Seção: Banda Larga
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WiMax Fórum
WIMAX (World Wide Interoperability for Microwave Access) fundada em Abril 2002 é uma organização sem fins lucrativos, formada por operadoras de telecomunicação (British Telecom, France Telecom) e vários fabricantes (INTEL, NOKIA, Siemens).O seu objetivo é acelerar a introdução de tecnologias BWA (Broadband Wireless Access), através da certificação de equipamentos baseados em normas, tornando possível níveis de preço/desempenho impossíveis de alcançar com as tecnologias proprietárias (2G, 3G,...). Providenciar especificações para comunicações fixas LOS na gama 10-66GHz (802.16c), para comunicações fixas nómadas NLOS na gama 2-11GHz (802.16a e 802.16d) e também define especificações para estações móveis a 150 km/h na gama 2-6GHz (802.16e).
Um operador escolhendo interoperabilidade e equipamentos baseados em Standards beneficiam de um crescente mercado de massas e reduz o risco de implementação, não ficando preso a um único fabricante. A sua Base Station é compatível com qualquer Subscriber Station desde que sejam certificadas pelo WiMAX Fórum.
Um fabricante de um produto apenas recebe o certificado WiMAX Fórum se cumprir a norma (atualmente IEEE 802.16-2004) e garantir a interoperabilidade com os outros equipamentos certificados. WiMAX Fórum é semelhante ao Wi-Fi Alliance em promoção do standard IEEE 802.11.
O primeiro laboratório de certificação abriu em Julho 2005 para o standard IEEE 802.16-2004 na banda dos 3.5GHz, e começou a receber de imediato equipamentos para teste. Em 16 de Janeiro de 2006, foram anunciados os primeiros 7 produtos certificados pelo WiMAX Fórum: 3 Base Stations (Aperto Networks, Redline Communications e Sequans Communications) e 3 Subsciber Station (Redline Communications, Sequans Communications e Wavesat Wireless Inc.). Mais tarde, em Março 2006 outros equipamentos receberam o mesmo certificado totalizando agora 14 produtos certificados. (WIMAX FORUM BRASIL)
Padrões IEEE 802 para Redes Sem Fio
O IEEE definiu uma hierarquia de padrões complementares para redes sem fio (figura 1). Essa padronização inclui o IEEE 802.15 para as redes pessoais (Personal Area Network – PAN), IEEE 802.11 para as redes locais (Local Area Network – LAN), 802.16 para as redes metropolitanas (Metropolitan Area Network) e o IEEE 802.20 para as redes geograficamente distribuídas (Wide Area Network – WAN). Cada padrão representa a tecnologia otimizada para mercados e modelos de uso distintos, sendo projetado para complementar os demais.
Um bom exemplo é a proliferação de redes locais sem fio domésticas, empresariais e hotspots comerciais baseados no padrão IEEE 802.11. Essa proliferação de WLANs está impulsionando a demanda por conectividade de banda larga para a Internet, demanda essa que o padrão 802.16 pode atender oferecendo conexão outdoor aos provedores de serviço de comunicação. Para os operadores e provedores de serviço, os sistemas construídos sob o padrão 802.16 representam um terceiro canal (third pipe), de fácil implantação, capaz de conectar residências e corporações ao núcleo das redes de telecomunicações em todo o mundo.
Figura 1: Padronização global (IEEE e ETSI) para redes sem fio Fonte: matrasistemas.com.br
A figura 1 apresenta o posicionamento de cada um dos padrões de acesso wireless, mostrando do lado esquerdo o padrão IEEE e do lado direito o padrão ETSI equivalente.
As tecnologias sem fio existentes hoje se dividem em quatro tipos:
O WiMAX pode ser classificado com W-WAN, mas não é exclusivamente ponto a ponto. Ele pode operar na W-LAN (como hotspot), na W-MAN (como backhaul) ou na W-WAN (como backbone).
A cobertura dos serviços wireless varia de acordo com a tecnologia e a forma como esta é utilizada. No caso do WiMAX segundo a definição do próprio WiMAX Fórum: “WiMAX não é uma tecnologia e sim uma marca de certificação, ou melhor, um selo de qualidade”. Isso significa que o WiMAX foi desenvolvido para operar em diversas topologias e formas diferentes, em LANs, MANs e WANs.
Figura 2: Cenários de aplicações sem fio Fonte: Telecom.com.br
O Padrão IEEE 802.16
WiMAX é o nome popular dado ao padrão IEEE 802.16 para redes metropolitanas sem fio, também conhecido como IEEE WirelessMAN ou ainda “Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems”. Esse padrão tem como proposta inicial disponibilizar o acesso banda larga sem fio para novas localizações cobrindo distâncias maiores sem a necessidade de investimento em uma infra-estrutura de alto custo (como ocorre com uma rede de acesso banda larga cabeada) e sem as limitações de distância das tecnologias DSL. Entre as promessas associadas ao 802.16 figura a solução para o problema da última milha8, através da redução do custo de implantação e do tempo necessário para se conectar residências e escritórios aos troncos das linhas de comunicação.
Figura 3: Diferentes áreas de atuação WiMAX Fonte: hasgar.4h.com.br
O padrão IEEE 802.16 pode ser definido como um padrão global, pois foi desenvolvido de modo a ser compatível com os padrões do ITU (International Telecommunication Union) e do ETSI (European Telecommunications Standards Institute), mais especificamente com os padrões HiperACCESS (High Performance Radio Access) e HiperMAN (High Performance Radio Metropolitan-Area Network) do projeto BRAN10 (Broadband Radio Access Networks) do ETSI e com o grupo de trabalho TM4 do ETSI. O mesmo não aconteceu com o padrão IEEE 802.11, o que de certa forma retardou a sua adoção. A Intel, uma das maiores patrocinadoras do Fórum WiMAX, acredita que o 802.16 é “a coisa mais importante desde o advento da própria Internet”. O padrão estenderá o potencial do Wi-Fi atual para distâncias bem maiores - em torno de 30 a 50 quilômetros. A empresa já comanda um teste real de uma rede sem fio de longo alcance em seu escritório na cidade de Hillsboro, no estado de Oregon, nos Estados Unidos. Com uma “fazenda de antenas” no topo do edifício, o sinal cobre aproximadamente 30 quilômetros e fornece acesso banda larga sem fio ao aeroporto da cidade, que fica a mais de 1 km de distância do edifício da Intel, e para 15 residências na vizinhança.
A popularidade das redes sem fio tem crescido rapidamente em função de uma padronização efetiva. Nesse contexto, os padrões são importantes pois viabilizam uma economia de escala, baixando os custos de equipamentos, assegurando a interoperabilidade e reduzindo o risco de investimento para os operadores da tecnologia sem fio.
A Família de Padrões IEEE 802.16
A versão inicial do padrão IEEE 802.16, publicada em abril de 2002, opera nas frequências de 10 a 66 GHz e requer visada direta (LOS – Line Of Sight). A extensão 802.16a, aprovada em janeiro de 2003, não requer transmissão com visada direta (NLOS – Non Line Of Sight) e permite o uso de frequências mais baixas (2 a 11 GHz), muitas das quais não são licenciadas.
O padrão IEEE 802.16 ostenta um alcance de 50 km e taxas médias de transferência de 70 Mbit/s, com taxas de pico de 268 Mbit/s, podendo atender a centenas de usuários. (figura 4).
Figura 4: Conexão sem fio NLOS ponto a multiponto e backhaul LOS Fonte: blogcdigital.wordpress.com
As emendas ao padrão 802.16, possibilitarão que uma única estação base ofereça BWA tanto para terminais fixos quanto móveis. Essas correções irão preencher a lacuna entre as altas taxas de dados das redes locais sem fio (WLAN) e a alta mobilidade celular das redes metropolitanas (WAN). A seguir, a família de padrões que compõem o WiMAX é brevemente apresentada:
Figura 5: Dimensionamento em WiMAX Nomádico Fonte: wimaxworld.com
Tabela 1: Tabela comparativa de padrões 802.16 (WiMAX Fórum)
Considerações Tecnológicas
Como definido pelo padrão IEEE 802.16 (padrão base), a provisão de acesso banda larga sem fio nas redes metropolitanas é garantida inicialmente através do acesso “fixo sem fio”. Nesse cenário, um backbone de estações base é conectado a uma rede pública, cada estação base tem capacidade para prover acesso à centenas de estações assinantes fixas, as quais podem ser tanto hot spots Wi-Fi públicos quanto redes empresariais protegidas por firewalls.
As estações base devem usar a camada MAC como definida no padrão 802.16 e alocar largura de banda nos canais de uplink e downlink para os assinantes de acordo com as suas necessidades, utilizando a especificação 802.16 da camada física que se adéque a faixa de frequência em uso.
Nas próximas subseções serão apresentadas as especificações das camadas físicas e de controle de acesso ao meio (MAC) definidas no padrão 802.16 [Ramachandran, 2004] (figura 6).
Figura 6: Pilha de protocolo do IEEE 802.16 Fonte: teleco.com.br
Pilha de Protocolos IEEE 802.16
No projeto de especificação da camada física a propagação LOS foi adotada por questões tecnológicas, já que em faixas de frequências mais altas (10 – 66 GHz) não há suporte à propagação NLOS. A partir dessa restrição de projeto a técnica de modulação escolhida foi a SCM (Single Carrier Modulation) com FEC (Forward Error Correction), o que orientou a especificação da interface aérea, denominada “WirelessMAN-SC”. Muitos desafios de projeto ainda permanecem em aberto.
Por causa da arquitetura ponto-multiponto a estação base basicamente transmite um sinal TDM (Time Division Multiplexing),com cada assinante alocado serialmente a slots de tempo. Na direção do uplink a transmissão é feita através de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA). Depois de uma série de discussões relativas à duplexação, um projeto para rajada foi selecionado o que permitiu que a interface aérea oferecesse suporte para os modos de operação TDD (uplink e downlink compartilham um canal mas não transmitem simultaneamente) e FDD (uplink e downlink operam em canais separados, algumas vezes simultaneamente). Essa característica permite a interoperabilidade do IEEE 802.16 com sistemas celulares e outros sistemas sem fio.
A provisão de suporte para assinantes FDD half-duplex (que é uma opção mais barata já que a transmissão e a recepção não são simultâneas) foi adicionada com pouca complexidade. Ambas as alternativas, TDD e FDD, oferecem suporte a perfis adaptativos de tráfego em rajada (figura 7) nos quais as opções de modulação e codificação podem ser associadas dinamicamente (burst by burst) [Eklund, 2002].
Figura 7: Perfis de rajada Fonte: enigmatic-consulting.com
Assim como a intensidade do sinal diminui em função da distância relativa à estação base, a relação sinal/ruído também diminui. Por essa razão, o padrão IEEE 802.16 emprega três esquemas de modulação diferentes, dependendo da distância que a estação do assinante se encontre em relação à estação base representado na figura 7.
Para assinantes próximos, é usado o 64 QAM, com 6 bits/baud. No caso de assinantes situados a uma distância média, é usado o 16 QAM, com 4 bits/baud. Para assinantes distantes, é usado o QPSK, com 2 bits/baud. Por exemplo, para um valor típico de 25 MHz de espectro, o 64 QAM oferece 150 Mbit/s, o 16 QAM oferece 100 Mbit/s, e o QPSK oferece 50 Mbit/s. Em outras palavras, quanto mais distante o assinante estiver em relação à estação base, mais baixa será a taxa de transmissão de dados.
Como mencionado, as técnicas de modulação disponíveis no padrão IEEE 802.16 para as frequências de 10 – 66 GHz englobam os sistemas com modulação de fase (PSK - Phase Shift Keying) e os sistemas com modulação de amplitude em quadratura (QAM – Quadrature Amplitude Modulation).
Dentre os sistemas PSK, a camada física do padrão 802.16 utiliza o QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) que é uma técnica de modulação na qual uma portadora é enviada em quatro fases (45o, 135o, 225o e 315o), com a transição entre dois símbolos vizinhos sendo codificada através de dois bits por símbolo.
Na figura 8 é mostrado um diagrama da constelação13 QPSK com quatro possíveis estados por símbolo, onde cada símbolo transmite dois bits de informação, exemplificando um possível mapeamento de estados para valores binários.
Figura 8: Diagrama da constelação do sistema QPSK Fonte: enigmatic-consulting.com
Reuso das Frequências
A figura 9 ilustra o conceito do reuso de frequência, onde células com o mesmo número utilizam os mesmos grupos de canais. Nessa figura, D é a distância de reuso co-canal, que separa duas células pertencentes a clusters adjacentes que utilizam o mesmo conjunto de frequências. O plano de reuso de frequências é sobreposto a um mapa para mostrar onde serão usados diferentes grupos de canais. A forma hexagonal das células é conceitual, sendo um modelo simplista da cobertura provida por cada estação base. A cobertura real de uma célula é conhecida como planta (footprint) e é determinada por medições ou estimada por modelos de predição de propagação.
A planta real de cobertura é irregular por natureza, porém um formato regular de célula é necessário para o planejamento sistemático e adaptação a futuro crescimento. Embora pareça natural a escolha de um círculo para representar a área de cobertura de uma estação base, a superposição de círculos adjacentes sobre um mapa gera áreas descobertas (gaps) ou regiões de sobreposição.
Figura 9: Reuso das Frequências Fonte: vivasemfio.com
Devemos considerar o reuso de frequências uma necessidade sendo o “fato de 3” muito utilizado, pois apresenta a melhor relação entre eficiência e máxima taxa disponível entre setores.
Figura 10: Reuso de Frequência, evitando interferência de co-canal Fonte: teleco.com.br
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