Seção: Tutoriais Banda Larga

 

Wi-Fi e WiMAX II: Padrões IEEE 802.16

 

O padrão IEEE 802.16 desenvolvido pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), define uma camada física para sistemas em operação nas bandas entre 10 e 66GHz, foi completado o padrão em outubro de 2001 e relatado em abril de 2002, e tem como finalidade especificar uma interface sem fio para redes metropolitanas (WMAN).

 

O Comitê 802 do IEEE, (Institute of Electrical and Electronics Engineers) dos Estados Unidos, desenvolveu e publicou uma série de normas para redes locais (LANs) e Metropolitanas (MANs) que foram adotadas mundialmente inclusive pela ISO (International Organization for Standardization)(FIGUEIREDO 2008).

 

As desenvolvidas pelo IEEE para o padrão 802.16 é ilustrada na figura 10, conforme o padrão OSI.

 

Figura 10: Pilha de protocolos.
Fonte: FIGUEIREDO 2008.

 

Protocolos 802.16

 

Os protocolos apresentados no padrão IEEE 802.16 podem ser classificados, no modelo OSI, nos níveis: Usuário, Controle e Gerência. Conforme a figura 11, é possível notar que existem 2 camadas, MAC (Medium Access Control – Controle de Acesso ao Meio) e PHY (Physical Layer – Camada Física), onde a camada MAC possui três sub-camadas, CS (Service-Specific Convergence Sublayer – Sub-camada de Convergência Específica), CPS (Common Part Sublayer – Sub-camada de Convergência Comum) e Sub-camada de Segurança (Security Sublayer).

 

Figura 11: Pilha de protocolos do IEEE 802.16.

 

Essas camadas têm as seguintes funções:

  • Subcamada de convergência: Transformação ou mapeamento de dados da rede externa em SDU’s (Service Data Unit) MAC (Oferece suporte a ATM – Asynchronous Transfer Mode e protocolos baseados em pacotes);
  • Parte Comum da Subcamada MAC: Funcionalidade do núcleo MAC do sistema de acesso, alocação de largura de banda, estabelecimento e manutenção de conexão;
  • Subcamada de Privacidade: Troca de chaves seguras, criptografia e autenticação;
  • Camada Física (PHY): Apresenta diversas especificações, onde cada uma delas é apropriada a uma dada faixa de freqüência.

Na camada MAC, dependendo da demanda dos assinantes, é alocado pelas estações base à banda necessária nos canais de Uplink e Downlink, utilizando a camada física que se adapte a faixa de freqüência de uso (LIMA 2008).

 

Camada Física

 

A camada física contém a região física que provê características mecânicas, elétricas, funcionais e procedimentais para ativar, manter e desativar conexões físicas para transmissão de bits entre entidades da camada de enlace.

 

Uma rede sem fio de banda larga necessita de mais espectro do que as bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) podem oferecer. Isso determinou a escolha da banda entre 10 e 66 GHz para a operação do padrão IEEE 802.16. As microondas nesta faixa de freqüências se difundem em linha reta, de maneira semelhante à luz, fazendo com que seja necessária à propagação com linha de visada (Line Of Sight ou LOS).

 

Foi projetado o padrão para alcançar até 50 km de cobertura, para padrões mais robustos na modulação e transmissão com linha visada. Diferente resultado disto é que as microondas podem ser reunidas em feixes direcionais, desta forma, uma mesma estação base pode direcionar várias antenas para diferentes setores com grande independência.

 

Em razão das grandes distâncias cobertas por uma rede metropolitana, a potência recebida na estação base pode mudar expressivamente de estação para estação, fazendo com que a relação sinal/ruído atenue. Por isso, são utilizados três esquemas de modulação diversos, dependendo da extensão entre o assinante e a estação base: o QAM-64 (6 bits/baud); o QAM-16 (4 bits/baud); e o QPSK (2 bits/baud).

 

A conseqüência da utilização de distintos esquemas de modulação é a extensão do alcance do serviço ao valor de uma taxa de dados mais baixa. A figura 12 mostra a faixa de atuação dos três esquemas.

 

Figura 12: QAM-64, QAM-16, QPSK.

 

A multiplexação dos sinais emitidos da estação base para o assinante é realizada por TDM (Time Division Multiplexing) e o acesso dos assinantes à estação base é por TDMA (Time Division Multiple Access).

 

Para que seja aceitável colocar a banda de modo flexível, são usados dois tipos de multiplexação: a FDD (Frequency Division Duplexing) e a TDD (Time Division Duplexing). Na inicial, o uplink e o downlink estão em canais separados, podendo operar simultaneamente, enquanto que, no segundo, o canal é dividido, não permitindo a transmissão simultânea(LIMA 2008).

 

Enquanto o TDD utiliza somente um canal de radiofreqüência, o FDD (Frequency Division Duplexing) utiliza dois canais, sendo utilizado o mesmo na multiplexação do sistema WiMax.

 

Na TDD, a estação base transmite quadros periodicamente. Os quadros são formados por slots de tempo, sendo que os primeiros destinam-se ao tráfego downstream. Antes dos slots para tráfego upstream, a um tempo de proteção, durante o qual as estações comutam o sentido. A figura 13 mostra o quadro de slots TDD.

 

Figura 13: Quadros e slots de tempo para TDD.
Fonte: VASQUES 2008.

 

Para uma transmissão de voz, o tráfego é simétrico, mas para a Internet o trafego downstream é maior que o upstream. Havendo uma maior eficiência e aplicação da transmissão, quanto ao número de slots alterado dinamicamente.

 

Camada de Enlace

 

A camada de enlace tem como objetivo detectar e opcionalmente corrigir os erros que porventura ocorram no nível físico durante a transmissão de bits. Sendo responsável por implementar o método de acesso ao meio, delimitar a estrutura de quadro de enlace e reconhecer os endereços físicos MAC.

 

A camada de enlace de dados é analisada em três subcamadas. A subcamada de segurança é responsável pela autenticação, criptografia, decriptografia e gerenciamento de chaves. A subcamada MAC domina os principais protocolos, como o de controle de canais. A subcamada de convergência de serviços específicos define a interface para a camada de rede.

 

Subcamada MAC

 

A Camada de controle de acesso ao meio (MAC) encontra-se divida em três subcamadas no WiMax:

  • CPS (Common Part Sublayer): é a que promove a função de acesso do sistema. A manutenção e estabelecimento da conexão e a alocação de banda. Onde estão concentradas as principais funções do MAC como escalonamento de uplink, requisição e garantia de banda;
  • CS (Service – Specific Convergence Sublayer): estipula a transformação ou mapeamento dos dados de rede externos recebido pelo SAP (Service Access Point), na subcamada de parte comum (MAC Commom Part Sub-layer – MAC CPS);
  • Security Sublayer: onde acontece a autenticação. É a segurança pela troca de chaves e pela criptografia do mesmo, garantindo assim a segurança durante as transmissões do WiMax.

A camada foi projetada para aplicações ponto multiponto, com altas velocidades de download e upload. A forma como se dá o acesso e os algoritmos de alocação de largura de banda do WiMax admitindo-se que vários usuários comuniquem-se no mesmo canal de transmissão.

 

A subcamada de acesso ao meio do IEEE 802.16 adequou duas classes de permissões para requisições de banda.  Para se garantir uma conexão para toda a banda, há uma requisição, que é identificada pela conexão GPC (Grant Per Connection) e a segunda classe de permissão é pelo nó cliente GPSS (Grant Per Subscriber Station).

 

Há uma metodologia de inicialização designado para extinguir a necessidade de configuração manual.  Quando sincronizada a camada física, a estação base espera as transmissões recorrentes das mensagens UCD (Uplink Channel Descriptor) e DCD (Downlink Channel Descriptor) para assim aprender a modulação e os esquemas FEC (Forward Error Correction - Correção antecipada de erros) na portadora. Sendo assim não há necessidade de uma pré-configuração, para que um nó entre na rede WiMax (VASQUES 2008).

 

O WiMax suporta qualquer tipo de transmissão, seja vídeo, dados, VoIP (voz sobre IP), etc. Tem como finalidade suportar qualquer tipo de tráfego continuo ou em rajadas, garantido pelo (QoS) a qualidade da conexão.

 

Os padrões do WiMax

 

Os padrões existentes do WiMax são apresentados a seguir.

 

IEEE 802.16

 

Foi primeira versão desenvolvida em 2002 e também conhecida como IEEE WirelessMAN ou ainda “Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access System”, criada com a intenção de padronizar redes de banda larga sem fio. Necessita de visada direta (LOS – Line Of Sight), operava em freqüências de 10 a 66 GHz, foi projetada para permitir implementações LMSD (Local Multipoint Distribution System) padronizada.

 

IEEE 802.16a

 

Este padrão foi projetado para competir com outras tecnologias que permitem o acesso à última milha, como xDSL (X Digital Subscriber Line) e cable modems, utilizando freqüências mais baixas de 2 a 11GHz e podendo obter taxas de transmissão de até 75 Mbit/s com um alcance de 50 km.

 

IEEE 802.16b

 

Foi criado para tratar aspectos relacionados à qualidade de serviço.

 

IEEE 802.16c

 

Foi criado para padronizar protocolos, interoperabilidade e especificação de testes de confirmação.

 

IEEE 802.16d

 

Publicado em 2004, foi criado com a intenção de substituir e consolidar os padrões 802.16a e 802.16c em um único padrão. Enfatiza-se as modificações na provisão de suporte para antenas MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), que permite o aumento de confiabilidade e do alcance com multipercurso, além de permitir instalações com uso de antenas indoor.

 

O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) define o padrão de acesso sem fio ponto multiponto, designado suas freqüências de 10 - 66 GHz e abaixo de 11 GHz (basicamente, 2-11 GHz). Teve os primeiros equipamentos homologados em janeiro de 2006 e fornece taxa de transmissão de até 70 Mbit/s por estação rádio-base.

 

A norma para o “WiMax fixo”, foi delineada a camada MAC para um ambiente de acesso sem fio, suportando protocolos de transporte como Ethernet, ATM ou IP.

 

A camada MAC foi projetada para altas taxas de transmissão (até 268 Mbit/s em cada sentido) de uma autêntica camada física de banda larga, aceitando-se ainda QoS (Quality of Service) compatível com ATM (Asynchronous Transfer Mode); nrtPS (Non-Real Time Polling Service), UGS (Unsolicited Grant Service), Best Effort (BE) ou rtPS (Real Time Polling Service).

 

Provêm QoS distinguido para suportar as diferentes necessidades das diversas aplicações, como voz e vídeo solicitam baixa latência, suportando assim alguma taxa de erro. Já aplicações de dados são bastante limitadas ao erro, mas a latência não costuma ser baixa. Essas características são mais eficientes do que prover tais características em camadas de controle acima da MAC.

 

O padrão suporta uma modulação adaptativa com diversas taxas de transmissão. A modulação pode ser ajustada quase que instantaneamente para uma melhor transmissão, possibilitando melhor uso do espectro e diversificação da base de usuários. A estrutura de quadros aceita que sejam coligados dinamicamente, aos terminais de cliente, diferentes perfis de rajada, de acordo com as condições do enlace (figura 14).

 

Figura 14: Topologia de rede WiMax.
Fonte: MEYER 2008.

 

Ainda na camada MAC o uso de PDUs (Protocol Data Unit) de tamanho variável que, em conjunto com outros conceitos desenvolvidos, aumenta significativamente a eficiência do padrão, múltiplos PDUs de camada MAC podem ser encadeados em uma rajada única, diminuindo em overhead da camada física (PHY).

 

Através de uma autocorreção de requisição e garantia de banda, a camada MAC elimina o overhead e o atraso em acknowledgements, enquanto que, ao mesmo tempo, permite melhor administração de QoS do que são adequados os esquemas tradicionais de acknowledgement.

 

IEEE 802.16e

 

Publicado em 2005, é o padrão de acesso sem fio de banda larga móvel do WiMax, o padrão IEEE 802.16e é uma solução de banda larga sem fio que admite a convergência de redes banda larga, móveis e fixas, por uma tecnologia MAN (Metropolitan Area Network) de rádio acesso de arquitetura de rede flexível.

 

O padrão IEEE 802.16e utiliza o Acesso Múltiplo por Divisão Ortogonal da Freqüência (OFDMA), que é similar ao OFDM pelo fato de que ele divide as portadoras em várias sub-portadoras. No entanto, o OFDMA vai um passo além ao agrupar diversas sub-portadoras em sub-canais. Um único cliente ou estação de assinante poderá trans­mitir utilizando todas as sub-portadoras no espaço da portadora, ou múltiplos clientes poderão transmitir sendo que cada um utiliza uma parcela do número total de sub-canais simultaneamente.

 

A camada física adotando OFDMA é superior quanto à multipercursos em ambientes sem linha de visada (NLOS). O OFDMA escalável (SOFDMA - Scalable OFDMA) é embutido no padrão para suportar larguras de banda escaláveis, de 1,25 a 20 MHz(INTEL 2008).

 

Tem como característica do padrão IEEE 802.16e, altas taxas de dados, a inclusão de técnicas MIMO (Multiple Input Multiple Output) de diversidade espacial de antenas, em conjunto com esquemas de sub-canalização, Codificação Avançada e Modulação permitem que o WiMax Móvel atinja taxas de pico de download de 63 Mbit/s por setor, e picos de uplink de 28 Mbit/s por setor, em canal de 10 MHz.

 

A mobilidade deste padrão homologado pelo IEEE suporta esquemas otimizados de handover com latências menores que 50 MS para garantir aplicações em tempo real, como VoIP, sem degradação de atuação.

 

A qualidade de Serviço (QoS) define Service Flows, que permitem QoS baseado em IP, fim-a-fim. Adicionalmente, subcanalização e esquemas de sinalização provêem mecanismo flexível para agendamento ótimo de recursos de espaço, freqüência e tempo sobre a interface aérea, quadro a quadro.

 

O padrão adota diferentes possibilidades de faixas, de 1,25 a 20 MHz. Admitindo que o padrão se adapte às diferentes realidades mundiais de alocação de freqüências.

 

O padrão cria sistemas flexíveis e poderosos de segurança. Autenticação EAP, criptografia AES-CCM. Suporta diferentes grupos de credenciais de usuário, incluindo: SIM/USIM cards (GSM/UMTS - Global System for Mobile communication / Universal Mobile Telecommunications System), Smart Cards, Digital Certificates e esquemas usuário/Senha. Há diversas aplicações para o WiMax móvel, mencionadas na tabela 05.

 

Tabela 5: Aplicações do WiMax.
Classe Aplicação Requisito estimado de banda Requisito estimado de latência Requisito estimado de jitter
1 Jogos interativos multiplayer Baixo 50 kbit/s Baixo < 25 ms N/D
2 VoIP & videoconferência Baixo 32 a 64 kbit/s Baixo < 160 ms Baixo < 50 ms
3 Streaming Baixo a alto 5 kbit/s a 2 Mbit/s N/D Baixo < 100 ms 3
4 Web & IM (Instant Messaging) Moderado 10 kbit/s a 2 Mbit/s N/D N/D
5 Downloads de mídia Alto > 2 Mbit/s N/D N/D
Fonte: Rodrigues 2008.

 

IEEE 802.16f

 

Foi criado para tratar dos MIBs (Management Information Bases) para protocolo SNMP (Simple Network Management Protocol), além de manter a possibilidade de tratar redes sem fio Mesh como nas versões anteriores 802.16d e 802.16e.

 

Resumo de Características

 

Algumas das principais características e comparações dos padrões IEEE 802.16 são apresentadas na tabela 06.

 

Tabela 6: Família de padrões IEEE 802.16.
Características IEEE 802.16 IEEE 802.16a/REVd IEEE 802.16e
Homologação Dezembro de 2001 802.16a: Janeiro de 2003
802.16 REVd: junho de 2004
A ser homologado em 2005
Freqüência 10-66GHz 2-11GHz 2-6GHz
Condições do Canal LOS
(Line of Sight)
NLOS
(Non Line of Sight)
NLOS
(Non Line of Sight)
Taxa de Transmissão Entre 32 e 134 Mbit/s
(canal de 28 MHz)
Até 75 Mbit/s
(canal de 20 MHz)
Até 15 Mbit/s
(canal de 5 Mhz)
Modulação QPSK, 16 QAM e 64 QAM OFDM 256 sub- portadoras, OFDMA 64 QAM, 16 QAM, QPSK, BIT/SK OFDM 256 subportadoras, OFDMA 64 QAM, 16 QAM, QPSK, BIT/SK
Mobilidade Fixa Fixa e portatil (nômade) Mobilidade, roaming regional
Largura de Banda 20, 25 e 28 MHz Entre 1,5 e 20 MHz, com até 16 sub-canais lógicos Entre 1,5 e 20 MHz, com até 16 sub-canais lógicos
Raio da Célula 2-5Km 5-10Km
Alcance máximo de 50 Kms dependendo do tamanho da antena, seu ganho e potência de transmissão (entre outros parâmetros)
2-5Km
Fonte: LIMA 2008.