3400 TDD 5, 7 e 10
2496-2690 TDD 5 e 10
2305-2320 e
2345-2360
TDD 5 e 10
2300-2400 TDD 5, 8, 75 e 10
Fonte: HEMSI 2007.

 

Na tabela 5 são comparados os dois tipos de multiplexação TDD e FDD:

 

Tabela 5: Comparação entre TDD e FDD.
  TDD FDD
Descrição Uma técnica de duplexação utilizada em soluções isentas de licença que utiliza um único canal tanto para uplink quanto para downlink. Uma técnica de duplexação utilizada em soluções licenciadas que utilizam um par de canais no espectro, um para uplink e outro para downlink.
Vantagens • Maior flexibilidade, pois não é necessário um par de espectros;
• Maior facilidade de equiparação com tecnologias de antenas inteligentes;
• Assimétrico.
• Tecnologa comprovada para voz;
• Projetado para tráfego simétrico;
• Não requer tempo de guarda.
Desvantagens • Não pode transmir e receber ao mesmo tempo. • Não pode ser implementado onde o espectro não for par;
• O espectro é geralmente licenciado;
• Custos mais elevados assodados à compra de espectro.
Utilização • Aplicações de dados que apresentam picos e são assimétricas;
• Ambientes com padrões variados de tráfego;
• Onde a eficiência de RF for mais importante que o custo.
• Ambientes com padrões de tráfego previsíveis;
• Onde os custos do equipamento forem mais importantes do que a eficiênda de RF.
Fonte: INTEL 2004.

 

Tecnologia de Transmissão OFDM

 

O OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) é um método de modulação de dados projetada para sistemas sem visada direta (NLOS – Non Line Of Sight) e reduz a influência dos multipercursos, por exemplo, em ambientes montanhosos ou com edificações, é comum que o receptor receba reflexões do sinal com certo atraso.

 

O conceito envolvido na utilização da modulação OFDM é o de fazer uma transmissão paralela de dados a baixas velocidades e com multiplexação por divisão de freqüência com subcanais sobrepostos, evitando o uso de equalização e explorando de maneira eficiente a largura de banda disponível.

 

O OFDM pode ser visto tanto como uma técnica de modulação como uma técnica de multiplexação (figura 5). Uma das principais razões do uso do OFDM é o aumento da robustez em relação aos desvanecimentos seletivos em freqüência ou a interferência de banda estreita. Em um sistema de portadora única, um desvanecimento ou um sinal interferente pode fazer um enlace inteiro falhar, mas em um sistema com multiportadoras somente uma pequena porcentagem das subportadoras é afetada.

 

Figura 5: Modulação OFDM.
Fonte: PRADO 2008.

 

Tecnicamente, o OFDM tem as seguintes vantagens:

  • O OFDM é uma maneira eficiente de lidar com os multipercursos, para um dado atraso de espalhamento a complexidade de implementação é significativamente menor que a de um sistema de portadora única com um equalizador;
  • O OFDM é robusto em relação a interferentes de banda estreita porque tal interferência afeta somente uma pequena parte das subportadoras;
  • Em canais variantes no tempo e lentos é possível aumentar o desempenho de modo significativo pela adaptação da taxa de dados por subportadora de acordo com a relação sinal ruído de cada subportadora;
  • O OFDM torna possível a construção de redes de freqüência única (SFN – Single Frequency Network), as quais são especialmente atrativas para aplicação de radio difusão.

Porém essas redes possuem também suas desvantagens, como:

  • Maior sensibilidade ao desvio de freqüência e ruído de fase;
  • Razão de potência de pico por potência média relativamente grande, o que reduz significativamente a eficiências dos amplificadores de potência de RF.

A Técnica OFDMA

 

A tecnologia Orthogonal Frequency Division Multiplexing tem sido usada em projetos de camada física para sistemas wireless de múltiplo acesso, e é conhecido como sistemas OFDMA, como no padrão IEEE 802.16. O OFDMA herda, do OFDM, a restrição de ser sensível a freqüências inexatas (Augusto 2008).

 

Similar ao OFDM, a tecnologia OFDMA emprega múltiplas subportadoras sobrepostas, contudo a sua principal diferença pode ser encontrada na subdivisão das subportadoras em grupos, onde cada grupo é denominado de subcanal, estas não precisam ser adjacentes. No fluxo de transmissão descendente (downlink), os subcanais podem ser requisitados por diferentes receptores, já no fluxo de transmissão ascendente (uplink), um transmissor pode ser associado a um ou mais subcanais.

 

Os subcanais, que podem ser alocados às Estações dos Assinantes (Subscriber Stations - SSs) dependem das condições dos canais e de seus requisitos de transmissão. Com a utilização da subcanalização (figura 6), uma estação base WiMax pode alocar uma maior capacidade de transmissão, em um mesmo time-slot, para os dispositivos dos usuários, mesmo que os dispositivos tenham uma menor SNR (Signal to Noise Ratio - Relação Sinal ruído) e uma potência menor em relação aos dispositivos de usuários com grande relação sinal ruído.

 

Com a subcanalização, também é possível às BS’s (Base Station) alocar uma potência maior para os subcanais associados à SS’s (Subscrites Stations).

 

Figura 6: Subcanalização.
Fonte: CONNIQ 2008.

 

A subcanalização do tráfego ascendente (uplink) conserva a capacidade de transmissão dos dispositivos dos usuários, com a concentração de potência somente para os subcanais alocados (figura 7). Esta é uma característica útil, pois a conservação de energia é uma crítica em sistemas wireless.

 

Figura 7: OFDM/OFDMA.
Fonte: CONNIQ 2008.

 

A subcanalização no uplink torna econômica a utilização de energia, pois a concentração de energia é mantida apenas em certos subcanais alocados para o mesmo.

 

As vantagens do OFDMA (Fonte: AUGUSTO 2008) relacionado à tecnologia de múltiplo acesso são:

  1. Não apresenta banda de guarda entre as portadoras.
  2. Possui uma elevada eficiência espectral.
  3. Fácil implementação por utilizar os algoritmos IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) e FFT (Fast Fourier Transform), na modulação e demodulação respectivamente.
  4. Ortogonalidade dos sinais e robustez em relação à interferência e propagação multipercurso.
  5. Diminuição do desvanecimento seletivo em freqüência causada por multipercurso.
  6. Redução significativa do uso de equalizadores.
  7. Apresenta um melhor desempenho em ambientes NLOS (Non Line of Sight).
  8. Utilização do protocolo HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), que provê uma resistência adicional em situações de alta mobilidade.
  9. Escalabilidade da largura de banda dos canais, com isso é possível operar com os canais variando de 1,25 MHz até 20 MHz.
  10. Para que o usuário suporte uma aplicação de altas taxas, mais de uma portadora pode ser designada.
  11. Suporta vários tamanhos de quadros diferentes, tornando a utilização mais flexível.
  12. Utilização da técnica AMC (Adaptative Modulation and Coding) que utiliza determinado tipo de modulação, dependendo da distância do usuário a base.
  13. A técnica OFDMA também suporta o TDD (Time Division Duplex) como método de multiplexação.

Citado no item 5 acima, o desvanecimento é a oscilação na intensidade do sinal. Essas oscilações podem ser para mais (ganho) ou para menos (atenuação). Ele é chamado de seletivo em freqüência já que essas oscilações não são uniformes em todo espectro, sendo verificado apenas em certas freqüências. A conseqüência desse fenômeno é um aumento na taxa de BER (Bit Error Rate).

 

OFDMA – Camada Física

 

Segundo Esposito (2008): A camada OFDMA foi baseada em modulação OFDM. Desenvolvida para operação sem linha de visada e com freqüências inferiores a 11 GHz. O modelo emprega FTT com 2048 e 4096 portadoras. O símbolo no domínio do tempo é semelhante ao do padrão OFDM (figura 22). “Seu tempo útil é chamado de T b. Uma cópia do final do símbolo (T g) é posicionada no início, para coletagem caso o sinal tenha passado por múltiplos caminhos, mantendo assim sua ortogonalidade.”

 

No domínio de freqüência, a diferença é que as sub-portadoras são divididas em sub-canais. No downlink, cada sub-canal pode ser utilizado para a transmissão para grupo diferente de usuários. No uplink, cada cliente pode utilizar um ou mais canais. Diversos clientes podem transmitir simultaneamente.

 

A divisão em sub-canais lógicos tem por objetivo a escalabilidade, acesso múltiplo e ao processamento de grupos de antenas. Não é necessário que as sub-portadoras que compõem um mesmo canal sejam adjacentes (figura 23). As modulações utilizadas são QPSK com mapeamento de Gray, 16-QAM e 64-QAM.

 

Figura 8: Estrutura do símbolo OFDMA no tempo.
Fonte: ESPOSITO 2008.

 

Figura 9: Propagação na faixa de 2 a 11 GHz.
Fonte: ESPOSITO 2008.

 

Através dos avanços tecnológicos (antenas, técnicas de multiplexação e técnicas de acesso e codificação adaptativa) utiliza-se a faixa de freqüência de 2 a 11 GHz em sistemas ponto multiponto, e mesmo ponto-área, com capacidade de transmissão dentro dos parâmetros de banda larga.

 

Entre a faixa de 6 e 11 GHz, as características de propagação são adequadas a sistemas ponto a ponto e ponto multiponto, estacionários. Sistemas ponto a ponto podem ser projetados para suportar altas capacidades de transmissão. Comunicação ponto multiponto também é possível em toda a faixa, sendo que, no extremo superior, a comunicação deve ocorrer primordialmente em linha de visada (LOS) entre o cliente e a estação rádio-base.

 

Na porção mais baixa da faixa, é possível o uso de CPEs (Costumer Premises Equipments) indoor, em situações específicas onde a cobertura em ambientes interiores for favorável. A partir de 8GHz, a atenuação devido à chuva passa a ser o fator principal na determinação da qualidade das comunicações ponto a ponto e ponto multiponto.

 

Os tópicos na Recomendação ITU-R P.530 referentes ao desempenho de enlaces em freqüências afetadas por chuva, bem como a Recomendação ITU-R P.383, ou metodologia alternativa à disposta nesta recomendação, devem ser considerados nos cálculos de desempenho(ESPOSITO 2008).