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Cadernos CPqD Tecnologia Vol. 4 • n. 2 • julho/dezembro 2008

Edição Especial: Tecnologia WiMAX


ISSN 1809-1946

Cadernos CPqD Tecnologia Vol. 4, n. 2, julho/dezembro 2008

Apresentação Claudio A. Violato, João Marcos Travassos Romano..............................................................................3 Prefácio Fabrício Lira Figueiredo........................................................................................................................... 5 Tecnologia WiMAX: uma visão geral Fabrício Lira Figueiredo, Luís Cláudio Palma Pereira..............................................................................7 Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi José Antonio Martins, Roberto Petry, Jadir Antônio da Silva, Luís Cláudio Palma Pereira...................27 Solução híbrida de acesso metropolitano sem fio banda larga Luís Cláudio Palma Pereira, Jadir Antônio da Silva, José Antonio Martins, Fabrício Lira Figueiredo....41 Desafios para a operação de redes WiMAX José Luiz Navarro Frauendorf.................................................................................................................53 Mobilidade em redes WiMAX Pedro Eduardo de Oliveira Macedo, Carlos Henrique Rodrigues de Oliveira........................................61 Implantação de projetos WiMAX com segurança Danilo Yoshio Suiama, Emilio Tissato Nakamura, Helen Mary Murphy Peres Teixeira, Sérgio Luís Ribeiro.....................................................................................................................................................69 Tecnologia de múltiplas antenas em sistemas WiMAX Gustavo Fraidenraich, Paulo Cardieri, Michel Daoud Yacoub................................................................79 Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula – SAPSA Maria Salete Sartorio Loural, Hugo Cesar Crohare Lavalle, Dagberto de Proença Magalhães, Vicente De Angelis Junior....................................................................................................................................87 Projeto de chipset para WiMAX móvel: desafios e oportunidades Julio Leão da Silva Jr., Edelweis Helena Garcez Ritt, Laurent Courcelle...............................................95

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 1-104, jul./dez. 2008


Apresentação Temos o prazer de trazer aos nossos leitores, pela primeira vez, uma Edição Especial dos Cadernos CPqD Tecnologia. Esta primeira Edição Especial tem como tema a tecnologia das redes sem fio banda larga baseadas no padrão WiMAX, as quais vêm despertando muito interesse pelas novas possibilidades de serviços e de negócios que proporciona. O cenário tecnológico mundial das telecomunicações apresenta atualmente uma fase de intensa transição para novos paradigmas de sistemas e arquiteturas de redes, que incorporam aspectos como padronização, interoperabilidade, multiplicidade de serviços, mobilidade e ubiqüidade, com profundos reflexos tecnológicos, econômicos, regulatórios e até mesmo sociais. Esse movimento tem sido induzido pelo crescimento extremamente acelerado da base de usuários de serviços banda larga em todo o mundo e pelo papel cada vez mais central da Internet na sociedade globalizada, como elemento de integração, informação, educação, entretenimento e negócios. Essa tendência tem apresentado reflexos diretos nas tecnologias de redes de acesso sem fio banda larga, com o surgimento de tecnologias totalmente abertas e padronizadas, com características inovadoras em termos de funcionalidades, desempenho, custo e flexibilidade, entre as quais pode ser destacada a tecnologia WiMAX. O avanço tecnológico no segmento das redes sem fio representa uma importante oportunidade para a expansão do acesso a serviços banda larga, principalmente nos países emergentes, contribuindo para a viabilização de políticas públicas voltadas à inclusão digital e social. De fato, levar a infra-estrutura convencional de telecomunicações a lugares distantes, ou de relevo complicado, é um grande desafio para países como o Brasil. A baixa densidade demográfica de algumas dessas localidades muitas vezes torna economicamente inviável o investimento em redes baseadas em cabos metálicos ou ópticos. Por esses motivos, a infra-estrutura de rede sem fio desponta como uma forte alternativa para facilitar a inclusão social e, mais do que isso, para atender às diferentes demandas do mercado. Trata-se também, para a engenharia brasileira, de uma oportunidade de dominar uma tecnologia capaz de proporcionar à indústria nacional especiais condições de competitividade, tanto no mercado doméstico como no mercado internacional. Com foco nas necessidades específicas do País, e com recursos do FUNTTEL, o CPqD tem realizado investimentos significativos e utilizado toda a sua experiência em tecnologias de redes de telecomunicações para desenvolver uma solução completa de banda larga sem fio baseada nos padrões internacionais do WiMAX Forum. Alguns de seus resultados mais importantes estão descritos nos artigos desta edição dos Cadernos. Com o objetivo de apresentar uma visão mais completa do panorama tecnológico na área, esta Edição Especial inclui, também, artigos que relatam a experiência e os resultados alcançados em projetos realizados por outros grupos de pesquisa, os quais não fazem parte do programa de P&D do CPqD. Agradecemos a todos os autores, que aceitaram o convite de apresentar seus trabalhos para publicação nos Cadernos, e queremos registrar nosso reconhecimento aos membros do Comitê Editorial e aos demais revisores pelo esmerado trabalho de revisão e pelos comentários valiosos, que contribuíram para a maior qualidade desta edição dos Cadernos. Gostaríamos de registrar, ainda, nossos agradecimentos pelo cuidadoso e competente trabalho de Fabrício Lira Figueiredo, que, como editor-convidado, procurou com sucesso proporcionar uma visão abrangente e aprofundada das redes WiMAX, com ênfase nos aspectos tecnológicos, regulatórios e operacionais. Esperamos, com esta edição, atender a uma demanda dos nossos leitores, trazendo-lhes informações atualizadas sobre um dos temas mais relevantes para as telecomunicações.

Claudio A. Violato Vice-Presidente de Tecnologia João Marcos Travassos Romano Presidente do Fórum de P&D do CPqD

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 3, jul./dez. 2008


Prefácio Apresentam-se, nesta Edição Especial da Revista Cadernos CPqD Tecnologia, nove novos artigos focados na Tecnologia WiMAX, envolvendo trabalhos recentes em desenvolvimento no CPqD, bem como contribuições de personalidades ou instituições atuantes deste segmento tecnológico no Brasil. No primeiro artigo, Figueiredo e Pereira fornecem uma visão geral dos principais fundamentos da tecnologia WiMAX, descrevendo seu posicionamento no cenário internacional das telecomunicações, seu caminho evolutivo e suas características essenciais, de modo a proporcionar ao leitor a oportunidade de se familiarizar rapidamente com os principais aspectos que norteiam as redes WiMAX. O segundo artigo, de Martins e outros colaboradores, apresenta uma visão do atual cenário regulatório brasileiro referente às tecnologias de acesso sem fio banda larga, que compreende uma análise da regulamentação brasileira sobre condições de uso do espectro de freqüências, considerando as especificações dos sistemas WiMAX e Wi-Fi, e apontando faixas de freqüências disponíveis no País. O terceiro artigo, de Pereira e colaboradores, apresenta uma solução sistêmica para prover infraestrutura de telecomunicações incluindo redes de acesso banda larga sem fio, integrando segmentos baseados na tecnologia WiMAX e na tecnologia Wi-Fi mesh, de forma a suportar serviços de voz, dados e imagem. No quarto artigo, Frauendorf descreve os principais desafios para a operação de redes WiMAX, destacando parâmetros importantes que devem ser considerados quando da implantação e operação de redes WiMAX fixas em países em desenvolvimento, de modo a viabilizar a construção de redes de baixo custo, bem como sua implantação tanto em áreas já cobertas por outras tecnologias, quanto em áreas sem oferta desses serviços. No quinto artigo, Macedo e outros colaboradores fornecem uma visão geral sobre os mecanismos de controle e gerência de mobilidade nas redes baseadas em redes WiMAX, com foco nos mecanismos de controle de roaming e mobilidade IP. No sexto artigo, Suiama e outros colaboradores discutem as necessidades e as principais vulnerabilidades na tecnologia WiMAX e apresentam uma abordagem sistêmica para a implantação de redes WiMAX com segurança. No sétimo artigo, Fraidenraich, Cardieri e Yacoub apresentam uma revisão das principais técnicas de processamento de sinais utilizadas em sistemas de múltiplas antenas para sistemas WiMAX, com foco em codificação espaço-temporal, multiplexação por divisão no espaço e sistemas com antenas adaptativas, introduzindo a noção dos ganhos de diversidade, ganho de multiplexação e ganho de arranjo. No oitavo artigo, Loural e outros colaboradores apresentam um estudo de caso para o Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula, o SAPSA, implantado sobre uma rede sem fio WiMAX na cidade de Hortolândia e utilizado por professores, administradores e gestores de ensino público para aumentar o interesse dos alunos, assim como para validar o serviço e identificar novas funcionalidades relevantes. No nono e último artigo, Silva Jr. e outros colaboradores do CEITEC apresentam os desafios para a implementação de um chipset que implementa as camadas física e de enlace de dados da tecnologia WiMAX, destacando as oportunidades de inovação tecnológica e descrevendo alguns dos principais parâmetros críticos para o desempenho da interface aérea e do dispositivo semicondutor. Nossa revista confirma, no presente número, suas características de regularidade, diversidade de temas e interesse técnico-científico de seus artigos. Agradeço a cada um dos autores que participam deste exemplar e aos meus colegas do Fórum de P&D pelo cuidadoso trabalho de revisão.

Fabrício Lira Figueiredo

Gerente de Sistemas de Comunicações Sem Fio do CPqD

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 5, jul./dez. 2008


Tecnologia WiMAX: uma visão geral Fabrício Lira Figueiredo*, Luís Cláudio Palma Pereira Este trabalho tem por objetivo fornecer uma visão geral da tecnologia WiMAX, descrevendo seu posicionamento em relação às tecnologias semelhantes presentes no cenário internacional das telecomunicações, seu caminho evolutivo, o foco em interoperabilidade e principalmente suas características essenciais. Foi elaborada uma síntese das principais funcionalidades especificadas no padrão IEEE 802.16, compreendendo arquitetura e topologia da rede, arquitetura de protocolo, camada física OFDM, camada física OFDMA, estruturas de quadro, mobilidade, gerenciamento de QoS, segurança da informação, entre outras. Deste modo, é fornecida uma visão sistêmica completa das redes WiMAX e são destacados os principais diferenciais em relação a outras tecnologias de redes de acesso sem fio banda larga. Palavras-chave: WiMAX. OFDMA. Rede sem fio. Introdução Ao longo dos últimos anos, diversas tecnologias avançadas de redes sem fio têm sido desenvolvidas pelo IEEE, em conjunto com a indústria, com foco em interoperabilidade, suporte ao protocolo IP e a altas taxas de transmissão. Um exemplo é a tecnologia Wi-Fi, baseada no padrão IEEE 802.11 (IEEE, 1999), que consiste em uma solução de rede local sem fio (Wireless LAN-WLAN) amplamente difundida. O Wi-Fi suporta operação em bandas não licenciadas (2.4 e 5.8 GHz, no Brasil) em áreas de cobertura na ordem de centenas de metros e com taxas de transmissão de até 54 Mbit/s. Essa tecnologia de acesso pode ser adotada como base para redes metropolitanas sem fio, especialmente se associada a técnicas de roteamento que permitam incorporar o conceito de redes Ad Hoc ou mesh sem fio. Na mesma linha da tecnologia Wi-Fi, o IEEE tem especificado a tecnologia WiMAX, por meio do padrão IEEE 802.16 (IEEE, 2004). Trata-se de uma tecnologia de rede metropolitana sem fio, com suporte a cobertura na ordem de quilômetros e taxas de transmissão de até 74 Mbit/s, além de qualidade de serviço (QoS) e interfaces para redes IP, ATM, E1/T1 e Ethernet. O termo WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) se refere ao WiMAX Forum, que tem como missão principal garantir a interoperabilidade entre os equipamentos baseados no padrão IEEE 802.16 e é composto predominantemente por fabricantes de equipamentos e chipsets. Através das funcionalidades suportadas pela tecnologia WiMAX, uma grande variedade de serviços sem fio banda larga é viabilizada, incluindo VoIP (Voz sobre IP) e IPTV (vídeo sobre IP).

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A tecnologia WiMAX tem ocupado posição de destaque cada vez maior no cenário tecnológico internacional das telecomunicações, devido a uma série de fatores que a tornam uma alternativa para viabilizar técnica e economicamente o acesso sem fio banda larga em diversos mercados, incluindo os países emergentes. De fato, trata-se de uma tecnologia baseada em um padrão aberto e com foco em interoperabilidade, contemplando técnicas avançadas de transmissão, arquitetura e interfaces flexíveis. Suporta múltiplas faixas de freqüência de operação, além de mecanismos avançados de gerenciamento de qualidade de serviço, segurança da informação e mobilidade. Esse modelo aberto e baseado em um padrão internacionalmente reconhecido permite a ampla participação da indústria de equipamentos de telecomunicações em todo o mundo, contribuindo para a ampliação dos volumes de produção e rápida redução dos preços dos dispositivos. Como resultado, o ecossistema construído em torno da tecnologia WiMAX contribui para a redução dos custos da infraestrutura de acesso sem fio banda larga, permitindo a implantação de novos modelos de negócios e serviços pelas operadoras. Esse cenário de diversidade de atores e redução de preços de equipamentos já se verifica na primeira geração de equipamentos, apropriada para soluções de redes metropolitanas sem fio fixas, e vários fabricantes, de diversos portes, já ofertam produtos globalmente, inclusive com certificado de interoperabilidade do WiMAX Forum. O envolvimento direto da indústria de semicondutores também tem contribuído fortemente para o desenvolvimento do

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: fabricio@cpqd.com.br Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 7-26, jul./dez. 2008

WiMAX no cenário tecnológico internacional das telecomunicações


Tecnologia WiMAX: uma visão geral

ecossistema WiMAX em nível global. Nesse contexto, a adoção já anunciada dessa tecnologia por grandes fabricantes de processadores, como Intel e Fujitsu, assegura uma base crescente de usuários potenciais em todo o mundo, cada vez mais interessados em dispositivos portáteis com suporte ao acesso sem fio banda larga. Em países emergentes, como o Brasil, a tecnologia WiMAX começa a ser adotada como uma solução para viabilizar a difusão do acesso a serviços banda larga, inclusive para as camadas da população com menor poder aquisitivo. Considerando a baixa penetração de serviços banda larga no País e a importância crescente do acesso à informação como instrumento de desenvolvimento socioeconômico, a tecnologia WiMAX tem grande potencial de contribuir para a inclusão digital e social dos cidadãos.

nas camadas física e de enlace, que tornam possível sua utilização no segmento de acesso de redes multisserviços (voz, dados e imagem) sujeitas a padrões de desempenho, segurança e garantia contratual de qualidade. Além de prover uma infra-estrutura mais simples quando comparada aos sistemas 3G baseados em CDMA (EVDO, HSPA), incorporando mobilidade baseada em redes de pacotes IP, a rede de acesso WiMAX apresenta as seguintes vantagens adicionais detalhadas nas seções subseqüentes: • Tolerância a degradações associadas a ocorrências de multipercurso, ausência de visada entre terminal de usuário (SS/MS) e estação-base (BS) e interferências intersimbólicas. • Flexibilidade na utilização do espectro de freqüências proporcionada pelo método de acesso SOFDMA através da adequação da largura do canal, alocação de subcanais de acordo com as demandas e requisitos de desempenho, bem como a seleção dos modos de permutação de subportadoras (PUSC, FUSC, AMC, TUSC) condizentes com a arquitetura e condições de operação da rede de acesso. • Flexibilidade na alocação de símbolos para o downlink e uplink proporcionada pelo método de duplexação temporal (TDD) e otimização da estrutura do quadro para serviços com características assimétricas e dos tipos multicast e broadcast.

1.1 WiMAX e tecnologias celulares No ambiente atual das telecomunicações algumas tecnologias competem com a tecnologia definida pelo padrão WiMAX. As principais opções tecnológicas ao alcance dos provedores de serviços constam da Tabela 1. Em oposição aos sistemas baseados na tecnologia de acesso CDMA constantes dessa tabela e centrados originalmente no provimento de serviços de voz, a tecnologia WiMAX possui a vantagem da maior flexibilidade, implementando um variado conjunto de funcionalidades e perfis

Tabela 1 Comparação entre tecnologias WiMAX móvel, EVDO e HSPA 1xEVDO Rev A

HSPA

WiMAX Móvel

CDMA2000/IS-95 FDD TDM CDMA 1.25 MHz

WCDMA FDD CDM-TDM CDMA 5.0 MHz

IEEE 802.16e-2005 TDD OFDM OFDMA 3, 5, 8.75, 10 Mhz

1.67 ms

2 ms

6.67 ms QPSK/8PSK/16QAM BPSK/QPSK/8PSK Turbo

2.10 ms QPSK/16QAM BPSK/QPSK CC,Turbo

3.1 Mbps

14 Mbps

1.8 Mbps

5.8 Mbps

Fast 4-Channel Synchronous IR

Fast 6-Channel Asynchronous CC

Agendamento

Fast scheduling (DL)

Fast scheduling (DL)

Handoff

Virtual Soft Handoff

Atributo Padrão Esquema de duplexação Multiplexação downlink Múltiplo acesso no uplink Largura de canal Tamanho de quadro downlink Tamanho de quadro uplink Modulação downlink Modulação uplink Codificação Taxa de transmissão máxima no downlink Taxa de transmissão máxima no uplink H-ARQ

Diversidade Transmissão e MIMO Beamforming

Diversidade simples de malha aberta Não

Network initiated hard handoff Diversidade simples de malha aberta e fechada Sim (Pilotos dedicados)

5 ms (TDD) QPSK/16QAM/64QAM QPSK/16QAM CC,Turbo 32 Mbps (UL/DL=1, Canal 10 MHz) 7 Mbps (UL/DL=1, Canal 10 MHz) Multi-channel Asynchronous CC Fast scheduling (DL/UL) Network optimized hard handoff Space-Time Coding, Spatial Multiplexing Sim

Fonte: WiMAX Forum, 2006a

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Tecnologia WiMAX: uma visão geral

Vale ainda salientar que a técnica OFDMA, base da versão móvel da tecnologia WiMAX, corresponde à principal tendência para a próxima geração de redes móveis. De fato, tanto o 3GPP (Third Generation Partnership Project) quanto o 3GPP2 já incorporaram a interface aérea OFDMA em sua especificação da tecnologia LTE. Desse modo, o posicionamento da tecnologia WiMAX no cenário internacional é bastante favorável, uma vez que se encontra bastante à frente da família de tecnologias celulares 3G, e já tem sua principal abordagem para redes móveis reconhecida como solução para as redes 4G.

Técnicas avançadas de utilização do canal de rádio, através de implementação de conjuntos de antenas capazes de alterar o padrão de radiação (AAS) ou processar fluxos de dados distintos ou redundantes associados a diferentes percursos de propagação (MIMO/STC). • A segurança do acesso e das comunicações na interface aérea são providas através de mecanismos de criptografia (AES) aplicados aos dados transportados, bem como às mensagens estabelecidas pelos métodos baseados no protocolo de autenticação (EAP). • A qualidade de serviço é implementada por um conjunto de classes de serviço capaz de, através de parâmetros associados a cada uma delas, acomodar o tratamento diferenciado do tráfego de dados, voz e imagem e a aplicação de critérios de classificação e priorização. As características comuns à tecnologia WiMAX e às demais apresentadas na Tabela 1, apresentando variações nas suas implementações, incluem: • modulação adaptativa e codificação; • retransmissão total ou parcial com reconstrução de pacotes (ARQ/H-ARQ); • escalonamento dinâmico na transmissão de dados de acordo com critérios de priorização e medidas de eficiência na utilização dos recursos de banda disponíveis; • handoff otimizado para redução de atraso. A tecnologia WiMAX apresenta um caminho evolutivo mais suave, a partir da versão móvel, enquanto as tecnologias 3G apresentam ainda necessidade de ao menos um salto tecnológico importante para se aproximar em termos de funcionalidades, conforme Figura 1. Esse salto é representado pela tecnologia LTE, com previsão de lançamento comercial após 2011 (WiMAX Forum, 2006).

2005 3GPP WCDMA R.99 3GPP2 1xEVDO Rev0

2006

2

A primeira versão do padrão IEEE 802.16 foi estabelecida em 2001, conforme Figura 2, após dois anos do início do desenvolvimento da norma. O WiMAX cobriria apenas a faixa de freqüências de 10 a 66 GHz e só operaria em linha de visada, o que significa que o receptor precisa ser visível para o emissor. Em 2003, foi publicada a versão 802.16c, que especifica um conjunto de perfis para a operação do sistema na faixa de 10 GHz a 66 GHz e contribui para garantir a interoperabilidade entre diferentes fabricantes. No início de 2004, foi publicada a versão 802.16.2-2, que corresponde a um conjunto de “melhores práticas” para a implantação da rede WiMAX em diversos cenários possíveis no mundo real. No entanto, a necessidade de operar em linha de visada representaria um fator limitante para a adoção da tecnologia, pois dificultaria sua implantação, principalmente em áreas urbanas. Visando a superar essa limitação, o IEEE publicou, ainda em 2003, a versão 802.16a, que especifica a operação em faixas de freqüências entre 2 e 11 GHz, incluindo bandas licenciadas e não licenciadas, sem a necessidade de linha de visada.

2007

3GPP HSDPA R5

3GPP2 1xEVDO RevA

Evolução do padrão IEEE 802.16

2008 3GPP HSUPA R6

2009

2010+ 3GPP MIMO/ HSDPA R7 SAE/LTE R8

3GPP2 1xEVDO RevB

3G IEEE 802.162004ETSI HiperMAN OFDM

IEEE 802.16e2005/ETSI HiperMAN SISO/OFDMA

IEEE 802.16e-2005/ETSI HiperMAN MIMO/Beamforming/OFDMA

WiMAX

Fonte: WiMAX Forum, 2006b

Figura 1 Comparação do caminho evolutivo das tecnologias WiMAX e 3G

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Tecnologia WiMAX: uma visão geral

PHY <11 GHz

PHY 10-66 GHz IEEE 802.16 - 2001

IEEE 802.16a - 2003

MAC / PHY

MAC / PHY

IEEE 802.16c - 2003

IEEE 802.16 - 2004

Perfis de Sistemas

MAC / PHY

IEEE 802.16.2-2 - 2004 Melhores Práticas

Figura 2 Versões iniciais do padrão IEEE 802.16

Em 2004, foi publicada a versão 802.16-2004, que incorpora a versão 802.16a e especifica as regras para a interoperabilidade nas freqüências até 66 GHz (com foco nas faixas até 11 GHz) e que está sendo adotada como base para o desenvolvimento dos primeiros chipsets WiMAX. Finalmente, está em desenvolvimento a versão 802.16e, que passa a suportar mobilidade entre células e deverá viabilizar o desenvolvimento dos primeiros processadores para PCs com WiMAX e Wi-Fi embutidos, com previsão de chegada ao mercado ainda em 2008. Visando a complementar o papel do IEEE, foi criado o WiMAX Forum. Trata-se de uma organização sem fins lucrativos constituída por operadoras, fornecedores e fabricantes de equipamentos e terminais, além de provedores de serviços, cujo principal objetivo é garantir a interoperabilidade entre os dispositivos dos diversos fabricantes. É ainda missão prioritária 2004

do Fórum o tratamento de aspectos regulatórios e a difusão da tecnologia em todo o mundo. Desse modo, as tendências de evolução da tecnologia WiMAX podem ser levantadas a partir do andamento previsto para as especificações do IEEE 802.16 e do WiMAX Forum. A Figura 3 representa o caminho evolutivo do padrão IEEE 802.16 a partir da versão IEEE 802.16-2004. Atualmente, está disponível também uma versão estável – IEEE 802.16f – relativa ao gerenciamento de redes WiMAX fixas, bem como um draft da versão IEEE 802.16e, que suporta aplicações fixas e móveis em faixas licenciadas. O caminho de evolução prevê ainda versões para a gerência de rede WiMAX móvel – IEEE 802.16i –, solução multihop – IEEE 802.16j – e a próxima geração WiMAX (taxas acima de 1 Gbit/s em aplicações fixas e 100 Mbit/s em aplicações móveis).

IEEE 802.16 -2004 Fixas (bandas licenciadas e não licenciadas/ NLOS:<6 GHz , LOS:>10,5 GHz )

Cor 1

IEEE 802.16e 2005

Fixo e Móvel (Licenciada, NLOS, <6

GHz GHz ) )

IEEE 802.16h LE

IEEE 802.16f MIBs MIBspara para WiM AX Fixo Fixo

Procedimentos de Coexistência

2006 IEEE 802.16g Gerenciamento Fixo e Móvel

2008

IEEE 802.16i

IEEE 802.16j 802.16x

MIBs para WiM AX Móvel

Multi-hop/Relay Móvel

Planejado Draft

2010

IEEE 802.16m Altas taxas de de transmissão (>1(>1 Gbps -Fixo , >100 Mbps-Móvel ) Altas taxas transmissão

Em desenvolvimento Padrão estável

Figura 3 Evolução da padronização IEEE 802.16

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Tecnologia WiMAX: uma visão geral

O processo de certificação do WiMAX Forum também tem um roadmap bem definido, conforme Figura 4. Através desse processo, é possível garantir a interoperabilidade entre os equipamentos dos diversos fabricantes, principal missão do Fórum. Atualmente, esse processo é conduzido em laboratórios que operam em diversas localidades do mundo, visando à certificação dos equipamentos WiMAX fixo em 3.5 GHz, inclusive em um laboratório da Coréia, o qual está iniciando testes para certificação dos equipamentos WiMAX móvel em 2.5 GHz.

Observa-se que, a partir de 2007, o esforço de certificação passou a se concentrar no WiMAX móvel, com foco em funcionalidades obrigatórias especificadas pelo padrão IEEE 802.16e, tais como OFDMA, handover, QoS, controle de potência, entre outras. Essas funcionalidades deverão, portanto, ser suportadas por todos os equipamentos, de modo que outras funcionalidades deverão ser agregadas por cada fabricante em busca de um diferencial competitivo, sem prejuízo à conformidade com o padrão.

Compatibilidade Reversa Padronização IEEE (Novas Funcionalidades) Release 1.0 Wave 2 Testes Mandatórios: Handovers, QoS, Consumo de potência, IPv6 Base station Módulos Opcionais: MIMO Beamforming Ethernet IO MBS

Mobile station Testes mandatórios: MIMO Beamforming MBS Opcional: Ethernet IO

Release 1.0 Wave 1 Testes Mandatórios: OFDMA, QoS, power control, AES, PKMV2, handover básico, compressão de header, H-ARQ

1Q07

2Q07

3Q07

4Q07

1Q08

2Q08

3Q08

4Q08

Figura 4 Caminho de evolução do processo de padronização da tecnologia WiMAX Visited NSP

Home NSP

R2 R2

ASN R1

SS/ MS

R6

BS

ASN Gateway

R3

R5

CSN R8

CSN

R6

BS

R4

Redes ASP ou Internet

Redes ASP ou Internet

Outro ASN

NAP

Figura 5 Rede de referência proposta pelo WiMAX Forum

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Tecnologia WiMAX: uma visão geral

roaming e gerenciamento de mobilidade através de diferentes redes de acesso WiMAX; • segurança e variedade de padrões e protocolos de autenticação e formas de credenciamento e tarifação. A implementação da rede fim a fim depende da definição dos protocolos de comunicação entre os diversos elementos da rede, bem como do conjunto de funcionalidades de gerenciamento e controle. A partir desses objetivos, o Fórum concebeu um modelo de referência para a arquitetura da rede fim a fim, cujos elementos encontram-se ilustrados na Figura 5. Na figura, a ASN (Access Service Network) engloba as entidades funcionais e as respectivas interfaces responsáveis pelo provimento do acesso dos terminais WiMAX aos serviços disponibilizados pela rede CSN (Connectivity Service Network), bem como a manutenção da conectividade IP. A rede CSN pode incorporar elementos de rede como, por exemplo, servidor AAA, bancos de dados, gateways e outros. Sob o ponto de vista da operação, uma ou várias ASNs podem ser compartilhadas por diferentes provedores de acesso (NAP – Network Access Provider). Da mesma forma, múltiplos provedores de serviço (NSP – Network Service Provider) podem compartilhar a infra-estrutura de acesso. •

2.1 Arquitetura fim a fim Como mencionado anteriormente, a tecnologia WiMAX, que engloba as camadas física e de acesso ao meio, encontra-se definida no padrão IEEE 802.16. Contudo, a incorporação de requisitos associados à mobilidade, tais como interoperabilidade tanto de equipamentos como de redes provedoras de serviço, roaming, continuidade nas conexões IP, entre outros, gerou a necessidade de estabelecimento de novas especificações e padronização de interfaces. O trabalho relacionado ao desenvolvimento dessas especificações é de responsabilidade do WiMAX Forum. A necessidade de provimento de um ambiente operacional flexível, que suporte o atendimento a redes de alta a baixa densidade, áreas urbanas e rurais, com bandas regulamentadas e não regulamentadas, baixo custo e rápida implementação, induziu o Fórum a adotar uma arquitetura de rede fim a fim, fortemente embasada no conceito de plataforma All-IP, incorporando os conhecimentos, elementos físicos e lógicos constituintes do núcleo das redes de transmissão e comutação de pacotes. De acordo com esse conceito, a rede fim a fim inclui o suporte a: • serviços de voz e multimídia; • acesso a provedores de serviços e aplicações; • telefonia móvel baseada em VoIP; • serviços providos através de redes legadas e interoperabilidade com redes sem fio e conectadas por cabos existentes, tais como 3GPP e DSL; • serviços IP nos modos broadcast e multicast;

2.2 Arquitetura e topologia de rede de acesso A topologia e a arquitetura de rede especificadas pelo padrão IEEE 802.16a estão ilustradas na Figura 6. São definidos os elementos BS (Base Station) e SS (Subscriber Station).

SS

SS

SOHO

BS

HotSpots Clientes Residenciais

SS

SS

SS

IP

Enterprise SS

Core Network

ATM

BS

Figura 6 Topologia e arquitetura de rede de acesso sem fio WiMAX

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Tecnologia WiMAX: uma visão geral

A BS realiza a interface entre a rede sem fio e uma rede núcleo (Core Network), suportando interfaces IP, ATM, Ethernet ou E1/T1. Esse elemento físico realiza fundamentalmente a interconexão entre os terminais e as redes externas de dados e voz, além de desempenhar funções de autenticação e registro de usuários, estabelecimento e controle de chamadas, provendo a interface entre a rede WiMAX e a rede externa IP e, através desta, a RTPC (Rede de Telefonia Pública Comutada). A SS permite ao usuário acessar a rede, através do estabelecimento de enlaces com a BS, em uma topologia ponto-multiponto. A SS é um elemento físico ao qual o usuário se conecta diretamente através da rede local (LAN), acessando os serviços disponibilizados pela rede externa IP após a conclusão de procedimentos de registro e autenticação. À SS é permitido o estabelecimento de conexões para transporte de dados via interface aérea. Como alternativa à topologia ponto-multiponto, o padrão especifica a topologia mesh (opcional), na qual uma SS pode se conectar a uma ou mais SSs intermediárias (nós) até atingir a BS. Nesse caso, trata-se de uma rede multihop, que representa uma estratégia interessante para expandir a área de cobertura total da rede sem a necessidade de um aumento proporcional do número de BSs, resultando em uma economia

Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace de Dados Física

significativa nos custos de implantação, já que as SSs deverão ter custo bem inferior ao das BSs. 2.3 Arquitetura de protocolo O padrão IEEE 802.16 (IEEE, 2004) especifica a interface aérea para freqüências até 66 GHz e inclui a camada de enlace de dados (MAC) e múltiplas camadas físicas (PHY), segundo a arquitetura de protocolos ilustrada na Figura 7. A camada MAC tem a função de controle de acesso ao meio e de garantia do nível de QoS na interface aérea, através de mecanismos dinâmicos de reserva de banda e priorização de tráfego. Adicionalmente, o suporte a múltiplas interfaces para camadas físicas e para a rede núcleo, bem como os mecanismos de sincronismo e segurança da informação, constituem o conjunto principal de funcionalidades da camada MAC especificada no padrão 802.16. A integração das versões de camadas MAC e física origina as versões atuais especificadas para a tecnologia WiMAX, descritas a seguir: • WirelessMAN-SC: trata-se da versão singlecarrier, projetada para operação com linha de visada (LOS – Line of Sight) na faixa de freqüências de 10 a 66 GHz. Essa versão é focada em flexibilidade, em termos de planejamento, custo, funcionalidades, serviços e capacidade.

• Controle de Acesso ao Meio • Gerenciamento de QoS • Suporte para as PHYs OFDM e OFDMA • Segurança (Enterprise Class) • Sincronismo • Interface para IP, ATM, E1/T1, Ethernet • Dynamic Frequency Selection (DFS), em bandas não licenciadas • Suporte a sistemas com antenas adaptativas • Suporte a topologia Mesh (Opcional) • OFDM  FFT-256, TDMA (TDD/FDD) • OFDMA  FFT 2048 pontos com TDMA (TDD/FDD) • Single Carrier (SCa)  FFT 2048 pontos com TDMA (TDD/FDD)  

• • • • •

TDMA (TDD/FDD) BPSK, QPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM

WirelessHUMAN até 11 GHz até 74 Mbps Potência Máxima de Transmissão: +28 dBm Áreas de cobertura:  Ponto-Multiponto: 8-30 Km (rural), 1-6 Km (urbano) 

Ponto-a-Ponto: acima de 40 Km

Figura 7 Arquitetura de protocolos da tecnologia WiMAX: camadas física e de enlace de dados

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Tecnologia WiMAX: uma visão geral

WirelessMAN-SCa: versão single-carrier para freqüências até 11 GHz. Compreende um conjunto de funcionalidades para suportar operação sem linha de visada, incluindo uma estrutura de quadros robusta a multipercurso, estimação e equalização de canal, modulação adaptativa, múltiplos esquemas de codificação, antenas adaptativas, diversidade de transmissão, controle de potência e ARQ (Automatic Repeat Request). WirelessMAN-OFDM: projetada para operação sem linha de visada (NLOS), em freqüências abaixo de 11 GHz, com base em modulação multiportadoras (OFDM – Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Além das funcionalidades especificadas na WirelessMAN-SCa, essa versão suporta topologia mesh e subcanalização no enlace reverso (uplink), que representam importantes ferramentas para a otimização da cobertura do sistema. WirelessMAN-OFDMA: suporta operação NLOS em freqüências abaixo de 11 GHz e se baseia no esquema de múltiplo acesso denominado OFDMA (Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access). Trata-se de uma extensão da técnica de modulação OFDM para permitir o compartilhamento de canal por múltiplos usuários. Além das funcionalidades especificadas na WirelessMAN-SCa, suporta subcanalização nos enlaces direto e reverso. WirelessHUMAN: compreende funcionalidades específicas para operação em bandas não licenciadas, sendo, por essa razão, denominada HUMAN (High-speed Unlicensed Metropolitan Area Network).

Especifica a operação nas faixas de 5 e 6 GHz, com base em um esquema flexível de canalização, que inclui canais de 10 e 20 MHz de largura, com espaçamento de 5 MHz. O esquema a ser efetivamente adotado depende de aspectos regulatórios. Essa especificação se aplica às versões SCa, OFDM e OFDMA das camadas físicas do padrão IEEE 802.16. 3

Operação sem linha de visada

A definição formal de “operação em linha de visada” é estabelecida com base no conceito de zonas de Fresnel, conforme Figura 8. Os obstáculos à propagação do sinal de rádio podem provocar, entre outros efeitos, a difração, cuja abrangência é modelada através de zonas volumétricas elipsoidais em torno da visada direta entre transmissor e receptor, denominadas zonas de Fresnel. O conceito de “operação em linha de visada” consiste em garantir que não existam obstáculos situados no interior da primeira zona de Fresnel. Desse modo, a abertura da primeira zona de Fresnel, que depende da freqüência de operação e das distâncias para os obstáculos, impõe um limite mínimo à altura da antena transmissora. A operação em freqüências abaixo de 11 GHz implica a transmissão em enlaces de radiofreqüência com comprimentos de onda mais longos, tornando desnecessária a condição de visada direta para a operação. Adicionalmente, a recepção de sinais em multipercurso é possível nessa faixa de freqüências, aumentando ainda mais o desempenho na recepção.

Primeira Zona de Fresnel

BS

SS

Fonte: WiMAX Forum, 2004

Figura 8 Zonas de Fresnel e definição de operação em linha de visada

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Para suportar a operação em cenários NLOS, é necessário implementar um conjunto de funcionalidades nas camadas física e de enlace de dados. As principais funcionalidades especificadas no padrão IEEE 802.16-2004 são descritas a seguir.

seqüência de bits transmitida a uma taxa de R bit/s é multiplexada em N subcanais, resultando na transmissão de R/N bit/s sobre cada subportadora. Essa estratégia tem como benefício imediato a possibilidade de utilização de equalizadores simplificados nos receptores. A Figura 10a ilustra a distorção imposta pelo canal de rádio a um sinal transmitido por um sistema banda larga de portadora única, que requer um equalizador de alta complexidade para a recomposição do sinal original. Já no caso da Figura 10b, o canal de rádio distorce uniformemente cada subcanal, de modo que a operação de equalização de cada subportadora se resume a uma simples amplificação. Outro importante benefício é o aumento da eficácia na utilização de técnicas de codificação e correção de erros, possibilitado pela transmissão a taxas reduzidas em cada subportadora.

3.1 Modulação OFDM A modulação OFDM (Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing) representa um elemento fundamental para suportar operação sem linha de visada na tecnologia WiMAX, devido ao alto desempenho alcançado nessa condição de propagação. Trata-se de uma técnica de multiplexação de informações em um conjunto de subcanais constituídos por subportadoras banda estreita e ortogonais entre si. Esse esquema de modulação pode ser implementado como um banco de filtros, conforme Figura 9. Nesse caso, uma Transmissor R/N b/s

QAM

Filtro

d0(t) f0

R b/s

R/N b/s

R/N b/s

QAM

. . .

QAM

Filtro

d1(t)

RF f1

Filtro

dN-1(t) fN-1

Receptor

d0(t)

Filtro

QAM

f0 RF

Filtro

Filtro

d1(t)

.. .

QAM

R b/s

f1 dN-1(t)

QAM

fN-1

Figura 9 Modulação OFDM implementada através de banco de filtros

Fonte: WiMAX Forum, 2004

Figura 10 Sinais recebidos em sistemas banda larga de portadora única e multiportadora

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(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) foi especificada inicialmente na versão IEEE 802.16-2004 do padrão. A tecnologia de acesso OFDMA corresponde a uma extensão do esquema de modulação OFDM que proporciona a possibilidade de compartilhamento do mesmo intervalo de tempo, correspondente a um símbolo, por múltiplos usuários no acesso ao enlace reverso (uplink), e a alocação simultânea de dados destinados a diferentes usuários no período de tempo correspondente à parcela do quadro do enlace direto (downlink). A Figura 12 ilustra o conceito do esquema OFDMA. No caso ilustrado, as subportadoras são alocadas segundo um algoritmo pseudoaleatório entre os usuários. Uma vez que as subportadoras são ortogonais, esse esquema minimiza a interferência entre usuários e maximiza a eficiência e a flexibilidade no uso do espectro, sendo mais apropriado para suportar serviços móveis. Na versão IEEE 802.16e, a interface OFDMA foi evoluída para suportar escalabilidade quanto à largura do canal, originando o esquema denominado SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). A escalabilidade é alcançada mantendo constante o espaçamento entre as subportadoras (em 10.94 kHz) e variando a dimensão da FFT para ajustar a uma determinada largura de canal. Uma vez que a largura de subportadora é fixa, a duração do símbolo também tem essa característica, minimizando o impacto sobre as camadas superiores.

Alternativamente, é possível implementar a modulação OFDM através de transformadas discretas de Fourier, viabilizando a utilização de processadores digitais de sinais (DSP – Digital Signal Processor) de alto desempenho, resultando em um sistema mais estável, flexível e de custo reduzido. Com a rápida evolução dos DSPs, a modulação OFDM tem sido cada vez mais adotada nas soluções modernas de redes sem fio banda larga. A Figura 11 ilustra o esquema de modulação OFDM especificado para a tecnologia WiMAX. A informação é mapeada em um símbolo de duração Ts, que compreende um intervalo de guarda Tg e o símbolo efetivo, de duração Tb (ver Figura 11a). O tempo de guarda Tg tem a função de aumentar a robustez ao desvanecimento por multipercurso. A porção final de cada símbolo é ciclicamente copiada sobre a porção reservada ao intervalo de guarda, originando um prefixo cíclico (Cyclic Prefix), que contribui para manter a ortogonalidade entre as subportadoras, representada na Figura 11b. Na Figura 11c, pode-se observar os tipos de subportadoras definidos na camada física OFDM da tecnologia WiMAX. As subportadoras-piloto são utilizadas nos mecanismos de controle de potência e sincronismo, enquanto as subportadoras DC podem ser utilizadas como banda de guarda dentro de um canal banda larga. 3.2 Modulação OFDMA A

camada

física

denominada

OFDMA N Subportadoras ∆f = W/N

Banda de guarda

Portadora de dados

Subportadora DC

Subportadora Piloto

Banda de guarda

Canal

Fonte: IEEE, 2004

Figura 11 Modulação OFDM na tecnologia WiMAX

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Usuário 1 Usuário 2 Usuário 3 Usuário 4

Figura 12 Sinais recebidos em sistemas banda larga de portadora única e multiportadora

Desse modo, o esquema SOFDMA viabiliza a operação de redes WiMAX em uma grande variedade de larguras de canal (entre 1.25 e 20 MHz), o que favorece a adequação aos diversos cenários regulatórios em todo o mundo, bem como a harmonização da utilização do espectro no longo prazo. Através dessa abordagem, canais mais largos podem ser suportados, ampliando a capacidade da rede e viabilizando a implantação de serviços como a TV móvel. Por outro lado, canais mais estreitos podem ser adotados em aplicações com requisitos de banda menos restritivos, como, por exemplo, serviços de acesso à Internet em áreas rurais.

3.3 Esquemas de transmissão Além da flexibilidade em termos de camadas físicas, o padrão IEEE 802.16 suporta diferentes esquemas de transmissão sobre os enlaces direto e reverso. No esquema FDD (Frequency Division Duplex), dois canais distintos e de mesma largura são utilizados para transmissão no downlink e no uplink, conforme Figura 13. Esse esquema de transmissão é mais apropriado para o transporte de tráfegos simétricos entre downlink e uplink. No caso de tráfego assimétrico, ocorre redução na eficiência de uso do espectro, que não é desejável em muitos cenários. No esquema TDD (Time Division Duplex), um único canal é utilizado para a transmissão no downlink e no uplink, conforme Figura 14.

quadro tempo SS#1 com Half Duplex SS com Full Duplex

SS#2 com Half Duplex

Fonte: IEEE, 2004

Figura 13 Esquema de transmissão FDD n = (Taxa x Duração do Quadro)/4 Subquadro Uplink

Subquadro Downlink

Adaptativo

Quadro j-2

Quadro j-1

Quadro j

Quadro j+1

Quadro j+2

Fonte: IEEE, 2004

Figura 14 Esquema de transmissão TDD

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Nesse caso, o quadro é subdividido em duas porções, sendo a primeira para o downlink e a segunda para o uplink, com uma separação mínima entres elas. No padrão IEEE 802.16, a fronteira entre as porções uplink e downlink do quadro TDD é ajustável e pode ser préconfigurada ou alterada dinamicamente. Essa abordagem é mais apropriada para tráfego assimétrico e dinâmico, com requisitos de latência moderados. 3.4 Estruturas de quadro A estrutura de quadro do downlink na camada física OFDM é representada na Figura 15, que é adotada tanto no esquema FDD quanto no TDD. O quadro inicia com um preâmbulo (FSP – Frame Start Preamble), utilizado para sincronização e ajuste de nível de potência. Em seguida, tem início a seção de controle do

quadro (FCH – Frame Control Header), que contém os ponteiros de início para as seções de dados no downlink (DL-MAP) e uplink (UL-MAP). Após o FCH, seguem as seções de dados, que podem ter comprimento variável para facilitar o mapeamento dos pacotes de dados e são transmitidas de acordo com os respectivos perfis de modulação e codificação (Burst Profiles). A Figura 16 representa a estrutura do quadro do uplink, considerando também a camada física OFDM. Inicialmente, é reservada uma porção do quadro para permitir oportunidades de acesso às estações de assinante (SS), através de mecanismo aleatório de controle de acesso ao meio. Em seguida, uma porção do quadro é alocada para permitir que as SSs enviem mensagens de requisição de alocação de banda à BS. As porções seguintes são dedicadas ao transporte de dados das SSs, transmitidas segundo os respectivos Burst Profiles.

Fonte: IEEE, 2005

Figura 15 Estrutura de quadros do enlace direto, para camada física OFDM

Fonte: IEEE, 2005

Figura 16 Estrutura de quadros do enlace reverso, para camada física OFDM

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No caso da camada física OFDMA, a estrutura de quadro para o esquema de transmissão TDD é descrita na Figura 17. A seqüência de campos é similar à OFDM PHY, iniciando com preâmbulo, seguido do FCH, do DL-MAP, ULMAP, e regiões de dados no downlink e uplink, com a inserção de um subcanal de ranging antes dos dados do uplink, cuja função é permitir que as SSs tenham uma oportunidade para realizar a operação de ranging a cada quadro. Nesse caso, as informações são distribuídas no tempo e em subcanais lógicos, criando uma estrutura de quadro que pode ser mapeada em duas dimensões, caracterizando a flexibilidade

de distribuição da informação a ser transmitida nos subcanais. 3.5 Serviços musticast e broadcast A tecnologia WiMAX, segundo o padrão IEEE 802.16e, especifica os serviços multicast e broadcast (MBS – Multicast and Broadcast Service). Essa funcionalidade pode ser implementada construindo uma zona MBS distinta do quadro downlink, coexistindo com serviços unicast, ou todo o quadro downlink pode ser alocado para o serviço MBS. A Figura 18 ilustra a construção

Fonte: IEEE, 2005

Figura 17 Estrutura de quadros dos enlaces direto e reverso, para camada física OFDMA e esquema TDD 1a Zona PUSC

Zona PUSC STC

Zona MBS PUSC STC

DL MAP Comprimido

Região H-ARQ (VoIP)

Região MBS

Sub-quadro DL

Zona PUSC

Região H-ARQ (VoIP)

Sub-quadro UL

Fonte: WiMAX Forum, 2006c

Figura 18 Zonas MBS mapeadas na estrutura de quadros OFDMA, definida para o WiMAX móvel

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das zonas MBS no downlink e no uplink, em um cenário de coexistência com serviços unicast. Nesse caso, a flexibilidade na duração das zonas MBS proporciona um mecanismo de baixa complexidade para a alocação de recursos ao tráfego MBS em maior ou menor escala. Vale notar que múltiplas zonas MBS podem ser suportadas em um mesmo quadro, tendo cada zona MBS um descritor próprio (MAP IE – MAP Information Element). Uma estação móvel (MS) acessa o DL-MAP para identificar as zonas MBS e as localizações dos MBS MAPs a ela associadas em cada zona MBS. O MBS MAP está localizado no primeiro subcanal do primeiro símbolo OFDMA da zona MBS associada. A MS pode ainda acessar o serviço MBS no modo Idle, ocorrendo a transmissão somente em instantes de tempo específicos, com o objetivo de reduzir o consumo de potência. Desse modo, a flexibilidade proporcionada pelo WiMAX móvel resulta em suporte integrado aos esquemas unicast, multicast e broadcast, viabilizando o provimento de um maior conjunto de serviços e contribuindo para concretizar um dos principais atributos dessa tecnologia: o suporte a serviços multimídia (Triple Play). 3.6 Subcanalização Um problema bastante comum em redes sem fio baseadas em topologia ponto-multiponto é o desbalanceamento de cobertura entre os enlaces direto (downlink) e reverso (uplink). De fato, em vários cenários práticos, as estações-cliente sofrem restrições quanto ao consumo de potência e à potência máxima de transmissão,

resultando em uma tendência natural para que a cobertura seja limitada pelo enlace reverso. Para minimizar o problema do desbalanceamento de cobertura entre os enlaces, o padrão 802.16 adota a técnica de subcanalização, conforme Figura 19, que consiste em um cenário hipotético em que a potência máxima de transmissão da SS corresponde a 25% da potência máxima da BS. Para compensar esse desequilíbrio, a técnica de subcanalização é adotada, de modo que a informação é transmitida em apenas 25% das subportadoras disponíveis, o que permite elevar a potência efetiva em um fator de quatro vezes nas subportadoras selecionadas. O preço a ser pago pelo aumento de cobertura através da subcanalização é a redução na vazão máxima suportada pelo enlace. 3.7 Modulação adaptativa Um dos recursos tecnológicos incorporados ao padrão WiMAX é a modulação adaptativa. Tratase da implementação de esquemas automatizados de seleção da modulação mais apropriada a ser utilizada no enlace, a partir de critérios de avaliações periódicas de seu desempenho, por exemplo, a partir do nível da relação sinal-ruído detectada no receptor. A partir da negociação entre as estações-base e as estações-cliente, a modulação a ser adotada é dinamicamente adaptada às condições do enlace de rádio. Essa técnica confere maior robustez e flexibilidade ao sistema, além de maximizar a capacidade média sem comprometer a cobertura da célula, já tendo sido anteriormente adotada na tecnologia Wi-Fi.

Fonte: WiMAX Forum, 2004

Figura 19 Esquema de subcanalização na tecnologia WiMAX para camada física OFDM

Fonte: WiMAX Forum, 2004

Figura 20 Esquema de modulação adaptativa adotado na tecnologia WiMAX

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O resultado do esquema de modulação é ilustrado na Tabela 2, na qual é possível observar a taxa de transmissão bruta na interface aérea WiMAX, em função da modulação, codificação e largura de canal. Tabela 2 Taxas de transmissão na interface aérea WiMAX, em função da modulação, codificação e largura de canal Modulação Taxa de codificação

QPSK 1/2

3/4

16-QAM 1/2

3/4

64-QAM 2/3

3/4

1.75 MHz

1.04

2.18

2.91

4.36

5.94

6.55

3.5 MHz

2.08

4.37

5.82

8.73

11.88

13.09

5 MHz

4.16

6.28

8.32

12.48

16.63

16.70

7 MHz

4.35

8.73

11.64

17.45

23.75

16.18

10 MHz

8.31

12.47

16.63

24.94

33.25

37.40

20 MHz 16.62 Fonte: IEEE, 2004

24.94

33.25

49.87

66.49

74.81

3.8 Antenas inteligentes As tecnologias de antenas inteligentes se baseiam em algoritmos para o processamento dos sinais provenientes de múltiplos elementos constituintes do conjunto de antenas, visando a melhorar a relação entre sinal e ruído mais interferente associada a uma estação-terminal. Tipicamente, esses algoritmos envolvem operações com vetores ou matrizes complexas, associadas à caracterização do canal e à combinação e ponderação de sinais, provenientes ou transmitidos pelos elementos do conjunto de antenas. A tecnologia OFDMA se mostra adequada à implementação de antenas inteligentes, uma vez que as subportadoras estão sujeitas ao desvanecimento, que pode ser caracterizado como plano. Essa propriedade, além de eliminar a necessidade de equalizadores complexos para compensar o efeito do desvanecimento seletivo, facilita a caracterização das condições de propagação de um subconjunto de subportadoras e a incorporação dessas características nos algoritmos determinantes do comportamento dinâmico do feixe ou do processamento dos fluxos de dados associados aos diferentes elementos do conjunto de antenas. Desse modo, o esquema OFDMA é bastante apropriado a tecnologias de antenas inteligentes, facilitando sua implementação. A versão IEEE 802.16e, referente ao WiMAX móvel, suporta um conjunto bastante completo de tecnologias de antenas inteligentes, cujo objetivo é melhorar o desempenho do sistema em termos de cobertura e/ou capacidade. As opções suportadas são: • Beamforming: consiste na utilização de múltiplas antenas para conformação do diagrama de radiação, visando a aumentar a cobertura e incrementar a capacidade do

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sistema, reduzindo as degradações associadas aos eventuais sinais interferentes, diminuindo assim as chances de exaustão de recursos da interface aérea (outage probability). • STC (Space-Time Code): a diversidade de transmissão semelhante ao código de Alamouti é adotada, visando a suportar a diversidade espacial e reduzir as margens de desvanecimento necessárias à operação. • SM (Multiplexação espacial): nesse esquema, múltiplas seqüências de dados são transmitidas através de múltiplas antenas. Caso o receptor também disponha de múltiplas antenas, as diferentes seqüências são separadas a fim de maximizar a vazão, quando esta é comparada com a obtida em sistemas de antena única. • MIMO (Multiple Input, Multiple Output): corresponde a um caso particular do esquema de multiplexação espacial, no qual ao menos dois transmissores e dois receptores são utilizados simultaneamente com a finalidade de maximizar a vazão em ambos os sentidos dos enlaces. Como exemplo, o esquema MIMO 2x2 permite duplicar a vazão no uplink e no downlink. Vale salientar que, no caso de estações móveis, a adoção de esquemas MIMO com transmissão via múltiplos canais tem aplicabilidade limitada, devido à alta correlação espacial entre as antenas. Nesse cenário, a abordagem mais indicada é a denominada MIMO colaborativo (Collaborative MIMO), segundo a qual duas MS transmitem simultaneamente sobre o uplink, no mesmo slot (tempo e freqüência), através de uma única antena. Essa abordagem permite duplicar a capacidade média do setor no uplink. Também vale salientar que o WiMAX móvel suporta ainda o chaveamento adaptativo entre diferentes esquemas de antenas inteligentes, visando a extrair o máximo de benefício dessas técnicas em diferentes condições de propagação. Por exemplo, a técnica SM contribui para aumentar a vazão do sistema, mas em condições de propagação desfavoráveis, a taxa de erro de pacote (PER – Packet Error Rate) pode se tornar elevada, resultando na limitação da área de cobertura onde limiares mínimos de PER são alcançados. Já a técnica STC amplia a cobertura, com eventuais aumentos das taxas de transmissão de pico. A arquitetura de referência especificada na tecnologia WiMAX móvel para o chaveamento adaptativo entre esquemas de antenas inteligentes encontra-se ilustrada na Figura 21. 4

Gerenciamento de QoS

O gerenciamento de qualidade de serviço (QoS – Quality of Service) em redes WiMAX representa um de seus principais diferenciais, quando

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Tecnologia WiMAX: uma visão geral

Figura 21 Chaveamento adaptativo entre esquemas de antenas inteligentes da tecnologia WiMAX móvel

comparada a outras tecnologias de redes sem fio banda larga. Com enlaces de alta velocidade, possibilidade de alocação assimétrica entre downlink e uplink, e elevada granularidade para controle de recursos da interface aérea, a tecnologia WiMAX possui flexibilidade para atender aos requisitos de QoS de uma grande variedade de serviços e aplicações. O mecanismo de gerenciamento de QoS da tecnologia WiMAX se baseia no conceito de fluxo de serviço, que consiste em um fluxo unidirecional de pacotes para o qual se provê um nível particular de QoS, podendo ser associado tanto ao uplink quanto ao downlink. Um fluxo de serviço é caracterizado pelos seguintes atributos: • SFID (Service Flow ID): identificador único do fluxo de serviço. • CID (Connection ID): identificador único da conexão associada ao fluxo de serviço. • ProvisionedQoSParamSet: conjunto de parâmetros de QoS a ser aprovisionado via sistemas de gerência. • AdmittedQoSParamSet: conjunto de parâmetros de QoS que representam recursos a serem reservados na BS e SS, tais como banda e memória de processamento. • ActiveQoSParamSet: conjunto de parâmetros de QoS que definem os serviços associados a um fluxo de serviço. • Authorization Module: função lógica da BS que define o perfil dos serviços através de valores de configuração dos parâmetros dos conjuntos AdmittedQoSParamSet e ActiveQoSParamSet. O mecanismo de gerenciamento de QoS da tecnologia WiMAX compreende as seguintes funcionalidades: • Estabelecimento de fluxos de serviço: inclui toda a sinalização necessária para o estabelecimento dinâmico de fluxos de serviços e parâmetros de tráfego, com suporte a QoS.

22

Mecanismo de agendamento de pacotes: implementado na camada MAC, é responsável pelo mapeamento dos pacotes na estrutura de quadros, em conformidade com o perfil de cada fluxo de serviço. • Tratamento de classes de serviços: consiste no agrupamento das propriedades dos fluxos de serviços em classes de serviços, com base na utilização de parâmetros de tráfego e QoS, que definem o perfil dos fluxos de serviços. O padrão IEEE 802.16e define o conjunto de parâmetros de QoS ilustrado na Tabela 3. •

Tabela 3 Parâmetros de QoS definidos para a tecnologia WiMAX Parâmetro

Descrição

Traffic Priority

Prioridade do fluxo de serviço

Maximum Sustained Traffic Rate

Pico da taxa de informação do serviço

Maximum Traffic Burst

Máximo comprimento de surtos de tráfego

Minimum Reserved Traffic Rate

Mínima taxa reservada para o fluxo de serviço

Minimum Tolerated Traffic Rate

Mínimo volume de tráfego a ser retransmitido para a CS

Jitter tolerado

Máxima variação de atraso permitida

Máxima latência

Máximo atraso na retransmissão de pacotes

As classes de serviço definidas para a tecnologia WiMAX, segundo o padrão IEEE 802.16e, são: • UGS (Unsolicited Grant Service): suporta tráfego em tempo real de pacotes de comprimento fixo transmitidos em intervalos periódicos, como E1/T1 e VoIP sem detecção de atividade de voz. • rtPS (Real-Time Polling Service): suporta tráfego em tempo real de pacotes de comprimento variável transmitidos em intervalos periódicos, como MPEG. • ertPS (Extended Real-Time Polling Service): suporta tráfego em tempo real, com

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comprimento variável, mas com latência reduzida, como VoIP com detecção de atividade de voz. • nrtPS (Non-Real-Time Polling Service): suporta tráfego tolerante a atraso e com requisito de taxa mínima de transmissão, consistindo em pacotes de comprimento variável, tais como FTP. • BE (Best Effort): nenhum requisito mínimo de nível de serviços é requerido, podendo ser tratado segundo a disponibilidade de recursos. A associação entre os parâmetros de QoS e as classes de serviço é ilustrada na Tabela 4.

A implementação dos níveis de QoS especificados para as classes de serviço se baseia na transmissão de mensagens MAC (request e grants) entre SS e BS, bem como no mecanismo de polling definidos a seguir: • request: mensagem utilizada pela SS para solicitar à BS alocação de banda no enlace reverso; • grants: mensagem utilizada pela BS para informar à SS a banda efetivamente alocada; • polling: processo pelo qual a BS aloca, para cada SS, banda específica para o envio de Request. Essa sinalização pode ser transmitida nos modos unicast e multicast/broadcast. No caso da classe UGS, a BS aloca porções fixas do quadro para a transmissão dos dados, sem a necessidade de negociação para alocação de banda com a SS. Desse modo, reduz-se latência, em detrimento da flexibilidade de alocação do tráfego na estrutura de quadro. Essa abordagem é ideal para tráfegos do tipo E1/T1 e VoIP sem supressão de silêncio. No caso das classes rtPS, ertPS e nrtPS, mensagens request e grant devem ser trocadas entre BS e SS para garantir o nível de QoS de cada fluxo de serviço. Esse controle é realizado a cada quadro, garantindo elevada granularidade e, conseqüentemente, melhor desempenho no gerenciamento da QoS na ocorrência de perturbações devido às variações nas condições de propagação e na demanda de tráfego na célula. A Figura 22 representa a estrutura do mecanismo de agendamento de pacotes (scheduler), adotado na tecnologia WiMAX. Trata-se de um esquema de priorização de tráfego, no qual os fluxos de serviço são classificados e priorizados de acordo com as classes de serviço a que pertencem.

Tabela 4 Classes e parâmetros de QoS definidos para a tecnologia WiMAX Classe de serviço

Aplicações

UGS (Unsolicited Grant)

VoIP, E1/T1 •

Maximum Sustained Traffic Rate

Minimum Reserved Traffic Rate Maximum Sustained Traffic Rate Maximum Latency Traffic Priority

Parâmetros de QoS

rtPS Streaming de • (Real-Time Polling áudio e vídeo Service)

• • •

ertPS (Extended RealTime Polling Service)

Serviços de • voz com detecção de atividade • (VoIP) •

• •

Minimum Reserved Traffic Rate Maximum Sustained Traffic Rate Maximum Latency Tolerated Jitter Traffic Priority

nrtPS (Non-Real-Time Packet Service)

File Transfer Protocol • (FTP)

Minimum Reserved Traffic Rate Maximum Sustained Traffic Rate Traffic Priority

BE (Best Effort)

Serviços de • dados, Web browsing •

Maximum Sustained Traffic Rate Traffic Priority

BlockGrants generating Data Data para fluxos Grants for UGS para flows UGS e Requests ertPS, nrtPS e for andfluxos unicast Requests rtPS andrtPS nrtPS flows

rtPS, nrtPS and nrtPS BE Requests Requests ertPS, e rtPS (unicast, piggyback or or (either unicast, piggyback contention) contention)

Fluxos Flows com with reservas de minimum banda mínima

bandwidth reservations

Traduz Requests Translate Requests em Data Grants into Grants

Flows with Fluxos sem reservas de NO bandwidth banda mínima reservations

Type 1 –(FIFO) Queue Tipo 1 Fila FIFO

semi-preemptive Prioridade semipriority preemptiva

Type Queues Tipo 22–(FIFO) Filas FIFO

Flow 11 Fluxo Fluxo 2 Flow 2

Server

Framing Alocação deand miniContention/Data slots dados e contenção Minislot Allocation

... Fluxo Flow N N

priority-enhanced Priority-enhanced WFQ WFQ(ou(orvariante) a variant)

Type Queue Tipo 33–(Priority) Fila Prioridade Fluxo Flows 11....M ... M

Figura 22 Esquema simplificado de agendamento de pacotes (scheduler) da tecnologia WiMAX

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Tecnologia WiMAX: uma visão geral

Observa-se que as mensagens de sinalização relativas a uma classe de serviço têm nível de prioridade superior aos fluxos de dados associados a essa classe. 5

Segurança da informação

O padrão IEEE 802.16e (IEEE, 2005) especifica elevado nível de segurança da informação, a partir da adoção das tecnologias mais avançadas e atualmente disponíveis de criptografia e autenticação. Compreende autenticação mútua BS/SS, protocolo flexível para gerenciamento de chaves, criptografia forte de tráfego, proteção para mensagens dos planos de controle e gerenciamento, além de otimizações de protocolo para fast handover. Os principais aspectos dessas funcionalidades são: • Protocolo de gerenciamento de chave: elemento essencial da solução de segurança da tecnologia WiMAX, com base no protocolo PKMv2 (Privacy and Key Management Protocol Version 2), que gerencia a segurança na camada MAC através das mensagens PKM-REQ/RSP. Os mecanismos de autenticação PKM EAP controlam a criptografia de tráfego, a troca de chaves em handover e a segurança MBS. • Autenticação de dispositivos: baseada no protocolo IETF EAP, através de credenciais baseadas no SIM, certificado digital ou login/senha. Os métodos de autenticação EAP-SIM, EAP-AKA, EAP-TLS ou EAPMSCHAPv2 são suportados através do protocolo EAP, assim como os métodos de derivação de chaves. • Criptografia de tráfego: AES-CCM é a cifragem adotada para todos os dados de usuários transportados via interface WiMAX móvel. As chaves utilizadas no algoritmo de cifragem são geradas a partir da autenticação EAP. Nesse caso, as chaves de criptografia de tráfego (TEK – Traffic Encryption Key) são trocadas periodicamente para aumentar o nível de segurança da solução. • Mensagens de controle: as mensagens de controle são protegidas através do mecanismo AES, baseado nos esquemas CMAC ou MD-5 HMAC. • Proteção de mensagens de controle: mensagens de controle do protocolo são protegidas utilizando AES/CMAC ou MD5/HMAC. • Suporte a fast handover: um esquema de sinalização triplo, envolvendo MS, BS origem e BS destino. É utilizado para otimizar a reautenticação de estações móveis durante o handover entre estações-base. Esse esquema previne qualquer possibilidade de ataques man-in-the-middle.

24

6

Mobilidade

Os esquemas de handoff especificados pelo padrão IEEE 802.16e são otimizados para garantir latência inferior a 50 ms, visando a suportar aplicações em tempo real. O padrão especifica três mecanismos de handoff no padrão: • HHO (Hard Handoff): esquema obrigatório, em que a MS realiza uma varredura no espectro e seleciona a BS vizinha com melhor relação sinal-ruído (SNR), com a qual realiza a sinalização de handoff para a mudança de BS. • FBSS (Fast Base Station Switching): esquema opcional em que a MS mantém uma lista de estações-base, denominada Active Set. Realiza, então, uma varredura periódica e seleciona a BS com melhor SNR como a BS âncora, com a qual a MS realiza a troca de mensagens de sinalização. A transição de uma BS âncora para outra (BS switching) ocorre sem a necessidade de mensagens explícitas, através do envio da informação de qualidade do sinal via canal de sinalização específico. Nesse modo, um requisito importante é que a MS poderá transmitir dados simultaneamente às BS do Active Set que têm condições de servir a MS. • MDHO (Macro-Diversity Handoff): esquema opcional em que a MS também mantém um conjunto Active Set de BSs vizinhas e uma BS âncora, mas realiza o handoff através de mensagens de sinalização explícita com as BSs âncora e destino. Nesse caso, porém, a MS deve estar sincronizada com múltiplas BS do Active Set, recebendo dados no downlink para combinação. Esse procedimento utiliza o conceito de macro-diversidade. No uplink, a MS pode enviar dados a múltiplas BS, que deverão realizar um procedimento de diversidade de seleção sobre a informação recebida. Conclusão O presente trabalho apresentou resumidamente o posicionamento da tecnologia WiMAX no cenário tecnológico internacional, bem como suas principais características e caminho evolutivo. Com base neste levantamento, conclui-se que a tecnologia WiMAX contempla a grande maioria dos requisitos fundamentais para a construção de modelos operacionais e de negócios que poderão viabilizar a expansão de soluções de acesso sem fio banda larga em todo o mundo. Referências GSM ASSOCIATION. HSPA and mobile WiMAX for Mobile Broadband Wireless Access.

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Tecnologia WiMAX: uma visão geral

Março, 2007. Disponível em: <http://hspa.gsmworld.com/upload/news/files/130 62007093909.pdf>. Acesso em: 1 set. 2008. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). 802.11b-1999. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification. Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band Specification. Disponível em: <http://www.ieee802.oorg/16/>. Acesso em: 1 set. 2008. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). 802.16-2004. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. Disponível em: <http://www.ieee802.org/16/>. Acesso em: 1 set. 2008. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). 802.16e-2005. Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems – Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands. Disponível em: <http://www.ieee802.org/16/>. Acesso em: 1 set. 2008. WIMAX FORUM. WiMAX’s technology for LOS

and NLOS environments. 2004. Disponível em: <http://www.wimaxforum.org/technology/downloa ds/WiMAXNLOSgeneral-versionaug04.pdf>. Acesso em: 1 set. 2008. WIMAX FORUM. Mobile WiMAX Part II: A Comparative Analysis. Maio, 2006a. Disponível em <http://www.wimaxforum.org/technology/downloa ds/Mobile_WiMAX_Part2_Comparative_Analysis. pdf>. Acesso em: 1 set. 2008. WIMAX FORUM. Mobile WiMAX: The Best Personal Broadband Experience!. Junho, 2006b. Disponível em: <http://www.wimaxforum.org/technology/downloa ds/MobileWiMAX_PersonalBroadband.pdf>. Acesso em: 1 set. 2008 WIMAX FORUM. Mobile WiMAX Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation. Agosto, 2006c. Disponível em: http:// <www.wimaxforum.org/news/downloads/Mobile_ WiMAX_Part1_Overview_and_Performance.pdf> Acesso em: 1 set. 2008. WIMAX FORUM. A Comparative Analysis of Mobile WiMAX™ Deployment Alternatives in the Access Network. Maio, 2007. Disponível em <http://www.wimaxforum.org/technology/downloa ds/mobile_wimax_deployment_alternatives.pdf>. Acesso em: 1 set. 2008.

Abstract This paper presents the WiMAX technology overview, describing its perspective in relation to similar technologies in the international telecommunications scenario, its technological characteristics, interoperability requirements and evolution (rollout). WiMAX key functionalities are presented here, such as: architecture and network topology, protocol, OFDM and OFDMA PHY, mobility, QoS management and security. Based on these topics, a broad systemic view of WiMAX network is provided and the main differences regarding similar wireless technologies are underlined. Key words: WiMAX. OFDMA. Wireless network.

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Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi José Antonio Martins*, Roberto Petry, Jadir Antônio da Silva, Luís Cláudio Palma Pereira Este artigo apresenta uma análise da regulamentação brasileira sobre condições de uso do espectro de freqüências, considerando as especificações dos sistemas WiMAX e Wi-Fi. São analisados aspectos referentes a atribuição, destinação e condições de uso do espectro de freqüências, e são descritas as principais características dos sistemas WiMAX (IEEE 802.16-2004 e IEEE 802.16e-2005) e Wi-Fi (IEEE 802.11-2007). Também são apontadas as faixas de freqüências que poderiam, em princípio, ser utilizadas pelos sistemas WiMAX e Wi-Fi no Brasil. Palavras-chave: Aspectos regulatórios. WiMAX. Wi-Fi. Faixa de freqüências. Introdução

1

Os sistemas WiMAX e Wi-Fi são considerados importantes candidatos para a implantação de redes de acesso para transmissão de dados em banda larga. São sistemas rádio pontomultiponto e utilizam o espectro de freqüências para a transmissão dos dados. Como o espectro de radiofreqüências é um recurso limitado, constituindo-se em bem público, sua utilização é regulamentada pela Anatel (Agência Nacional de Telecomunicações). Dessa forma, é importante fazer um estudo dos aspectos da regulamentação brasileira para identificar as faixas de freqüências que poderiam ser utilizadas para implantação de redes WiMAX e Wi-Fi no Brasil. Para isso, foi realizado um estudo que compreendeu a análise dos sistemas WiMAX e Wi-Fi, do Plano de Atribuição, Destinação e Distribuição de Faixas de Freqüências no Brasil (ANATEL, 2007) e de regulamentos de condições de uso das faixas de freqüências. O Plano de Atribuição, Destinação e Distribuição de Faixas de Freqüências no Brasil contém o detalhamento do uso das faixas de radiofreqüências associadas aos diversos serviços e atividades de telecomunicações. A Seção 1 deste artigo apresenta uma descrição do sistema Wi-Fi, conforme o padrão IEEE 802.11 (IEEE, 2007). O sistema WiMAX, especificado nos padrões IEEE 802.16-2004 (IEEE, 2004c) e IEEE 802.16e-2005 (IEEE, 2005), é descrito na Seção 2. Na Seção 3 é apresentada a regulamentação do espectro de freqüências, conforme atribuído e destinado pela Anatel, considerando-se as possíveis faixas de radiofreqüências que poderiam ser utilizadas pelos sistemas WiMAX e Wi-Fi. A Seção 4 apresenta uma análise da regulamentação das condições de uso das faixas de freqüência para utilização dos sistemas WiMAX e Wi-Fi. Finalmente, é apresentada a conclusão deste trabalho.

O sistema Wi-Fi é um sistema de acesso sem fio utilizado por redes locais e baseado no padrão IEEE 802.11 (IEEE, 2007), o qual especifica as camadas física e de controle de acesso ao meio para redes WLAN (Wireless Local Area Network), sendo um padrão largamente aceito e implantado no mundo. A primeira versão do padrão IEEE 802.11 (IEEE, 1997) foi publicada pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), em 1997, para operação na faixa de freqüências destinada às aplicações industriais, científicas e médicas (ISM – Industrial, Scientific and Medical), definida pelo regulamento de radiocomunicações da União Internacional de Telecomunicações (UIT). Nos anos seguintes, várias extensões desse padrão foram publicadas para incluir novas funcionalidades como o aumento das taxas de transmissão de dados, operação em outra faixa de freqüências, mecanismos de qualidade de serviço e outras. As principais extensões do padrão IEEE 802.11 são as seguintes: • IEEE 802.11a (IEEE, 1999a): padrão para redes WLAN que operam na faixa de freqüências de 5 GHz com taxas de transmissão de até 54 Mbit/s. • IEEE 802.11b (IEEE, 1999b): padrão para redes WLAN que operam na faixa de freqüências de 2,4 GHz com taxas de transmissão de até 11 Mbit/s. • IEEE 802.11d (IEEE, 2001): extensão para a configuração de parâmetros na camada MAC (Medium Access Control) para adequação à regulamentação do país em que a rede WLAN será implantada. • IEEE 802.11e (IEEE, 2005): extensão que especifica mecanismos de qualidade de serviço e suporte a serviços multimídia para os padrões IEEE 802.11b, IEEE 802.11g e IEEE 802.11a.

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: martins@cpqd.com.br Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 27-40, jul./dez. 2008

Descrição do sistema Wi-Fi


Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi

IEEE 802.11f (IEEE, 2003a): extensão que especifica procedimentos para a interoperabilidade entre equipamentos baseados no padrão IEEE 802.11. • IEEE 802.11g (IEEE, 2003b): padrão para redes WLAN que operam na faixa de freqüências de 2,4 GHz com taxas de transmissão de até 54 Mbit/s. • IEEE 802.11i (IEEE, 2004a): extensão que especifica mecanismos de segurança para redes WLAN. • IEEE 802.11j (IEEE, 2004b): extensão que especifica parâmetros referentes à potência de transmissão, emissão de espúrios e canalização, de acordo com a regulamentação japonesa. Em 2007 foi publicada uma nova versão do padrão IEEE 802.11 (IEEE, 2007) incorporando as extensões a, b, d, e, f, g, i e j. O padrão IEEE 802.11 especifica um mecanismo de controle de acesso ao meio e vários tipos de camada física: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e IR (Infrared). O mecanismo de controle de acesso ao meio do padrão IEEE 802.11 possui dois modos de operação: distribuído (DCF – Distributed Coordination Function) e centralizado (PCF – Point Coordination Function). O modo de acesso fundamental desse padrão é o distribuído (DCF), o qual suporta a operação de rede sem fio no modo Ad Hoc e combina os seguintes mecanismos para o controle do acesso ao meio: • mecanismo de acesso ao meio: CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance); • mecanismo de backoff time aleatório, utilizado quando um terminal deseja transmitir, mas encontra o canal ocupado; • ACK (Positive Acknowledgement) para garantir a entrega segura de pacotes de dados na camada de enlace; • mensagens de controle RTS (Request to Send) e CTS (Clear to Send) para realizar a reserva do canal para a transmissão dos pacotes de dados correspondentes. A seguir serão analisadas as camadas físicas utilizando técnicas DSSS e OFDM, pois são as camadas físicas mais utilizadas comercialmente e que permitem maiores taxas de transmissão de dados. As principais características da camada física utilizando DSSS são: • taxas de transmissão: 1, 2, 5,5 e 11 Mbit/s; • faixa de freqüências: 2.400 a 2.497 MHz; • largura do canal: 22 MHz; • potência máxima de transmissão de acordo com a regulamentação do país: • 1 W (Estados Unidos) •

28

100 mW (Europa) 100 mW/MHz (Japão) • utilização da técnica DSSS, empregando seqüência de Barker para as taxas de 1 e 2 Mbit/s e CCK (Complementary Code Keying) para taxas de transmissão de 5,5 e 11 Mbit/s; • técnicas de modulação: DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) para a taxa de 1 Mbit/s e DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) para taxas de transmissão de 2, 5,5 e 11 Mbit/s; • máscara espectral: a intensidade dos produtos secundários deve ser menor que: • - 30 dBr para fc - 22 MHz < f < fc - 11 MHz, fc + 11 MHz < f < fc + 22 MHz • - 50 dBr para f < fc - 22 MHz e f > fc + 22 MHz, onde fc é a freqüência central do canal A camada física do sistema utilizando OFDM apresenta as seguintes características: • taxas de transmissão: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54 Mbit/s; • faixa de freqüências: • 2.400 a 2.497 MHz • 5.000 a 6.000 MHz • modulação BPSK (Binary Phase Shift Keying) para as taxas de 6 e 9 Mbit/s, QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) para as taxas de 12 e 18 Mbit/s, 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) para as taxas de 24 e 36 Mbit/s e 64-QAM para as taxas de 48 e 54 Mbit/s; • número de subportadoras: 52; • espaçamento entre subportadoras: 0,3125 MHz; • duração do símbolo OFDM: 4,0 µs; • intervalo de guarda: 0,8 µs; • potência máxima de transmissão: de acordo com a regulamentação do país; • máscara espectral: • 0 dBr, com largura de banda não excedendo a 18 MHz; • - 20 dBr em 11 MHz de offset de freqüência; • - 28 dBr em 20 MHz de offset de freqüência; • - 40 dBr em 30 MHz de offset de freqüência e acima; • emissão de espúrios: de acordo com a regulamentação do país. Pode-se observar que o padrão IEEE 802.11 apresenta grande flexibilidade no que se refere a alguns parâmetros como potência e emissão de espúrios, pois eles não são especificados e ficam dependentes da regulamentação do país em que o equipamento será utilizado. As faixas de freqüências utilizadas pelo padrão IEEE 802.11 são: • •

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Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi

• •

2.400 a 2.497 MHz; 5.000 a 6.000 MHz.

O padrão IEEE 802.11 tem sido bastante utilizado na implementação de redes mesh sem fio. Isso ocorre em decorrência da simplicidade desse padrão e do fato de apresentar o modo de acesso DCF, o qual possibilita a operação em modo Ad Hoc. Esse modo possibilita a comunicação de um terminal Wi-Fi com os terminais Wi-Fi que estão dentro de sua área de cobertura. 2

Descrição do sistema WiMAX

O sistema WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) é um sistema de acesso sem fio banda larga, utilizado por redes Wireless Metropolitan Area Networks (WMAN), baseado no padrão IEEE 802.16 (IEEE, 2004c). Esse padrão especifica a interface aérea, incluindo as camadas física e de controle de acesso ao meio (MAC) para sistemas sem fio banda larga. As camadas físicas especificadas pelos padrões IEEE 802.16-2004 (IEEE, 2004c) e IEEE 802.16e-2005 (IEEE, 2005a) são: • Single Carrier (WirelessMAN-SC); • Single Carrier (WirelessMAN-SCa); • OFDM (WirelessMAN-OFDM); • OFDMA (WirelessMAN-OFDMA); • WirelessHUMAN (Wireless High-speed Unlicensed Metropolitan Area Network). A camada física WirelessMAN-SC deve ser utilizada na faixa de freqüências de 10 a 66 GHz e as camadas físicas WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM e WirelessMAN-OFDMA nas faixas de freqüências licenciadas abaixo de 11 GHz. Para as faixas de freqüências não licenciadas, a interface aérea WirelessHUMAN especifica a canalização para a faixa de 5 a 6 GHz, compatível com a canalização para essa faixa de freqüências especificada no padrão IEEE 802.11-2007 (IEEE, 2007). O espaçamento entre os canais é de 5 MHz e a freqüência central do primeiro canal é 5 GHz. Podem ser utilizadas as camadas físicas WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM e WirelessMAN-OFDMA. Além disso, está especificado um mecanismo para detecção de interferência denominado DFS (Dynamic Frequency Selection). A única faixa de freqüências não licenciada com canalização especificada no padrão IEEE 802.16-2004 (IEEE, 2004c) é a faixa de 5 a 6 GHz. As principais características da camada física WirelessMAN-SC são as seguintes: • faixa de freqüências: 10 a 66 GHz; • taxas de transmissão: 32 a 134,4 Mbit/s;

largura do canal: 20, 25, 28 MHz; aplicação: fixo; técnicas de modulação: QPSK, 16-QAM e 64-QAM; • duplexação: FDD (Frequency Division Duplexing) e TDD (Time Division Duplexing); • esquema de transmissão: SC (Single Carrier); • emissão de espúrios: de acordo com a regulamentação do país. As principais características das camadas físicas WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM e WirelessMAN-OFDMA são as seguintes: • faixa de freqüências: abaixo de 11 GHz; • taxas de transmissão: 1 a 75 Mbit/s; • largura do canal: limitada à largura de banda da faixa regulamentada dividida por qualquer potência de 2, com limite inferior de 1,25 MHz (WirelessMAN-SCa e WirelessMAN-OFDM) e 1 MHz (WirelessMAN-OFDMA); • aplicação: fixo e móvel (faixa de freqüências abaixo de 6 GHz); • técnicas de modulação: BPSK, QPSK, 16QAM, 64-QAM e 256-QAM; • duplexação: FDD e TDD; • esquema de transmissão: SC, OFDM e OFDMA; • emissão de espúrios: de acordo com a regulamentação do país. Observa-se que o padrão IEEE 802.16 apresenta um grande número de opções para a implementação de equipamentos, sendo bastante flexível nesse sentido. Para assegurar a interoperabilidade e compatibilidade dos equipamentos, foram definidos alguns conjuntos de características básicas que os equipamentos devem possuir. Esse conjunto de características é denominado perfil e a sua definição é feita pelo WiMAX Forum (WIMAX FORUM, 2008a), que é uma associação de indústrias interessadas em assegurar a interoperabilidade dos produtos baseados nos padrões IEEE 802.16. Entre as características do sistema, definidas no perfil, estão: tipo de camada física, faixa de freqüências, largura do canal e classe de potência. Atualmente, apenas os sistemas WiMAX com a camada física WirelessMAN-OFDM (256 subportadoras) para aplicações fixas estão sendo certificados pelo WiMAX Forum (WIMAX FORUM, 2008a). A Tabela 1 apresenta as características dos perfis aprovados para aplicações fixas (WIMAX FORUM, 2008a), embora alguns desses perfis necessitem de validação, isto é, o conjunto de testes para certificação dos equipamentos precisa ser validado. Todos os perfis da Tabela 1 utilizam interface aérea WirelessMAN-OFDM. • • •

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Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi

Tabela 1 Características dos perfis WiMAX aprovados para aplicações fixas Faixa de freqüências (GHz)

Duplexação

Largura de canal (MHz)

Validação

3,5

TDD

3,5

Validado

3,5

FDD

3,5

Validado

3,5

TDD

7

Validado

3,5

FDD

7

Validado

5,8

TDD

10

Validado

3,4 a 3,8

TDD

3,5

Não validado

3,4 a 3,8

FDD

3,5

Não validado

3,4 a 3,8

TDD

5

Não validado

3,4 a 3,8

TDD

7

Não validado

3,4 a 3,8

FDD

7

Não validado

3,4 a 3,8

TDD

10

Não validado

2,305 a 2,320 e 2,345 a 2,360

TDD

3,5

Não validado

4,935 a 4,990

TDD

5

Não validado

Tabela 2 Características dos perfis WiMAX aprovados para aplicações móveis Faixa de freqüências (GHz) 2,3 a 2,4

2,305 a 2,320 e 2,345 a 2,360

2,496 a 2,69

3,3 a 3,4

3,4 a 3,8

3,4 a 3,6

3,6 a 3,8

Duplexação

Largura de canal (MHz)

Número de subportadoras

5

512

10

1.024

8,75

1.024

3,5

512

5

512

10

1.024

5

512

10

1.024

5

512

7

1.024

10

1.024

5

512

7

1.024

10

1.024

5

512

7

1.024

10

1.024

5

512

7

1.024

10

1.024

TDD

TDD

TDD

TDD

TDD

TDD

TDD

Para aplicações móveis, estão sendo certificados os sistemas WiMAX empregando a camada física WirelessMAN-OFDMA, com número de subportadoras escalável, de acordo com os requisitos e as condições de operação (SOFDMA

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– Scalable Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) (WIMAX FORUM, 2007). A Tabela 2 apresenta as características dos perfis aprovados para aplicações móveis (WIMAX FORUM, 2007).

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Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi

Analisando as Tabelas 1 e 2, é possível observar que as faixas de freqüências aprovadas pelo WiMAX Forum para utilização do padrão IEEE 802.16-2004 e sua extensão IEEE 802.16e-2005 são: • 2.300 a 2.400 MHz; • 2.496 a 2.690 MHz; • 3.300 a 3.800 MHz; • 4.935 a 4.990 MHz; • 5.000 a 6.000 MHz. Além dessas faixas, o WiMAX Forum tem trabalhado junto a órgãos e agências reguladoras solicitando a alocação de mais faixas, licenciadas e não licenciadas, principalmente em freqüências abaixo de 1 GHz. Especificamente, estima-se que as faixas abaixo de 800 MHz, alocadas para transmissão de TV analógica, se tornem disponíveis à medida que as estações de televisão migrem do sistema analógico para o digital. Por exemplo, nos EUA foram licenciadas partes do espectro anteriormente usado pelos canais de TV UHF 52 a 59 (699 a 741 MHz) para serviços de acesso banda larga. 3

Regulamentação do espectro de freqüências no Brasil

A otimização e a universalização do espectro de freqüências para garantir seu uso de forma eficiente e adequada são uma das atribuições da Anatel. Para isso, as condições de uso das faixas de freqüências são regulamentadas por ela. De acordo com a atribuição, distribuição, destinação e consignação das faixas de freqüências, elas podem ser separadas em freqüências licenciadas e freqüências não licenciadas.

No primeiro caso, a aquisição das licenças assegura a imunidade contra interferências, quando em caráter primário. Para o uso em caráter secundário, a utilização fica restrita à condição de não interferir em operações que compartilhem a mesma faixa em caráter primário. Por outro lado, a utilização de faixas não licenciadas se limita às faixas para radiação restrita, não havendo qualquer garantia quanto à não interferência por parte de outros sistemas. A seguir são apresentadas as atribuições e destinações das faixas de freqüências no Brasil. Foram consideradas as faixas de freqüências nas quais o sistema Wi-Fi está especificado e, embora o sistema WiMAX esteja especificado para freqüências abaixo de 66 GHz (IEEE 802.16-2004 e IEEE 802.16e-2005), foram consideradas apenas as faixas de freqüências em que existem perfis aprovados pelo WiMAX Forum. As faixas consideradas são as seguintes: • 700 MHz (WiMAX); • 2.300 a 2.400 MHz (WiMAX); • 2.400 a 2.497 MHz (Wi-Fi); • 2.496 a 2.690 MHz (WiMAX); • 3.300 a 3.800 MHz (WiMAX); • 4.935 a 4.990 MHz (WiMAX); • 5.000 a 6.000 MHz (WiMAX e Wi-Fi). A Tabela 3 apresenta a atribuição e destinação dessas faixas de freqüências (licenciadas e não licenciadas), de acordo com o Plano de Atribuição, Destinação e Distribuição de Faixas de Freqüências no Brasil, edição de 2007 (ANATEL, 2007). Os serviços em letras maiúsculas são serviços de caráter primário e os serviços em letras minúsculas são serviços de caráter secundário.

Tabela 3 Atribuição e destinação de faixas de freqüências no Brasil Faixa de freqüências (MHz)

Atribuição

Destinação

614 a 746

Fixo Radiodifusão

Serviço de Radiodifusão e de Sons e Imagens Serviço de Retransmissão de Televisão Radiação restrita

746 a 806

Fixo Radiodifusão

Serviço de Repetição de Televisão (RPTV) Radiação restrita

2.300 a 2.400

Fixo Móvel Radioamador

Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV) Serviço de radioamador

2.400 a 2.450

Fixo Móvel Radioamador

Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos ( SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV) Serviço de radioamador Radiação restrita Serviço de Comunicação Multimídia (SCM)

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Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi

Faixa de freqüências (MHz)

Atribuição

Destinação

2.450 a 2.483,5

Fixo Móvel

Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV) Radiação restrita Serviço de Comunicação Multimídia (SCM)

2.483,5 a 2.490

Fixo Móvel Móvel por satélite (espaço para Terra) Radiodeterminação por satélite (espaço para Terra)

Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV) Serviço Especial de Radiodeterminação por Satélite (SERDS) Serviço Móvel Global por Satélite (SMGS)

2.490 a 2.500

Fixo Móvel Móvel por satélite (espaço para Terra) Radiodeterminação por satélite (espaço para Terra)

Serviço Especial de Radiodeterminação por Satélite (SERDS) Serviço Móvel Global por Satélite (SMGS)

Fixo Móvel

Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanal (MMDS) Serviço de Comunicação Multimídia (SCM) Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV)

Fixo Móvel

Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanal (MMDS) Serviço de Comunicação Multimídia (SCM) Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV)

Fixo Móvel

Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanal (MMDS) Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV)

Fixo Móvel

Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanal (MMDS) Serviço de Comunicação Multimídia (SCM) Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV)

2.650 a 2.655

Fixo Móvel

Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanal (MMDS) Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV)

2.655 a 2.690

Fixo Móvel Exploração da Terra por satélite (passivo) Pesquisa espacial (passivo) Radioastronomia

Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanal (MMDS) Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV)

Fixo Radiolocalização Radioamador

Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV) Serviço Especial de Circuito Fechado de TV (CFTV) Serviço de radioamador Radiação restrita

2.500 a 2.520

2.520 a 2.530

2.530 a 2.570

2.570 a 2.650

3.300 a 3.400

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Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi

Faixa de freqüências (MHz)

Atribuição

Destinação

Fixo Fixo por satélite (espaço para Terra) Radioamador

Serviço Telefônico Fixo Comutado (STFC) Serviço de Comunicação Multimídia (SCM) Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) Serviço de Repetição de Televisão (RPTV) Serviço Especial de Circuito Fechado de TV (CFTV) Todos os serviços de telecomunicações (dentro da faixa do serviço fixo por satélite) Serviço de radioamador Radiação restrita

3.500 a 3.600

Fixo Fixo por satélite (espaço para Terra) Radioamador

Serviço Telefônico Fixo Comutado (STFC) Serviço de Comunicação Multimídia (SCM) Todos os serviços de telecomunicações (dentro da faixa do serviço fixo por satélite) Serviço de radioamador Radiação restrita

3.600 a 3.800

Fixo por satélite

Todos os serviços de telecomunicações (observada a atribuição de faixas)

4.935 a 4.990

Fixo Radioastronomia

T (observada a atribuição de faixas)

5.000 a 5.010

Radionavegação aeronáutica Radionavegação por satélite (Terra para espaço)

Não regulamentada

5.010 a 5.030

Radionavegação aeronáutica Radionavegação por satélite (espaço para Terra) (espaço para espaço)

Não regulamentada

5.030 a 5.150

Radionavegação aeronáutica

Não regulamentada

5.150 a 5.216

Fixo por satélite (Terra para espaço) Móvel (exceto móvel aeronáutico) Radionavegação aeronáutica

Serviço Especial de Radiodeterminação por Satélite (SERDS) Radiação restrita

5.216 a 5.250

Fixo por satélite (Terra para espaço) Móvel (exceto móvel aeronáutico) Radionavegação aeronáutica

Radiação restrita

5.250 a 5.350

Exploração da Terra por satélite (ativo) Móvel (exceto móvel aeronáutico) Pesquisa espacial Radiolocalização

Radiação restrita

5.350 a 5.460

Exploração da Terra por satélite (ativo) Pesquisa espacial (ativo) Radiolocalização Radionavegação aeronáutica

Não regulamentada

5.460 a 5.470

Exploração da Terra por satélite (ativo) Pesquisa espacial (ativo) Radiolocalização

Não regulamentada

5.470 a 5.570

Exploração da Terra por satélite (ativo) Móvel (exceto móvel aeronáutico) Pesquisa espacial (ativo) Radiolocalização

Radiação restrita

5.570 a 5.650

Móvel (exceto móvel aeronáutico) Radiolocalização

Radiação restrita

3.400 a 3.500

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Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi

Faixa de freqüências (MHz)

Atribuição

5.650 a 5.725

Móvel (exceto móvel aeronáutico) Radiolocalização Radioamador

Radiação restrita Serviço de radioamador

5.725 a 5.830

Radiolocalização Radioamador

Radiação restrita Serviço de radioamador

5.830 a 5.850

Radiolocalização Radioamador Radioamador por satélite

Radiação restrita Serviço de radioamador

5.850 a 5.925

Fixo por satélite (Terra para espaço) Radioamador

Todos os serviços de telecomunicações (observada a atribuição de faixas) Serviço de radioamador

5.925 a 6.000

Fixo Fixo por satélite (Terra para espaço)

Todos os serviços de telecomunicações (observada a atribuição de faixas)

Destinação

Considerando os diferentes tipos de serviços apresentados na Tabela 3, o sistema WiMAX poderia ser utilizado para prestação dos seguintes serviços: STFC (Serviço Telefônico Fixo Comutado): serviço de telecomunicações que, por meio de transmissão de voz e de outros sinais, se destina à comunicação entre pontos fixos determinados, utilizando processos de telefonia (ANATEL, 2005d). • SCM (Serviço de Comunicação Multimídia): serviço fixo de telecomunicações de interesse coletivo, prestado em âmbito nacional e internacional, no regime privado, que possibilita a oferta de capacidade de transmissão, emissão e recepção de informações multimídia, utilizando quaisquer meios, a assinantes dentro de uma área de prestação de serviço (ANATEL, 2001). • MMDS (Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanal): é uma das modalidades de serviços especiais, que utiliza faixa de microondas para transmitir sinais a serem recebidos em pontos determinados dentro da área de prestação do serviço. Os sinais a serem transmitidos poderão estar associados a qualquer forma de telecomunicação tecnicamente disponível (ANATEL, 1997). Os sistemas Wi-Fi e WiMAX também podem ser usados nas faixas de freqüências destinadas a equipamentos de radiação restrita. Assim, somente as faixas de freqüências destinadas aos serviços citados anteriormente e equipamentos de radiação restrita serão consideradas como candidatas para utilização pelos sistemas WiMAX e Wi-Fi. São elas: • 616 a 806 MHz; • 2.400 a 2.483,5 MHz; • 2.500 a 2.690 MHz; • 3.300 a 3.400 MHz; •

34

3.400 a 3.600 MHz; 4.935 a 4.990 MHz; 5.150 a 5.350 MHz; 5.470 a 5.725 MHz; 5.725 a 5.850 MHz; 5.925 a 6.000 MHz. A seguir será apresentada uma análise da regulamentação do uso de cada uma dessas faixas de freqüências. • • • • • •

3.1 Faixa de freqüências de 616 a 806 MHz Faixa de freqüências utilizada pelos Serviços de Radiodifusão de Sons e Imagens e de Retransmissão de Televisão (ANATEL, 2007). Os equipamentos de radiação restrita que podem operar na faixa de freqüências de 614 a 806 MHz são microfones sem fio (ANATEL, 2004). 3.2 Faixa de freqüências de 2.400 a 2.483,5 MHz Essa faixa de freqüências é não licenciada. Assim, os equipamentos de radiocomunicação operam em caráter secundário. De acordo com o regulamento sobre equipamentos de radiocomunicação de radiação restrita (ANATEL, 2004), podem operar, na faixa de 2.400 a 2.483,5 MHz, equipamentos utilizando tecnologia de espalhamento espectral ou outras tecnologias de modulação digital com as seguintes características: • Aplicações ponto a ponto e ponto-multiponto do serviço fixo e em aplicações do serviço móvel. • Uso de tecnologia de espalhamento espectral ou tecnologia de multiplexação ortogonal por divisão de freqüência (OFDM). • A largura de faixa a 6 dB deve ser, no mínimo, 500 kHz. • A potência de pico máxima de saída do transmissor não pode ser superior a 1 W.

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O pico da densidade espectral de potência, em qualquer faixa de 3 kHz durante qualquer intervalo de tempo de transmissão contínua, não deve ser superior a 8 dBm. • Nas estações que utilizam potência isotrópica efetivamente irradiada (EIRP) igual ou inferior a 400 mW, em localidades com população superior a 500.000 habitantes, o pico da densidade espectral de potência, em qualquer faixa de 3 kHz durante qualquer intervalo de tempo de transmissão contínua, não deve ser superior a 4 dBm. • A potência de radiofreqüência produzida, em qualquer largura de faixa de 100 kHz fora de qualquer uma das faixas nas quais o sistema esteja operando, deve estar, no mínimo, 20 dB abaixo da potência máxima produzida em um intervalo de 100 kHz dentro da faixa de operação. Essa faixa de freqüências também está destinada ao Serviço de Comunicação Multimídia, em caráter secundário, de acordo com a resolução nº 397, de 6 de abril de 2005 (ANATEL, 2005a). As condições de uso dessa faixa de freqüências por equipamentos utilizando tecnologia de espalhamento espectral ou tecnologia de multiplexação ortogonal por divisão de freqüência, cujas estações correspondentes utilizam potência EIRP superior a 400 mW, em localidades com população superior a 500.000 habitantes, estão descritas no regulamento anexo à resolução nº 397 (ANATEL, 2005b). Esse regulamento estabelece que: • As estações devem ser licenciadas e os equipamentos de radiocomunicações, incluindo os sistemas irradiantes, devem cumprir os requisitos do regulamento para certificação e homologação de produtos para telecomunicações, aprovado pela Anatel. • Equipamentos podem ser empregados em aplicações ponto a ponto e ponto-multiponto do serviço fixo. • A largura de faixa a 6 dB deve ser, no mínimo, 500 kHz. • A potência de pico máxima de saída do transmissor não deve ser superior a 1 W. • O pico da densidade espectral de potência, em qualquer faixa de 3 kHz durante qualquer intervalo de tempo de transmissão contínua, não deve ser superior a 8 dBm. • A potência de radiofreqüência produzida, em qualquer largura de faixa de 100 kHz fora da faixa na qual o sistema esteja operando, deve estar, no mínimo, 20 dB abaixo da potência máxima produzida em um intervalo de 100 kHz dentro da faixa de operação.

3.3 Faixa de freqüências de 2.500 a 2.690 MHz A faixa de freqüências de 2.500 a 2.690 MHz é

licenciada e, de acordo com a resolução nº 429 de 13 de fevereiro de 2006 (ANATEL, 2006a), está destinada em caráter primário, sem exclusividade, ao MMDS (Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanal), porém novas autorizações de uso ocorrerão apenas nas subfaixas de 2.500 a 2.530 MHz e de 2.570 a 2.650 MHz. Essas subfaixas também estão destinadas em caráter primário e sem exclusividade ao SCM (Serviço de Comunicação Multimídia). As prestadoras dos serviços MMDS ou SCM poderão fazer uso da aplicação da facilidade de mobilidade restrita, nos termos da regulamentação específica. O regulamento sobre condições de uso de radiofreqüências nas faixas de 2.170 a 2.182 MHz e de 2.500 a 2.690 MHz (ANATEL, 2006b) estabelece as condições de uso dessa faixa de freqüências por sistemas de radiocomunicação do serviço fixo, conforme definido no regulamento de radiocomunicações da UIT (S1.20), em aplicações ponto-multiponto. Esse regulamento divide a faixa de radiofreqüências de 2.500 a 2.690 MHz em blocos de 5 e 6 MHz e também estabelece que, para estações nodais com sistemas digitais, aplicam-se as seguintes disposições: • é possível utilizar sistemas FDD e TDD; • a potência do transmissor fica limitada ao valor máximo de 100 W; • a potência EIRP de transmissão fica limitada a 30 dBW; • o valor da intensidade de campo gerado pela estação nodal, no limite da área de prestação do serviço, deve estar limitado a 66 dB(µV/m). 3.4 Faixa de freqüências de 3.300 a 3.400 MHz Essa faixa de freqüências é não licenciada. De acordo com o regulamento sobre equipamentos de radiocomunicação de radiação restrita (ANATEL, 2004), podem operar nessa faixa de freqüências sistemas de identificação automática de veículos utilizando técnicas de varredura de freqüência (faixas de 2.900 a 3.260 MHz, 3.260 a 3.332 MHz, 3.339 a 3.345,8 MHz e 3.358 a 3.600 MHz). As faixas de freqüências de 3.332 a 3.339 MHz e 3.345,8 a 3.358 MHz não podem ser utilizadas. 3.5 Faixa de freqüências de 3.400 a 3.600 MHz Essa faixa de freqüências é licenciada e suas condições de uso estão descritas no regulamento sobre condições de uso da faixa de radiofreqüências de 3,5 GHz, anexo à resolução nº 416 de 14 de outubro de 2005 (ANATEL, 2005c). Esse regulamento estabelece que: • Podem ser utilizados sistemas digitais de radiocomunicação do serviço fixo, conforme definido no regulamento de radiocomunicações da UIT (S1.20), em

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• • •

aplicações ponto-multiponto. A prestadora do STFC e do SCM poderá fazer uso da aplicação da facilidade de mobilidade restrita nos termos da regulamentação a ser editada pela Anatel. É permitido o uso de enlaces ponto a ponto para suporte do sistema ponto-multiponto, entre estações nodais, desde que esses enlaces façam parte do sistema pontomultiponto, de tal maneira que as duas transmissões operem de forma sincronizada e que não ocorra interferência mútua. São permitidos sistemas que empreguem modo de duplexação FDD ou TDD. Para sistemas FDD, a faixa de freqüências para transmissão das estações-terminais é de 3.400 a 3.500 MHz e a faixa de freqüências para transmissão das estações nodais é de 3.500 a 3.600 MHz. A faixa de freqüências é dividida em blocos de 0,25 MHz, sendo que esses blocos podem ser agregados, respeitando o mínimo de 1,75 MHz. Os sistemas devem operar com, no mínimo, 1,14 de eficiência na capacidade de transmissão em Mbit/s/MHz. A potência de transmissão da estação nodal ou da estação-terminal não deve ser superior a 33 dBm ou 2 W. O nível de emissão de sinais espúrios fora da faixa de transmissão deve ser menor que 26 dBm para freqüências entre 30 MHz e 12,75 GHz. A emissão de sinais espúrios fora da faixa de transmissão quando o transmissor estiver inativo deve ser menor que - 47 dBm, em qualquer freqüência dentro dos limites de 100 kHz e 12,75 GHz, com uma faixa de resolução de 100 kHz.

3.6 Faixa de freqüências de 4.935 a 4.990 MHz Essa faixa de freqüências é licenciada e suas condições de uso estão descritas no regulamento sobre canalização e condições de uso da faixa de 5 GHz, anexo à resolução nº 104 de 26 de fevereiro de 1999 (ANATEL, 1999a). Esse regulamento estabelece o uso da faixa de freqüências por sistemas digitais de radiocomunicação do serviço fixo, conforme definido no regulamento de radiocomunicações da UIT (S1.20), com capacidade de transmissão de 140 Mbit/s e 155 Mbit/s em aplicações ponto a ponto. 3.7 Faixa de freqüências de 5.150 a 5.350 MHz

(ANATEL, 2004). Nessa faixa de freqüências podem operar sistemas de acesso sem fio banda larga para redes locais com as seguintes características: • Aplicações nomádicas do serviço móvel. • As emissões devem estar confinadas com os ambientes internos das edificações. • O valor médio da potência EIRP é limitado ao máximo de 200 mW. • O valor médio da densidade espectral de potência EIRP é limitado ao máximo de 10 mW/MHz. • Deve possuir mecanismo de controle de potência de transmissão que permita a seleção da potência de transmissão de forma dinâmica e assegure um fator de mitigação de pelo menos 3 dB. Se o valor médio da potência EIRP estiver limitado a 100 mW, não é necessário o uso de mecanismo de controle de potência de transmissão. • As emissões espúrias ou fora de qualquer uma das faixas de operação devem ser inferiores ao limite EIRP de - 27dBm/MHz. • Na faixa de radiofreqüências de 5.250 a 5.350 MHz deve-se utilizar mecanismo de seleção dinâmica de freqüência (DFS – Dynamic Frequency Selection). 3.8 Faixa de freqüências de 5.470 a 5.725 MHz Essa faixa de freqüências é não licenciada e nela podem operar sistemas de acesso sem fio banda larga para redes locais com as seguintes características, de acordo com o regulamento sobre equipamentos de radiocomunicação de radiação restrita (ANATEL, 2004): • Aplicações nomádicas do serviço móvel. • A potência na saída do transmissor é limitada ao máximo de 250 mW. • O valor médio da potência EIRP é limitado ao máximo de 1 W. • O valor médio da densidade espectral de potência EIRP é limitado ao máximo de 50 mW/MHz. • As emissões espúrias ou fora das faixas de operação devem ser inferiores ao limite EIRP de - 27dBm/MHz. • Necessidade de um mecanismo de controle de potência de transmissão que permita a seleção da potência de transmissão de forma dinâmica e assegure um fator de mitigação de pelo menos 3 dB. Se o valor médio da potência EIRP estiver limitado a 500 mW, não é necessário o uso de mecanismo de controle de potência de transmissão. • Utilização necessária de mecanismo de seleção dinâmica de freqüência (DFS – Dynamic Frequency Selection).

Essa faixa de freqüências é não licenciada e, de acordo com o regulamento sobre equipamentos de radiocomunicação de radiação restrita

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3.9 Faixa de freqüências de 5.725 a 5.850 MHz Essa faixa de freqüências é não licenciada e nela podem operar equipamentos utilizando tecnologia de espalhamento espectral ou outras tecnologias de modulação digital com as seguintes características (ANATEL, 2004): • Aplicações ponto a ponto e ponto-multiponto do serviço fixo e aplicações do serviço móvel. • A largura de faixa a 6 dB deve ser, no mínimo, 500 kHz. • A potência de pico máxima de saída do transmissor não pode ser superior a 1 W. • O pico da densidade espectral de potência, em qualquer faixa de 3 kHz durante qualquer intervalo de tempo de transmissão contínua, não deve ser superior a 8 dBm. • A potência de radiofreqüência produzida, em qualquer largura de faixa de 100 kHz fora de qualquer uma das faixas na qual o sistema esteja operando, deve estar, no mínimo, 20 dB abaixo da potência máxima produzida em um intervalo de 100 kHz dentro da faixa de operação. 3.10 Faixa de freqüências de 5.925 a 6.000 MHz Essa faixa de freqüências é licenciada e suas condições de uso estão descritas no regulamento sobre canalização e condições de uso da faixa inferior de 6 GHz, anexo à resolução nº 105 de 26 de fevereiro de 1999 (ANATEL, 1999b). Esse regulamento estabelece o uso dessa faixa de freqüências por sistemas digitais de radiocomunicação do serviço fixo, conforme definido no regulamento de radiocomunicações da UIT (S1.20), com capacidade de transmissão de 140 Mbit/s e de 155 Mbit/s em aplicações ponto a ponto. 4

Análise das faixas de freqüências para utilização dos sistemas WiMAX e Wi-Fi no Brasil

A seguir é apresentada uma análise das faixas de freqüências para utilização dos sistemas WiFi e WiMAX no Brasil, considerando as características dos sistemas, apresentadas nas Seções 1 e 2, e a regulamentação brasileira, apresentada na Seção 3. 4.1 Faixa de freqüências de 616 a 806 MHz De acordo com a regulamentação atual, não é possível a operação de sistemas Wi-Fi e WiMAX nessa faixa de freqüências. 4.2 Faixa de freqüências de 2.400 a 2.483,5 MHz É possível a utilização de sistemas Wi-Fi (padrão IEEE 802.11) nessa faixa de freqüências,

seguindo a regulamentação para equipamentos de radiocomunicação de radiação restrita (ANATEL, 2004) e prestação de Serviço de Comunicação Multimídia (ANATEL, 2005a). Os sistemas podem ser usados em aplicações ponto a ponto e ponto-multiponto. A operação será em caráter secundário. Não há nenhum perfil de sistema WiMAX aprovado pelo WiMAX Forum para essa faixa de freqüências (WIMAX FORUM, 2007, 2008a). 4.3 Faixa de freqüências de 2.500 a 2.690 MHz É possível a operação de sistemas WiMAX (padrão IEEE 802.16-2004) nessa faixa de freqüências, podendo ser utilizado para a prestação do serviço MMDS (Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanal) ou SCM (Serviço de Comunicação Multimídia). Os sistemas WiMAX móvel (padrão IEEE 802.16e-2005) podem operar nessa faixa com mobilidade restrita nos termos da regulamentação específica. O WiMAX Forum aprovou um perfil de sistema para essa faixa de freqüências para o WiMAX móvel (padrão IEEE 802.16e-2005) (WIMAX FORUM, 2007, 2008a). 4.4 Faixa de freqüências de 3.300 a 3.400 MHz De acordo com a regulamentação atual, não é possível a operação de sistemas Wi-Fi e WiMAX nessa faixa de freqüências. 4.5 Faixa de freqüências de 3.400 a 3.600 MHz É possível a operação de sistemas WiMAX (padrão IEEE 802.16-2004) nessa faixa de freqüências, podendo ser utilizado para a prestação do STFC (Serviço Telefônico Fixo Comutado) ou do SCM (Serviço de Comunicação Multimídia). Os sistemas WiMAX móvel (padrão IEEE 802.16e-2005) podem operar nessa faixa com mobilidade restrita nos termos da regulamentação específica. O WiMAX Forum aprovou perfis para essa faixa de freqüências para os sistemas WiMAX para aplicações fixas e móveis (WIMAX FORUM, 2007, 2008a). 4.6 Faixa de freqüências de 4.935 a 4.990 MHz De acordo com a regulamentação atual, não é possível a operação de sistemas Wi-Fi e WiMAX nessa faixa de freqüências. 4.7 Faixa de freqüências de 5.150 a 5.350 MHz É possível a operação de sistemas Wi-Fi nessa faixa, seguindo a regulamentação para sistemas de acesso sem fio banda larga para redes locais para equipamentos de radiação restrita. Entretanto, deve-se ressaltar que a operação

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está restrita ao ambiente indoor, em aplicações do serviço móvel nomádicas, e que a potência na saída do transmissor deve ser, no máximo, de 200 mW. Para a faixa de freqüências de 5.250 a 5.350 MHz, o sistema deve utilizar mecanismo de seleção dinâmica de freqüência (DFS – Dynamic Frequency Selection). Esse mecanismo está descrito no padrão IEEE 802.11h (IEEE, 2003c). Não há nenhum perfil de sistema WiMAX (padrão IEEE 802.16-2004 ou IEEE 802.16e-2005) aprovado pelo WiMAX Forum para essa faixa de freqüências (WIMAX FORUM, 2007, 2008a). 4.8 Faixa de freqüências de 5.470 a 5.725 MHz É possível a operação de sistemas Wi-Fi nessa faixa, seguindo a regulamentação para sistemas de acesso sem fio banda larga para redes locais para equipamentos de radiação restrita. Nesse caso, a operação está restrita a aplicações do serviço móvel nomádicas, a potência na saída do transmissor deve ser, no máximo, de 250 mW e deve ser utilizado mecanismo de seleção dinâmica de freqüência (DFS – Dynamic Frequency Selection). Esse mecanismo está descrito no padrão IEEE 802.11h (IEEE, 2003c). Até o momento, o WiMAX Forum não aprovou nenhum perfil de sistemas WiMAX (padrão IEEE 802.16-2004 ou IEEE 802.16e-2005) para essa faixa de freqüências (WIMAX FORUM, 2007, 2008a). 4.9 Faixa de freqüências de 5.725 a 5.850 MHz É possível a utilização de sistemas Wi-Fi (IEEE 802.11) nessa faixa, seguindo a regulamentação para equipamentos de radiocomunicação de radiação restrita (ANATEL, 2004). Também é possível a utilização de sistema WiMAX nessa faixa, seguindo a mesma regulamentação (ANATEL, 2004). A operação nessa faixa de freqüências será em caráter secundário. Até o momento, o WiMAX Forum aprovou um perfil de sistema WiMAX (padrão IEEE 802.16-2004) para aplicações fixas para essa faixa de freqüências (WIMAX FORUM, 2008b). Não há nenhum perfil de sistema WiMAX móvel (padrão IEEE 802.16e-2005) aprovado pelo WiMAX Forum para essa faixa de freqüências (WIMAX FORUM, 2007). 4.10 Faixa de freqüências de 5.925 a 6.000 MHz De acordo com a regulamentação atual, não é possível a operação de sistemas Wi-Fi e WiMAX nessa faixa de freqüências.

38

Conclusão Este trabalho apresentou uma análise da regulamentação brasileira para identificação de faixas de freqüências para operação dos sistemas Wi-Fi e WiMAX, considerando as especificações e os perfis dos sistemas WiMAX aprovados pelo WiMAX Forum. No Brasil, os sistemas WiMAX podem operar nas faixas de freqüências de 2.500 a 2.690 MHz, 3.400 a 3.600 MHz e 5.725 a 5.850 MHz, sendo que a mobilidade do sistema WiMAX móvel (padrão IEEE 802.16e-2005) deve ser restrita nos termos da regulamentação específica. Nenhuma das faixas de freqüências no Brasil, em que existe perfil do sistema WiMAX móvel (padrão IEEE 802.16e-2005) aprovado pelo WiMAX Forum, permite o uso de mobilidade sem restrições. Na faixa de freqüências de 2.500 a 2.690 MHz, o sistema WiMAX pode ser utilizado para a prestação do MMDS (Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanal) ou do SCM (Serviço de Comunicação Multimídia). Na faixa de 3.400 a 3.600 MHz é possível a operação do sistema WiMAX tanto para a prestação do STFC (Serviço Telefônico Fixo Comutado) ou do SCM (Serviço de Comunicação Multimídia). A regulamentação brasileira possibilita a operação de sistemas Wi-Fi (padrão IEEE, 802.11) nas faixas de freqüências não licenciadas de 2.400 a 2.483,5 MHz, 5.150 a 5.350 MHz, 5.470 a 5.725 MHz e 5.725 a 5.850 MHz. Para a operação nas faixas de freqüências de 5.250 a 5.350 MHz e 5.470 a 5.725 MHz, é necessário que o equipamento possua mecanismo de seleção dinâmica de freqüência. Referências AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Anexo à Portaria 254: Norma nº 002/94 – rev/97. Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanal (MMDS). 16 abr. 1997. AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). (1999a). Anexo à Resolução 104: Regulamento sobre canalização e condições de uso da faixa de 5 GHz. 26 fev. 1999. AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). (1999b). Anexo à Resolução nº 105: Regulamento sobre canalização e condições de uso da faixa inferior de 6 GHz. 26 fev. 1999.

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AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Anexo à Resolução 272: Regulamento do Serviço de Comunicação Multimídia. 9 ago. 2001. AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Anexo à Resolução 365: Regulamento sobre Equipamentos de Radiocomunicação de Radiação Restrita. 10 mai. 2004. AGÊNCIA NACIONAL TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Resolução 397. 6 abr. 2005.

DE (2005a).

AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). (2005b). Anexo à resolução 397: Regulamento sobre condições de uso de radiofreqüências da faixa de 2.400 MHz a 2.483,5 MHz por equipamentos utilizando tecnologia de espalhamento espectral ou tecnologia de multiplexação ortogonal por divisão de freqüência. 6 abr. 2005. AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). (2005c). Anexo à Resolução 416: Regulamento sobre condições de uso da faixa de radiofreqüências de 3,5 GHz. 14 out. 2005. AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Anexo à Resolução 426: Regulamento do Serviço Telefônico Fixo Comutado. 9 dez. 2005. AGÊNCIA NACIONAL TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Resolução nº 429. 13 fev. 2006.

DE (2006a).

AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). (2006b). Anexo à Resolução 429: Regulamento sobre condições de uso de radiofreqüências nas faixas de 2.170 MHz a 2.182 MHz e de 2.500 MHz a 2.690 MHz. 13 fev. 2006. AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Plano de Atribuição, Destinação e Distribuição de Faixas de Freqüências no Brasil. 2007. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). 802.11-2007 Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. 2007. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). IEEE Standard 802.11 Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. 1997. INSTITUTE

OF

ELECTRICAL

AND

ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (1999a). 802.11a-1999 Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) – Amendment 1: Specifications: high-speed physical layer in the 5 GHz band. 1999. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (1999b). 802.11b-1999: Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) – Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band. 1999. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). 802.11d-2001 Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) – Amendment 3: Specification for operation in additional regulatory domains. 2001. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). 802.11e-2005 Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) – Amendment 8: Medium Access Control (MAC) Quality of Service Enhancements. 2005. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2003a). 802.11f-2003 IEEE Trial-Use Recommended Practice for MultiVendor Access Point Interoperability via an Inter-Access Point Protocol Across Distribution Systems Supporting IEEE 802.11 Operation. 2003. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2003b). 802.11g-2003 Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) – Amendment 4: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band. 2003. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2003c). 802.11h Part 11-2004: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) – Amendment 5: Spectrum and Transmit Power Management Extensions in the 5 GHz band in Europe. 2003. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2004a). 802.11i-2004 Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) – Amendment 6: Medium Access Control (MAC) Security Enhancements. 2004. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2004b). IEEE Standard 802.11j Part 11-2004: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) – Amendment 7: 4.9 GHz–5 GHz Operation in Japan. 2004.

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 27-40, jul./dez. 2008

39


Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi

INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). (2004c). 802.16-2004: Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. 2004. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). 802.16e-2005: Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands. 2005.

WIMAX FORUM. (2008a). Disponível em: <www.wimaxforum.org>. Acesso em: 20 jan. 2008. WIMAX FORUM. (2008b). Certification Program Reference Manual, draft, janeiro de 2008. 2008. WIMAX FORUM. WiMAX Forum Mobile System Profile. Release 1.0 Approved Specification (Revisão 1.4.0: 2007 mai 02). 2007.

Abstract This article presents an analysis of the Brazilian regulation regarding Spectrum allocation for WiMAX and Wi-fi systems. It describes the conditions of use of several radio frequencies bands and the main features of WiMAX (IEEE 802.16-2004 and IEEE 802.16e-2005) and Wi-Fi (IEEE 802.11-2007) systems. Key words: Regulatory aspects. WiMAX. Wi-Fi. Frequency band.

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Solução híbrida de acesso metropolitano sem fio banda larga Luís Cláudio Palma Pereira*, Jadir Antônio da Silva, José Antonio Martins, Fabrício Lira Figueiredo Este trabalho tem por objetivo apresentar uma descrição da solução sistêmica em desenvolvimento no CPqD para provimento de infra-estrutura de telecomunicações, incluindo rede de acesso sem fio banda larga, integrando segmentos baseados nas tecnologias WiMAX e Wi-Fi mesh. O sistema denominado Ad Hoc-WiMAX propõe-se a fornecer uma infra-estrutura suficientemente flexível e abrangente, capaz de suportar serviços de voz, dados e imagem, implementando esquemas de garantia de segurança de acesso e transporte de dados, qualidade de serviço e gerenciamento remoto centralizado de recursos da infra-estrutura. Na abrangência da concepção do sistema proposto foram considerados aspectos tecnológicos, bem como a conveniência da adoção de soluções para o desenvolvimento dos elementos constituintes da infra-estrutura sem fio baseadas em padrões abertos, com elevado potencial evolutivo, possibilidade de adaptação aos diversificados cenários de aplicação vislumbrados e provimento de interoperabilidade. Esses cenários, além de estarem associados a condições de operação e morfologias diversificadas, cujo impacto no desempenho dos enlaces rádio é fator relevante, englobam demandas e necessidades de atendimento geradas pelos perfis socioeconômicos variados encontrados no País, seja em áreas urbanas densas, áreas rurais, pequenas localidades ou em bairros periféricos. Fatores associados à necessidade de atendimento desses perfis e às novas demandas geradas pelas políticas de universalização do acesso à informação por meio de sistemas de comunicações digitais, implementadas por diversas instâncias de governo, demandam que a solução proposta para a rede de acesso sem fio seja capaz de prover serviços de elevado valor agregado, com grau de exigência de desempenho compatível, sem que os custos de produção e operação dos equipamentos sejam demasiadamente onerados. Palavras-chave: WiMAX. Wi-Fi. Redes. Ad Hoc. Mesh. Introdução O cenário atual de telecomunicações apresenta importantes avanços no campo das tecnologias de redes sem fio, que têm evoluído rapidamente nos últimos anos com o surgimento de abordagens inovadoras e fortemente orientadas a padronização e interoperabilidade, permitindo o atendimento do mercado global e o crescimento dos volumes de produção, com a conseqüente redução de preços dos dispositivos e equipamentos disponibilizados aos usuários. Esses avanços têm permitido explorar ao máximo a facilidade e a redução do custo de instalação em redes WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) decorrentes da ausência de cabos nas conexões entre os diversos elementos da rede de acesso. Nesse contexto, a tecnologia WiMAX vem se consolidando como uma alternativa de infraestrutura de rede de acesso sem fio banda larga (BWA – Broadband Wireless Access) para cobertura metropolitana, em que o estabelecimento de enlaces em condição NLOS (Non Line of Sight) é predominante. Essa tecnologia emergente complementa e potencializa as tecnologias de redes sem fio já consolidadas, flexíveis e de baixo custo,

conformes com o padrão Wi-Fi e a arquitetura Ad Hoc. Adicionalmente, impulsionados pela perspectiva de crescimento das redes de acesso baseadas no padrão WiMAX, associada à redução dos custos de produção dos novos equipamentos atendendo aos critérios de interoperabilidade, grandes fabricantes mundiais estão lançando uma variada gama de produtos e buscando a chancela comprovadora do WiMAX Forum. Inicialmente foram certificados equipamentos em conformidade com perfis definidos para o padrão fixo nomádico. Atualmente, com a introdução de novos perfis contemplando mobilidade, começam a ser certificados os primeiros equipamentos baseados na versão 802.16e-2005 do padrão. Nas seções subseqüentes são apresentadas a concepção sistêmica e a descrição das características da solução abrangente, adotada para a implementação do projeto Ad Hoc-WiMAX fixo-nomádico. O principal objetivo do projeto é o desenvolvimento de estações-base (EB) e estações-terminal (ET) capazes de integrar acesso sem fio WiMAX e Wi-Fi, bem como de um sistema de gerência de rede que permitirá a operação e supervisão dessas estações, quando integradas a uma rede IP de serviço de dados. Os equipamentos em desenvolvimento no âmbito

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: lclaudio@cpqd.com.br Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 41-52, jul./dez. 2008


Solução híbrida de acesso metropolitano sem fio banda larga

do projeto são elementos da infra-estrutura do sistema concebido em topologia pontomultiponto, transparente para conexão de usuário de rede, capaz de possibilitar acesso à rede de serviços intermediado por interfaces aéreas no padrão IEEE-WiMAX 802.16e (segmento WiMAX) (IEEE, 2004, 2005) e IEEE-802.11a/b/g (segmento Wi-Fi) (IEEE, 1999, 2003a, 2003b), utilizando nesse segmento topologias Ad Hoc ou mesh. São requisitos do sistema a garantia de desempenho, a segurança na conexão e a implementação de políticas diferenciadas de tarifação e acesso aos serviços disponíveis na rede externa. Os serviços a serem suportados incluem vídeo, voz e dados, prevendo-se a possibilidade de atendimento a áreas urbanas, áreas rurais, pequenas localidades e bairros afastados, dessa forma contribuindo para a implantação de políticas voltadas à facilitação do acesso aos meios digitais de transporte de informação. As tecnologias em desenvolvimento têm como foco o provimento de flexibilidade à infraestrutura e a otimização de seus custos. Esses fatores são considerados importantes em razão da diversidade de cenários operacionais encontrados no País e da necessidade de conferir à indústria nacional de telecomunicações a capacidade de comercialização imediata no mercado brasileiro. 1

Características da rede sistema Ad Hoc-WiMAX

utilizando

o

No contexto do projeto, a primeira etapa consiste no desenvolvimento do sistema Ad Hoc-WiMAX fixo-nomádico. Esse sistema proporciona transmissão de dados em banda larga, fornecendo parte da infra-estrutura de rede WMN (Wireless Mesh Network) à operadora ou ao provedor de serviços e, dessa forma, possibilitando a um usuário devidamente identificado utilizar acesso sem fio Wi-Fi ou por meio de rede cabeada local (LAN) para se conectar à rede externa IP e usufruir os serviços a ele disponibilizados de acordo com níveis de qualidade e desempenho previamente acordados. Em ambos os modos de acesso referidos, a rede de serviços IP é alcançada por intermédio do sistema WiMAX fixo-nomádico. O sistema é considerado fixo quando a ET permanece no local no qual foi instalada, e

nomádico quando existe a flexibilidade de reinstalação da ET e de restabelecimento da comunicação com diferentes estações-base ou setores pertencentes à mesma operadora. Em resumo, são características do sistema: aplicação em rede fixa, com suporte à mobilidade restrita (nomadicidade); • suporte a níveis adequados de segurança da informação, garantindo, entre outras funcionalidades, a autenticação de usuários que solicitam acesso à rede; • baixo custo das estações-terminal e dos dispositivos de acesso; • sistema gerenciado de forma centralizada; • suporte a níveis de qualidade de serviço necessários à operação de serviços diferenciados de transporte de dados e voz. A Tabela 1 exemplifica algumas aplicações e respectivas bandas de transmissão (WIMAX FORUM, 2005). As premissas básicas da implementação do sistema, no que tange a serviços, modelos de utilização e alocação de espectro, são descritas nas subseções subseqüentes. Essas premissas se aplicam ao segmento WiMAX do sistema, em conformidade com o padrão IEEE 802.16e 2005, e ao padrão Wi-Fi IEEE-802.11a/b/g. O padrão WiMAX referido contempla mobilidade ampla, porém sua aplicação na fase atual do projeto restringe-se ao cenário fixo-nomádico. •

1.1 Tipos de serviços e modelos de utilização O sistema Ad Hoc-WiMAX visa prover infraestrutura para as seguintes aplicações: 1. Rede sem fio como suporte ao STFC (Serviço Telefônico Fixo Comutado), aplicável tanto na transmissão de sinaistronco de assinantes como também no atendimento a usuários finais por meio de acesso banda larga. 2. Rede sem fio como suporte ao SCM (Serviço de Comunicações Multimídia) voltada para comunicação de dados em geral e, em particular, ao acesso à Internet, permitindo também a transmissão de vídeo. O SCM (ANATEL, 2001) regulamenta a transmissão desde que o sinal não seja recebido direta e livremente pelo público em geral nem distribuído de forma simultânea aos assinantes.

Tabela 1 Aplicações e bandas requeridas Descrição

Aplicação

VoIP (tempo real – baixos jitter e latência) Videoconferência (tempo real – baixos jitter e latência) Streaming media (tempo real – baixo jitter) Tecnologia da informação Download de conteúdo

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Banda

VoIP

4 a 64 kbit/s

Videofone

32 a 384 kbit/s

Imagens em movimento (filmes)

> 2 Mbit/s

Web browsing E-mail

> 500 kbit/s

filme

> 1 Mbit/s

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Solução híbrida de acesso metropolitano sem fio banda larga

3.

Rede sem fio como suporte à transmissão de dados em ambientes corporativos, incluindo o atendimento à transmissão de dados em banda larga, sendo aplicável também à utilização de VoIP. Nesse cenário, a utilização da plataforma baseada nesse sistema contribuirá para a universalização de serviços de telecomunicações e para o processo de inclusão digital, além de poder ser incluída como uma alternativa para a implantação de rede pelas empresas operadoras (STFC ou SCM), em decorrência do baixo custo esperado para sua implantação. 1.2 Alocação de espectro Em estudo sobre regulamentação, realizou-se uma análise das faixas de freqüência disponíveis para o sistema e respectivas regulamentações vigentes no Brasil, em conformidade com as resoluções da Anatel. Para o acesso sem fio do usuário aos serviços de dados e voz por meio do sistema WiMAX fixonomádico, constituído por enlaces pontomultiponto e enlaces de suporte ponto a ponto (backhaul), são passíveis de utilização as seguintes faixas de freqüência: 1. faixa licenciada de 3.400 a 3.600 MHz, segmentada de acordo com o Anexo à Resolução Nº 416 da Anatel (ANATEL, 2005) em blocos de 250 kHz; 2. faixa isenta de licenciamento de 5.725 a 5.850 MHz, utilizada de acordo com o Anexo à Resolução No 365 da Anatel (ANATEL, 2004). A regulamentação da faixa de 3,5 GHz incorpora a possibilidade de mobilidade restrita, portanto nomadicidade. A faixa de 5,8 GHz não restringe a mobilidade, mas por não requerer licenciamento por parte da agência reguladora está sujeita a interferências oriundas da sobreposição de diferentes redes em uma mesma área. Para o acesso sem fio via sistema Wi-Fi em topologia mesh, as faixas disponíveis não licenciadas são limitadas pelas freqüências constantes do Item 2 acima, e pelas freqüências de 2.400 a 2.483,5 MHz (faixa de 2,4 GHz). 2

Topologia acesso

e arquitetura da rede de

A topologia de rede proposta para o sistema hierárquico Ad Hoc-WiMAX fixo-nomádico foi elaborada para proporcionar flexibilidade e abrangência de cenários de aplicação e implantação, bem como para prover diferentes tipos e níveis de qualidade de serviço. A topologia básica encontra-se representada na Figura 1 e inclui os seguintes elementos lógicos e

físicos constituintes desse modelo de referência: • área de cobertura WiMAX (CWiMAX); • área de cobertura Wi-Fi (CWi-Fi); • área de cobertura mesh (Cmesh); • estação-base WiMAX (EB); • estação-terminal WiMAX (ET); • estação-terminal WiMAX com acesso sem fio Wi-Fi (ET/APWi-Fi); • estação-terminal WiMAX com gateway Wi-Fi mesh (ET/APmesh); • ponto de acesso Wi-Fi/mesh (APmesh); • terminal de assinante Wi-Fi (TEWi-Fi); • backhaul WiMAX (BHWiMAX); • Rede de Telefonia Pública Comutada (RTPC); • Sistema de Gerência de Rede (SGR). Na Figura 1 encontram-se indicados os três tipos de cobertura previstos, associados às diferentes estações: 1. Cobertura WiMAX (CWiMAX) caracterizada pela área onde há sinal de uma estaçãobase WiMAX capaz de prover conectividade a terminais dos seguintes tipos: estação-terminal WiMAX (ET); estação-terminal WiMAX com acesso sem fio Wi-Fi (ET/APWi-Fi); estação-terminal WiMAX com gateway Wi-Fi mesh (ET/APmesh). 2. Cobertura Wi-Fi (CWi-Fi), caracterizada pela área onde há sinal proveniente de uma estação-base de acesso Wi-Fi mesh (APmesh), ou de uma ET WiMAX com acesso sem fio Wi-Fi (ET/APWi-Fi). Nessa área são atendidos os terminais de assinante Wi-Fi (TEWi-Fi) que realizam acesso por meio da tecnologia IEEE 802.11a/b/g. 3. Cobertura mesh (Cmesh) caracterizada pela área atendida por um terminal WiMAX provido de gateway Wi-Fi mesh (ET/APmesh). Nessa área se encontram distribuídos pontos de acesso sem fio Wi-Fi mesh (APmesh) que formam a rede mesh interligada à rede externa de serviços por meio da ET/APmesh. Além das conexões sem fio providas por essas áreas de cobertura, prevê-se a possibilidade de interconexões entre estações-base por meio de enlaces WiMAX (BHWiMAX). Na Figura 1 são indicados também o SGR (Sistema de Gerência de Rede), elemento da rede concentrador das funcionalidades de gerência, mantendo-se em comunicação com os demais componentes da rede de acesso Ad HocWiMAX por meio de redes de dados externas (IP). Na mesma figura encontra-se também assinalada a RTPC (Rede de Telefonia Pública Comutada), utilizada quando há necessidade de comunicação telefônica.

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CWiFi-1 T TEWiFi T TEWiFi

CWiMAX-1

T TEWiF

ET/APWiFi ET ET

SGR

RBA EB

CWiMAX-2

RedeIP Rede Rede

ET T T ET

EB NA

RTPC RTP RTP

CWiMAX-3

T E

BHWiMAX

T E

T ET/APMes

RBA EB

CMesh T AP-Mesh T AP-Mesh

T ET

T AP-Mesh

T ET

T ET CWiMAX-4

T AP-Mesh

TEWiFi TEWiFi T TEWiFi

CWiFi-2

Figura 1 Topologia de referência do sistema Ad Hoc-WiMAX

Em conformidade com a topologia da rede Ad Hoc-WiMAX, e com o intuito de tornar possível a especificação técnica, o desenvolvimento e a implementação de seus diversos componentes, as principais funcionalidades desses componentes são descritas a seguir. 2.1 Estação-base WiMAX A estação-base (EB) é o elemento físico do sistema que realiza fundamentalmente a interconexão entre os terminais e as redes externas de dados e voz, além de funções de

44

autenticação e registro de usuários, estabelecimento e controle de chamadas, provendo a interface entre a rede WiMAX e a rede externa IP e, por meio desta, a RTPC (Rede de Telefonia Pública Comutada). Na arquitetura, a EB incorpora minimamente os seguintes elementos funcionais: • elemento de acesso WiMAX (EBW); • elemento roteador e de controle de acesso (RCAB). Além disso, estabelece comunicação via IP com os seguintes elementos: • elemento de autenticação, autorização e

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Solução híbrida de acesso metropolitano sem fio banda larga

contabilização (AAA); elemento servidor de endereços (SE); elemento servidor de nomes (SN). Parte ou a totalidade desses elementos pode ser incorporada à EB, conforme Figura 2. • •

2.1.1

Elemento de acesso WiMAX (EBW)

O EBW é o componente lógico utilizado para realizar a interface entre os elementos de uma área de cobertura WiMAX (CWiMAX) e os demais elementos lógicos de uma EB. Pode-se considerá-lo um gateway servindo um conjunto de assinantes pertencentes em princípio a uma mesma sub-rede. No caso da estação-base multissetor, cada EBW encarrega-se de um setor. Esses elementos são interconectados entre si, aos demais elementos da EB e à rede de serviço IP por meio do RCAB (camada 3). O EBW realiza a interface com a CWiMAX, implementando o protocolo WiMAX (camada 2) de acesso ao meio físico, e juntamente com o RCAB viabiliza as seguintes funcionalidades: • Interface aérea WiMAX: estabelece comunicação sem fio bidirecional por meio de transceptor de rádio compatível com o adotado na ET, com as camadas físicas, enlace de dados e subcamada de segurança especificadas de acordo com o padrão IEEE 802.16e. • Encaminhamento de pacotes: suporta o encaminhamento dos dados recebidos de uma ET para uma outra ET pertencente à mesma CWiMAX, por meio da interface aérea WiMAX, bem como o encaminhamento de pacotes entre a ET e outros elementos lógicos da rede, implementando funcionalidades de camada 3, e conectados ou incorporados à EB. • Filtragem de pacotes: controla o encaminhamento de um pacote por meio da interface aérea, permitindo ou negando as

transações com base em regras estabelecidas para as camadas de rede e transporte. Classificação e priorização de pacotes: classifica e prioriza o envio de pacotes por meio da interface aérea de acordo com regras de criação de fluxos de serviços e conexões associadas, classes de serviço (QoS – Quality of Service), identificação de sub-redes, endereçamentos de origem e destino, natureza do protocolo e serviço, de acordo com os critérios ditados pelo padrão IEEE 802.16e. Administração da banda: controla a ocupação, distribuição e priorização dos recursos de transmissão disponíveis na interface aérea, com o fim de suportar a implementação de rede de serviços IP baseada em SLA (Service Level Agreement). Mapeamento de endereços: suporta o mapeamento de um endereço de rede para outro endereço de rede de mesmo tipo para roteamento e retransmissão de mensagens dentro da rede WiMAX, ou de outros tipos de rede, mantendo a compatibilidade com as regras de priorização e segurança de tráfego. Gerenciamento da rede WiMAX: provê mecanismos para concentrar funções de operação, administração e gerenciamento relacionadas à rede WiMAX, incluindo coleta de dados de gerência, tratamento de eventos, alarmes e envio de comandos às estaçõesterminal.

2.1.2 Autenticação, contabilização (AAA)

autorização

e

O elemento AAA é responsável pelo controle de acesso aos serviços, proporcionando também informações necessárias para atribuição de rotas e diferenciação de serviços na camada de aplicação. A combinação desses processos é

Serviço

ET

EB ET/APWi-Fi

EBW

Rede IP

RACB

ET/APmesh

SGR SE

SN

AAA

Figura 2 Elementos físicos e lógicos em comunicação com a estação-base

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Solução híbrida de acesso metropolitano sem fio banda larga

considerada importante para o gerenciamento efetivo da rede e o estabelecimento de níveis de segurança. As funcionalidades básicas do AAA são descritas abaixo: • Autenticação: confirmação da validade do usuário que realiza a requisição de um serviço. Esse procedimento é baseado na apresentação de uma identidade juntamente com uma ou mais credenciais e comparação destas com informações disponíveis no servidor. O mecanismo de autenticação é compatível com o protocolo (camada 2) da subcamada de segurança especificado pelo protocolo WiMAX de acesso ao meio (IEEE 802.16e-2005) ou pelo padrão específico (WiFi IEEE-802.11i) (IEEE, 2004). • Autorização: ocorre após a autenticação bemsucedida, determinando o acesso do usuário a diferentes tipos de serviço associados a perfis de utilização predefinidos e constantes de base de dados gerenciada e centralizada. O processo de concessão de autorização é baseado em restrições ou critérios de precedência, vinculados à natureza ou às classes de serviço implementadas por meio dos recursos disponibilizados pela camada de acesso ao meio WiMAX (IEEE 802.16e-2005), descritos na Subseção 2.1, em padrão Wi-Fi específico (IEEE 802.11e) (IEEE, 2005) bem como na camada 3 (DiffServ), suportando gerenciamento de tráfego, racionalização na utilização dos recursos e determinando esquemas de criptografia no transporte de dados. • Contabilização: medição dos recursos consumidos pelo usuário autorizado, incluindo tempo e quantidade de dados enviados ou recebidos durante a sessão. A contabilização é realizada pelo registro das estatísticas da sessão com a finalidade de fazer o controle dos limites de utilização associados ao tipo de autorização e a serviços associados, bilhetagem, análise de tendências, avaliação da utilização dos recursos, e atividades de planejamento e controle da capacidade disponível no sistema durante sua utilização. Essas funções podem ser desempenhadas por um servidor utilizando protocolo RADIUS pertencente à rede de serviços, acessado por meio do RCAB, que no papel de cliente intermediaria as transações com os terminais solicitantes de acesso sem fio Ad Hoc-WiMAX. 2.1.3

Elementos servidores de endereços e nomes

O servidor de endereços (SE) é responsável pela geração e distribuição de endereços IP para as estações-terminal servidas por uma área de cobertura WiMAX, para os demais elementos da rede de acesso sem fio a elas conectados, bem

46

como para os elementos pertencentes ou conectados à estação-base. Um exemplo de protocolo utilizado é o DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), implementado em servidor localizado na rede externa IP, juntamente com implementações de clientes e intermediadores (relay) distribuídos nos terminais de usuário Wi-Fi e nas estações-terminal. A associação entre endereços IP e nomes é provida por um servidor DNS (Domain Name Server), comumente utilizado em infra-estrutura de redes. 2.1.4 Elemento roteador e de controle de acesso (RCAB) O roteador é o elemento lógico de controle de acesso (RCAB) que realiza a interface com redes externas de dados (IP), permitindo a interconexão com a Internet, com um sistema de gerência de rede remoto, com as demais estações-base e os elementos da infra-estrutura da rede de acesso sem fio Ad Hoc-WiMAX. Entre esses elementos, incluem-se: • Servidor de voz capaz de prover lógica e controle, sinalização, registro das chamadas, além de funcionalidades adicionais tais como transferência de chamadas e chamada em espera, implementando protocolos SIP, SIP-T, H.323, RTP, MeGaCo/H.248, MGCP e SS7 (ISUP). • Gateway de voz atuando como concentrador de troncos. Realiza a interface entre a rede de transporte de voz sobre pacotes e a rede de transporte TDM (Time Division Multiplexing), provendo a conversão dos pacotes de voz para a rede TDM e vice-versa, por meio de interface E1. É controlado pelo servidor de voz por meio de protocolos, tais como MGCP ou MeGaCo/H.248. A codificação e decodificação da voz é realizada por meio de codec padronizado (G.711, G.723.1, G.726, G.728, G.729). Além da função de roteamento, o RCAB suporta funcionalidades de mapeamento de endereços, implementando NAT (Network Address Translation), controle de tráfego de dados e filtragem de pacotes (firewall). Nas estaçõesbase multissetor, o RCAB interconecta os elementos de acesso WiMAX (EBW). 2.2 Estação-terminal A estação-terminal WiMAX (ET) é um elemento físico da rede Ad Hoc-WiMAX ao qual o usuário se conecta diretamente por meio da rede local (LAN), acessando os serviços disponibilizados pela rede externa IP após conclusão de procedimentos de registro e autenticação. À ET é permitido o estabelecimento de conexões para transporte de dados via interface aérea. Os tipos de estações-terminal listados a seguir

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disponibilizam outras possibilidades de acesso ao usuário. Esses tipos compreendem: • Estação-terminal WiMAX com acesso sem fio Wi-Fi (ET/APWi-Fi), um elemento físico que provê conexão sem fio ao terminal do usuário (TEWi-Fi) dentro de uma área de cobertura (hotspot) Wi-Fi, permitindo seu acesso ao segmento WiMAX, após procedimentos de registro e autenticação. Os elementos funcionais da ET/APWi-Fi são: elemento de acesso WiMAX (ETW) da ET à EB, elemento provedor de acesso Wi-Fi ao usuário (APWiFi) e roteador de acesso à rede (RCAT). O RCAT desempenha funções análogas às descritas para o RCAB na Subseção 2.1.4, integrando rede cabeada local (LAN), ETW e APWi-Fi entre si e aos demais segmentos da rede Ad Hoc-WiMAX. • Estação-terminal WiMAX com gateway Wi-Fi mesh (ET/APmesh), um elemento físico que permite a interconexão de pontos de acesso (AP) Wi-Fi mesh ao segmento WiMAX da rede de acesso. Os elementos funcionais da ET/APmesh são: ETW, gateway de acesso da rede Ad Hoc ao segmento WiMAX da rede (APmesh) e roteador RAR, cuja função é a integração desses dois elementos entre si e aos demais segmentos da rede Ad HocWiMAX. 2.3 Ponto de acesso Wi-Fi/mesh O ponto de acesso Wi-Fi/mesh é o elemento físico do sistema que possibilita a conexão entre dois terminais Wi-Fi a redes externas de dados. A comunicação entre o ponto de acesso WiFi/mesh e os terminais Wi-Fi é realizada no modo ponto-multiponto e a comunicação entre os pontos de acesso Wi-Fi/mesh é realizada no modo Ad Hoc. A conexão entre o ponto de acesso Wi-Fi/mesh e a rede WiMAX, para interconexão com as redes externas, é realizada por intermédio da estação-terminal ET/APWi-Fi. 2.4 Terminal de assinante Wi-Fi (TEWi-Fi) O terminal de assinante Wi-Fi é um elemento físico da rede Ad Hoc-WiMAX ao qual o usuário se conecta por meio do ponto de acesso WiFi/mesh, acessando os serviços disponibilizados pela rede externa IP após conclusão de procedimentos de registro e autenticação. 2.5 Sistema de Gerência de Rede O sistema permite atuar nas áreas de gerência de falhas e configuração, suportando funcionalidades em duas camadas: gerência de rede e gerência de elemento de rede. As funcionalidades da área de gerência de falhas incluem tratamento (receber ou coletar), armazenamento, filtragem e exteriorização de eventos e alarmes dos recursos gerenciados na

rede Ad Hoc-WiMAX. Na área de configuração, contempla-se ainda a possibilidade de realização de levantamentos, por meio de processo de descoberta, das configurações da topologia e dos recursos gerenciados. E na área de gerência de desempenho, a realização de coleta de dados, armazenagem e cálculo dos dados de desempenho dos recursos gerenciados e definição de limiares de violação de desempenho (threshold). A concepção da arquitetura de gerenciamento planejada é distribuída e modular, podendo crescer em escala, dessa forma suportando as diferentes necessidades de utilização da solução e provendo interfaces para usuários eventuais. Permite ainda o controle de utilização por meio de limitação do número de funcionalidades disponíveis e diferenciação para os usuários do centro de operações e gerenciamento centralizado. 3

Características gerais da implementação da estação-base e da estação-terminal WiMAX

São características sistêmicas das implementações das estações-base e terminal em conformidade com o padrão IEEE WiMAX (IEEE, 2006): 1. perfil sistêmico ponto-multiponto Wireless MAN-OFDMA e Wireless HUMAN-OFDMA especificados no Item 12.4, Basic packet PMP MAC profile (IEEE, 2006); 2. método de duplexação temporal TDD (Time Division Duplex); 3. possibilidade de operação nas faixas de freqüência licenciadas ou isentas de licenciamento, de acordo com o especificado na Subseção 1.2; 4. largura de canais de 3,5 MHz, 7 MHz e 10 MHz para a faixa licenciada e 10 MHz para a faixa isenta de licenciamento. A modalidade de TDD de duplexação foi adotada em razão da possibilidade de utilização de uma mesma faixa de freqüências para transmissão e recepção e por apresentar maior flexibilidade no transporte de dados na interface aérea, atendendo a demandas de banda assimétricas para os enlaces direto e reverso. Vantagens adicionais são verificadas na operação, resultado da reciprocidade do comportamento do enlace nos sentidos direto e reverso, facilitando o desempenho de funcionalidades voltadas à adaptação de parâmetros de transmissão, seleção de subcanais e utilização de recursos avançados baseados na realimentação de informação de desempenho, tais como AAS (Advanced Antenna System) (YUN; KAVEHRAD, 2001).

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3.1 Implementação da estação-base WiMAX A fim de desempenhar adequadamente as funções descritas na Subseção 2.1, estabelecendo a interconexão ou comunicação com os demais elementos da infra-estrutura de rede, a EB implementa uma série de recursos afetos às camadas física, de enlace e de rede. Esses recursos objetivam proporcionar flexibilidade e a busca de otimização de desempenho na utilização dos canais de radiofreqüência, o estabelecimento de níveis de segurança no acesso de usuários e transporte das informações, bem como o tratamento diferenciado dessas informações de acordo com critérios preestabelecidos de classificação e agendamento (priorização) na ocupação dos recursos. As funcionalidades básicas listadas abaixo são implementadas na estação-base: • Amplificação e conversão dos sinais recebidos para demodulação destes em banda-base. • Conversão de sinais modulados em bandabase e amplificação destes para transmissão. • Modulação, demodulação, codificação, sincronização de símbolos (com possibilidade de acesso à referência externa por meio de GPS), utilizando os métodos preconizados pelos padrões 802.16e-2005 e 802.16-2004 (IEEE, 2006), tais como: FEC (Forward Error Correction), CRC (Cyclic Redundancy Check), CTC (Convolutional Turbo Coding), randomization e interleaving. • Alocação de subcanais utilizados pelas estações-terminal de acordo com os esquemas de distribuição de subportadoras: PUSC (Partial Usage of Subchannel), FUSC (Full Usage of Subchannels) e AMC (Adaptive Modulation and Coding). • Avaliações de desempenho de subcanais por meio da transmissão de informações utilizando CQICH (Channel Quality Indicator Channel). • Controle de acesso de estações-terminal, incluindo intermediação com servidor de autenticação, troca e renovação periódica de chaves e criptografia. Associação segura implementando protocolo PKM (Privacy Key Management), suportando EAP (Extensible Authentication Protocol), definindo a criação de chaves de autenticação AK (Authentication Key), criptografia de chaves KEK (Key Encryption Key) e de dados TEK (Traffic Encryption Key). • Controle do processo de ajuste de potência das estações-terminal no enlace reverso e na seleção de tipo de modulação (perfil de quadro). • Realização de procedimentos de ranging, durante acesso inicial de uma ET, e periodicamente, enquanto mantida a

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comunicação por canais dedicados utilizando codificação CDMA (Code Division Multiple Access). • Controle do processo de solicitação de banda pelas estações-terminal. • Controle de concessão e alocação dos recursos de banda disponíveis. • Controle da transmissão e retransmissão de pacotes de dados por critérios de classificação e priorização. • Retransmissão de pacotes de dados utilizando ARQ (Automatic Request) ou HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request). • Encaminhamento e transmissão de pacotes por meio de fluxos de serviços implementando classes de QoS e parâmetros associados: – UGS (Unsolicited Grant Service), BE (Best Effort), rtPS (Real-Time Polling Service), ertPS (Extended rtPS) e nrtPS (Non-rtPS); – CIR (Committed Information Rate), MIR (Maximum Information Rate), latência, jitter. • Encaminhamento e agendamento de transmissão de pacotes por meio de fluxos de serviços implementando priorizações baseadas nos padrões 802.1Q, 802.1p, identificação de VLAN, marcação DSCP (classificação de pacotes IP por tipo de serviço), endereços de origem e destino (MAC e IP), portas de origem e destino e tipos de protocolo IP. • Disponibilização de recursos e interfaces de rede nas camadas 2 e 3 e transporte de dados via protocolo interno (RIP e OSPF), mensagens de operação do sistema e parâmetros de controle. • Disponibilização de recursos de supervisão, monitoração e configuração local via interfaces do tipo CLI (Command Line Interface) e Web. • Disponibilização de recursos de supervisão, monitoração e configuração remotas com interface para sistema de gerência centralizado, acessando parâmetros do equipamento contidos na sua MIB (Management Information Base) via agente intermediador (SNMP). A estação-base é constituída dos seguintes elementos físicos: • Radiotransceptor abrigado em gabinete vedado, suportando instalação ao relento (temperaturas na faixa de - 10 a 60ºC) contendo elemento de acesso WiMAX (EBW) conectado ao roteador de controle de acesso (RCAB). O EBW contém o bloco de radiofreqüência (RF) e a banda-base (BB), implementando MAC e PHY do padrão IEEE 802.16e (IEEE, 2006). • Antenas setoriais para cobertura de área, antenas omnidirecionais ou antenas para

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estabelecimento de enlace backhaul. Antena de GPS. Cabo de RF para conexão da antena ao gabinete vedado. • Cabo de RF para conexão da antena GPS. • Cabo UTP provendo alimentação (PoE – Power over Ethernet). • Módulo de alimentação PoE. • Interfaces Ethernet 10/100 base T, conector RJ-45. Esses elementos são representados de forma esquemática na Figura 3. A figura ilustra uma configuração incorporando dois elementos de acesso WiMAX (EBW), integrados pelo RCAB, implementado em software, e conectados a duas antenas apontadas com o fim de prover áreas de cobertura distintas, seja pela utilização de canais pertencentes à mesma faixa, seja pela seleção de canais de faixas distintas, entre aquelas mencionadas na Subseção 1.2. Neste último caso, pode ocorrer a superposição das áreas de cobertura. Os elementos de acesso são modulares, utilizando interfaces em padrão aberto, com possibilidade de substituição, facilitando a manutenção e oferecendo dessa forma a possibilidade de reconfiguração do sistema ou ainda o aumento da confiabilidade por meio de redundância proporcionada pela utilização de dois módulos do mesmo tipo. As configurações complementares compostas pelos elementos descritos compreendem: • Micro Base Station, solução de menor custo, compacta, usualmente instalada • •

integralmente ao relento. Visa ao atendimento de topologias de rede sem fio que não requeiram a utilização de mais de um setor, empregando um único EBW. A escolha dessa configuração é condicionada pela demanda de banda, pela localização das estaçõesterminal ou pela possibilidade de utilização de antena omnidirecional. Ou ainda, decorrente de requisitos de disponibilidade menos exigentes, tornando desnecessária a redundância eventualmente proporcionada pela utilização de um segundo módulo implementando o elemento EBW, configurado da mesma forma que o utilizado na disponibilização do acesso sem fio na área de interesse. Macro Base Station, solução fornecendo múltiplos setores, empregando vários (3 a 6) elementos de acesso WiMAX (EBW) conectados ao RCAB. É voltada para aplicações em áreas urbanas de alta densidade, demanda serviços do tipo Serviços de Comunicações Multimídia ou visa a atender nível de qualidade carrier class necessário à inserção na infra-estrutura de concessionárias de serviço de telefonia pública. Essa é uma solução que possui maior grau de exigência de disponibilidade e requisitos operacionais, demandando implementação de redundâncias. Nessa configuração, usualmente, apenas o front end analógico encontra-se ao relento, mantendose os demais módulos do equipamento em ambiente controlado.

Antena GPS

Antena 1

Antena 2

Cabos RF Módulo rádio

Módulo bateria

Cabo UTP

Ambiente externo

Cabos de alimentação

Cabo Ethernet

Módulo de alimentação PoE

Figura 3 Elementos físicos constituintes da estação-base

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3.2 Implementação da estação-terminal WiMAX A estação-terminal implementa modos de operação bridge e router, incorporando protocolo de conversão de endereços de rede (NAT). A estação-terminal suporta as funcionalidades enumeradas para a EB na Subseção 3.1, submetendo-se aos procedimentos por ela supervisionados ou ativados, no que diz respeito à entrada da ET na rede de acesso, incluindo os procedimentos de sincronização em tempo e freqüência, autenticação e autorização, estabelecimento de conectividade à rede IP e controle e escalonamento de transporte de dados por meio de fluxos de serviço. Além disso, suporta procedimentos de seleção e avaliação de parâmetros associados aos recursos disponíveis para realizar a otimização de desempenho do canal de radiofreqüência, tais como potência de transmissão, tipo de modulação utilizada e seleção de esquemas de subcanalização. Mecanismos de requisição de banda são implementados com o fim de permitir solicitações geradas pela ET de forma programada ou não programada, podendo neste caso ocorrer por iniciativa da EB ou da ET. Na arquitetura considerada, podem ser integradas à ET WiMAX interfaces com a rede de acesso sem fio local Wi-Fi (access point) ou gateway Wi-Fi mesh, constituindo respectivamente as estações-terminal dos tipos ET/APWi-Fi e ET/APmesh mencionadas na Seção 2. Da mesma forma que na EB, são Antena

utilizadas na implementação interfaces físicas definidas por padrões abertos. A estação-terminal é constituída dos seguintes elementos: • Radiotransceptor abrigado em gabinete vedado, suportando instalação ao relento (temperaturas na faixa de -10 a 60ºC), contendo elemento de acesso WiMAX (ETW) conectado ao roteador de controle de acesso implementado em software (RCAT). O ETW incorpora o bloco de radiofreqüência (RF) e a banda-base (BB), implementando MAC e PHY do padrão IEEE 802.16e (IEEE, 2006). • Quando do tipo ET/APWi-Fi e ET/APmesh, radiotransceptor Wi-Fi abrigado em gabinete vedado, suportando instalação ao relento, conectado ao roteador de controle de acesso (RCAT). O ETW incorpora o bloco de radiofreqüência (RF) e a banda-base (BB), implementando MAC e PHY do padrão IEEE 802.11a/b/g (IEEE, 1999, 2003a, 2003b). • Antena direcional para comunicação com estação-base WiMAX. • Antenas omnidirecionais do sistema Wi-Fi (diversidade de espaço). • Cabo de RF para conexão da antena ao gabinete vedado. • Módulo triple play indoor, fornecendo interfaces para vídeo, voz e dados. • Cabo UTP provendo alimentação PoE. • Interfaces Ethernet 10/100 base T, conector RJ-45. Esses elementos são representados de forma esquemática na Figura 4. Cabo RF

Antenas Wi-Fi

Módulo bateria

Módulo rádio Cabo UTP

Ambiente externo Cabos de alimentação

Módulo de alimentação PoE Módulos triple play e alimentação PoE

Cabo Ethernet

Figura 4 Elementos físicos constituintes da estação-terminal incluindo módulo triple play indoor

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Conclusão O presente trabalho apresentou a concepção sistêmica e as características da solução adotada para a implementação e o desenvolvimento de componentes de rede de acesso sem fio banda larga no âmbito do projeto Ad Hoc-WiMAX fixo-nomádico. Neste projeto foi considerada premissa a integração de uma rede de alto desempenho incorporando mecanismos de controle de padrões de garantia de qualidade de serviço, com uma rede flexível, caracterizada por alto grau de capilaridade e com possibilidade de disponibilizar ao usuário final acesso por meio de terminais de custo reduzido atualmente proporcionados pela tecnologia Wi-Fi. Outra premissa considerada foi a incorporação de uma gerência centralizada da rede capaz de viabilizar a operação eficiente de uma rede de tal complexidade e abrangência. No trabalho foram descritas a topologia e a arquitetura da rede mesh sem fio, com base nos padrões abertos IEEE, WiMAX e Wi-Fi. Ambas foram concebidas para fornecer o acesso a uma rede IP de serviços e transporte de dados. Foram descritos também os elementos constituintes dessa rede de acesso, suas funcionalidades, a interconexão entre tais elementos, bem como os tipos de serviço e modelos de utilização a serem disponibilizados pela rede ao usuário final. Uma vez que são objetivos do projeto o desenvolvimento e a integração dos principais elementos da infra-estrutura da rede de acesso proposta, e que esses elementos compreendem, além de estação-base WiMAX, diferentes versões de estações-terminal, as principais características das implementações desses elementos foram descritas. Nessas descrições foram ressaltadas a flexibilidade alcançada pela possibilidade de integração dos segmentos de acesso sem fio WiMAX e Wi-Fi mesh, em uma única infra-estrutura, empregando as diferentes versões de estações-base e estações-terminal, viabilizando uma adequação da topologia básica da rede aos variados cenários, condições de instalação da infra-estrutura, condições de operação e tipos de demanda por serviços. Em complementação a essas informações, foi apresentada uma breve descrição do sistema de gerência de rede capaz de permitir a operação e supervisão centralizada desses elementos quando integrados à rede externa de serviços. Referências AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Anexo à Resolução 365: Regulamento sobre

equipamentos de radiocomunicação de radiação restrita. Maio de 2004. AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Anexo à Resolução 416: Regulamento sobre condições de uso da faixa de freqüências de 3,5 GHz. Outubro de 2005. AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Resolução 272: Regulamento do serviço de comunicações multimídia. Agosto de 2001. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). Standard 802.11a. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band. 2003a. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). Standard 802.11b. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band Specification. 1999. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). Standard 802.11e. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Amendment 8: Medium Access Control (MAC) Quality of Service Enhancements. 2005. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). Standard 802.11g. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Amendment 4: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band. 2003b. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). Standard 802.11i. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Amendment 6: Medium Access Control (MAC) Security Enhancements. 2004. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). Standard 802.16e-2005 e Standard 802.16-2004™ Corregendum 1 – 2005: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access. 2006. YUN, J; KAVEHRAD, M. The Advantages and

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Benefits of TDD Broadband Wireless Access Systems. TDD Coalition White Paper. Setembro de 2001. Disponível em: <http://cictr.ee.psu.edu/research/bans/BechtelPaper.pdf>. Acesso em: 20 jul. 2007.

WIMAX FORUM. Can WiMAX address your applications? Westech Communications Inc. Outubro de 2005. Disponível em: <http://www.wimaxforum.org/technology/downloa ds>. Acesso em: 20 jul. 2007.

Abstract This paper presents a brief description of the wireless access network solution being currently developed at CPqD. This solution aims at providing broadband telecommunications infrastructure based on WiMAX and Wi-Fi mesh technologies. The network system referred to as fixed Ad Hoc-WiMAX is designed to provide flexible triple play services supporting infrastructure including features such as security, service class for data transmission and centralized network resources management. In the proposed system solution, technological aspects were considered as well as the possibility of employing devices and equipment designs based on open standards that could be easily updated and adapted to the different prognosticated deployment scenarios, which also require interoperability. These scenarios comprise different operational conditions and the need to consider typical radio link performances, in addition to the different data transmission requirements resulting from the diversity of socioeconomic profiles encountered throughout the country, such as in densely populated urban areas and sparsely populated rural areas. The need to consider all these scenarios and to take into account the new federal and local government policies aiming at providing widespread access to digital information to the population, determined the requirements for a high performance solution compatible with low operational and deployment costs. Key words: WiMAX. Wi-Fi. Networks. Ad Hoc. Mesh.

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Desafios para a operação de redes WiMAX José Luiz Navarro Frauendorf* ** O objetivo deste artigo é analisar alguns parâmetros importantes que devem ser considerados quando da implantação e operação de redes WiMAX fixas em países em desenvolvimento. Essas redes, embora dedicadas ao serviço fixo, estarão preparadas para, no futuro, prestar serviços móveis. Países em desenvolvimento contam com essa nova tecnologia para popularizar o acesso à rede Internet. Para que isso ocorra, deve-se procurar maximizar a cobertura e a eficiência da rede (máximo de Megabit/segundo/ quilômetro quadrado). Através da maximização desses dois parâmetros será possível construir redes de baixo custo, viabilizando sua implantação tanto em áreas já cobertas por outras tecnologias, via rede de telefonia fixa (ADSL) ou cabo coaxial (HFC/cable modem), quanto em áreas sem oferta desses serviços. Palavras-chave: Comunicação sem fio banda larga. IEEE 802.16. WiMAX móvel. Introdução O WiMAX constitui, atualmente, o que há de mais avançado em tecnologia de redes fixas convergentes de telecomunicações, em condição de prestar, indistintamente, serviços de voz, dados e vídeo. Sua maior qualidade é, sem dúvida, a flexibilidade de servir mercados distintos. Especificamente a versão IEEE 802.16e, também conhecida como WiMAX móvel, permite, a partir de uma única plataforma tecnológica, atender às necessidades das aplicações fixas, portáteis e móveis. Pode, portanto, atender às necessidades de mercados altamente sofisticados e, igualmente, suprir as necessidades de áreas sem qualquer oferta de serviço. A maioria dos analistas prevê que a tecnologia irá prosperar mais rapidamente em países em desenvolvimento, em localidades sem nenhuma oferta de acesso. Esses países demandam redes baratas com baixos custos de investimento e operação. A telefonia celular foi responsável pela popularização da comunicação de voz e o WiMAX poderá fazer o mesmo para a oferta do acesso. O aspecto mais importante é como minimizar os investimentos para que isso possa realmente acontecer. A Neotec, associação de operadoras que fazem uso do espectro de 2.5 GHz para a prestação de serviços de telecomunicações, vem se dedicando a responder a essas questões desde 2003, quando promoveu os primeiros testes de transmissão de sinais sem fio banda larga, com enorme sucesso, na região central de Belo Horizonte. Nessa ocasião, foram testadas duas versões distintas de sistemas pré-WiMAX empregando, um deles, a modulação OFDM, e outro, o CDMA. A partir dessa experiência, a morfologia das cidades foi exaustivamente avaliada e o tráfego nas redes de banda larga medido para determinar a concentração das

demandas dos usuários. Esses dois fatores constituem os principais parâmetros para o desenvolvimento de um projeto técnico apto a suprir as reais necessidades do mercado. Nos parágrafos a seguir, procuraremos comentar esses e mais alguns aspectos relevantes a serem considerados para viabilizar, técnica e economicamente, a implantação e a operação de redes WiMAX. A tecnologia WiMAX é definida através da norma IEEE 802.16e, mas existem diversas formas de implementá-la. É importante entender suas diferenças e identificar as melhores alternativas para permitir uma implementação de baixo custo. O maior objetivo do presente trabalho é buscar formas de maximizar a cobertura e o volume de tráfego fornecido pela rede. Existem enormes diferenças entre redes fixas e móveis. Na busca da viabilidade econômica, as redes fixas devem ser idealizadas em primeiro lugar. Ao longo dos anos, atendendo à demanda do mercado, quando ela surgir, as redes poderão, sem dificuldade, graças a investimentos adicionais, evoluir para a mobilidade. Serão focalizadas, ao longo do trabalho, algumas das principais diferenças entre essas duas implementações. A evolução de uma rede de serviços fixos para uma rede de serviços móveis virá naturalmente, pela própria inclusão de chips WiMAX nos mais variados dispositivos. Prenúncios já surgem no horizonte. Até que isso ocorra, o principal dispositivo do usuário a ser empregado nas redes fixas é o modem conhecido pela sigla CPE (Customer Premise Equipment). Esse dispositivo pode permitir tanto o acesso, quanto a comunicação de voz através do VoIP – Voice over IP. Para vencer os desafios, diversas questões devem ser respondidas: 1. Qual a distribuição do mercado residencial e comercial nas diversas áreas de prestação

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: jlfrau@uol.com.br ** Neotec – Associação de Operadoras de Sistemas MMDS Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 53-60, jul./dez. 2008


Desafios para a operação de redes WiMAX

dos serviços? Como pode ser dividido de acordo com a sua morfologia? 2. Como é a propagação dos sinais? Qual a dimensão de uma célula? 3. Qual a configuração da comunicação TDD x FDD? Antenas MIMO e Beamforming. 4. A modulação adaptativa e a eficiência da rede. 5. Sistemas fixos e móveis. 6. Qual o efeito das interferências e da escolha do reuso das freqüências? 7. Qual a influência da largura do canal utilizado? 8. Qual a demanda de tráfego nas células? 9. Qual o percentual do mercado atendido por uma célula? Essas questões serão tratadas em cada uma das seções deste artigo. 1

Distribuição do mercado

As áreas de prestação de serviços de telecomunicações geralmente são classificadas em quatro categorias: urbanas densas, urbanas, suburbanas e áreas rurais. As cidades brasileiras são, em geral, muito concentradas, tendo em vista os elevados custos de urbanização. Em cidades como Rio de Janeiro e São Paulo, a densidade de domicílios por quilômetro quadrado pode chegar à casa das 13 mil a 15 mil residências. Essas são as chamadas áreas urbanas densas. Nessas regiões podem viver até 60 mil pessoas/km 2. Em geral, o número médio de domicílios nessas áreas fica ao redor de 8 mil a 10 mil residências/km 2. Já as áreas urbanas possuem de 2.500 a 5 mil residências/km 2, e as áreas suburbanas, menos que 2.500 residências/km2. Áreas urbanas densas podem concentrar até 50% da população de uma região, enquanto que as áreas urbanas agregam por volta de 35%, restando apenas 15% para as áreas suburbanas. Por outro lado, áreas urbanas densas podem ocupar apenas 10% da área total, enquanto as áreas urbanas ocupam o dobro, 20%, e as áreas suburbanas, 70%. Além das residências existem também os estabelecimentos comerciais, que também demandam o acesso, e que ocorrem em maior freqüência nas áreas urbanas densas – 15% do número de residências – enquanto nas áreas urbanas essa proporção é de 10% e nas áreas suburbanas, 5%. Esses parâmetros nos permitem caracterizar a morfologia das cidades. Regiões urbanas densas são mais edificadas, com muitos prédios altos e apresentam aspectos distintos de propagação de sinais. Já as regiões suburbanas não possuem prédios, ou os prédios são baixos, com poucos andares, e a propagação dos sinais ocorre com

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menos reflexões. 2

Propagação dos sinais e dimensões de uma célula

Uma das grandes dificuldades encontradas pelos operadores, quando projetam suas redes para essa nova tecnologia, é a ausência de um modelo específico de propagação para freqüências acima de 2 GHz. Como essa parte do espectro começa a ser utilizada somente agora, para redes celularizadas, espera-se que, à medida que estas vão sendo testadas em campo e implantadas, os conhecimentos sobre a propagação aumentem, os modelos comecem a aparecer e o projeto fique mais simplificado. Na ausência de um modelo específico, tem-se empregado, na determinação das características de propagação de uma célula, principalmente em áreas urbanas densas, o Modelo COST-231 Hata modificado. A aplicação desse modelo indica raios para esse tipo de células que variam de 400 a 700 metros. Para áreas urbanas, tem-se adotado raios da ordem de mil metros, e, para áreas suburbanas, 2.600 metros. 3

Configuração do canal de transmissão x recepção (TDD x FDD)

Uma das grandes inovações do WiMAX, para os primeiros sistemas lançados no mercado, foi a escolha da multiplexação dos canais de transmissão e recepção por divisão de tempo, TDD (Time Division Duplex), ao invés da multiplexação por freqüência, FDD (Frequency Division Duplex). A multiplexação por divisão de freqüência, FDD, também terá sua vez, mas com menos ênfase que o TDD. O motivo é bem simples: grande parte dos inovadores ganhos de desempenho do sistema (aumento da cobertura e do fluxo de dados gerenciados por uma estação radiobase) previstos no WiMAX baseiase nas novas tecnologias de antenas, a tecnologia MIMO (Multiple Input Multiple Output, múltiplos sinais transmitidos e recebidos) e a Beamforming (ganho variável de antena). Elas só podem ser empregadas em conjunto com o TDD, ou seja, somente através da utilização da mesma freqüência para a transmissão e recepção é que é possível ao sistema avaliar as condições de propagação e adequar seus mecanismos de otimização às condições do canal utilizado. Dentro desses novos conceitos, ao invés das estações radiobase serem dotadas de apenas uma única antena, elas trabalham com diversas (2, 4 ou 8). Do lado do usuário, dentro do mesmo princípio, empregam-se, em geral, duas antenas. Os sinais são transmitidos e recebidos de forma independente por cada antena, mas sofrem um tratamento matemático (equalização e correlação de sinais) permitindo um ganho significativo na relação SINR (relação sinal-ruído + interferência).

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Desafios para a operação de redes WiMAX

Isso ocorre por um motivo simples: enquanto os sinais transmitidos e recebidos pelas diversas antenas são correlacionados, o ruído e as interferências não são. Assim, os sinais contendo as informações podem ser somados, enquanto os ruídos e as interferências são subtraídos. Após o processamento dos sinais, obtém-se um enorme ganho. Esse ganho permite que os sistemas trabalhem com níveis de potências de transmissão muito inferiores às geralmente utilizadas. Graças a esse fato, pode-se utilizar o WiMAX em sistemas portáteis e móveis que dependem, fundamentalmente, da capacidade das suas próprias baterias para o funcionamento. Para que tudo isso possa ocorrer, é fundamental que as transmissões da estação radiobase para o dispositivo do usuário, e vice-versa, trabalhem na mesma freqüência, ou seja, funcionem em TDD. Além disso, o TDD permite a otimização do uso do espectro, bem caro e escasso. Dependendo da necessidade do mercado quanto às velocidades de dados na descida (DL – downlink) e subida (UL – uplink), as janelas de tempo dedicadas a cada um dos sentidos da transmissão podem ser variadas, alocando-se mais ou menos tempo para os sinais transmitidos e recebidos, de acordo com a demanda. Os sistemas atuais, que evoluíram dos sistemas de voz, empregam a tecnologia FDD. O FDD, até recentemente, era mais barato que o TDD e se adaptava perfeitamente ao tráfego telefônico, simétrico por natureza. Essa premissa não é válida para o tráfego de dados. A adoção das tecnologias MIMO e Beamforming só está ocorrendo em razão dos enormes avanços dos semicondutores, que permitem a fabricação de processadores extremamente rápidos, capazes de processar volumes imensos de informações.

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Modulação adaptativa e eficiência da rede

O WiMAX pode trabalhar com diversos níveis de modulação digital disponíveis, combinados com os códigos de recuperação de erro. Essa qualidade permite maximizar o desempenho do sistema, adaptando os serviços às condições de propagação de cada usuário. A modulação é distinta, para cada usuário, e independente de cada sentido de transmissão (DL/UL). Duas variáveis definem o nível de modulação que o sistema irá utilizar para atender à demanda de um usuário: o nível do sinal recebido (Smin em dBm) e a relação sinal-ruído (SNR em dB). A Tabela 1 mostra os valores de Smin e SNR para os diversos níveis possíveis de modulação. São fornecidos dois valores para Smin, na presença do ruído térmico apenas – AWGN (Additive White Gaussian Noise) e outro, seguindo a recomendação da UIT (União Internacional de Telecomunicações), em que além do ruído térmico considera-se algum nível de interferência, segundo o modelo Ped-B@3km/ h. Essa tabela mostra o que mais interessa ao operador, o tráfego máximo possível de DL e UL para um sistema típico, com 10 MHz de largura de canal e relação DL:UL = 2:1, para cada nível de modulação. O nível de modulação dos sinais digitais depende dos fatores Smin e SNR combinados. Quanto maior o nível do sinal e menor o nível da interferência, maior o nível de modulação e, conseqüentemente, maior o volume de informações que uma subportadora pode transportar. Deve-se buscar, portanto, trabalhar com os maiores níveis de modulação possíveis, para permitir o melhor aproveitamento da infraestrutura implantada. As estimativas para o nível de sinal (S/dB) e relação SNR (dBm) são feitas através do cálculo do link budget. Especificamente, para um sistema operando na

Tabela 1 DL/UL máximos x níveis de modulação (64-QAM no UL – embora prevista não é, ainda, obrigatória)

Modulação & Smin AWGN SNR (dB) Codificação (dBm)

Smin Ped-B @3km/h (dBm)

QPSK 1/2

2.9

-88.5

-83.9

Máximo DL Máximo UL (Mbit/s) (Mbit/s) 3.17

1.68

QPSK 3/4

6.3

-85.1

-78.9

4.75

2.52

16QAM 1/2

8.6

-82.8

-78.4

6.34

3.36

16QAM 3/4

12.7

-78.7

-73.4

9.50

5.04

64QAM 1/2

13.8

-77.6

-73.9

9.50

5.04

64QAM 2/3

16.9

-74.5

-69.9

12.67

6.72

64QAM 3/4

18.0

-73.4

-67.9

14.26

7.56

64QAM 5/6

19.9

-71.5

-65.9

15.84

8.40

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Desafios para a operação de redes WiMAX

faixa de 2.5 GHz, com largura do canal de 10 MHz (1.024 portadoras), considerando-se apenas 2 transmissores e 2 receptores na estação radiobase (MIMO) para um usuário servido através de um modem fixo simples (CPE/ SISO), os valores para a atenuação máxima permitida para o percurso do sinal, para os extremos dos níveis de modulação, situam-se entre os valores de 119 dB para 64-QAM 5/6 e 136 db para o QPSK 1/2. Assim sendo, a excursão do sinal é de 15 dB. Na borda da célula, a atenuação máxima não deve exceder 136 dB, para que o sistema possa operar, ao menos, no nível de modulação QPSK 1/2, ao passo que qualquer ponto da célula em que a atenuação do sinal for inferior a 119 dB estará operando na modulação máxima, 64-QAM 5/6. É importante notar que a variação entre 2 e 3 dB pode representar até 50% mais capacidade de tráfego. 5 Sistemas fixos e móveis Muito provavelmente, o que diferencia as redes WiMAX de países em desenvolvimento daquelas dos países desenvolvidos é a mobilidade do usuário. Enquanto em países desenvolvidos, providos de farta oferta de acesso por meio das redes fixas, a mobilidade é a característica mais desejada, nos países em desenvolvimento, ao menos no início, a maior demanda dos usuários será por aplicações fixas para complementar as redes existentes ou atingir áreas sem qualquer oferta de serviço. Essa situação é, no entanto, passageira. Estimase que, já a partir de 2009/2010, diversos equipamentos (PDAs, laptops, câmeras de vídeo e foto, veículos de transporte, etc.) já possuirão chips WiMAX internos (embedded). Esse fato já está sendo anunciado por diversos fabricantes de equipamentos pessoais. Quando isso ocorrer, o próprio mercado demandará a inclusão de serviços portáteis e móveis, além do fixo. Assim, as redes já devem ser concebidas hoje para permitir a evolução natural para a mobilidade quando o mercado assim demandar. Aplicações fixas são mais previsíveis, pois contam, em geral, com dispositivos (CPE) com fonte de energia própria, independente de baterias que limitam a potência do sinal transmitido. Além disso, podem contar com mais de uma antena, dotadas com maior diretividade, ou seja, com maior ganho que os dispositivos móveis. Todos esses fatores somados podem representar até 10 dB de ganho no link budget, favorecendo o nível de modulação e a eficiência da rede. Por outro lado, aplicações fixas podem demandar maior volume de tráfego, por poderem atender a mais de um usuário por acesso. Já as aplicações móveis são, em geral, pessoais, com demanda de tráfego menor que os acessos fixos. Assim, os ganhos dos níveis de modulação nas

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aplicações fixas permitem tráfego mais elevado, enquanto os dispositivos móveis poderão trabalhar com menores níveis de modulação, mas, em compensação, seu tráfego é menor. Provavelmente, um efeito irá compensar o outro. 6

Efeito das interferências e reuso de freqüências Um dos efeitos mais perversos nos sistemas celulares são as interferências entre os sinais de células próximas operando nas mesmas freqüências. Isso ocorre porque o espectro é escasso e deve ser reutilizado o máximo possível. Principalmente em regiões urbanas densas, em virtude do elevado número de edificações, as interferências são inevitáveis por conta do elevado grau de reflexões dos sinais que acabam gerando multipropagações. Nas regiões urbanas e suburbanas o efeito também ocorre, mas em menor grau. A multipropagação pode conduzir os sinais para fora da célula, perturbando células próximas que utilizam a mesma freqüência para transmitir informações distintas. Nas ruas centrais das áreas densas, com prédios de muitos andares, nos dois lados da rua, formam-se verdadeiros canyons, que conduzem os sinais por quilômetros de distância, como se fosse uma guia de onda. O WiMAX, por ser um sistema OFDM, é dotado de elevado número de portadoras. Havendo interferência, ele pode deixar de utilizar determinadas portadoras em um setor, alocando-as exclusivamente em outro setor da célula para evitar as interferências. Isso leva à diminuição da capacidade do sistema como um todo. Poderá, igualmente, continuar usando as mesmas portadoras em células distintas, mas a interferência perturbará a recepção do sinal (diminui o SINR), o que leva a diminuição do nível de modulação, reduzindo, novamente, a eficiência da rede como um todo. Deve-se, portanto, evitar ao máximo as interferências. A Figura 1, cujos dados foram retirados de informações fornecidas por fabricante de equipamento (vide referências), mostra a diferença da ocorrência dos diversos níveis de modulação dentro de uma mesma célula, em que se emprega a mesma freqüência para todos os setores, ou seja, reuso 1 (N=1), comparado ao reuso 3 (N=3), em que cada setor utiliza uma freqüência distinta. Nota-se que, no reuso N=1, para o exemplo mostrado, 23% da área da célula não possui serviço, por não reunir as condições mínimas da modulação QPSK 1/2. No outro extremo, somente 23% da célula tem condições de trabalhar com modulação máxima de 64-QAM 3/4. Já no reuso N=3, somente 2% da célula não possui serviço e 64% da área da célula reúne condições para trabalhar com a modulação máxima de 64-QAM 3/4.

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Desafios para a operação de redes WiMAX

100%

98%

90%

97%

80%

90%

70% 60%

86%

50% 40%

77%

72%

73%

30%

64%

56%

20%

48%

10%

30%

0% QPSK1/2

23% QPSK3/4

16QAM1/ 2

N=1

16QAM3/ 4

N=3 N=1

64QAM2/3

64QAM3/ 4

N=3

Figura 1 Desempenho de uma célula N=1 e de uma célula N=3

Portanto, a configuração N=3 deve ser utilizada como forma de maximizar o desempenho da rede e minimizar os custos. 7

Largura do canal utilizado

A maior largura de canal existente atualmente é de 10 MHz. Isso quer dizer que uma estação radiobase é capaz de processar, por setor, todo o tráfego gerado pelo nível de modulação máxima de uma célula, 64-QAM. Esse nível de modulação apresenta uma eficiência espectral de 6 bit/Hz. Isso equivale a 60 Mbit/s. Em breve, em 2009/2010, com a evolução da tecnologia já anunciada por alguns fabricantes, esse limite será expandido para 20 MHz, o que significaria um tráfego máximo de 120 Mbit/s. Todas as vezes que se utilizar canais menores, a estação radiobase estará sendo subutilizada. Canais de 3.5/5.0/7.0 MHz são previstos na norma, mas significam subutilização do investimento. O máximo aproveitamento da infraestrutura de uma célula se dá pela utilização de 3 canais de 20 MHz. 8

Demanda de tráfego de uma célula

Cisco de Banda Larga, de setembro de 2007), 69% da demanda de tráfego de banda larga de usuários brasileiros é da ordem de 512 kbit/s. Internacionalmente, tem-se adotado para o Over Subscription Rate (percentual de usuários efetivamente transmitindo ou recebendo em um determinado instante), para usuários residenciais, a relação de 1:20 (5%), e, para os usuários corporativos, 1:5 (20%). Se adotarmos um serviço típico de 500x250 kbit/s (DLxUL) para usuários residenciais e 1.000x500 kbit/s (DLxUL) para usuários corporativos, significa que, na média, um usuário residencial demanda, instantaneamente, 25x12.5 kbit/s e o corporativo, 200x100 kbit/s. Ou seja, um usuário corporativo consome 8 vezes mais tráfego que o usuário residencial. Levando esses fatores em consideração e somando-os aos dados morfológicos de mercado apresentados no início do trabalho, é possível estimar a demanda de tráfego total em uma célula urbana densa com 600 metros de raio, em uma célula urbana com 1.000 metros de raio, ou numa célula suburbana com 2,6 quilômetros de raio. A Tabela 2 mostra o resultado desse cálculo.

Segundo dados recentes do IDC (Barômetro Tabela 2 Tráfego total em uma célula Tráfego n a célu la

U rb an a d en sa

U rb an a

Sub u rb an a

Média de domicílios + comércio (HH/km 2)

11.765

3.889

368

Raio da célula (km)

0,6

1,0

2,6

1,1

3,1

21,2

13.306

12.217

7.824

Tráf ego médio DL/usuário (kbit/s bit/s)

51

43

34

Tráf ego total/célula DL (Mbit/s bit/s)

682

519

264

Tráf ego médio UL/usuário (kbit/s bit/s)

26

21

17

Tráf ego total/célula UL (Mbit/s bit/s)

341

260

132

Área da célula

(km 2)

Densidade da célula (residências + comércio) (HH/km 2)

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Desafios para a operação de redes WiMAX

Esse tráfego, no entanto, não é estático, mas cresce a uma taxa de 15% ao ano. Projetando-se esses dados para 2012, obtemos os valores mostrados na Tabela 3. 9

CPE com 500 mW de potência de transmissão dotada de uma única antena (SISO). Nessas condições, o tráfego estimado por setor é da ordem de 8 Mbit/s para o DL e 3 Mbit/s para o UL. Como a célula opera com 3 setores, o tráfego agregado é de 24 Mbit/s para o DL e 9 Mbit/s para o UL. Esses valores deverão evoluir nos próximos anos. A Tabela 4 mostra o tráfego atual (2007) e a projeção para 2012. Tendo-se a demanda do mercado e após a análise dos principais fatores que influenciam a capacidade de um sistema, podemos estimar qual o percentual de mercado atendido por uma célula. As Tabelas 5 e 6 mostram os valores, independentemente, para o DL e o UL em dois momentos, 2007 e 2012.

Percentual do mercado atendido por uma célula

Vamos, primeiramente, definir a capacidade de uma célula que dispõe de 30, 60 ou 90 MHz de espectro disponível. Vamos assumir a prestação de serviços fixos somente, supridos por uma célula formada por 3 setores, cada setor operando em uma freqüência específica (N=3), com canal de 10 MHz/setor. Do lado do usuário, o dispositivo utilizado é uma

Tabela 3 Evolução do tráfego 2007 – 2012 Mercado atendido Densidade em 2007

U rbana densa U rbana

(HH/km2)

Densidade em 2012 (HH/km2)

Suburbana

13.306 14.123

12.217 12.968

7.824 8.305

51

43

34

Tráf ego médio/usuário DL 2007 (kbit/s) Tráf ego médio/usuário DL 2012 (kbit/s)

103

85

68

Tráf ego total DL/célula 2007 (Mbit/s)

682

519

264

Tráf ego total DL/célula 2012 (Mbit/s)

1.456

1.109

564

26

21

17

Tráf ego médio/usuário UL 2007 (kbit/s) Tráf ego médio/usuário UL 2012 (kbit/s)

52

43

34

Tráf ego total UL/célula 2007 (Mbit/s)

341 728

260 554

132 282

Tráf ego total UL/célula 2012 (Mbit/s)

Tabela 4 Capacidade de uma célula 2007 – 2012

Tráfe go em um a cé lula 1 setor (10MHz) 1x3 setores (30 MHz) 2x3 setores (60 MHz) 3x3 setores (90 MHz)

DL (M bit/s ) (2007) 8 24 48 72

DL (M bit/s ) (2012) 12 36 72 108

UL (M bit/s ) (2007) 3 9 18 27

UL (M bit/s ) (2012) 5 14 27 41

Tabela 5 Percentual do mercado atendido – 2007

(%) Mercado atendido (2007)

58

Urbana densa

Urbana

Suburbana

DL 1x3 s etores (30 MHz) UL 1x3 s etores (30 MHz)

4 3

5 3

9 7

DL 2x3 s etores (60 MHz)

7

9

18

UL 2x3 s etores (60 MHz) DL 3x3 s etores (90 MHz) UL 3x3 s etores (90 MHz)

5 11 8

7 14 10

14 27 20

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Desafios para a operação de redes WiMAX

Tabela 6 Percentual do mercado atendido – 2012

(%) Mercado atendido (2012)

Urbana densa

Urbana

Suburbana

DL 1x3 s etores (30 MHz) UL 1x3 s etores (30 MHz)

2 2

3 2

6 5

DL 2x3 s etores (60 MHz)

5

6

13

UL 2x3 s etores (60 MHz)

4

5

10

DL 3x3 s etores (90 MHz)

7

10

19

UL 3x3 s etores (90 MHz)

6

7

14

Enquanto o 64-QAM não for implementado para o UL, ele se torna o fator limitante. Quando for implementado, os percentuais para DL e UL tendem a se igualar. Assim, considerando a prestação de serviços fixos, dentro das condições descritas, em regiões urbanas densas, hoje (2007), seria possível atender a demanda de até 3, 5 ou mesmo 8% do mercado, desde que se dispusesse de 30, 60 ou 90 MHz de espectro. Com a evolução prevista da tecnologia e da demanda do mercado, em 2012, o percentual cai para 2, 4 ou 6%, dependendo da disponibilidade de espectro de 30, 60 ou 90 MHz. Embora seja citado muitas vezes que 30 MHz seria suficiente para a implementação de uma rede WiMAX, sempre que possível, 60/90 MHz devem ser considerados fundamentais, para reduzir o custo da implantação das redes e permitir aos operadores capacidade de crescimento e atendimento às demandas do mercado sem comprometimento da viabilidade econômica da rede. A disponibilidade de espectro para a prestação de serviços de banda larga é fundamental. Operadoras americanas como Sprint e Clearwire colocam o espectro como condição primordial para viabilizar a construção de suas redes. O Yankee Group publicou um trabalho em 2007 em que aponta que a Sprint possui, pelo menos, 100 MHz em 85% das cidades onde pretende construir suas redes. Scott Richardson, Chief Strategy Officer da Clearwire, enfatizou esse aspecto em sua recente palestra no WiMAX World ocorrido em Chicago, em 2007. Usou, inclusive, uma foto tirada no Rio de Janeiro para ilustrar esse fato. Agências reguladoras de todo o mundo optam por fatiar o espectro em pedaços como forma de promover a competição. Na prestação de serviços de banda larga “via ar” esse procedimento pode comprometer a criação das redes. Ao invés de alocar pequenas porções de espectro a diferentes operadores, deveriam buscar outras faixas do espectro, como forma de promover o aumento da competição. Existem muitos espectros disponíveis: 2.3/2.5/3,3 –

3.8/5.1 – 5.8 GHz, sem considerar a faixa dos 700 MHz que estaria sendo liberada pela digitalização da TV analógica. Todas essas faixas estão sendo alocadas ao redor do mundo. Existem por volta de 700 MHz disponíveis no espectro abaixo de 4 GHz e mais 700 MHz na faixa do 5 GHz. Como ocorreu na telefonia celular, dispositivos tri-band e quad-band permitirão ao usuário o roaming e a migração entre operadores. Conclusão A maior parte dos dados utilizados neste artigo foram tirados das nossas experiências de campo conjugadas com as informações de fabricantes de equipamentos: Samsung, Motorola, Nortel, Alvarion, Alcatel-Lucent e Navini, que têm feito um trabalho extraordinário na divulgação da tecnologia no Brasil. Procuramos abordar os fatores mais relevantes, dentro da realidade brasileira. Finalizando, gostaríamos de enfatizar: a) Aplicações fixas x móveis: são duas realidades distintas. As aplicações fixas estão voltadas para o atendimento da demanda básica, e as móveis para uma segunda etapa, quando o mercado exigir. Mas a rede deve ser idealizada para atender às duas aplicações. b) Relação DL x UL: o tráfego fixo possui uma relação de assimetria de 2:1. No tráfego móvel, essa assimetria pode ser diferente, de 3:1, tendo-se em vista que, em aplicações individuais, pode ocorrer uma maior demanda de download de vídeo. c) Mercado corporativo x residencial: a divisão do mercado nacional de banda larga é, segundo o IDC (Barômetro Cisco de Banda Larga, de setembro de 2007), de 13% mercado corporativo e 87% residencial. O mercado corporativo é o que mais demanda tráfego. Havendo alteração nessa proporção, o tráfego médio pode subir ou descer. d) Demanda de tráfego: de acordo com recente pesquisa do Ibope/Netratings, o número de usuários de Internet no Brasil cresceu 48,4% durante o ano de 2007, aproximando-se de 21,4 milhões em dezembro. Embora o País conte com apenas 7 milhões de conexões

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Desafios para a operação de redes WiMAX

banda larga, o brasileiro possui o recorde de tempo mensal de acesso à Internet: 22 horas e 59 minutos. Esse tempo cresceu 1 hora e 20 minutos em 12 meses. O Brasil ganha da França, que possui o índice de 20 horas e 34 minutos e dos Estados Unidos, com 19 horas e 47 minutos. Pode ser que, com o aumento do número de usuários, esse valor fique menor, mas só o tempo dirá. e) Custo da infra-estrutura: os modelos econômicos que estão sendo desenvolvidos mostram que o custo da estação radiobase é importante, mas os custos dos complementos estão se sobressaindo. Entre eles: links de microonda (backhaul), energia, instalação, manutenção, aluguel de site, etc. Na ausência de espectro suficiente, o operador é obrigado a multiplicar o número das células. O adensamento das células vai agravar o problema da interferência, diminuindo a eficiência da rede, conforme já explicado anteriormente. Além disso, aumentará os custos da infra-estrutura, comprometendo os aspectos econômicos do projeto. A adição de novas estações radiobase em uma célula, graças à disponibilidade de espectro, é sempre mais viável, mais rápida e agride menos o meio ambiente. Esperamos ter contribuído para a maior compreensão sobre fatores importantes a serem

considerados quando do projeto, da implantação e da operação de redes baseadas na tecnologia WiMAX no Brasil e gostaríamos de receber críticas e sugestões quanto aos pontos aqui abordados. Referências ALCATEL-LUCENT. Design Paper: Reuse 3 and Reuse 1 performance, 2007. ANDREWS, J. G., GHOSH, A., MUHAMED, R. Fundamentals of WiMAX, Prentice Hall, 2007. IDC BRASIL – Barômetro Cisco de Banda Larga Brasil 2005-2010 – Resultados, set. 2007. LIU, H.; LI, G. OFDM-Based Broadband Wireless Networks, Design and Optimization, John Wiley, 2005. NUAYMI, L. WiMAX Technology for Broadband Wireless Access, John Wiley, 2007. RICHARDSON, S. Clearwire Vision for Personal Broad band, WiMAX World, 2007, Chicago. WIRELESSMAN. Inside the IEEE802.16 Standard for Wireless Metropolitan Networks, IEEE Press, 2006. YANKEE GROUP – Modest WiMAX Market Grows Despite Uncertainty, 2007.

Abstract The objective of this article is to analyze some relevant parameters that must be taken into account in the deployment and operation of fixed WiMAX network in developing countries. Although these networks are focused on fixed services, they are ready to perform mobile services in the future. Developing countries rely on this new technology so that Internet access becomes more popular. Therefore, the network coverage and efficiency must be maximized (maximum Megabit/second/square kilometer). The maximization of these two parameters enables the construction of low budget networks, allowing its deployment in areas already covered by other technologies, via fixed telephony network (ADSL) or coaxial cable (HFC/cable modem), as well as the areas without the offer of these services. Key words: Broadband wireless communication. IEEE 802.16. Mobile WiMAX.

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Mobilidade em redes WiMAX Pedro Eduardo de Oliveira Macedo*, Carlos Henrique Rodrigues de Oliveira Este artigo fornece uma visão geral sobre os mecanismos de controle e gerência de mobilidade nas redes baseadas no padrão IEEE 802.16e-2005. Inicialmente é apresentada uma breve introdução ao padrão e ao perfil Mobile WiMAX, derivada de suas características obrigatórias e opcionais. São descritas, de forma sucinta, as técnicas de controle e gerência de roaming, handover e da Mobilidade IP. Também é apresentada a rede de referência relativa a este padrão, definida no WiMAX Forum, seus elementos de rede e suas funcionalidades básicas. Palavras-chave: WiMAX. 802.16e. ASN. CSN. Mobile IP. Introdução As redes WMAN são bastante atraentes para o mercado consumidor pela possibilidade de fornecer banda larga numa estrutura sem fio. Dessa forma, possibilita ao usuário a mobilidade e a liberdade de se comunicar onde quer que esteja. Tecnologias que têm como alvo a mobilidade e a liberdade vêm sendo desenvolvidas desde os anos 90, tais como o LMDS (Local Multipoint Distribution Service) e o MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service). Os sistemas celulares começaram privilegiando o serviço de voz (comutação por circuito) e, com o tempo, tenderam a incluir os serviços de dados comutados por pacotes. Para isso, melhoraram seus mecanismos de gerência e de controle de recursos de rádio, QoS e mobilidade. Além disso, foi necessário alterar sua estrutura de modulação e transmissão para aumentar a banda oferecida em sua interface aérea. A tecnologia conhecida por WiMAX começou a ser desenvolvida já com o foco no tráfego de informações comutadas por pacotes e privilegiando tecnologias como ATM e IP. Isso lhe conferiu vantagens que foram bem utilizadas para alavancar a tecnologia, tanto no sentido técnico quanto mercadológico. Este artigo descreve sucintamente os mecanismos de gerência e controle de mobilidade dessa tecnologia, além de oferecer uma visão geral de sua rede de referência, conforme especificada no WiMAX Forum. A Seção 1 apresenta os padrões IEEE e mobile WiMAX; a Seção 2 mostra a topologia de rede e seus elementos componentes; a Seção 3 apresenta os modelos de mobilidade e os mecanismos de handover. E por último é apresentada a conclusão deste trabalho. 1

Padrões IEEE e mobile WiMAX

O padrão IEEE 802.16, comumente chamado de WiMAX, vem sendo desenvolvido no IEEE desde o final da década de 1990. Atualmente, compõese de uma família de padrões, revisões, correções e adendos. Em geral, adendos têm

uma letra no final, correções têm um número e revisões têm o ano de término (IEEE, 2006). Atualizações e correções vêm sendo realizadas periodicamente, sendo que suas principais atualizações ocorreram através dos adendos IEEE 802.16a, IEEE 802.16b, IEEE 802.16c e IEEE 802.16e. A revisão IEEE 802.16-2004 consolida as três primeiras contribuições e estabelece o WiMAX para aplicações fixas. O adendo IEEE 802.16e é incorporado em seguida ao padrão para acrescentar a funcionalidade mobilidade e todos os seus atributos e requisitos. Foi publicado em 28 de fevereiro de 2006 e o padrão completo passa a ser identificado pelo IEEE como IEEE 802.16e-2005 e IEEE 802.16-2004/Cor 1-2005. Este trabalho está focado na mobilidade e em seus principais mecanismos de controle e gerência. Logo após a publicação do padrão inicial, em 2001, foi criada uma organização sem fins lucrativos, composta de operadoras, fornecedores de equipamentos, fabricantes de chips e de terminais, e provedores de serviços. Seu objetivo era promover a nova tecnologia e a marca WiMAX, além de atuar junto aos órgãos padronizadores dos diversos países, a fim de auxiliar e facilitar a regulamentação do espectro necessário de freqüências. O nome desse grupo é WiMAX Forum e sua atuação também acontece no sentido de garantir a interoperabilidade entre dispositivos de fabricantes diferentes, e de planejar e elaborar testes de conformidade para a certificação de produtos. Outro objetivo é a criação de perfis tecnológicos, isto é, implementações práticas do produto WiMAX, compostas de características técnicas obrigatórias e determinadas características opcionais descritas no padrão. Esses perfis, chamados de perfis sistêmicos, são escolhidos periodicamente pelo grupo para a realização comercial. Mobile WiMAX é um perfil (e uma marca) desenvolvido pelo WiMAX Forum que utiliza um conjunto de características dos padrões IEEE 802.16-2004 e IEEE 802.16e-2005 para fins de

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: macedo@cpqd.com.br Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 61-68, jul./dez. 2008


Mobilidade em redes WiMAX

camada 3 (rede), ou seja, mobilidade IP. Segundo Andrews, Ghosh e Muhamed (2007), existem quatro cenários de mobilidade previstos para o WiMAX: • Nomádico: o usuário pode conectar sua CPE fixa na rede em um lugar diferente do anterior. • Portável: o usuário pode utilizar seu dispositivo portátil numa velocidade baixa, sendo provido um esquema de handover de maior esforço. • Mobilidade simples: o usuário pode se mover em velocidades de até 60 km/h e sofrer interrupções de menos do que 1 segundo durante o handover. • Mobilidade total: o usuário pode se mover em velocidades de até 120 km/h e sofrer interrupções de menos do que 50 ms e perda de pacotes menor do que 1% durante o handover (seamless). Ainda segundo Andrews, Ghosh e Muhamed (2007), o padrão IEEE 802.16e-2005 define mecanismos de sinalização para rastrear tanto o usuário ativo quanto o usuário inativo (idle). Além disso, padroniza protocolos para prover seamless handover. Esses e outros mecanismos fazem parte de um framework especificado no padrão, que foi evoluído pelo WiMAX Forum para melhorar o aspecto de gerência de mobilidade, com foco numa rede fim a fim e usando a camada 3. Para esse fim, foi definida uma topologia de rede de referência que é o foco da próxima seção.

certificação e de comercialização de equipamentos pelo WiMAX Forum. Além do aspecto mobilidade, seus requisitos e mecanismos de controle associados, esse perfil tem algumas características típicas que devem ser mencionadas (WIMAX FORUM, 2007): • trabalho no modo TDD; • operação com freqüências licenciadas abaixo de 6 GHz (2.3, 2.4, 2.5, 3.3, 3.5, 3.7), dependendo do país; • largura de canal: 3.5, 5, 7, 8.75 e 10 MHz, dependendo do país; • implementação do mecanismo de acesso, conhecido como SOFDMA; • comprimento do quadro: 5 ms; • implementação de H-ARQ; • controle da potência de malha aberta e fechada; • esquemas de antena inteligente (AAS); • esquemas de MIMO; • sleep and idle mode no terminal; • novos esquemas de autenticação e criptografia. Além dessas características técnicas específicas, o perfil mobile WiMAX possui algumas características e mecanismos próprios de controle e gerência do aspecto mobilidade, tais como: • Mecanismo para roaming: capacidade para prover conectividade com um usuário inativo para iniciar uma sessão ou enviar pacotes, independentemente de sua localização na rede. • Mecanismos de handover: capacidade de manter uma sessão ativa em andamento enquanto o usuário se move, mesmo em velocidades veiculares. • Mecanismos de controle da mobilidade IP: capacidade para tratar da mobilidade na

2

Topologia de rede

A rede de referência, conforme definida no Regulamento sobre condições de uso da faixa de freqüências de 3.5 GHz (ANATEL, 2002) do WiMAX Forum, é mostrada na Figura 1. Visited NSP

Home NSP

R2 R2

ASN R1

SS/ MS

R6

BS

ASN Gateway

R3

R5

CSN R8

CSN

R6

BS

R4

Redes ASP ou Internet

Redes ASP ou Internet

Outro ASN

NAP

Figura 1 Rede de referência WiMAX Forum

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Na Figura 1 observam-se vários elementos de rede e suas interfaces, tais como:

• •

Elementos de rede: • MS: Mobile Station; • BS: Base Station; • ASN: Access Service Network; • CSN: Connectivity Service Network; • NSP: Network Service Provider. Interfaces:

2.2 BS (Base Station)

• •

• • • • •

R1: interface física aérea; R2: interface lógica entre a MS e a CSN para tratar autenticação, autorização, gerenciamento do endereço IP e gerenciamento de mobilidade; R3: interface física entre a ASN e a CSN para tratar gerenciamento de mobilidade, AAA (autenticação, autorização e accounting) e tunelamento para transferência de dados IP; R4: interface física para tratar interoperabilidade entre ASNs diferentes; R5: interface física para tratar interoperabilidade entre a rede origem e a rede visitada; R6: interface física entre a BS e a ASN para tratar o envio de dados IP e sinalização. Backhaul; R7: interface física opcional para coordenar dois grupos de funções identificadas em R6; R8: interface física entre BS para tratar seamless handover.

2.1 ASN (Access Service Network) A ASN é um bloco funcional (ANDREWS; GHOSH; MUHAMED, 2007) que cuida basicamente da interface aérea (R1), do controle de acesso e de recursos de rádio, da gerência de mobilidade e de QoS e da conectividade com a CSN. É uma unidade composta por dois elementos de rede: a BS e a ASN gateway, que podem estar juntos num só bloco ou separados em dois elementos de rede. O WiMAX Forum propõe três perfis para a implementação da ASN: A, B e C. As diferenças estão nas funcionalidades realizadas pela ASN e no posicionamento da BS. No perfil B, o elemento ASN é uma entidade única que agrega as funcionalidades da BS e da ASN gateway. Nos perfis A e C, as funcionalidades da BS e da ASN gateway são divididas de forma ligeiramente diferente por perfil: funcionalidades específicas de gerenciamento de mobilidade e de gerenciamento de recursos de rádio. As categorias funcionais que são gerenciadas na ASN através da BS e da ASN gateway, são: • gerência de mobilidade; • gerência de recursos de rádio; • QoS;

sistema de paging; segurança.

A BS (ANDREWS; GHOSH; MUHAMED, 2007) é o elemento de rede diretamente conectado com o usuário (MS) e, portanto, responsável pelo início dos trabalhos para o acesso do usuário ao sistema e para a definição dos recursos de rádio que serão utilizados para a sessão e o tipo de serviço solicitado. Suas funcionalidades básicas variam de acordo com o perfil a que pertence, mas de modo geral, podem ser agrupadas da seguinte forma: • provimento dos meios físicos de RF para possibilitar a conectividade de camada 1 com a MS; • agendamento de pacotes tanto do DL quanto do UL; • classificação do tipo de fluxo de tráfego; • gerenciamento do fluxo de serviço; • provimento do status (ativo ou idle) da atividade do terminal do usuário; • suporte aos protocolos de tunelamento para a ASN gateway; • provimento da funcionalidade DHCP proxy; • encaminhamento de mensagens de autenticação entre a MS e a ASN gateway; • recepção e entrega da chave criptográfica de tráfego (TEK) e da chave criptográfica da chave (KEK) para a MS; • servidor de proxy RSVP para gerenciamento de sessão; • gerenciamento de associação de grupos multicast via IGMP proxy. Uma BS pode estar conectada a mais de uma ASN gateway para fins de balanceamento de carga ou propósitos de redundância. 2.3 ASN gateway ASN gateway (ANDREWS; GHOSH; MUHAMED, 2007) é o elemento de rede que controla as BSs e provê conectividade física com a CSN. Suas funcionalidades básicas também variam de acordo com o perfil a que pertence, mas de modo geral, podem ser agrupadas da seguinte forma: • gerenciamento de localização e de paging do usuário; • servidor para sessão de rede e para gerência de mobilidade; • controle de admissão; • provimento de serviços de caching temporário para perfis de assinantes e de chaves criptográficas; • funcionalidade de AAA; • age como cliente/proxy para a troca de mensagens RADIUS com AAA de CSN

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selecionadas; estabelecimento e gerenciamento de tunelamento de mobilidade com as BSs; • cliente para gerência de mobilidade e sessão; • autoriza fluxos de serviço (SFA), baseado no perfil do usuário e na política de QoS; • provimento da funcionalidade Foreign Agent (FA); • roteamento (IPv4 e IPv6) para selecionar as CSNs. Dependendo do perfil adotado pelo fabricante dos equipamentos, as funcionalidades de handover e gerência de recursos de rádio são desempenhadas totalmente ou parcialmente na BS ou na ASN gateway. •

2.4 CSN (Connectivity Service Network) A CSN provê as seguintes funcionalidades (ANDREWS; GHOSH; MUHAMED, 2007): • alocação do endereço IP para as sessões do usuário da MS; • servidor ou proxy de AAA para o usuário, seu dispositivo ou serviços AAA; • gerenciamento do QoS baseado num contrato de SLA com o usuário; • bilhetagem do assinante; • tunelamento entre CSNs para suportar roaming entre NSP; • gerência de mobilidade entre ASNs e funcionalidade de mobile IP HA (Home Agent); • Infra-estrutura de conectividade e controle de políticas de acesso para serviços tais como: • acesso à Internet; • acesso a outras redes IP; • LBS; • P2P; • VPN; • IMS; • MMS; • serviços de força da lei. 3

Mecanismos de controle da mobilidade

A gerência de mobilidade é originada sempre que a MS se move de uma BS para outra, por motivos de condições de propagação, ou quando a MS sai do estado idle em outra ASN, ou quando a CSN decide transferir os recursos de gerência de uma MS de um FA para outro. Como já citado neste artigo, existem três mecanismos para o controle da mobilidade na rede WiMAX: roaming, handover e mobilidade IP. Enquanto os dois primeiros mecanismos se preocupam com o controle do processo de iniciação e continuidade da sessão de dados do ponto de vista de conectividade física do enlace MS e BS, a mobilidade IP é responsável pela gerência do endereço IP das entidades móveis envolvidas durante a sessão de dados. Esses mecanismos são descritos a seguir.

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3.1 Mecanismos de roaming e handover Do ponto de vista da conectividade física das entidades móveis envolvidas numa sessão de dados, existem dois mecanismos básicos envolvidos no controle e na gerência do processo de originação e manutenção da sessão. O primeiro se refere à busca e localização dos assinantes móveis, independentemente de sua localização (na mesma rede ou não) ou estado (idle ou ativo). Esse é o mecanismo de gerência de localização que permite o roaming (ANDREWS; GHOSH; MUHAMED, 2007). Ele é composto por dois processos básicos: • location registration ou update; • paging. No primeiro processo, a MS periodicamente informa à rede sua (nova) localização, o que faz com que a rede autentique o usuário e atualize seu banco de dados com essa nova informação. Essa (nova) localização está associada a uma região (área de localização) definida em termos da cobertura relativa a uma ou mais BSs. A freqüência com que essa atualização é realizada é um compromisso entre a eficiência do processo de roaming e o excesso de overhead de sinalização na rede. Esses bancos de dados são, geralmente, colocados em um ou mais lugares dentro de uma rede. No segundo processo (paging), quando uma rede (ASN) recebe um pedido de iniciação de uma sessão, esta busca em seu banco de dados a localização atual da MS solicitada. Ao descobrir sua região de localização, envia informação de paging para todas as BSs da região e todas as BSs em torno dessa mesma região. Aqui também há um requisito a ser cumprido, isto é, quanto maior o número de BSs buscadas, maior a probabilidade de encontrar a MS desejada. Por outro lado, maior será a quantidade de recursos da rede usados para o processo de paging. Com relação aos mecanismos de handover, o padrão IEEE 802.16e-2005 especifica e suporta três tipos: • HHO (Hard Handover) – obrigatório; • FBSS (Fast BS Switching) – opcional; • MDHO (Macro Diversity Handover) – opcional. Portanto, o único mecanismo obrigatório é aquele que fornece o pior desempenho, pois acarreta a interrupção do fluxo por quase um segundo. Vale dizer que, para a finalidade de oferecer serviços do tipo RT (Real Time) como VoIP e videoconferência, são necessários requisitos de latência bastante apertados. Para tanto, esperase que o desempenho do processo de handover, com mobilidade total (120 km/h), seja da ordem de 50 ms de latência (no máximo) e perda de pacotes menor do que 1%.

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De maneira geral, as decisões de handover são realizadas em conjunto pela MS e BS e baseadas em medições e comparações realizadas e reportadas pela MS dos sinais recebidos das BSs vizinhas. Essas medições acontecem em intervalos de tempo específicos chamados scanning intervals definidos nas BSs. Nesses intervalos, a MS também pode iniciar seu processo de associação a uma ou mais BSs. Após a comparação dos sinais e a tomada de decisão do handover, a MS começa a se sincronizar com a transmissão de downlink da BS-alvo. No HHO, finalizado o processo de sincronismo e paging, a MS termina a conexão com a primeira BS, perdendo quaisquer pacotes ainda na BS. 3.1.1

FBSS e MDHO

Nesses dois mecanismos opcionais, a MS pode manter uma conexão válida com mais de uma BS. No FBSS, a MS mantém e atualiza uma lista de BSs conectadas chamada active set. Além disso, monitora periodicamente as BSs da lista para mantê-la atualizada com as BSs de melhor nível de sinal. A MS, no entanto, se comunica apenas com uma BS da lista, chamada BS anchor. Quando uma mudança de BSs é necessária, ela é realizada sem necessidade da troca de sinalização de handover. O mecanismo MDHO é similar, exceto que, neste caso, a comunicação é feita com todas as BSs da lista (diversity set) tanto no DL quanto no UL. No DL, os vários sinais recebidos são combinados através de técnicas de diversidade

no receptor da MS. No UL, onde várias BSs recebem os sinais da MS, a seleção do melhor sinal é realizada na ASN. O desempenho desses dois mecanismos é superior ao do HHO (ANDREWS; GHOSH; MUHAMED, 2007). No entanto necessitam que as BSs do active ou diversity set estejam todas sincronizadas, usem a mesma freqüência de RF e compartilhem informação para acesso à rede. Além disso, são opcionais e não estão relacionados para o release 1 do WiMAX Forum. 3.2 Mecanismos de controle de mobilidade IP Neste caso, a preocupação é com o gerenciamento do endereço IP das entidades móveis envolvidas na conexão de dados, enquanto essas entidades se movimentam de uma sub-rede para outra. As sub-redes podem estar definidas em termos de BSs, ASNs ou em decorrência de qualquer outro esquema. A passagem de uma sub-rede para outra, ou de uma ASN para outra, ou para um outro tipo de rede (3G, Wi-Fi, etc.), provoca a necessidade de mudança de endereço IP, ocasionando a quebra da conexão IP. Em qualquer caso, no entanto, a conectividade na camada física não é afetada. Não obstante, alguma solução deve ser provida na rede para que a conectividade na camada de rede (IP) também não seja afetada. A solução definida para o WiMAX é o mecanismo conhecido como mobile IP, definido pelo IETF. O mobile IP foi projetado para o IPv4 e para ser transparente para a camada de aplicação. Esse mecanismo também não demanda alterações nos roteadores ou em seus protocolos. A Figura 2 mostra os principais elementos de rede e protocolos envolvidos na mobilidade IP.

Figura 2 Estrutura de camadas e elementos da mobilidade IP

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Observa-se na Figura 2 a importância do elemento CSN no endereçamento e roteamento IP e nas funções de agente local de mobilidade (HA), autorização, autenticação e bilhetagem. Em termos de gerência de mobilidade, a ASN desempenha a importante função de agente de mobilidade visitado (FA). Naturalmente, a MS também participa do mecanismo mobile IP através de um cliente MIP implementado em sua camada de rede. De forma mais simples, os componentes envolvidos na troca de mensagens e mecanismos da mobilidade IP são mostrados na Figura 3. O MS (terminal móvel) contendo o cliente MIP é conhecido como MN (Mobile Node). Ele se comunica com algum servidor na rede que é conhecido como CN (Correspondent Node). O mecanismo mobile IP define dois endereços para cada MN: • HoA (Home Address); • CoA (Core of Address). Enquanto o HoA é seu endereço IP definido por sua rede nativa (home network) e o identifica na rede, CoA é um endereço temporário especificado pela rede visitada. É necessário que haja um mapeamento dinâmico entre esses dois endereços e isso é realizado através de dois agentes de mobilidade IP, HA (Home Agent) e o FA (Foreign Agent). Ambos podem ser vistos como roteadores especializados. O agente FA é normalmente implementado na ASN, embora possa ser implementado na MN. O endereço CoA está associado ao agente FA. O HA é implementado normalmente na CSN. Sempre que a MS se movimenta, passando a ser uma MN, seu movimento é detectado por

protocolos de busca que são baseados em extensões do ICMP, protocolo de busca dos roteadores. Os agentes de mobilidade (HA e FA) anunciam sua presença para que a MN possa detectá-los. Uma vez que a MN esteja na rede visitada, um novo endereço IP (CoA) lhe é definido. Esse novo endereço é então informado pela MN para seu HA, que também se atualiza com relação ao novo FA da MN. Após essa atualização, quaisquer pacotes destinados à MN recebidos em sua rede nativa (HA) serão enviados ao seu novo endereço (sua nova FA), através de seu encapsulamento em um protocolo de tunelamento. O agente FA desencapsula os pacotes e os envia à MN. Como o HA funciona como ponte e referência para quaisquer pacotes enviados à MN, então a localização da MN não é mais um empecilho para que a comunicação aconteça. Pacotes enviados no sentido oposto, isto é, do servidor IP para a MN, não necessitam do mecanismo mobile IP, a não ser que o servidor IP não seja fixo. As rotas percorridas do MN para o CN são diferentes daquelas percorridas no sentido oposto, ou seja, do CN para o MN. 3.3 Pontos de referência de mobilidade Do ponto de vista de elemento de rede de referência (anchor) utilizado no processo de mobilidade, há duas possibilidades suportadas nas redes WiMAX: • mobilidade referenciada a ASN (ASNanchored mobility); • mobilidade referenciada a CSN (CSNanchored mobility).

Figura 3 Componentes da mobilidade IP

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A Figura 4 (ANDREWS; GHOSH; MUHAMED, 2007) apresenta os cenários de mobilidade possíveis numa rede WiMAX, de acordo com o WiMAX Forum. No primeiro tipo (ASN-anchored), a MS se movimenta entre duas BSs controladas pela mesma ASN. Esse tipo de movimentação é invisível para a CSN, não provocando impacto algum na camada de rede (IP). Nesse tipo de cenário, a MS pode se movimentar entre os pontos 1, 2 e 3 na Figura 4. Esse tipo de mecanismo é também conhecido como intraASN ou micromobilidade. A característica principal desse mecanismo é que a referência é o FA da ASN envolvida, isto é, ele é mantido em todo o processo. Nesse caso, o CoA do MN não precisa ser atualizado. Do ponto de vista das interfaces envolvidas, o processo pode ocorrer apenas na interface R8, ou pode ocorrer na R6 e na R8 apenas para envio dos pacotes remanescentes da BS original para a de destino. No segundo caso (CSN-anchored), o movimento ocorre entre duas BSs de ASNs diferentes, mas da mesma CSN. Esse tipo de mecanismo é também conhecido como inter-ASN ou macromobilidade. Neste caso, a MS muda de FA, realizando o que é chamado de migração de FA anchor. O processo de handover ocorre na interface R3 com um tunelamento feito em R4 com o propósito de transferir pacotes ainda não enviados.

Na Figura 4, esse caso está representado pelo movimento entre os pontos 1 e 4. Conclusão Este artigo fornece uma visão geral dos mecanismos de controle e gerência de mobilidade IP e da arquitetura de referência utilizada pelo padrão IEEE 802.16e-2005, de acordo com as especificações do WiMAX Forum. Não foi escopo deste artigo esgotar o assunto de gerência de mobilidade IP que ainda vem sendo elaborado e aperfeiçoado em seus mecanismos pelos grupos de trabalho do WiMAX Forum. Referências AGÊNCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES (ANATEL). Resolução 309: Regulamento sobre

condições de uso da faixa de freqüências de 3.5 GHz, set. 2002. ANDREWS, J.G.; GHOSH, A.; MUHAMED, R. Fundamentals of WiMAX: Understanding Broadband Wireless Networking. Prentice Hall: Nova Jersey, 2007. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). IEEE 802.16. WirelessMAN

Standard: Myths and Facts. In: WIRELESS COMMUNICATIONS CONFERENCE, Washington, 2006. Disponível em: www.ieee802.org/16/docs/06/C80216-06_007r1.p df. Acesso em: 29 jun. 2006.

Figura 4 Cenários de handover em WiMAX

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INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). Standard 802.16-2004. Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access, 2004. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE) 802.16e-2005, Part 16: Air

Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems – Physical and Medium Access Control

Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands. 2006. WiMAX FORUM. Mobile System Profile Release 1.0. Approved Specification (version 1.4.0 – 12/05/2007). Disponível em: <http://www.wimaxforum.org/technology/docume nts>. Acesso em: 14 ago. 2008.

Abstract This article provides an overview of the control and management mechanisms of mobility in networks based on the standard IEEE 802.16e-2005. The techniques of roaming, handover and IP mobility are described briefly. A short introduction preceding the descriptions provides a concise overview of the standard and the Mobile WiMAX profile derived from its mandatory and optional features. It also shows the network reference model, as defined in WiMAX Forum, its network elements and basic features. Key words: WiMAX. 802.16e. ASN. CSN. Mobile IP.

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Implantação de projetos WiMAX com segurança Danilo Yoshio Suiama*, Emilio Tissato Nakamura, Helen Mary Murphy Peres Teixeira, Sérgio Luís Ribeiro A segurança possui um papel fundamental para a implantação de redes WiMAX, ao proteger a confidencialidade e a integridade de informações das organizações, a privacidade dos usuários e a disponibilidade das soluções. Decisões tecnológicas que contemplem e equilibrem as necessidades de funcionalidades e de segurança são um dos fatores-chave para o sucesso na implantação de projetos WiMAX. Este artigo discute as necessidades e as principais ameaças existentes na tecnologia WiMAX, apresentando uma abordagem sistêmica para a implantação de projetos WiMAX com segurança, com base em necessidades potenciais em termos de segurança da informação e de funcionalidades disponíveis. Palavras-chave: Segurança. Criptografia. Ameaças. Vulnerabilidades. WiMAX. Introdução Um dos grandes desafios na implantação e no uso de novas tecnologias é a segurança. Deixála de lado significa, ao mesmo tempo, colocar em risco a confidencialidade e a integridade de informações de organizações, a privacidade pessoal dos usuários e a própria disponibilidade da solução. Por outro lado, superestimar a segurança significa engessar a adoção da tecnologia, criando dificuldades desnecessárias na implantação e obstáculos que influem diretamente no uso de tecnologias pelas empresas e indivíduos. É nesse ponto, no equilíbrio necessário entre a proteção e as funcionalidades tecnológicas, que reside a alma da segurança. Esse desafio da segurança é exacerbado pela composição de uma miríade de tecnologias cada vez mais complexas e que se integram entre si, em um ritmo acelerado, tornando necessária a análise de diferentes fatores que refletem diretamente nas funcionalidades, no desempenho e na segurança das soluções tecnológicas. Neste artigo são discutidos os pontos fundamentais para a segurança em redes WiMAX, propondo uma abordagem para a implantação de projetos WiMAX seguros, com a devida definição dos níveis necessários e suficientes de segurança que devem ser implantados. A Seção 1 discute as principais necessidades de segurança em WiMAX, enquanto a Seção 2 apresenta os principais riscos existentes. A Seção 3 discute os mecanismos de segurança existentes no WiMAX e a Seção 4 apresenta uma abordagem a respeito da implantação de projetos WiMAX seguros. 1

Necessidades de segurança em WiMAX

Atuando nas camadas física e de enlace de redes, a tecnologia WiMAX é baseada na especificação IEEE 802.16 (JOHNSTON;

WALKER, 2004) e possui, sob o ponto de vista das necessidades de segurança, várias similaridades com a tecnologia Wi-Fi, baseada no IEEE 802.11 (REBÊLO, 2006; SCHWEITZER et al., 2005). Os benefícios do uso de WiMAX são usufruídos em suas variadas aplicações, que podem ser vistas na Figura 1. A falsa sensação de segurança, proporcionada por tecnologias já estabelecidas e com vulnerabilidades remanescentes de protocolo, como a tecnologia Wi-Fi, é um dos desafios que devem ser enfrentados na adoção de novas tecnologias como o WiMAX, pois serve de falso parâmetro de comparação. Em decorrência da natureza integrada das soluções, mesmo que mecanismos de segurança existam em tecnologias como Wi-Fi e WiMAX, eles não são suficientes para a solução como um todo, pois atuam apenas nas camadas física e de enlace da rede (WHITMIRE, 2003; ÂNGELO, 2005). O padrão IEEE 802.11i, por exemplo, foi especificado para tratar da segurança em Wi-Fi e, de fato, possui grande evolução quando comparado com o WEP (Wired Equivalent Privacy) por utilizar protocolos e algoritmos criptográficos mais fortes que evitam as vulnerabilidades conhecidas e intrínsecas ao WEP. Porém, não se pode confiar somente no padrão de segurança de determinada tecnologia em um cenário no qual a integração insere complexidade e, conseqüentemente, mais pontos que podem resultar em incidentes de segurança. No caso do Wi-Fi, houve uma evolução dos protocolos de segurança que eliminou as vulnerabilidades antes existentes, porém incidentes de segurança ainda acontecem em decorrência de falhas na implantação das soluções como um todo, incluindo as falhas nas configurações de segurança do próprio protocolo e a falta de segurança no nível de rede e de aplicação. A abordagem de implantação de projetos WiMAX seguros, tratada na Seção 4 deste artigo,

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: danilos@cpqd.com.br Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 69-78, jul./dez. 2008


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possibilita que toda a solução WiMAX seja segura, de modo a tratar a falsa sensação de segurança, que é induzida pelo uso necessário dos mecanismos de segurança já existentes no WiMAX. Embora seja comum em comunicações sem fio, a escuta clandestina é um dos principais problemas que comprometem a confidencialidade das organizações e a privacidade dos usuários. Em decorrência da relativa facilidade em capturar o tráfego em redes

sem fio, mecanismos baseados na criptografia que cifram o tráfego devem ser utilizados nesse tipo de comunicação. A maior necessidade de segurança inerente ao WiMAX está na autenticação entre as estaçõesbase (BS – Base Station) e as estações-cliente (SS – Subscriber Station ou MS – Mobile Station), que ocorre em diferentes arquiteturas e topologias, como as que podem ser observadas na Figura 2. São nessas associações entre SS e BS que residem os maiores riscos, uma vez que

Figura 1 Cenários de utilização de WiMAX

WiM AX Fixo SS Mesh Aplicação Indoor Point-to-Point Backhaul

WiM AX Fixo SS Wi-Fi Móvel Point-to-Multpoint WiM AX Fixo SS Wi-Fi Hotspot Ethernet PC

WiM AX BS WiM AX BS Mesh WiM AX Fixo SS WiM AX Móvel WiM AX Fixo SS WiM AX Fixo SS

Figura 2 Arquiteturas e topologias WiMAX

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as BS podem ser falsificadas, atraindo usuários legítimos que podem ter informações confidenciais roubadas, ou as BS legítimas podem ser alvos de ataques que comprometam todo o serviço implantado com WiMAX. As necessidades de segurança tornam-se ainda maiores em um cenário de mobilidade, como o especificado pelo IEEE 802.16e, fruto de uma janela maior de oportunidades de ataques oriundas da própria natureza das necessidades de mudança constantes das conexões e de identificação e autenticação mútua entre os nós (OLEXA, 2004). Outro fator que demonstra a importância da segurança, além das necessidades de proteção do canal de comunicação WiMAX e da privacidade dos usuários, é a própria disponibilidade da solução. Assim como ataques de negação de serviço comprometem a disponibilidade dos serviços de empresas na Internet, esse risco persiste nas soluções WiMAX e é agravado ainda mais pela sua natureza de funcionamento baseado nas camadas física e de enlace da rede que possibilita o uso de técnicas que são discutidas na Seção 2. Com isso, a implantação de um projeto de WiMAX seguro, proposta neste artigo, possibilita que a solução funcione de acordo com os seus objetivos, sem os percalços que atingem a privacidade e a produtividade dos usuários, a imagem, o faturamento e a missão das organizações. É necessário tratar, de uma forma integrada e consistente com as necessidades particulares de cada organização, os níveis customizados de confidencialidade, integridade e disponibilidade, como pode ser visto na Figura 3. Confidencialidade

Disponibilidade

Integridade

Figura 3 Propriedades de segurança

2

Riscos em WiMAX

Os riscos em WiMAX existem nos diferentes níveis de funcionamento da tecnologia, desde a camada física até a camada de enlace (BARBEAU, 2005; HASAN, 2006; JAQUES, 2006; SANDERS, 2007; WRIGHT, 2006). O risco mais comum em redes sem fio é a interceptação da comunicação com o uso de um receptor de sinal de radiofreqüência. Um projeto WiMAX, porém, não deve restringir as avaliações de segurança somente a esses níveis próprios da tecnologia, pois é na integração entre diferentes tecnologias, que ocorre nos projetos WiMAX, que novos riscos são introduzidos e os incidentes de

segurança podem ocorrer. Os riscos mais tradicionais, que são primeiramente percebidos no caso de um incidente, são aqueles que comprometem a disponibilidade da solução WiMAX. Essa categoria de ataques é a de negação de serviços (DoS – Denial of Service) (BOOM, 2004; SANSUROOAH, 2006). Um dos principais riscos de negação de serviços que comprometem a disponibilidade WiMAX é aquele que afeta a camada física. O jamming é uma das formas de ataque que visa à interrupção da conectividade e, muitas vezes, é causado por interferências que originam, em seu menor nível, a degradação do desempenho. As interferências acidentais são mais difíceis de ocorrer em bandas licenciadas, como o WiMAX, mas existe a possibilidade de interferência entre antenas WiMAX que podem estar com problemas como vazamento de sinal. Apesar de possuir um grau de complexidade maior do que o jamming, outro ataque que pode ocorrer na camada física é o embaralhamento (scrambling). Nesse ataque, o atacante captura quadros ou partes de quadros de downlink e uplink, manipulando informações de gerenciamento e causando distúrbios na operação normal da rede. Ocorre o envio de ruídos em intervalos predeterminados, tirando proveito do modo de funcionamento do TDD (Time Division Duplexing) utilizado pelo WiMAX. No ataque water torture, o atacante visa à drenagem da bateria do equipamento, enviando uma série de quadros. Outro método possível de ataque de negação de serviço é aquele no qual o atacante explora o próprio protocolo de segurança do WiMAX, enviando pacotes especialmente criados para forçar o processamento na estação-base. Um exemplo é o envio de múltiplos pedidos de autenticação de estações-cliente diferentes e falsos, o que demanda alto nível de processamento, que aumenta à medida que o protocolo de autenticação utilizado se torna mais complexo. Isso ocorre porque a criptografia resulta em alto grau de processamento para os cálculos necessários. As associações e a autenticação de estaçõescliente e estações-base constituem outra categoria de riscos em WiMAX que representa uma vasta gama de possibilidades de ataques que afetam a confidencialidade e integridade das informações das organizações e a privacidade dos usuários. Além disso, esses ataques podem levar ao roubo de serviços WiMAX e conseqüentes degradações de desempenho e perdas de receita para provedores de serviços. Funcionando na camada de enlace, o método mais comum de autenticação de clientes é o de permitir que somente endereços MAC autorizados possam estabelecer a conectividade na rede WiMAX. Porém, esse método é facilmente burlado pelos atacantes, que

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encontram formas alternativas para proceder com o ataque. Dependendo do protocolo de autenticação e da intenção do atacante, variados tipos de ataques são possíveis no WiMAX. No ataque replay, o atacante age interceptando pacotes da sessão de autenticação de um usuário e os reutiliza para sua própria autenticação. Já no ataque man-inthe-middle, o atacante se coloca no meio da comunicação entre a estação-cliente e a estação-base, manipulando todo o tráfego entre eles. Esses são ataques clássicos, que podem ser facilmente mitigados com o uso adequado de métodos de gerenciamento de sessão, no caso de ataque replay, e com o uso de autenticação mútua, no caso do ataque man-in-the-middle. Este pode causar maiores impactos às organizações e aos usuários porque oferece uma grande variedade de acessos e possibilita a manipulação de todo o tráfego WiMAX. Outro ataque possível contra o sistema de autenticação é o ataque de reflexão, que explora sistemas que usam o mesmo protocolo de autenticação desafio-resposta em ambas as direções. Nesse ataque, o atacante solicita a autenticação, recebe um desafio e envia o mesmo desafio para o próprio alvo. A resposta do alvo é então reutilizada como resposta do desafio feito ao atacante, que pode obter assim a autenticação. Já o ataque de sessões paralelas produz resultados similares com a exploração de interceptações e mensagens falsificadas. O roubo de identidade pode também ser feito com a simples substituição do endereço de um equipamento pelo endereço de outro equipamento. Esse endereço pode ser facilmente obtido com a interceptação de mensagens de gerenciamento, e também com o uso de uma

estação-base falsa (rogue BS). O uso de rogue BS (Figura 4) é um dos maiores riscos existentes em WiMAX, pois permite que o atacante personifique uma BS legítima, podendo obter qualquer informação das estações-cliente que se associarem a ela. A dificuldade dos usuários está no fato de não ser possível saber, em condições normais, se as trocas de mensagens de autenticação estão sendo feitas com a estação-base correta, pela falta de autenticação da própria estação-base. Além disso, uma rogue BS pode enviar quaisquer mensagens que simulem qualquer BS legítima. Os riscos em WiMAX ganham complexidade com as redes mesh e a mobilidade que incorporam novas ameaças relacionadas ao nível de confiabilidade dos nós da rede. As novas possibilidades de ataque que exploram esses relacionamentos de confiança forçam a adoção de novos mecanismos de segurança pelo WiMAX. Um dos maiores riscos em WiMAX está na falsa sensação de segurança, que provém do uso dos mecanismos de criptografia existentes no WiMAX. Por acreditar que esses mecanismos são totalmente seguros, as vulnerabilidades, como o uso de rogue BS e as que possibilitam ataques man-in-the-middle, são muitas vezes negligenciadas. Mais do que isso, muitos ataques ocorrem nas camadas superiores da rede WiMAX, que incluem as camadas de rede e de aplicação. Isso faz com que projetos WiMAX sofram com incidentes de segurança mesmo que a tecnologia em si seja bem adotada sob o ponto de vista da segurança, uma vez que atacantes explorarão vulnerabilidades na rede e nas aplicações da solução.

SS SS

SS

SS

BS BS

SS

SS

Rogue BS

Figura 4 Estação-base falsa (rogue BS)

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Implantação de projetos WiMAX com segurança

Outro risco associado à falsa sensação de segurança está no fato de que poucos incidentes de segurança com WiMAX são reportados. Isso pode dar a falsa sensação de que os projetos funcionam a contento. Porém, a realidade é que, em decorrência do estágio incipiente de adoção da tecnologia, os incidentes irão aumentar em número e grau, conforme a importância e a motivação dos atacantes. Isso reforça a importância da implantação de projetos WiMAX com segurança, a fim de preservar os investimentos iniciais do projeto, incluindo a imagem das organizações e a confiança dos usuários. 3

Mecanismos de segurança em WiMAX

Os mecanismos de segurança estão concentrados na camada de enlace (MAC) do WiMAX, que consiste em três subcamadas: MAC CS (Convergence Sublayer), MAC CPS (Common Part Sublayer) e MAC PS (Privacy Sublayer). A subcamada MAC CS é específica de cada serviço e pode ser utilizada para redes e serviços ATM ou para serviços de pacotes de dados (Ethernet, PPP, IP, VLAN) (JOHNSTON, 2004; JOHNSTON; WALKER, 2004). A subcamada MAC CPS define os métodos para funções do WiMAX, como o gerenciamento das conexões, a distribuição de banda, as requisições e permissões, os procedimentos de acesso e o controle de conexão. A comunicação entre a MAC CS e a MAC CPS é mantida pela

Estação-base

MAC SAP (Service Access Point), que possui funções de criação, modificação, remoção de conexões e transporte de dados no canal. A subcamada de privacidade (MAC PS) é responsável pelo uso da criptografia nos dados, atuando entre a camada de enlace e a camada física, além de possuir todas as funções de segurança do WiMAX. O controle de acesso e a criptografia do canal são realizados pela MAC PS. Atuando na MAC PS, o protocolo de gerenciamento de chaves PKM (Privacy Key Management) utilizado no WiMAX possibilita a autenticação e o estabelecimento de chaves para a cifragem do canal de tráfego. Um dos métodos de autenticação é baseado no RSA1. Cada estação-cliente deve possuir um certificado digital X.509 de identificação, composto pela chave pública e pelo endereço MAC (Media Access Control), que fazem com que o uso de certificados digitais para autenticação seja mais seguro do que o uso de senhas ou tokens. Certificados digitais não podem ser falsificados, e, ao contrário de senhas, não há possibilidade de adivinhação ou quebra com força bruta. Porém, a falácia está em acreditar somente nessa comparação e desconsiderar mecanismos de proteção do certificado que, se roubado, deixa de ser eficaz devido ao uso como método de identificação e autenticação. O funcionamento do PKM, baseado no RSA, pode ser visto na Figura 5.

Autenticação e registro

Estação-cliente

Certificado do fabricante

Aprovação BS X.509 (Chave pública + MAC)

Assimétrica

Chave de autorização cifrada pela chave pública do cliente

Transporte de dados EKEK [TEK] Simétrica

ETEK [Mensagem SS] ETEK [Mensagem BS]

Figura 5 PKM do WiMAX 1 Algoritmo de criptografia de dados, que deve o seu nome a três professores do Instituto MIT: Ron Rivest, Adi Shamir e Len Adleman

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Implantação de projetos WiMAX com segurança

Na Figura 5, é possível verificar que a autorização de uma estação-cliente (SS) à estação-base (BS) ocorre com a troca de mensagens que envolvem, por sua vez, a troca de chaves entre as estações. A autorização de uso do canal WiMAX é resultado posterior ao processo de identificação e autenticação da SS pela BS. A primeira mensagem é enviada da estação-cliente para a estação-base, que fornece o certificado do fabricante de seu dispositivo. Essa mensagem é ignorada, caso a política de segurança da estação-base permita somente o acesso a dispositivos previamente conhecidos. Após a aprovação da BS, a estação-cliente fornece seu certificado X.509, revelando suas informações, a identidade e a chave pública no processo de identificação. Caso a estação-cliente seja autenticada, logo em seguida ocorre a autorização com a estação-base, que envia a chave de autorização (AK – Authorization Key) cifrada com a chave pública do cliente (usando RSA) e o seu tempo de vida. Essa chave de autorização é decifrada então pela estaçãocliente a partir do uso de sua chave privada. A chave de autorização desempenha um papel importante no WiMAX, ao ser a responsável pela derivação das chaves de cifragem do canal de troca (KEK – Key Encryption Key) das demais chaves utilizadas na comunicação WiMAX. A SS e a BS, desde que conheçam a chave de autorização, podem derivar as mesmas KEKs, possibilitando a formação de um canal seguro de comunicação entre a SS e a BS. Uma vez derivadas, as KEKs são utilizadas pelo PKM para estabelecer um canal seguro para a troca de chaves. Esse canal, por sua vez, será utilizado para a troca das chaves do tráfego WiMAX propriamente dito, conhecidas como TEKs (Traffic Encryption Keys). Apesar de o WiMAX incorporar um protocolo de gerenciamento de chaves em seu mecanismo de autenticação, não é possível realizar a autenticação mútua na versão IEEE 802.16-2004. Somente a estação-cliente pode ser autenticada, enquanto as estações-base e os provedores de serviços não devem ser autenticados. Isso torna as redes WiMAX susceptíveis a ataques man-in-the-middle, nos quais um atacante se posiciona entre os clientes e as estações-base, o que possibilita manipulações totais de todo o tráfego, atingindo dessa forma, a confidencialidade e a integridade da comunicação. Essa vulnerabilidade possibilita também a atuação das estações-base falsas, as rogue BS. Para minimizar esse problema, o IEEE 802.16e oferece suporte opcional ao EAP (Extensible Authentication Protocol), que é um framework de autenticação adotado também pelo IEEE 802.11i. O EAP negocia e define mecanismos de autenticação que são selecionados de acordo com os requisitos de segurança existentes.

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Alguns métodos fazem uso de certificados digitais e de autenticação mútua, tanto das estações-base quanto das estações-cliente. Os métodos EAP previstos são o EAP-AKA (Authentication and Key Agreement) para autenticação baseada no SIM (Subscriber Identity Module), o EAP-TLS (Transport Layer Security) para autenticação baseada no X.509 e o EAPTTLS (Tunneled TLS) para autenticação baseada no MS-CHAPv2 (Microsoft-Challenge Handshake Authentication Protocol). As vantagens e desvantagens dos métodos podem ser encontradas em Nakamura e Geus (2007). Quanto à confidencialidade, o WiMAX suporta o DES (Data Encryption Standard) e o AES (Advanced Encryption Standard). O processamento pode ser feito com o uso de processamento dedicado nas estações-base ou com o uso de servidores de autenticação. 4

Implantação de projetos WiMAX seguros

Projetos WiMAX seguros vão além do uso dos mecanismos de segurança existentes no padrão. A abordagem proposta neste artigo busca a melhor relação entre as necessidades de funcionalidade e as necessidades de segurança, a fim de otimizar o uso dos recursos existentes, sem desperdícios ou exageros. Além disso, essa abordagem partiu da premissa de que a segurança deve também considerar toda a integração existente no projeto, já que incidentes podem ocorrer em quaisquer pontos de uma rede WiMAX. Dessa forma, projetos WiMAX seguros podem ser implementados com a adoção da abordagem proposta, com a segurança sendo aplicada tanto nos terminais dos usuários quanto em toda a rede do ambiente em geral. A abordagem de implantação de projetos WiMAX seguros foi baseada nessa visão integrada dos principais riscos existentes, na busca por uma melhor relação entre funcionalidades e segurança a fim de equilibrar os mecanismos de segurança em todos os pontos necessários, evitando, dessa forma, o elo mais fraco de um projeto WiMAX. Assim, essa abordagem se diferencia por não se basear somente em configurações que já existem em produtos WiMAX, mas também em todas as reais necessidades de segurança em WiMAX. Essa abordagem, conforme Figura 6, é composta por: • Análise de risco WiMAX: identifica e analisa ativos, ameaças, vulnerabilidades e controles existentes, calculando as probabilidades de ocorrência e os impactos decorrentes de incidentes de segurança. Com a análise de risco é possível obter uma visão sistêmica do projeto WiMAX, com o entendimento dos riscos existentes, a fim de se tomar decisões quanto aos melhores mecanismos de segurança necessários para cada projeto específico, como a necessidade justificada de

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Implantação de projetos WiMAX com segurança

criptografia mais forte ou de autenticação mútua. São utilizadas técnicas como avaliações técnicas de segurança que utilizam ferramentas próprias, incluindo analisador de espectros WiMAX, para, em conjunto com outras ferramentas de segurança, realizar a avaliação de vulnerabilidades discutidas neste artigo. Planejamento e design: definem o projeto WiMAX seguro de acordo com os requisitos de funcionalidades, desempenho e segurança necessários, com a definição dos equipamentos e das configurações de segurança mais adequados para a organização. Utilizam os resultados da análise de risco WiMAX e levam em consideração aspectos como a capacidade de processamento, que é maior no caso de uso de parâmetros mais fortes do protocolo de segurança e que sofre influência do número de usuários. Definem toda a arquitetura, com criação de DMZs (DeMilitarized Zones), imprescindíveis para a segurança dos serviços. Além disso, definem o uso de mecanismos de segurança como firewalls baseados em estados, VPNs, sistemas de detecção de intrusão (IDS – Intrusion Detection Systems), sistemas de prevenção de intrusão (IPS – Intrusion Prevention Systems), sistemas antivírus e antimalware, filtros anti-spam, monitoramento ativo e outros mecanismos necessários. Consideram também os mecanismos de autenticação WiMAX de clientes em roaming que possuem um grau de complexidade diferenciado em termos de segurança. Implementação de solução WiMAX seguro: implementação do projeto WiMAX seguro, desenvolvido de acordo com os requisitos específicos da organização, que são resultantes do planejamento e design desenvolvidos com base na análise de risco WiMAX. Esses requisitos específicos

Análise de risco

possibilitam que o projeto reúna as funcionalidades específicas e necessárias para cada organização, o que resulta em otimização de recursos. • Política de segurança: define os direitos e responsabilidades de todos os envolvidos com o uso, a administração, o suporte e o gerenciamento da solução WiMAX e toda a informação que é transmitida, processada ou gerada. Uma política de segurança bem definida permitirá que a solução WiMAX funcione de forma adequada, trazendo uma série de benefícios como: a ausência de ilegalidade no uso de recursos, a diminuição da possibilidade de erros em configurações de ativos da solução gerados pelos administradores de sistemas, e uma atuação gerencial voltada à confidencialidade, integridade e disponibilidade de toda a solução. • Gerenciamento e monitoramento de operações: o bom funcionamento da solução WiMAX só é alcançado após a implementação correta do projeto, que é planejado de acordo com os requisitos de desempenho, funcionalidades e segurança específicos da organização. A continuidade das operações, porém, só pode ser obtida com o monitoramento e o gerenciamento da solução WiMAX. O aumento da capacidade e do número de usuários, a implementação de novos serviços e as novas ameaças emergentes devem ser analisados constantemente a fim de garantir a evolução da solução. Com relação às vulnerabilidades específicas do WiMAX, é preciso considerar, de acordo com as reais necessidades, o uso de mecanismos como: • autenticação mútua, tanto das estaçõescliente como das estações-base; • criptografia forte no canal de dados; • autenticação de dados; • mecanismo contra ataques replay.

Implementação de solução WiMAX seguro

Planejamento e design

Política de segurança

Gerenciamento e monitoramento de operações

Figura 6 Abordagem de implantação de projetos WiMAX com segurança

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Implantação de projetos WiMAX com segurança

O gerenciamento e o monitoramento de operações desempenham um papel importante ao oferecer as condições de funcionamento da solução, incluindo o suporte aos usuários e o gerenciamento das identidades dos usuários. A revogação de certificados digitais, a revisão de políticas de firewalls e a atualização de políticas de segurança perante novas ameaças também devem ser feitas constantemente. Além disso, por ser uma WMAN (Wireless Metropolitan Area Network), é importante entender que sua rede é composta por sub-redes e terminais conectados, nos quais cada ponto deve ser responsável por sua própria segurança. Isso faz com que os serviços providos em cada ponto apresentem suas próprias características e vulnerabilidades, sendo necessário, portanto, incluí-los nas análises e implementações de segurança. Alguns riscos comuns podem ser evitados ou mitigados, adotando-se a implementação de uma rede WiMAX de acordo com itens como os que podem ser vistos na Figura 7. Para que o WiMAX seja utilizado com segurança, é preciso que políticas, processos, procedimentos, estrutura organizacional e sistemas de software sejam executados, revistos e atualizados periodicamente. Além disso, a conscientização, a instrução e o treinamento dos usuários são fundamentais para uma boa implementação na segurança. Conclusão A segurança é um dos fatores-chave para o sucesso da adoção de novas tecnologias. É preciso conhecer os riscos e os mecanismos de segurança existentes para o tratamento adequado desses riscos, de acordo com as necessidades de cada organização. Incidentes de segurança acontecerão e serão mais freqüentes à medida que a adoção de WiMAX aumente, mesmo que novos mecanismos de segurança surjam para complementar os já existentes. Isso ocorre em decorrência da

indispensável integração entre diferentes tecnologias, que inserem novas vulnerabilidades na solução como um todo. Outro fator é a motivação dos atacantes, que aumenta à medida que aumenta a adoção de novas tecnologias, o que as torna alvos mais atraentes. O WiMAX veio para consolidar o conceito de WMAN (Wireless Metropolitan Area Network), trazendo a solução de uma conexão banda larga à última milha, superando as limitações físicas e possibilitando acesso rápido a locais antes inacessíveis, como fazendas, subúrbios e locais sem infra-estrutura de rede. O acesso sem fio já é uma realidade para um grande conjunto de empresas e instituições, oferecendo uma série de vantagens, tais como o acesso rápido e a mobilidade. Porém, é interessante ressaltar que essa nova tecnologia apresenta riscos que devem ser conhecidos e tratados com o uso de políticas, procedimentos e outros controles de segurança que complementem os mecanismos já existentes em WiMAX, que por sua vez, devem ser configurados adequadamente. É necessário adotar uma abordagem para a implantação de projetos WiMAX seguros que considere os requisitos de desempenho, funcionalidades e segurança, de modo que os objetivos das organizações sejam alcançados sem que a confidencialidade, a integridade e a disponibilidade das informações e da solução WiMAX sejam comprometidas. Este artigo discutiu os principais riscos existentes em uma solução WiMAX, propondo uma abordagem para uma implantação segura, que contempla a análise de risco, o planejamento e o design, a implementação, a política de segurança, o gerenciamento e o monitoramento das operações. Com isso, é possível adequar todas as necessidades particulares da organização, com mecanismos mais apropriados, possibilitando a evolução constante da solução em termos de aumento da capacidade, atendimento de novos usuários e preparação contra novas ameaças emergentes.

Arquitetura

Metodologia

Implementação

Variedade dos dispositivos

Análise de risco

Antivírus

Padrão utilizado

Política de segurança

Firewall

Ambiente

Investimentos em segurança

Anti-Spyware

(interferências e perda de sinal)

Configuração de BS

Criptografia Atualização de software

Figura 7 Abordagem detalhada para segurança em WiMAX

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Implantação de projetos WiMAX com segurança

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Abstract The security aspect has a fundamental role in the deployment of WiMAX networks, to protect the confidentiality and integrity of information of organizations, the privacy of users and availability of the solutions. Technological decisions that provide and balance the needs of functionalities and security are one of the key factors for the successful deployment of WiMAX projects. This article discusses the needs and the main threats in WiMAX technology, giving a systemic approach to the deployment of WiMAX projects with security, on the basis of potential needs in terms of information security and features. Key words: Security. Encryption. Threats. Vulnerabilities. WiMAX.

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Tecnologia de múltiplas antenas em sistemas WiMAX Gustavo Fraidenraich*, Paulo Cardieri, Michel Daoud Yacoub Este artigo apresenta uma revisão das principais técnicas de processamento de sinais que serão utilizadas em sistemas de múltiplas antenas para o sistema de comunicação sem fio WiMAX. São discutidos os sistemas que empregam a codificação espaço-temporal, a multiplexação por divisão no espaço e os sistemas com antenas adaptativas. A noção dos ganhos de diversidade, ganho de multiplexação e ganho de arranjo é também introduzida. Palavras-chave: Múltiplas antenas. WiMAX. MIMO. Codificação espaço-temporal. Codificação Alamouti. Introdução WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) é uma tecnologia desenvolvida para transmitir dados sem fio a longa distância, baseada na especificação IEEE 802.16, na qual as emendas IEEE 802.16-2004 e 802.16e-2005 são pertinentes à camada física. A emenda IEEE 802.16-2004 refere-se primariamente à transmissão sem mobilidade, enquanto que a emenda IEEE 802.16e refere-se às transmissões sem e com mobilidade. No padrão IEEE 802.16e, especificam-se diversos métodos de multiplexação do sistema de comunicação. Por outro lado, a multiplexação do tipo OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) é reconhecidamente a mais robusta às condições de propagação por múltiplos percursos sem linha de visada, e oferece grande facilidade quando utilizada com múltiplas antenas. Quando comparado ao sistema TDMA (Time Division Multiple Access), o sistema OFDMA oferece um aumento considerável na cobertura rádio (principalmente no enlace reverso – conexão do móvel para a estação radiobase), já que a potência do sinal pode ser concentrada em poucas portadoras, o que aumenta a relação sinal-ruído. O aumento da cobertura também é observado no enlace direto (conexão da estação radiobase ao móvel), já que é possível alocar maiores níveis de potência aos usuários que estão mais distantes da estação radiobase. A eficiência espectral é um parâmetro crucial em sistemas de comunicação sem fio, visto que os recursos de radiofreqüência são escassos e a demanda por maiores taxas de transmissão é crescente. Flutuações do sinal recebido em decorrência de variações do canal de propagação impedem, no entanto, o uso de modulações mais eficientes no uso do espectro. Dessa maneira, técnicas adaptativas de modulação e codificação (AMC) (GOLDSMITH, 2005) têm sido adotadas em diversos padrões de sistemas de comunicação sem fio, incluindo o WiMAX. A idéia por trás da técnica AMC é a

adaptação dinâmica dos esquemas de modulação e de codificação, de acordo com a qualidade do canal recebido. Quando o canal oferece uma melhor qualidade de transmissão, utiliza-se uma modulação mais eficiente (GOLDSMITH, 2005). Outra forma de aumentar a eficiência espectral é aquela baseada na utilização de múltiplas antenas no transmissor e no receptor. Em geral, múltiplas antenas podem ser utilizadas para diferentes propósitos, incluindo diversidade espacial, cancelamento de interferência e multiplexação espacial para aumentar a taxa de transmissão. O uso de múltiplas antenas está previsto na especificação IEEE 802.16e-2005, em três esquemas diferentes: (i) codificação espaço-temporal (STC – Space-Time Coding), proposta por Alamouti (1998), para prover diversidade no transmissor; (ii) multiplexação espacial (SMX – Spatial Multiplexing) dos sinais; e (iii) antenas adaptativas (AAS – Adaptive Antennas System). Esses esquemas podem ser utilizados nos enlaces direto e reverso. 1

Sistemas com múltiplas antenas

Na sua forma mais geral, um sistema de comunicação com múltiplas antenas emprega N antenas na transmissão e M antenas na recepção. Em teoria, todas as N antenas transmissoras podem se comunicar com qualquer uma das M antenas receptoras. Na realidade, todas as antenas se comunicam entre si simultaneamente. A Figura 1 ilustra de forma esquemática esse sistema.

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: fraidenra@gmail.com Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 79-86, jul./dez. 2008

X

Transmissor

1

1

2

2

N

M Canal

Y

Receptor

Figura 1 Sistema de transmissão com múltiplas antenas


Tecnologia de múltiplas antenas em sistemas WiMAX

Com o aumento do número de antenas transmissoras e receptoras, busca-se o aumento da capacidade de transmissão do sistema (maiores taxas) e uma melhor qualidade do sinal recebido. Obviamente, esses benefícios vêm acompanhados de uma maior complexidade, tanto do transmissor quanto do receptor (WINTERS, 1984; TELATAR, 1995; FOSCHINI; GANS, 1998). O modelo do sistema de transmissão é descrito na forma matricial por: Y = HX + Z na qual o vetor X (N × 1) representa o sinal transmitido, H (M × N ) é a matriz de canal, que estabelece a conexão entre o transmissor e o receptor, Y (M × 1) é o vetor do sinal recebido e, por fim, Z (M × 1) é o vetor do ruído aditivo, cujos elementos seguem uma distribuição Gaussiana. Do esquema geral com múltiplas antenas no transmissor e múltiplas antenas no receptor (MIMO – Multiple Input Multiple Output), três outros esquemas seguem: SISO (Single Input Single Output), SIMO (Single Input Multiple Output) e MISO (Multiple Input Single Output). O esquema SISO corresponde ao caso em que o receptor e o transmissor possuem apenas uma antena, enquanto nos esquemas MISO e SIMO apenas o transmissor ou o receptor utilizam múltiplas antenas. A Figura 2 ilustra os quatro esquemas possíveis usando múltiplas antenas. A seguir, os esquemas SIMO, MISO e MIMO (aqueles que empregam de alguma forma múltiplas antenas) são discutidos. 1.1 Esquemas SIMO No esquema SIMO, apenas um feixe de sinal é transmitido, sendo recebido em múltiplas antenas, o que permite o uso de alguma técnica de combinação de sinais recebidos. TX

RX

SISO

TX

RX

MISO

TX

RX

SIMO

TX

RX

MIMO

h1

y1 RX 1

x TX h2

y2 RX 2

Figura 3 Esquema de combinação por máxima razão

O sinal recebido em cada antena é descrito por y 1 = h1x e y 2 = h2 x . Considerando que os ganhos do canal sejam estimados no receptor, então os sinais recebidos y 1 e y 2 podem ser combinados de forma a obter y , dado por: 2 2 y = h1* y 1 + h2* y 2 =  h1 + h2  x  

que é o sinal transmitido x , multiplicado por um ganho. Esse esquema apresenta um ganho de diversidade da ordem de dois, visto que o ganho obtido é a soma de dois termos. 1.2 Esquemas MISO Se considerarmos o enlace direto, o esquema MISO apresenta certa vantagem em relação ao esquema SIMO, já que, em geral, por uma questão de espaço físico, é mais fácil instalar mais antenas na estação radiobase do que nos terminais de usuário. A idéia pioneira da utilização de um esquema MISO se deve a Alamouti (1998). Em seu trabalho, Alamouti analisou o caso 2x1 (ou seja, duas antenas na transmissão e uma na recepção), criando uma nova área de pesquisa, denominada codificação espaço-temporal. Posteriormente, seu trabalho foi estendido para o caso geral M × N (TAROKH; JAFARKHANI; CALDERBANK, 1999), mas apenas o caso 2x1 é ótimo. Alamouti mostrou que o desempenho de um sistema 2x1 era 3 dB inferior ao de um sistema 1x2 com combinação MRC. 1.3 Esquemas MIMO

Figura 2 Esquemas SISO, MISO, SIMO e MIMO

O esquema SIMO mais comum é a combinação

80

por máxima razão (MRC – Maximal Ratio Combining). A Figura 3 mostra um sistema de transmissão com esquema SIMO de uma antena transmissora e duas antenas receptoras.

Finalmente, combinando-se os esquemas SIMO e MISO, teremos então o esquema MIMO. Este esquema oferece várias vantagens em relação aos outros dois. Se o que se pretende é ganho em diversidade, é possível utilizar a codificação espaço-temporal no transmissor e a combinação por máxima razão do lado do receptor. No caso de um sistema 2 × 2 , teríamos um ganho de diversidade da ordem de quatro (ver Seção 2.1). Outra vantagem do esquema MIMO é, além do ganho em diversidade, a possibilidade de ganho

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Tecnologia de múltiplas antenas em sistemas WiMAX

de multiplexação. Esse ganho pode ser avaliado fazendo-se uma analogia com o sistema de multiplexação por divisão de freqüência (FDM), no qual é possível transmitir um feixe de dados em cada banda de freqüência, de forma que se N feixes forem utilizados, tem-se no final N vezes a taxa de transmissão básica. Nos esquemas MIMO, pode-se pensar em um sistema com N antenas no transmissor e M = N antenas no receptor e, assim, idealizar o canal como se não houvesse interferência entre os feixes. Ou seja, haveria N caminhos paralelos, livres de auto-interferência, criando-se, portanto, um sistema de transmissão com capacidade N vezes maior do que aquele com antenas únicas na transmissão e na recepção. Esse tipo de multiplexação é denominado multiplexação por divisão no espaço. É interessante observar que, quando todas as antenas são utilizadas para multiplexação espacial, não há ganho de diversidade, visto que cada antena transmissora comunica-se com a sua antena receptora correspondente e, portanto, não há combinação de sinais do lado do receptor. Isso sugere a existência de um compromisso entre o ganho de multiplexação e o ganho de diversidade. Ou seja, se tivermos um alto ganho de diversidade, teremos um pequeno ganho de multiplexação e vice-versa. O compromisso diversidade-multiplexação foi estudado por David Tse (2003; 2005). Em particular, Tse mostrou que, para uma canal com desvanecimento Rayleigh, o ganho de diversidade ótimo d está relacionado ao ganho de multiplexação r por d = (N − r )(M − r ) . A Figura 4 ilustra essa relação para um sistema com N = 5 antenas transmissoras e M = 5 antenas receptoras. O máximo ganho em diversidade que se pode obter é de MN, que ocorre com a utilização do esquema MRC no receptor e com o uso de STC no transmissor.

2

Esquema Alamouti – sistema STC

O esquema Alamouti é um esquema MISO que foi concebido para operar com duas antenas no transmissor e uma antena no receptor. A Figura 5 mostra esse sistema. h1

x1

TX 1 y RX

x2

Figura 5 Esquema de Transmissão STC Alamouti

Considere que os sinais enviados pelas antenas transmissoras 1 e 2 sejam x1 e x 2 , respectivamente. Além disso, considere que o ganho que o canal introduz entre a antena transmissora 1 e a antena receptora seja h1 , e entre a antena transmissora 2 e a antena receptora seja h2 . Portanto, o sinal recebido no instante 1, denotado por y [1] , é dado por: y [1] = x1[1]h1[1] + x 2 [1]h2 [1] Considere ainda que no primeiro instante os símbolos transmitidos sejam x1[1] = u1 e x 2 [1] = u 2 , enquanto que no segundo instante

transmitem-se x1[2] = −u 2* e x 2 [2] = u1* . Para o caso em que o canal não varia de um instante h1 = h1[1] = h1[2] e para o outro, então h2 = h2 [1] = h2 [2] . Ao final de dois períodos de transmissão, tem-se:  y [1]  h1  = *  y [2] h2

Ganho de diversidade d

25 20

h2

TX 2

h2   u1    − h1*  u 2 

(1)

Supondo que o receptor tenha condições de estimar os valores h1 e h2 , pré-multiplicando ambos os lados da equação em (1) pela matriz

15 10

h1*  * h2

5

h2   − h1 

tem-se: 0 0

1 2 3 4 Ganho de multiplexação r

5

Figura 4 Curva do ganho de multiplexação versus ganho de diversidade: exemplo para N = M = 5 antenas

h1*  * h2

2 h2   y [1]  h1 + h2   = − h1   y [2]  0 

2

 u   1 2  + h2  u 2  0

h1

2

Ou seja, os símbolos transmitidos u1 e u 2 são

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recuperados, acrescidos pelo fator h1 + h2 , que é o mesmo ganho obtido pelo combinador de máxima razão. No entanto, no esquema de Alamouti, é necessário que a mesma informação seja enviada para se alcançar o mesmo ganho. Daí a diferença de 3 dB já citada.

diversas antenas de recepção. Note-se que não há ganho de arranjo em esquemas de combinação em que não há soma dos sinais das antenas, como, por exemplo, no combinador por seleção (TSE; VISWANATH, 2005).

2.1 Esquema Alamouti com duas antenas no receptor – sistema STC

O conhecimento dos coeficientes do canal (matriz H ) define como e qual esquema de múltiplas antenas poderá ser utilizado. Até agora vimos que, nos sistemas de combinação por razão máxima e na codificação espaço-temporal, apenas o receptor tem conhecimento dos coeficientes do canal. Uma pergunta procedente é: o que ocorreria se o transmissor também conhecesse os coeficientes do canal e qual seria o ganho resultante do uso desses coeficientes na transmissão? Essa questão foi abordada por Telatar (1995), que provou que se pode ter um ganho na capacidade do canal quando se tem em ambos os lados a informação sobre o canal. A estimativa dos coeficientes do canal pode ser calculada com base na comparação de uma seqüência de símbolos transmitidos e com a respectiva seqüência de símbolos recebidos. Em geral, essa estimativa é feita no receptor. No entanto, o receptor pode enviar ao transmissor os coeficientes estimados, de forma que ambos os lados do sistema tenham conhecimento do canal. Sistemas em que o receptor informa ao transmissor as suas estimativas dos coeficientes do canal são denominados sistemas com realimentação. Note-se, no entanto, que a transmissão dos coeficientes estimados do canal consome recursos do sistema. Por exemplo, caso um número elevado de bits seja necessário para a representação e transmissão dos coeficientes com uma determinada precisão, tal sistema pode se tornar inviável. Um grande esforço de pesquisa tem sido dedicado ao desenvolvimento de sistemas com realimentação que utilizem um número limitado de bits para a transmissão dos coeficientes estimados do canal. Essa limitação do número de bits certamente acarreta uma diminuição no ganho obtido com o conhecimento do canal em ambos os lados do sistema de transmissão. O desafio é encontrar formas de minimizar essa perda (LOVE; HEATH; STROHMER, 2003). O sistema WiMAX prevê o uso de esquemas com e sem realimentação (respectivamente, closed loop e open loop). A seguir, são discutidos os esquemas de transmissão com e sem conhecimento do canal pelo transmissor.

2

2

Neste esquema, temos um esquema MIMO que explora apenas o ganho em diversidade. Neste caso, o esquema Alamouti é utilizado no transmissor, tendo-se, assim, dois sinais recebidos y 1 e y 2 , dados no primeiro instante por: y 1[1] = h11u1 + h12u 2

y 2 [1] = h21u1 + h22u 2

Da mesma forma, para o segundo instante temse: y 1[2] = h11u 2* − h12u1*

y 2 [2] = h21u 2* − h22u1* Supondo que os ganhos de canal h11 , h12 , h21 e h22 sejam conhecidos no receptor, os sinais transmitidos u1 e u 2 podem ser recuperados usando as expressões: * * u~1 = h11 y 1 [1] − h12 y 1* [2] + h21 y 2 [1] − h22 y 2* [2]

=  h11 + h12  2

2

2 2 + h21 + h22  u1 

e * * u~2 = h12 y 1 [1] − h12 y 1* [2] + h22 y 2 [1] − h21y 2* [2]

=  h11 + h12  2

2

2 2 + h21 + h22  u 2 

Portanto, neste caso, o ganho de diversidade é da ordem de quatro. 3

Ganho de arranjo

Até agora, discutiu-se apenas o ganho de multiplexação e ganho de diversidade. Há um terceiro tipo de ganho na utilização de múltiplas antenas, denominado ganho de arranjo. Esse ganho ocorre apenas nos esquemas com múltiplas antenas no receptor, ou seja, esquemas SIMO e MIMO. O ganho de arranjo surge quando o sinal a ser tratado no receptor é resultado da soma dos sinais recebidos nas

82

4

Conhecimento dos coeficientes do canal

4.1 Conhecimento dos coeficientes do canal no transmissor e no receptor – sistema STX Se os coeficientes do canal são conhecidos do lado do transmissor, a forma ótima de transmitir

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é decompor o canal em eigenmodes (RALEIGH; CIOFFI, 1998). O sistema de eigenmodes utiliza o conceito de autovetores e autovalores da matriz de canal para realizar essa operação. Seja H a matriz de canal, supostamente conhecida pelo transmissor. Essa matriz pode ser decomposta na forma H = SDV * , em que S e V são matrizes unitárias cujas colunas são autovetores de HH* e H*H , respectivamente, ou seja, VV * = I e SS * = I , e D é uma matriz diagonal contendo os valores singulares de H . Seja X o vetor de informação que o transmissor deseja enviar ao receptor. No entanto, como o transmissor conhece a matriz H , o vetor efetivamente transmitido é X' = VX . Portanto, o vetor recebido é: Y = HX' = SDV * VX = SDX

Para a extração do vetor de informação X , o receptor pré-multiplica Y por S * , ou seja, Y' = S * Y = S * SDX = DX

ruído. 4.2 Conhecimento dos coeficientes do canal no receptor – sistema STM Caso se tenha conhecimento dos coeficientes do canal apenas no receptor, a melhor forma de se transmitir, visando à maximização da taxa de transmissão, é através da codificação V-BLAST (WOLNIANSKI et al., 1998) combinada com a decodificação no receptor utilizando a técnica MMSE (Minimum Mean Square Error) (TSE; VISWANATH, 2005). A arquitetura V-BLAST é utilizada para prover multiplexação espacial no sistema sem realimentação (ou seja, sem conhecimento dos coeficientes do canal no transmissor). Nesse sistema, um único fluxo de dados é dividido em N subfluxos, chamados camadas, que são codificados separadamente e transmitidos simultaneamente pelas N antenas transmissoras. Os sinais recebidos pelas M antenas receptoras são processados de forma a separar os fluxos e recuperar os dados originais. 5

Sistemas com múltiplas antenas no sistema WiMAX

Relembrando que D é uma matriz diagonal, os elementos do vetor resultante Y' são versões dos elementos do vetor de informação X , sem interferência entre os elementos. A Figura 6 mostra esse sistema de forma esquemática.

Até agora, foram descritas as principais técnicas de processamento em sistemas com múltiplas antenas encontradas na literatura. Nesta seção, serão apresentados os esquemas de múltiplas antenas contemplados no padrão IEEE 802.16e. Esse padrão define um número máximo de quatro antenas, tanto no transmissor como no receptor, e também define três configurações básicas de taxa de transmissão-recepção: • matriz A – taxa básica; • matriz B – 2x a taxa básica; • matriz C – 4x a taxa básica. A Tabela 1 ilustra as possíveis configurações de número de antenas no transmissor (colunas), e como diferentes ganhos na taxa de transmissão (linhas) podem ser obtidos relativamente a um sistema básico com apenas uma antena transmissora e uma antena receptora.

Figura 6 Sistema equivalente utilizando eigenmodes

Tabela 1 Taxas de transmissão no sistema WiMAX

Uma questão importante sobre o uso de múltiplas antenas está relacionada ao nível de potência alocado a cada antena transmissora. Uma análise simples do problema levaria à estratégia de distribuir a potência disponível P igualmente entre as N antenas transmissoras, resultando em uma potência P N por antena. No entanto, como mostrado por Telatar (1995), o método ótimo de distribuição da potência é aquele baseado na estratégia water filling, através da qual maiores níveis de potência são alocados a canais com maiores relações sinal-

Quatro antenas TX

Duas antenas TX

Uma antena TX

Sem ganho

STC (Matriz A)

STC (Matriz A)

Básica

Duas vezes

STC e SMX (Matriz B)

SMX (Matriz B)

Não é possível

Quatro vezes

SMX apenas (Matriz C)

Não é possível

Não é possível

A Tabela 2 mostra as possíveis combinações entre multiplexação SMX e codificação espaço-

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temporal STC para os mais variados arranjos de antenas no receptor (linhas) e no transmissor (colunas). Fica claro nessa tabela que, quando se deseja aumentar a taxa de transmissão, o esquema SMX deve ser selecionado. Caso se queira uma melhor qualidade do sinal, mas com uma conseqüente redução da taxa de transmissão (Matriz A), o sistema STC deve ser utilizado. Ambos os esquemas open loop e close loop são possíveis. Como exemplo, no caso de duas antenas transmissoras e duas antenas receptoras (2 × 2) , dois métodos são possíveis: (1) pode-se usar o esquema de Alamouti (STC) na transmissão e o esquema de diversidade MRC na recepção, alcançando-se, assim, uma diversidade da ordem de quatro e uma taxa de transmissão básica (Matriz A); (2) ou pode-se utilizar o esquema SMX e obter o dobro da taxa básica (Matriz B), sem, no entanto, qualquer ganho de diversidade. A escolha do esquema mais adequado para um dado cenário dependerá das condições do canal e da taxa de transmissão requerida.

O ajuste da fase e da amplitude dos sinais visa à conformação do padrão de irradiação resultante do arranjo. Consideremos o caso da antena receptora. Como as antenas dos arranjos estão localizadas em posições diferentes, os sinais recebidos pelas diversas antenas são iguais, exceto por diferenças de fase, causadas pelos diversos comprimentos dos percursos desde a fonte até cada uma das antenas. A soma dos sinais é maximizada quando as defasagens entre eles são anuladas. O ajuste das fases dos sinais recebidos provoca a conformação do padrão de irradiação do arranjo. Através do ajuste apropriado das fases e das amplitudes é possível formar feixes estreitos (e de alto ganho) em uma dada direção ou nulos (ganhos reduzidos) em outras. A Figura 7 ilustra um exemplo de diagrama de irradiação de um sistema empregando a tecnologia AAS, com feixes estreitos e nulos para reduzir a interferência. Padrão de irradiação do arranjo

Tabela 2 Possíveis esquemas de transmissão e recepção

Uma antena RX Duas antenas RX

Três antenas RX Quatro antenas RX

6

Quatro antenas TX

Duas antenas TX

Uma antena TX

STC (Matriz A)

STC (Matriz A)

(Matriz A)

SMX (Matriz B)

SMX (Matriz B)

STC + MRC (Matriz A)

STC + MRC (Matriz A)

SMX (Matriz B)

SMX (Matriz B)

STC + MRC (Matriz A)

STC + MRC (Matriz A)

SMX apenas (Matriz C)

STC + MRC (Matriz A)

Terminais interferentes

MRC (Matriz A)

Figura 7 Sistema de antenas adaptativas

MRC (Matriz A)

MRC (Matriz A)

Antenas adaptativas

Um sistema de antenas adaptativas consiste em um arranjo de antenas com o respectivo processamento dos sinais (GODARA, 2004). Esse sistema pode operar na transmissão ou na recepção, seguindo o mesmo princípio de funcionamento. Tanto no caso de transmissão como no de recepção, o processamento consiste basicamente no ajuste da fase e da amplitude dos sinais das antenas. No caso de transmissão após os ajustes, os sinais são aplicados às antenas do arranjo, ao passo que, no caso de recepção, os sinais recebidos nas antenas são ajustados e, em seguida, somados.

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Terminal desejado

Feixes estreitos e de alto ganho podem ser utilizados para expandir a cobertura de uma estação radiobase. Além disso, feixes estreitos podem contribuir para reduzir a interferência provocada pela transmissão da estação radiobase ou reduzir a interferência recebida na estação radiobase. Além disso, no caso de antena receptora, ganhos reduzidos podem ser direcionados às fontes de interferência, contribuindo para a redução da interferência. A redução da interferência pode ser traduzida em um aumento na capacidade de tráfego do sistema. 7

Sistemas MIMO versus AAS

Na literatura, as denominações MIMO e AAS têm se tornado confusas. Alguns autores usam o termo MIMO para designar sistemas que empregam mais de uma antena, enquanto outros usam-no com referência a sistemas que apresentam ganho de multiplexação. Nota-se, no entanto, que há uma sobreposição das vantagens do uso de múltiplas antenas. A Figura 8 resume as formas de uso e ganho dos sistemas MIMO e AAS.

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Sistemas de múltiplas antenas MIMO MIMO

MISO Codificação espaçotemporal

Multiplexação espacial

Ganho em diversidade

Eficiência espectral

AAS SIMO Combinador de razão máxima Ganho em diversidade e ganho de arrranjo

Melhora da qualidade do link

Redução de interferência (dB)

Cobertura (dB)

Figura 8 Classificação dos esquemas de múltiplas antenas

Conclusão Neste artigo foi apresentada uma revisão das principais técnicas de transmissão baseadas em múltiplas antenas que poderão ser utilizadas no sistema WiMAX. Basicamente, essas técnicas dividem-se naquelas que apresentam ganho de diversidade (STC) e ganhos de multiplexação (SMX). As técnicas que apresentam ganhos de diversidade são utilizadas em cenários em que uma maior relação sinal-ruído é necessária (por exemplo, quando o usuário estiver distante da estação radiobase). Por outro lado, as técnicas com ganhos de multiplexação são apropriadas quando o usuário está próximo da estação radiobase e deseja aumentar a taxa de transmissão. Foram discutidas também técnicas baseadas no conhecimento do canal pelo transmissor e pelo receptor. A disponibilidade de tal informação permite a implementação de técnicas que aumentam a taxa de transmissão. O artigo também discutiu as configurações possíveis de antenas transmissoras e antenas receptoras e seus respectivos ganhos no contexto dos sistemas WiMAX. Por fim, foi apresentada uma análise comparativa entre os diversos esquemas de múltiplas antenas. Referências ALAMOUTI, S. M. A simple transmit diversity technique for wireless communications. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, v. 16, n. 8. p. 1.451-1.458. out. 1998.

FOSCHINI, G. J.; GANS, M. J. On limits of wireless communication in a fading environment when using multiple antennas. Wireless Personal Communications, v. 6, n. 3, p. 311-335, mar. 1998. GODARA, L. C. Smart Antennas. Boca Raton, Flórida: CRC Press, 2004. GOLDSMITH, A. Wireless Communications. Nova York: Cambridge University Press, 2005. INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELETRONICS ENGINEERS (IEEE) 802.16e-2005. Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems – Amendment 2: Physical Layer and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands. Fev. 2006. LOVE, D. J.; HEATH, R. W.; STROHMER, T. Grassmannian beamforming for multiple-input multiple-output wireless systems. IEEE Transactions on Information Theory, v. 49, n. 10, p. 2.735-2.747, out. 2003. RALEIGH, G. G.; CIOFFI, J. Spatio-Temporal coding for wireless communication. IEEE Transactions on Communications, v. 46, n. 3, p. 357-366, mar. 1998. TAROKH, V.; JAFARKHANI, H.; CALDERBANK, A. R. Space-time block codes from orthogonal designs. IEEE Transactions on Information Theory, v. 45, n. 5, p. 744-765, 1999. TELATAR,

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E.

Capacity

of

multi-antenna

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Gaussian Channels. AT&T Bell Laboratories, Relatório técnico. BLO 112 170-950-615-07TM, 1995. TSE, D.; VISWANATH, P. Fundamentals of Wireless Communications. Nova York: Cambridge University Press, 2005. TSE D.; ZHENG, L. Diversity and Multiplexing: A Fundamental Tradeoff in Multiple Antenna Channels. IEEE Transactions on Information Theory, p. 1.073-1.096, mai. 2003.

WINTERS, J. H. Optimum Combining in Digital Mobile Radio with Cochannel Interference. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, v. 2, n. 4, p. 528-539, jul. 1984. WOLNIANSKI, P. et al. V-BLAST: an architecture for realizing very high data rates over the richscattering wireless channel. In: ISSSE 98, URSI INTERNATIONAL SYMPOSIUM, p. 295-300. 1998.

Abstract This paper presents an overview of signal processing techniques used for multiple antennas (MIMO) that will be employed in the next generation of broadband wireless systems (WiMAX). Space time encoding, space division multiplexing and adaptive antenna systems are presented. Concepts of diversity gain, multiplexing gain and array gain are also introduced. Key words: Multiple antennas. WiMAX. MIMO. Space time encoding. Alamouti encoding.

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Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula – SAPSA Maria Salete Sartorio Loural*, Hugo Cesar Crohare Lavalle, Dagberto de Proença Magalhães, Vicente De Angelis Junior Este trabalho apresenta um estudo de caso para o Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula, o SAPSA, serviço concebido originalmente para a TV digital transmitida por radiodifusão, na rede WiMAX instalada em Hortolândia. A instalação do SAPSA na solução integrada da rede sem fio baseada na tecnologia WiMAX suporta as funcionalidades originais do serviço e é utilizada pelos professores, administradores e gestores de ensino de Hortolândia para aumentar o interesse dos alunos, assim como para validar o serviço e identificar novas funcionalidades que possam ser úteis para a aplicação em Hortolândia e para quando o serviço for disponibilizado para TV aberta. Palavras-chave: Redes WiMAX. TV Digital na Educação. Inclusão social. TV Digital interativa. Introdução A proximidade do lançamento da TV digital transmitida por radiodifusão pelos canais abertos para todo o Brasil abriu os horizontes da pesquisa em diversas áreas do conhecimento, da engenharia de telecomunicações aos serviços interativos via controle remoto de TV. Embora os serviços digitais já estejam disponíveis em algumas localidades graças às redes de TV por assinatura ou outras redes de alcance e uso restritos, como redes WiMAX, o público de TV digital é limitado pela localidade ou pelo poder aquisitivo da população, restringindo assim os serviços oferecidos. Dentro do projeto SBTVD (Sistema Brasileiro de TV Digital) , financiado pelo FUNTTEL (Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações), entre outros trabalhos, o CPqD concebeu alguns serviços interativos e implementou aplicações como prova de conceito para esses serviços, com a finalidade de serem disponibilizados para o grande público que hoje utiliza a TV aberta. Um desses serviços é o SAPSA (Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula), que é uma ferramenta para o professor ilustrar sua aula com vídeos de curta duração relacionados ao assunto tratado na aula corrente, com o objetivo de melhorar o aprendizado dos alunos. Até o momento, a falta de acesso à especificação final e à implementação do middleware brasileiro para TV digital aberta (ABNT, 2007), bem como o início recente de sua operação, apenas para a cidade de São Paulo, impedem o teste de campo do SAPSA nessa tecnologia. Para tornar possíveis esses testes, ainda que em outros tipos de rede, o CPqD estabeleceu um convênio com a prefeitura de Hortolândia, que instalou, em meados de 2007,

uma rede WiMAX para oferecer serviços públicos à cidade. Hortolândia é uma cidade próxima de Campinas e se encontra em uma região que desponta como pólo empresarial, reunindo empresas como IBM, Dell, Bosch, além do centro de tecnologia Tech Town. A prefeitura de Hortolândia instalou uma rede WiMAX, através da qual divulga serviços de saúde e demais serviços da prefeitura e conecta as escolas à Internet. Uma parte da banda dessa rede é destinada ao SAPSA. O convênio de cooperação mútua entre o CPqD e a Prefeitura Municipal de Hortolândia está possibilitando ao CPqD realizar testes das funcionalidades concebidas para o SAPSA na rede pública escolar dessa cidade, gerenciada pela Secretaria de Educação. Em contrapartida, permite aos professores da rede pública escolar de Hortolândia ilustrar suas aulas com conteúdos didáticos multimídia, muitos deles gerados em caráter experimental pelo CPqD, juntamente com professores universitários especializados em ensino. Este trabalho está estruturado da seguinte forma: a Seção 1 apresenta uma descrição de redes WiMAX de forma geral; a Seção 2 descreve a rede WiMAX de Hortolândia; a Seção 3 fornece uma descrição geral do produto e o detalhamento do ciclo de vida do software construído para implementar o serviço; a Seção 4 descreve os testes de campo. E por último são apresentadas as principais conclusões do trabalho realizado. 1

Redes WiMAX

As redes WiMAX são estabelecidas com base no padrão IEEE 802.16 (IEEE, 2001), que define a transmissão de banda larga sem fio em redes metropolitanas.

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: salete@cpqd.com.br Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 87-94, jul./dez. 2008


Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula – SAPSA

A tecnologia WiMAX vem se tornando fundamental e necessária como meio de transmissão para redes em banda larga e, conseqüentemente, para a universalização de acesso à Internet no Brasil. Para tal finalidade, o WiMAX apresenta boas características, tais como longo alcance do sinal, elevada capacidade de taxas de transporte de dados e baixo custo de implantação da rede. Por isso, evidencia-se como a principal alternativa para conectar as regiões distantes dos grandes centros que, até então, não possuem serviços de Internet banda larga ou mesmo serviços básicos como o serviço de voz. O WiMAX possui características diferenciadas das outras tecnologias de rede de transmissão de banda larga sem fio, permitindo a oferta de serviços em uma rede convergente, o que proporciona a criação de novos serviços de valor agregado para os operadores.

mínima continuada é de extrema relevância. Em tais circunstâncias, a MAC (Media Access Control) do padrão 802.16 provê o gerenciamento e a alocação de banda de modo dinâmico, privilegiando aplicações com tais exigências.

1.1 Modulação

2

A tecnologia WiMAX utiliza quatro padrões de modulação: SC (Single Carrier), que apresenta portadora única operando em altas freqüências, com faixa de 10 a 66 GHz; SCa (Single Carrier a), cuja diferença para a SC está na viabilidade de transmissão fora da linha de visada e faixa de operação abaixo de 11 GHz; OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), que permite a transmissão fora de linha de visada, operando em freqüências abaixo de 11 GHz com FFT (Fast Fourier Transform) de 256 portadoras; OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), que é baseada na modulação OFDM e opera na faixa de freqüência abaixo de 11 GHz, mas utiliza FFT de 2.048 e 4.096 portadoras. As técnicas de modulação apresentam robustez e alcance diferenciados, com raio de operação que varia de 6 a 50 km. Entretanto, uma maior robustez no sinal implica a redução da taxa líquida de transferência de dados. Os valores típicos de taxa podem variar entre 1 e 75 Mbit/s e implicam também uma largura de banda proporcional.

O serviço SAPSA, que será detalhado nas seções a seguir, foi instalado utilizando uma rede WiMAX na cidade de Hortolândia. Essa rede é administrada pela Secretaria de Educação do município e conecta a mesma com suas escolas, além de prover o acesso à Internet. O nó central da rede consiste em três rádios transceptores WiMAX instalados em uma torre de transmissão localizada no centro da cidade, a 1 km do prédio da Secretaria de Educação. Os rádios se conectam a outros transceptores instalados nos pontos de interesse. Cada rádio do nó central tem capacidade de 54 Mbit/s e opera com uma antena diretiva de 120°, totalizando, assim, a cobertura de 360° em azimute. Os rádios estão localizados a uma altura de 55 m da base da torre. Um dos rádios está com operação exclusiva para a Secretaria de Educação. Os outros dois rádios foram alocados para as escolas, sendo sua capacidade dividida uniformemente, com links de 6 Mbit/s para cada escola, num total de 18 escolas. O ponto mais distante atingido pela rede fica a 5 km da torre. A Figura 1 mostra uma visão geral da plataforma WiMAX instalada em Hortolândia. O gateway de Internet, o servidor do SAPSA e o repositório de vídeos educativos estão todos instalados na Secretaria de Educação, sendo todos eles acessados pelas escolas através dos links WiMAX ilustrados na Figura 1. O link de 54 Mbit/s da Secretaria de Educação com a torre se justifica pelo acesso de todas as escolas aos servidores e pelo acesso à Internet. A Figura 2 ilustra a rede da Secretaria de Educação com o servidor do SAPSA, o repositório de vídeos e o link de acesso à Internet.

1.2 Segurança O padrão 802.16, base da tecnologia WiMAX, especifica uma subcamada de segurança cujos objetivos principais são: manter a privacidade das estações-cliente e a proteção das estaçõesbase para acessos não autorizados, através de chaves de criptografia e certificação digital. Isso é realizado a partir de técnicas de associações de segurança (AS), gerenciamento privado de chaves (PKM), chaves de criptografia de tráfego (TEK), criptografia DES e criptografia AES. 1.3 Qualidade de sinal Em algumas aplicações, a garantia de taxa

88

1.4 Escalabilidade A tecnologia WiMAX permite a implementação de uma rede escalável. Isso significa que o crescimento da demanda dos usuários, em uma dada rede, pode ser solucionado apenas pelo aumento da célula WiMAX e de sua capacidade de transmissão. Tais características das redes WiMAX estão estabelecidas nos parâmetros de modulação e implicam uma ocupação de banda e, até mesmo, a robustez do sinal. Como o sistema é auto-adaptável, as modificações implementadas passam a operar consecutivamente. Rede WiMAX em Hortolândia

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Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula – SAPSA

bit/s AX de 6 M Link WiM

it/s 4 Mb de 5 X A WiM Link

Link óptico

Secretaria de Educação

it/s Mb

de 2 Mbit/s

6

Lin kW iMA Xd e6

Mb it/s

de AX iM kW Lin

Internet

Escola... 18

Torre de transmissão 3 rádios WiMAX (antena 120° e 54 Mbit/s cada rádio)

Escola 2

Escola 1

Figura 1 Visão geral da plataforma WiMAX em Hortolândia

Link WiMAX de 54 Mbit/s

Rádio WiMAX Ethernet

Internet

Link óptico de

Torre de transmissão

Ethernet

2 Mbit/s

Ethernet

Firewall

Switch

Servidor SAPSA

Ethernet

Bridge

Repositório de vídeo

Figura 2 Configuração da rede na Secretaria de Educação

Nas escolas, a rede se estende pelas salas de informática para acesso à Internet e pelas salas de aula, onde é instalado o receptor SAPSA.

A Figura 3 ilustra essa rede com salas de aula e de informática.

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Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula – SAPSA

bi t/s e6M d X WiMA Link Rádio WiMAX Ethernet Ethernet

Sala de aula

Torre de transmissão

PC – Receptor (SAPSA)

Sala de informática

SA PS A

Televisão

Figura 3 Configuração da rede nas escolas

3

O SAPSA

O Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula (SAPSA) caracteriza-se por ser um serviço Cliente/Servidor e totalmente autocontido. Do ponto de vista educacional, o SAPSA é uma ferramenta de apoio ao ensino que se propõe a oferecer conteúdos educacionais multimídia, interativos e sob demanda, como complemento à aula presencial (PICCOLO; KUTIISHI, 2004; PINTO; LEMOS; BONADIA, 2004). É importante salientar que esse serviço não visa à substituição do professor em sala de aula. A intenção é oferecer uma ferramenta que seja utilizada por alguns minutos durante a aula, a fim de torná-la mais rica e cativante para os alunos, contribuindo, assim, para a melhoria do processo de aprendizado. Com a inserção dessa ferramenta em sala de aula, buscam-se: • • •

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resultados mais efetivos na transmissão de informações aos alunos; a modernização dos métodos de ensino; a facilitação na assimilação de informações educacionais com a utilização de imagens televisivas, uma linguagem com a qual o aluno já está acostumado em seu dia-a-dia; a viabilização da oferta e uso de material didático regional, respeitando e apoiando a

diversidade cultural do País; a disponibilização de material didático atualizado de maneira mais econômica e direta; • facilidade de busca e recuperação de material didático. A versão atual do SAPSA foi especificada para ser implementada em diferentes plataformas de TV digital, como IPTV, TV a cabo e TV digital aberta que tenham canal de retorno. É constituída por dois módulos, um módulo administrativo e um módulo do professor, e atualmente está implementada na versão SAPSA IP. O módulo do professor possibilita a exibição de conteúdos multimídia educacionais sob demanda, como complementos à aula presencial. O usuário principal desse módulo é o professor. Ele solicita os conteúdos na própria sala de aula, utilizando uma unidade receptora e decodificadora (URD) e o controle remoto da TV, e os apresenta aos alunos para ilustrar a aula e fixar seus conceitos. Os conteúdos ficam armazenados em um servidor central, gerenciados pelo módulo de administração, por meio de interfaces Web. São catalogados por áreas, disciplinas e temas, por profissionais da área pedagógica, os gestores de ensino. Pelo módulo de administração, além do •

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Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula – SAPSA

gerenciamento de conteúdos, o gestor pode também fazer o upload de conteúdos para inclusão na base de dados do servidor central. Pode ainda enviar mensagens ou realizar pesquisas de opinião para acesso através do módulo do professor. Permissões e restrições de acesso às funcionalidades ou módulos são configuradas pelo administrador do sistema, com especialização na área de informática, também no módulo de administração. A Figura 4 retrata a visão geral desse serviço configurado para a versão do SAPSA IP. A oportunidade de instalação do SAPSA em Hortolândia possibilitou ao CPqD a transformação do protótipo em produto, o que proporcionou, como principal resultado, a reformulação da arquitetura de software de forma a permitir um grande reuso do produto para todas as plataformas de TV: IPTV, TV a cabo e TV digital aberta. Neste momento, o SAPSA atende a instalações em redes IP e a versão em teste foi denominada e registrada com o nome SAPSA IP. 3.1 Desenvolvimento do aplicativo O módulo de administração da versão SAPSA IP foi implementado com ferramentas de software livre para ser utilizado em um computador convencional e é independente da plataforma de TV. O módulo do professor é dependente da plataforma, devendo ser adaptado a cada plataforma de TV digital, utilizando a linguagem suportada por essa plataforma. A linguagem utilizada para o módulo de administração foi o PHP 5, em banco de dados MySQL. O módulo do professor do SAPSA IP foi desenvolvido na linguagem Java, com as APIs JMF (Java Media Framework) e Fobs4JMF, em banco de dados MySQL. A ferramenta de desenvolvimento foi o Eclipse. O módulo do professor foi baseado no código do projeto XleTView, um emulador de Xlets para PC. As alterações necessárias para as demais plataformas devem ocorrer no tratamento do protocolo de transmissão e na utilização das

novas linguagens, quando necessário, para tornar a implementação compatível. O projeto das interfaces pode permanecer o mesmo, tanto para o módulo de administração como para o módulo do professor. 4

Testes de campo do SAPSA em Hortolândia

Para os testes de Hortolândia, o SAPSA IP foi instalado inicialmente em quatro salas de aula que operam em dois turnos, atendendo de primeira à quarta séries do Ensino Fundamental, em uma escola da rede municipal da cidade, designada pela Secretaria de Educaç��o do Município e situada a aproximadamente 2 km da torre de transmissão. Nessa primeira instalação do SAPSA, os terminais do professor são CPUs de microcomputadores convencionais adaptadas à utilização de televisores em substituição ao monitor de vídeo. O controle remoto é utilizado para comunicação com o computador, que faz o papel de um set-top box. Assim como a distribuição interna dos pontos de rede nas salas de aula, a instalação do software foi realizada a partir do ponto de 6 Mbit/s da rede WiMAX disponibilizado na escola. Os primeiros testes de campo foram realizados com sucesso, comprovando a adequação da rede WiMAX para serviços de TV interativa, bem como a operação satisfatória das funcionalidades do SAPSA. As características atuais de utilização da rede WiMAX definidas por Hortolândia não permitem reprodução de conteúdos a partir do servidor central com protocolo RTP, devido à banda de aproximadamente 6 Mbit/s, compartilhada com outras aplicações (Internet e câmeras de segurança). Como solução alternativa, os vídeos são reproduzidos diretamente a partir do disco rígido do computador Cliente. No primeiro acesso de um vídeo, o módulo do professor verifica se o mesmo existe no computador Cliente e, caso não o encontre, realiza automaticamente a cópia do vídeo localizado no repositório do servidor central.

Conteúdo regional local

Escola 1

Set-top box TV

Servidor do SAPSA Escola 2

Conteúdo nacional

PC Cliente

Set-top box TV

Figura 4 Visão geral do serviço – SAPSA IP

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Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula – SAPSA

Concluídos os testes de homologação, o serviço foi disponibilizado para a utilização da equipe de administradores, gestores e professores de Hortolândia, que foram treinados de forma a serem familiarizados com as funcionalidades e com as telas de navegação do SAPSA IP e iniciaram a operação assistida do sistema. A validação técnica se estendeu até dezembro de 2007 para permitir a identificação de oportunidades de melhoria para sua utilização. Durante esse período, a rede WiMAX operou com a eficiência esperada. A validação do uso do serviço será feita durante o ano de 2008. Essa validação está dividida em duas partes. O foco da primeira parte é a validação da interface construída, do ponto de vista de sua usabilidade e inteligibilidade. Os usuários envolvidos são os administradores (administrador do serviço e gestor de ensino) e os professores, ficando descartada a atuação direta dos alunos. Os dados são obtidos por meio de entrevistas, observações comportamentais e medições de parâmetros computacionais (PREECE et al., 1994; PRATES; BARBOSA, 2003). Com esses resultados primários, é possível obter informações sobre a facilidade em relação à utilização do serviço, extremamente relevantes na realimentação da equipe de desenvolvimento para adequação do software para uso futuro. A segunda parte tem como objetivo avaliar as opiniões de professores, gestores de ensino e alunos a respeito da utilização do SAPSA; suas sugestões em relação a melhorias ou não no aprendizado dos alunos através da utilização dos vídeos, etc. Para isso, serão usadas tanto a metodologia quantitativa quanto a qualitativa de avaliação em campo (PICCOLO; KUTIISHI, 2006; COSTA; PICCOLO; PISSOLATO, 2007;). Em paralelo, o desempenho da rede será acompanhado pela equipe responsável pela infra-estrutura. Entre as avaliações da rede, estão planejadas medidas de vazão do WiMAX para março de 2008. Conclusão Com a implantação da rede WiMAX na cidade de Hortolândia, foi possível realizar testes que comprovaram a eficiência de duas tecnologias inovadoras: por um lado, a eficiência das redes WiMAX para suportar serviços de TV interativa e, por outro, a excelente aceitação dos novos serviços implementados para TV digital interativa, no âmbito das escolas de Ensino Fundamental e Médio. Com a implantação do SAPSA, o objetivo da experimentação da interatividade da TV digital foi plenamente atingido, já que a percepção do usuário, em relação à utilização do módulo do professor, é exatamente a mesma que ele teria com a utilização de diferentes plataformas de TV

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digital, como IPTV ou TV digital terrestre. Para a equipe do CPqD envolvida no desenvolvimento do SAPSA, a experiência e os conhecimentos adquiridos são de grande importância no sentido de constituir uma base para os desenvolvimentos de serviços e aplicativos interativos em diferentes plataformas (IPTV, TV digital terrestre, TV a cabo). Deve-se considerar ainda o grande percentual de reuso do código, já que, para qualquer tecnologia, o módulo de administração será totalmente reaproveitado e o módulo do professor utilizará o projeto de interfaces, o projeto e o modelo de dados, sendo necessárias alterações que envolvam o protocolo de transmissão. Antes mesmo da avaliação formal do uso do SAPSA, que deverá ocorrer durante o ano de 2008, a rede WiMAX permitiu, neste primeiro momento, durante a instalação e os treinamentos em Hortolândia, perceber por parte de todos os atores (gestores, professores e alunos) grande receptividade e anseio na utilização do serviço. Uma parceria com produtores de conteúdo é altamente recomendada, pois para o sucesso do serviço é de extrema importância a alimentação constante do SAPSA com conteúdos variados e de qualidade. Como o serviço foi previsto para ser instalado e utilizado em um número grande de escolas e salas de aula, paralelamente à validação técnica, foram implementadas as melhorias funcionais identificadas e, principalmente, foi feita a evolução para uma plataforma real de IPTV, implementando-se o streaming de vídeo e utilizando-se o set-top box como terminal do professor, que deverá substituir os computadores, reduzindo o custo por sala de aula. Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT) ABNT NBR 15606-1, ABNT NBR 15606-2, ABNT NBR 15606-3. Norma Brasileira – TV Digital Terrestre – Codificação de dados e especificações de transmissão para radiodifusão digital. 1. ed., 30 jan. 2007. COSTA; R. G.; PICCOLO, L.; PISSOLATO, E. Metodologia de avaliação em campo do "Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula (SAPSA)". 2008. (Relatório interno). INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE). IEEE 802.16. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks – Working Group on Broadband Wireless Access Standards. 2001.

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Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula – SAPSA

PICCOLO, L. S.; KUTIISHI, S. M. Especificação Técnica do SAPSA. PD.30.12.34A.0001/RT-10AD. 16 dez. 2004. (Relatório interno). PICCOLO, L. S. G.; KUTIISHI, S. M. Provas de conceito de aplicações para TV digital interativa com o propósito de promover inclusão digital no Brasil. Cadernos CPqD Tecnologia, v. 2, n. 2, jul./dez. 2006.

PRATES, O. R.; BARBOSA, D. J. Avaliação de Interfaces de Usuário – Conceitos e Métodos – Jornada de Atualização em Informática do Congresso da Sociedade Brasileira de Computação. SBC: Campinas, 2003. PREECE, J. et al. Human-computer Workingham, Interaction. Addison-Wesley: Reino Unido, 1994.

PINTO, J. C. L.; LEMOS, L.C.; BONADIA, G.C. Especificação Funcional do SAPSA – PD.30.12.36A.0001A/RT-01-AB. 31 maio 2004. (Relatório interno). Abstract The aim of this paper is to present a case study of an educational service named SAPSA (acronym for InClassroom Support to the Teacher) – originally designed for Digital TV Broadcasting – installed on a WiMAX network in the city of Hortolândia. This version of SAPSA supports the whole primarily specified functionalities and has Hortolândia's education supervisors and teachers as its actors. The main goal of this case is to validate the service and its main requirements, such as the students' interest and improvement in learning, and to identify new functionalities useful for the SAPSA's WiMAX network installation as well as for its Interactive Digital TV Broadcasting version. Key words: WiMAX network. Social inclusion. Interactive TV. Educational TV.

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Projeto de chipset para WiMAX móvel: desafios e oportunidades Julio Leão da Silva Jr.* **, Edelweis Helena Garcez Ritt**, Laurent Courcelle** As empresas que estão desenvolvendo chipsets para WiMAX precisam criar e inovar para obter vantagens de desempenho e ainda manter compatibilidade com a norma. Além disso, para diminuir os custos, o chipset deve ter baixo consumo de energia, para operar com bateria, e área reduzida, com elevada taxa de integração. O chipset deve ser flexível para permitir alcançar a performance requerida nas diversas bandas de freqüência em utilização. Atualmente ainda existe muito espaço para inovações: implementações alternativas para as camadas de enlace e física, antenas inteligentes, utilização de espectro com reuso de freqüência e front-end composto por blocos configuráveis. Portanto, este artigo discute uma série de parâmetros essenciais que afetam o desempenho, tais como: EVM do transmissor numa dada potência, sensibilidade do receptor, estimativa de canal combinada à adaptação ao enlace e outros, que permitem ao sistema operar sempre com eficiência máxima. O artigo também apresenta algumas arquiteturas candidatas que o projetista necessita escolher para implementar um chipset para WiMAX móvel. Palavras-chave: Comunicação sem fio banda larga. IEEE 802.16. WiMAX móvel. Camadas de enlace e física. Rádio. Introdução Uma das tecnologias utilizadas para comunicação sem fio banda larga denomina-se WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Essa solução é definida pela norma IEEE 802.16 (IEEE, 2004). O WiMAX é capaz de atingir altíssimas taxas de dados, mais precisamente 74 Mbit/s, operando com uma largura de espectro de 20 MHz (IEEE, 2004). A norma IEEE 802.16 consiste em uma série de versões, sendo as evoluções mais relevantes mostradas na Tabela 1. O desenvolvimento de um conjunto de circuitos integrados a serem utilizados é parte fundamental da implantação da tecnologia WiMAX. Tal conjunto é o chipset que implementa essa tecnologia em hardware. O chipset precisa garantir bons níveis de performance e consumo

de energia, além de custo e time-to-market (tempo de chegada do produto ao mercado) competitivos para cada versão da norma. Assim, o objetivo deste artigo é introduzir as principais funções utilizadas na tecnologia WiMAX que são implementadas em hardware, enfatizando os principais desafios de implementação de cada uma dessas funcionalidades para a IEEE 802.16e-2005 (IEEE, 2006), versão também denominada WiMAX móvel. O presente artigo está organizado da seguinte forma: a Seção 1 descreve as características presentes no WiMAX móvel que demonstram as possibilidades de inovação, enquanto a Seção 2 apresenta os desafios que precisam ser vencidos para que se possam implementar as características descritas na Seção 1. Por último, é apresentada a conclusão.

Tabela 1 Evolução da norma IEEE 802.16

Terminada Banda de freqüência Aplicação

802.16

802.16 – 2004

802.16e – 2005

Dezembro de 2001

Junho de 2004

Dezembro de 2005

10 – 66 GHz

2 – 11 GHz

2 – 6 GHz

Fixa, LOS

Fixa, NLOS

Fixa e móvel, NLOS

Portadora única

Portadora única

Portadora única

256 OFDM

256 OFDM

2.048 OFDMA

SOFDMA (128, 512, 1.024, 2.048)

74 Mbit/s em 20 MHz

63 Mbit/s em 20 MHz

Mecanismo de transmissão

Taxa de downlink

dados

Interface aérea

máxima

no

134 Mbit/s em 28 MHz TDMA com TDD e FDD

OFDM e OFDMA com tecnologia de antena avançada com TDD e FDD

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: julio@ceitec.org.br

**Centro de Excelência em Tecnologia Eletrônica Avançada (CEITEC). Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 4, n. 2, p. 95-104, jul./dez. 2008


Projeto de chipset para WiMAX móvel: desafios e oportunidades

1

WiMAX móvel: características relevantes

Um chipset para WiMAX móvel deve implementar os seguintes blocos funcionais (ANDREWS; GHOSH; MUHAMED, 2007): camada física (PHY – Physical Layer) e camada de enlace (MAC – Media Access Control). A camada PHY compreende duas partes: uma digital e uma analógica. Essa camada define as faixas de freqüência de operação para WiMAX (de 10 a 66 GHz e de 2 a 11 GHz), bem como o suporte a múltiplas antenas. A camada PHY também define as modulações a serem utilizadas, incluindo a definição do uso do método de compartilhamento de canais entre vários usuários. A camada MAC, por sua vez, utiliza um algoritmo de escalonamento para o qual os terminais de assinante precisam competir somente uma vez para conseguir acesso ao meio, em contraste com a tecnologia Wi-Fi, na qual a competição pelo acesso ocorre várias vezes. A garantia de qualidade de serviço (QoS – Quality of Service) é definida de acordo com o tipo de conexão e características do meio, sendo adaptada conforme a necessidade de cada assinante. Dessa forma, as principais funcionalidades do WiMAX móvel podem ser classificadas em características relativas à parte de radiofreqüência (RF), à camada PHY e à camada MAC. Essas funcionalidades são detalhadas nas três subseções a seguir. 1.1 Características de radiofreqüência Em relação à radiofreqüência, as características principais que o WiMAX móvel precisa disponibilizar são: baixo EVM (Error Vector Magnitude) e figura de ruído, largura de banda programável, suporte a técnicas avançadas de antenas e controle de potência de saída, descritas nesta subseção. Provavelmente, uma das especificações que causa maior impacto no WiMAX móvel é o nível de erro EVM (LLOYD, 2006) estabelecido em -31 dB, com base em uma taxa de erros de 1% por pacote, enquanto a tecnologia Wi-Fi define um EVM de -25 dB, necessário para que se possa atingir uma taxa de erros de 10% por pacote. Essa alta exigência de performance com relação ao EVM permite que a tecnologia WiMAX tenha um alcance maior. Ainda, a figura de ruído mais restrita no receptor, correspondente a 7dB, também contribui para aumentar o alcance do WiMAX, enquanto o Wi-Fi opera a 10 dB. Além disso, a tecnologia WiMAX define diversas larguras de banda do canal, que começam em 1.75 MHz e chegam a 28 MHz. Essa ampla variação implica a implementação de um front end analógico programável. Além disso, o WiMAX prevê como característica

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opcional para aumento de performance a utilização de técnicas de antenas avançadas. Ganhos significativos na capacidade e eficiência espectral podem ser obtidos com soluções que usam diversas antenas, incluindo diversidade de transmissão, beamforming e multiplexação espacial. As técnicas mais utilizadas baseiam-se em: STC (Space Time Coding) (ALAMOUTI, 1998; TAROKH; JAFARKHANI; CALDERBANK, 1999), AAS (Adaptive Antenna Systems) e MIMO (Multiple Input Multiple Output) (FOSCHINI et al., 1999). Finalmente, em comparação com o Wi-Fi, em que a potência de saída é virtualmente fixa, o WiMAX utiliza um processo que determina não somente os valores de potência necessários, mas também a diferença de temporização, para que as transmissões do assinante cheguem à estação radiobase no tempo certo e sempre no mesmo nível de potência. 1.2 Características da camada física As características inovadoras mais importantes que o WiMAX móvel precisa disponibilizar e que causam impacto na camada física são: modulação e codificação adaptativa, método de multiplexação e taxa de dados variáveis em função da largura de banda do canal. Tais características são descritas a seguir. A utilização de modulação e codificação adaptativa (AMC – Adaptive Modulation and Coding) permite ao WiMAX móvel escolher o sistema de modulação de ordem mais alta dependendo das condições do canal. A AMC também possibilita ao sistema compensar a atenuação e outras interferências. Assim, o WiMAX móvel pode otimizar a taxa de transferência, conseguindo taxas mais altas ao mesmo tempo em que cobre distâncias maiores. No downlink, o WiMAX móvel utiliza as modulações QPSK, 16-QAM e 64-QAM, enquanto no uplink 64-QAM é opcional. Para a correção de erros, o WiMAX emprega FEC (Forward Error Correction), utilizando códigos convolucionais que são combinados com código Reed-Solomon externo no downlink. Opcionalmente, o WiMAX móvel pode utilizar turbo codes e LDPC (Low-Density Parity Check) para correção de erros. A tecnologia WiMAX definiu um total de 52 combinações diferentes de perfis de modulação e codificação. Além disso, o WiMAX emprega o método de multiplexação denominado OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Esse método divide um sinal “rápido” em vários sinais “lentos”. O OFDM foi escolhido para ser utilizado em WiMAX por ter a grande vantagem de apresentar performance superior com relação à falta de visada direta (NLOS – Non-Line Of Sight) quando

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Projeto de chipset para WiMAX móvel: desafios e oportunidades

comparado com o método CDMA (Code Division Multiple Access). O OFDM também minimiza a interferência de símbolos causada por multicaminhos (multi-path), freqüentemente observada em regiões metropolitanas. Para compartilhar diversos canais OFDM entre vários usuários de maneira escalável, o WiMAX móvel emprega o método SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access). Esse método utiliza um mecanismo sofisticado para alocação de subportadoras e timeslots para assinantes com base nas condições do sinal e no ruído, que estão em constante modificação, e com base também nas necessidades de banda. No que se refere às taxas de dados, a tecnologia WiMAX tem uma arquitetura da camada física que permite diversas taxas de dados variáveis de acordo com a largura de banda de canal disponível. Essa escalabilidade é permitida pelo OFDMA, em que o tamanho da FFT (Fast Fourier Transform) pode variar de acordo com a largura de banda de canal. Por exemplo, um sistema WiMAX pode utilizar FFTs de 128 a 2.048 bits e largura de banda de canais de 1 a 28 MHz. Essas variações podem ser dinâmicas, visando a permitir deslocamentos de usuário através de redes distintas que podem ter alocações de largura de banda diferentes. 1.3 Características da camada de enlace Na camada de enlace, é necessário que o WiMAX móvel disponibilize as seguintes características inovadoras que causam impacto na concepção do chipset: tipo de multiplexação, controle de QoS, método de criptografia e suporte a mobilidade, descritos a seguir. A tecnologia Wi-Fi oferece suporte somente à técnica de multiplexação TDD (Time Division Duplex). Uma adição importante ao WiMAX móvel, comparado com Wi-Fi, é a possibilidade de suporte tanto a TDD, quanto a FDD (Frequency Division Duplex) e também H-FDD (Half Duplex FDD). O FDD apresenta um custo mais elevado porque é possível transmitir e receber simultaneamente, o que implica no uso de blocos adicionais no front end de RF. Entretanto, a técnica de multiplexação FDD permite uma taxa de transferência de dados superior, pois a banda alocada para recepção e transmissão é utilizada simultaneamente. Para controlar a QoS por conexão, o WiMAX disponibiliza uma alocação de recursos flexível e dinâmica, permitindo cinco tipos de conexão, de acordo com o tipo de serviço. A camada MAC é configurada para aceitar tráfego IP, Ethernet e ATM. Ainda, a funcionalidade da camada MAC foi definida de modo a proporcionar suporte a protocolos de transporte ainda não inventados. Além disso, os enlaces podem ser configurados dinamicamente, equilibrando capacidade e

qualidade, à medida que a necessidade se apresenta. Ao mesmo tempo, a tecnologia WiMAX define dois padrões de criptografia para garantir um ambiente com segurança robusta: DES3 (Data Encryption Standard) e AES (Advanced Encryption Standard) (NIST, 2001), o qual é considerado um dos padrões existentes mais avançados. Da mesma forma, a norma 802.16 define um processador dedicado à segurança, assim como existem requisitos mínimos de criptografia com relação à autenticação adaptados à especificação Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS, 2008). Por fim, o WiMAX móvel prevê suporte a mobilidade total, até 120 km/h, com base numa arquitetura utilizando protocolo IP. Ou seja, é necessário suporte a IPs móveis e gerenciamento de transferência entre estações radiobase. No caso de aplicações sensíveis ao tempo de resposta como, por exemplo, voz sobre IP (Voice over IP), a performance é um fator crítico. 2

Desafios técnicos: exemplos

Esta seção descreve alternativas de arquiteturas e escolhas com que o projetista que desenvolve o chipset para WiMAX móvel se depara. Essas alternativas são apresentadas nas três subseções a seguir, de acordo com as características relativas ao rádio, à camada física e à camada de enlace. 2.1 Arquiteturas de radiofreqüência (RF) As arquiteturas utilizadas para RF têm impacto direto na performance de um sistema de comunicação sem fio. Nas subseções a seguir apresentam-se duas arquiteturas utilizadas em WiMAX móvel, bem como o detalhamento dos blocos básicos de uma dessas arquiteturas. 2.1.1

Exemplos de arquiteturas de RF

Entre as arquiteturas de transceptores de RF aplicáveis ao padrão WiMAX móvel, há duas que se destacam com relação ao baixo custo do chip para alto volume de produção (nível de integração) e à necessidade de baixo consumo de potência. Essas arquiteturas são relacionadas a seguir (seus diagramas de bloco constam na Figura 1): • arquitetura superheterodyne, com filtros de canais externos, amplificador de baixo ruído e amplificador de potência integrados; • arquitetura de conversão direta (Zero-IF ou direct conversion), com amplificador de baixo ruído interno ou externo e amplificador de potência externo. Na arquitetura de conversão direta, destaca-se a vantagem de o uplink ter somente um estágio de mistura, minimizando assim o número de

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Synth1

LNA Direct conversion Synth2

Synth1

LNA Superheterodyne Figura 1 Arquiteturas do transceptor de radiofreqüência aplicáveis a WiMAX móvel (HOPPENSTEIN, 2007)

espúrios gerados pelas não-lineariedades dos misturadores. Essa arquitetura também apresenta um consumo levemente reduzido em comparação com a superheterodyne, além de um número menor de filtros passivos (não contém os filtros SAW (Surface Acoustic Wave) usados na arquitetura superheterodyne para supressão do canal imagem). A interface RF pode ser tanto do tipo I/Q quanto do tipo misturador simples. Isso influencia a escolha do processador de banda-base e dos conversores AD/DA. Os dois casos são equivalentes em termos de consumo e de complexidade. Entretanto, a interface I/Q com ramos separados, em geral, se faz necessária na arquitetura de conversão direta para lidar com os esquemas de modulações complexas (QAM ou QPSK) e evitar a sobreposição dos espectros das partes I e Q. Contudo, a arquitetura de conversão direta apresenta dois inconvenientes principais: o offset de tensão DC dentro da banda do sinal depois dos misturadores e a sensibilidade ao descasamento dos símbolos I e Q na supressão do canal imagem. Isso pode ser minimizado com o uso de um bloco de cancelamento do offset e de um circuito de calibração dos símbolos I e Q. Na subseção seguinte, a título de ilustração, serão mostradas algumas características dos blocos básicos de uma arquitetura de conversão direta com interface de RF do tipo I/Q. 2.1.2

Blocos da arquitetura Zero-IF I/Q

Como o rádio do WiMAX é um transceptor, existem blocos que compõem o receptor (LNA, misturador e PGA) e blocos do transmissor

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(misturador e amplificador de potência). Além desses blocos, um sintetizador de freqüência pode ser compartilhado, tanto pelo receptor quanto pelo transmissor, para seleção de diversos canais. A Figura 2 mostra em detalhe os blocos da arquitetura de conversão direta. A seguir, são detalhados alguns blocos básicos dessa arquitetura. O primeiro bloco de RF, depois da antena, é o amplificador de baixo ruído (LNA – Low Noise Amplifier). Para um sistema que tem a capacidade de trabalhar com várias faixas de freqüência dentro da banda de 2 a 6 GHz, o LNA deve ser reconfigurável e ter uma rede de casamento passiva de banda larga na entrada. Se for integrada, a estrutura amplificadora mais usada é a célula cascode com degeneração indutiva na fonte do transistor. A reconfigurabilidade pode ser feita ligando e desligando estágios de ganho, ressonando na faixa de trabalho desejada (GARUDA; ISMAIL, 2006). Os misturadores também devem ser de banda larga e ter um ganho de conversão aproximadamente constante na faixa de 2 a 6 GHz. Para isto, a célula de Gilbert com entrada diferencial parece ser a mais apropriada. Para transformar a saída single-ended do LNA em entrada diferencial, um balun deve ser inserido na entrada do misturador. Os misturadores devem ser implementados com todo cuidado, no que tange ao ruído de fase e às não-linearidades (espúrios) que eles podem introduzir. Ainda, usar transistores do tipo PMOS para misturar a freqüência do oscilador permite minimizar o ruído do tipo flicker.

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Figura 3 Diagrama de blocos da arquitetura de conversão direta com interface I/Q

Além disso, amplificadores com ganho programável (PGA – Programmable Gain Amplifier) são necessários para compensar as variações da faixa dinâmica do sinal do receptor, mantendo-as em um nível adequado na entrada dos conversores AD e nos filtros ativos. Dessa forma, como a norma do WiMAX prevê um sistema de multiportadora com largura de banda do canal variável, é necessário que os filtros passa-baixa que antecedem os conversores AD tenham uma freqüência de corte programável. Segundo a norma, a largura de banda pode variar de 1.75 a 28 MHz. Em geral são utilizadas células Gm-C ou OTA-C, em que a freqüência de corte dos filtros é escolhida através do ajuste da transcondutância dessas células. A calibração I/Q pode ser realizada por meio de uma rotina controlada por um circuito digital, no momento de power-up do sistema. O cancelamento de offset também pode ser efetuado por um circuito digital, ou pode ser feito analogicamente através da extração do valor DC na saída do PGA por um filtro Gm-C e subtraído da entrada do PGA. Na parte de transmissão, o amplificador é um dos blocos mais importantes. Para manter o nível de EVM inferior a -31 dB, com um PAR (Peak-to-

Average Ratio) de até 12 dB, é preciso efetuar a linearização por back-off do amplificador de potência, conseqüentemente com o amplificador de potência trabalhando à potência de saída 12 dB, inferior à potência à 1 dB do ponto de compressão. Essa é uma zona de trabalho muito ineficiente e até mesmo impraticável nos sistemas de WiMAX móvel, devido ao alto consumo de potência. A técnica mais investigada nos sistemas WiMAX móvel é a chamada digital predistortion. Essa técnica consiste em suprimir o produto de intermodulação não desejado, que foi criado pela não-linearidade do amplificador. Essa arquitetura precisa de um feedback para efetuar o ajuste adaptativo dos coeficientes de linearização. Dessa forma, em um sistema TDD (Time Division Duplex), vários blocos da cadeia de recepção podem ser reutilizados para transmissão (BISLA; ELINE; FRANCA-NETO, 2004). Esse é o caso dos filtros programáveis, do oscilador local (quando o amplificador de potência é externo ao chip) e do filtro passivo de entrada. Os misturadores de transmissão têm uma estrutura parecida com os misturadores de recepção, com exceção da restrição de linearidade. Ao mesmo tempo, um amplificador driver com

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ganho variável deve ser inserido antes do amplificador de potência, para controle tanto dos coeficientes de linearização citados acima, quanto da potência no caso de um link NLOS. O PLL (Phase-Locked Loop) deve ser capaz de diferenciar canais de até 1.75 MHz de largura. Nos sistemas OFDM, o espaçamento entre as subportadoras (no WiMAX chega a 90 kHz) impõe restrições muito altas sobre o ruído de fase gerado pelo oscilador local. Num PLL esse ruído é gerado principalmente pelo VCO (Voltage-Controlled Oscillator). Por isso, deve-se achar a largura de banda ótima que permita minimizar a contribuição do ruído do VCO. A arquitetura que tem mostrado menor ruído de fase é do tipo LC, e deve ser ajustável para poder atuar nas diversas faixas (2.4-2.9 GHz; 3.4-3.6 GHz; 5.1-5.3 GHz; 5.5-5.7 GHz). 2.2 Técnicas de sincronização para OFDMA A sincronização é um grande desafio em OFDMA, uma vez que essa técnica é suscetível a erros de temporização que podem causar interferência entre blocos, bem como discrepâncias entre o sinal de entrada e o de referência, o que pode causar interferência entre portadoras (ICI – Intra Cell Interference) e interferência entre usuários (MAI – Multiple Access Interference). É possível evitar o problema de ICI aumentando-se o intervalo de guarda entre os blocos, mas à custa de perda de desempenho. No entanto, essa solução é limitada, visto que existem aplicações que usam o menor CP (Cyclic Prefix) possível para minimizar a performance. Em sistemas OFDMA, a sincronização é feita em três fases (MORELLI; KUO; PUO, 2007): • no downlink, quando os receptores estimam a freqüência e a temporização baseando-se no sinal que vem da radiobase; • no uplink, porém, nesse momento o sinal recebido mistura sinais transmitidos por vários usuários e cada sinal sincronizado com a sua referência, causando o problema de estimar múltiplos parâmetros; • no uplink, depois de estimados, esses sinais devem ser usados para restaurar a ortogonalidade entre as subportadoras. 2.2.1

Sincronização no downlink

No downlink estimam-se temporização e freqüência. Em transmissões multiportadoras, o primeiro passo na sincronização do downlink é a determinação da temporização. Isso permite não somente identificar o recebimento de um frame novo, como também determinar onde posicionar a janela de recebimento, dependendo do erro de temporização. Assim sendo, dois tipos de algoritmos de aquisição de temporização são descritos na

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literatura: algoritmos de uso de blocos de referência (NOGAMIM; NAGASHIMA, 1995; SCHMIDL; COX, 1997; SHI; SERPEDIN, 2004) e técnicas blind (VAN DE BEEK; SANDELL; BORJESSON, 1997). Enquanto os algoritmos baseados em blocos de referência são melhores para aplicações em modo burst, as técnicas blind são melhores em transmissão contínua. Um segundo passo de sincronização no downlink é a determinação do erro de temporização entre os símbolos de um frame, também chamado de sintonia fina (fine tracking). Um exemplo desse tipo de algoritmo é descrito por Yang et al. (2000). Além da temporização, é necessário estimar a freqüência para alinhar o oscilador local. Para isso, uma técnica comum é o uso de um padrão de treinamento composto de partes repetitivas especialmente projetadas para tal fim (MOOSE, 1994). Além dessa estimativa inicial, da mesma forma que na temporização, a freqüência tem que ser monitorada para evitar erro residual, que deve ser corrigido. Essa correção pode ser feita bloco a bloco (LASHKARIAN; KIAEI, 2000; MORELLI; D’ANDREA; MENGALI, 2001). 2.2.2

Sincronização no uplink

Como já comentado anteriormente, a dificuldade dessa tarefa advém do fato de que o sinal é proveniente de usuários diferentes e assim a estação radiobase tem que estimar os parâmetros individualmente. Os algoritmos de sincronização são dependentes do esquema de alocação da subportadora CAS (Carrier Assignment Scheme). Existem três mecanismos mais conhecidos: sub-banda, alternada e generalizada. No esquema CAS subbanda, costuma-se inserir um número específico de subportadoras não moduladas. No esquema de CAS alternada, cada usuário tem que modular um conjunto de subportadoras que são uniformemente distribuídas, o que dificulta mais ainda a tarefa de identificar cada usuário. Nesse tipo de mecanismo os algoritmos exploram a estrutura periódica que se repete depois de um determinado número de amostras (CAO; TURELI; YAO, 2004). No caso de CAS generalizada, os sistemas não possuem uma estrutura rígida, visto que esse esquema é dinâmico, e isso dificulta ainda mais a tarefa de sincronização. Um exemplo de tal algoritmo é descrito por Morelli (2004). 2.2.3

Compensação de tempo e freqüência no uplink

No uplink, a estação radiobase necessita restaurar a ortogonalidade entre os sinais. Uma alternativa é retornar o valor estimado aos terminais de forma que eles possam ajustar os sinais transmitidos.

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Os algoritmos mais conhecidos para essa tarefa são: compensação de freqüência em esquema sub-banda (MORELLI; KUO; PUO, 2007), através de cancelamento da interferência (HUANG; LETAIEF, 2005) e através da detecção multiusuário linear (CAO et al., 2004). 2.3 Arquiteturas para QoS Entre as várias funcionalidades da camada de enlace descritas na Seção 1.3, a QoS é uma das mais importantes. Para controlar a QoS, a tecnologia WiMAX móvel determina cinco tipos de conexões: • UGS (Unsolicited Grant Service), que permite suporte a taxa de dados constante, e.g., VoIP; • rtPS (Real-Time Polling Service), que permite suporte a aplicações em tempo real, e.g., videoconferência; • nrtPS (Non-Real-Time Polling Service), que permite suporte a aplicações que requerem mais do que Best Effort, e.g., aplicações de banco de dados; • BE (Best Effort), que é o serviço com prioridade mais baixa, e.g., HTTP; • ERT-VR (Extended Real-Time Variable Rate Service), também conhecido como ErtPS (Extended Real-Time Polling Service), que permite suporte a aplicações em tempo real com taxa de dados variável, e.g., VoIP com supressão de silêncio. Apesar de não definir o escalonador, a tecnologia WiMAX define vários parâmetros e características que devem ser seguidos para implementar um escalonador eficiente. Entre esses parâmetros, destacamos: permitir a

Upstream

Base station

Downstream

Upstream analyser

Downstream analyser Total grant

Uplink service flow database

Connection establishment request

Data

Service specification

Call admission control

Classifier

Bandwidth request

Shaper and policer

Grant alocator

UGS

rtPS

nrtPS

Uplink service flow database

Request generator Request selector

Upstream generator

Classifier Shaper and policer

Downlink service flow database UGS

BE Polling manager

Connection requests

Data

Subscriber station

alocação dinâmica de recursos em três dimensões, a saber, tempo (timeslots), freqüência (subportadoras) e espaço (diversas antenas); permitir a realimentação rápida da informação da qualidade do canal para seleção da codificação; e permitir modulação apropriada para cada alocação. A norma IEEE 802.16e também propõe o mapeamento entre os mecanismos que requerem largura de banda e os tipos de conexões. Entretanto, não são especificados valores numéricos para os vários parâmetros a serem utilizados por este mecanismo de mapeamento, como, por exemplo, a quantidade de largura de banda que deve ser reservada para conexões UGS. No caso de conexões não-UGS, a norma não define os algoritmos de escalonamento. Várias arquiteturas para implementar o mecanismo de QoS foram propostas na literatura, tais como Delicado et al. (2006) e Alavi; Mojdeh; Yazdanji (2005). Entretanto, essas não oferecem suporte a ERT-VR. A título de ilustração, descreve-se na Figura 3, a seguir a arquitetura proposta (ALAVI; MOJDEH; YAZDANJI, 2005). Como a norma IEEE 802.16 é orientada a conexão, cada usuário envia uma requisição de estabelecimento de conexão à estação radiobase. Essa requisição é analisada pelo Call Admission Control e, se aceita, os Service Flow Data Bases registram os atributos de QoS e os identificadores para a conexão. Os pacotes são classificados de acordo com seus identificadores, ao entrarem na camada de enlace, pelos

Upstream

Uplink scheduler

rtPS

nrtPS BE

Downlink scheduler Downstream Downstream generator

Figura 3 Exemplo de arquitetura de QoS (ALAVI; MOJDEH; YAZDANI, 2005)

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Classifiers. Depois, são examinados de acordo com seus atributos pelo Traffic Shaper and Policer na estação radiobase e no terminal de assinante. A transmissão de dados do terminal de assinante para a estação radiobase é descrita a seguir: • o Polling Manager, na estação radiobase, é responsável por inquirir cada terminal de assinante em intervalos específicos, de acordo com o mecanismo de polling definido na norma; • um terminal de assinante que obteve a oportunidade de requisitar uma largura de banda através do mecanismo de polling está apto a enviar um pedido de largura de banda de acordo com a sua QoS e comprimentos das filas de conexão; • o Uplink Scheduler, na estação radiobase, divide a largura de banda total do uplink entre as estações de assinantes de acordo com: os pedidos de largura de banda recebidos, os atributos de QoS de cada conexão dessas estações de assinantes e as decisões do Polling Manager. O resultado é então enviado para cada terminal de assinante; • o Grant Allocator, em cada terminal de assinante, divide a largura de banda total recebida entre as diversas conexões de acordo com suas características de QoS. A transmissão de dados da estação radiobase para o terminal de assinante é descrita a seguir: • o Downlink Scheduler, na estação radiobase, distribui a largura de banda total do downlink de acordo com as conexões definidas; • o Downstream Generator, na estação radiobase, envia os dados de cada conexão de downlink de acordo com a quantidade especificada pela saída do Downlink Scheduler. Esse módulo também é responsável por enviar as mensagens geradas no Uplink Scheduler. A implementação eficiente de uma arquitetura de QoS é crítica para atingir a capacidade e o nível de performance requeridos pela tecnologia WiMAX. A Seção 2 apresentou alguns dos desafios a serem enfrentados pelos projetistas de chipsets para WiMAX móvel. Porém, para todas as características apresentadas na Seção 1, existem desafios que precisam ser transpostos, tornando a tarefa de desenvolvimento do chipset extremamente complexa. Conclusão As características singulares da norma IEEE 802.16e complicam a tarefa de escolher as arquiteturas tanto para o rádio, quanto para a camada MAC e para a camada PHY. Alguns parâmetros essenciais que devem ser

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considerados nessas escolhas foram discutidos neste artigo. Algumas alternativas para implementar uma solução para as funcionalidades necessárias em WiMAX móvel também foram apresentadas. A escolha de arquitetura afeta o custo e influencia a performance da aplicação em desenvolvimento. Em decorrência da necessidade de aumentar rapidamente o número de usuários finais, o custo é um fator crítico. Entretanto, o projetista deve considerar que é muito importante que a performance não seja sacrificada em função das considerações de custo. Em resumo, o projetista do chipset para WiMAX precisa utilizar uma metodologia de projeto que, desde a fase inicial, possibilite a estimativa do impacto que as diversas decisões sobre arquitetura causam na performance e no custo do sistema. Essa metodologia também deve possibilitar que o produto chegue ao mercado em tempo competitivo. Agradecimentos Os autores agradecem a Murilo Pessatti e Rejane Telichevesky pela revisão detalhada deste artigo. Referências ALAMOUTI, S. A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. v. 16, p. 1.451-1.458. 1998. ALAVI, H.; MOJDEH, M.; YAZDANI, N. A Quality of Service Architecture for IEEE 802.16 Standards. Proceedings of the IEEE AsiaPacific Conference on Communications. p. 249-253. 2005. ANDREWS, J.; GHOSH, A.; MUHAMED, R. Fundamentals of WiMAX – Understanding Broadcast Wireless Networking. Prentice Hall, 2007. BISLA, B.; ELINE, R.; FRANCA-NETO, L. RF System and Circuit Challenges for WiMAX. Intel Technology Journal, v. 8, N. 3, p. 189-199. 2004. CAO Z. et al. Frequency synchronization for generalized OFDMA uplink. In: Proceedings, IEEE Globecom 2004. Dallas. CAO, Z.; TURELI, U.; YAO, Y. D. Deterministic multiuser carrier-frequency offset estimation for interleaved OFDMA uplink. IEEE Transactions on Communications. v. 52, n. 9. 2004.

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Abstract Companies developing WiMAX chipsets must create and innovate in order to achieve performance advantages while maintaining compatibility with the standard. In addition, the chipset must have low power consumption to operate with batteries and small die area with high integration density in order to decrease costs. The chipset must be flexible so that the required performance can be reached in the several frequency bands in usage. Currently, there are still a lot of areas to innovate: alternative implementations for the MAC and physical layers, intelligent antennas, spectrum usage with frequency reuse, and a configurable front-end. Therefore, this paper discusses several essential parameters that affect performance, such as: transmitter EVM in a given power, receiver sensitivity, as well as channel estimation combined with link adaptation, among others, that allows the system to operate always with maximum efficiency. This paper also presents some candidate architectures that the designer must choose to implement a WiMAX chipset. Key words: Broadband wireless access. IEEE 802.16. WiMAX Mobile. MAC and Physical Layer. Radio.

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Ambiente regulatório brasileiro referente às tecnologias WiMAX e Wi-Fi José Antonio Martins, Roberto Petry, Jadir Antônio da Silva, Luís Cláudio Palma Pereira Solução híbrida de acesso metropolitano sem fio banda larga Luís Cláudio Palma Pereira, Jadir Antônio da Silva, José Antonio Martins, Fabrício Lira Figueiredo Desafios para a operação de redes WiMAX José Luiz Navarro Frauendorf Mobilidade em redes WiMAX Pedro Eduardo de Oliveira Macedo, Carlos Henrique Rodrigues de Oliveira Implantação de projetos WiMAX com segurança Danilo Yoshio Suiama, Emilio Tissato Nakamura, Helen Mary Murphy Peres Teixeira, Sérgio Luís Ribeiro Tecnologia de múltiplas antenas em sistemas WiMAX Gustavo Fraidenraich, Paulo Cardieri, Michel Daoud Yacoub Utilização de redes WiMAX como suporte ao Serviço de Apoio ao Professor em Sala de Aula – SAPSA Maria Salete Sartorio Loural, Hugo Cesar Crohare Lavalle, Dagberto de Proença Magalhães, Vicente De Angelis Junior Projeto de chipset para WiMAX móvel: desafios e oportunidades Julio Leão da Silva Jr., Edelweis Helena Garcez Ritt, Laurent Courcelle

www.cpqd.com.br Rodovia Campinas–Mogi-Mirim SP340 – km 118,5 – CEP 13086-902 Campinas – SP – Brasil

ISSN 1809-1946

Tecnologia WiMAX: uma visão geral Fabrício Lira Figueiredo, Luís Cláudio Palma Pereira


Cadernos CPqD Tecnologia V4 Nº 2