Wi-max

Trabalho de Sistemas de Telecomunicações: WiMAX

CEFET/RJ Turma 6BELT 2006-2 Componentes: Amaury Santos Mariense Filipe Marvilla Valga Renato da Silva Corrêa Saulo de Carvalho França Junior Victor Portavales Silva Vinicius Coelho

CEFET/RJ DEMET/Curso Técnico de Eletrônica Disciplina: Sistemas de Telecomunicações Professor: Paulo C. Bittencourt Turma: 6BELT 2006-2 Projeto Final “Wi-Max” Nome Completo Amaury Santos Mariense Filipe Marvilla Valga Renato da Silva Corrêa Saulo de Carvalho França Junior Victor Portavales Silva Vinicius Coelho

Assinatura

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Sumário: 1- Introdução......................................................................................3 2- Estado da Arte...............................................................................9 3- Normas..........................................................................................9 4- Comentários................................................................................10 Bibliografia.......................................................................................11

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1- Introdução: O padrão IEEE 802.16, completo em outubro de 2001 e publicado em 8 de abril de 2002, especifica uma interface sem fio para redes metropolitanas (WMAN). Foi atribuído a este padrão, o nome WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access, em português: Interoperabilidade Mundial para Acesso de Micro-ondas). O termo WiMAX foi cunhado por um grupo de indústrias conhecido como WiMAX Forum cujo objetivo é promover a compatibilidade e inter-operabilidade entre equipamentos baseados no padrão IEEE 802.16. Este padrão é similar ao padrão Wi-FI (IEEE 802.11), que já é bastante difundido, porém agrega conhecimentos e recursos mais recentes, visando uma melhor performance de comunicação. O padrão WiMAX tem como objetivo estabelecer a parte final da infraestrutura de conexão de banda larga (last mile) oferecendo conectividade para uso doméstico, empresarial e em hotspots. O benefício crucial do padrão WiMAX é a oferta de conexão internet banda larga em regiões onde não existe infra-estrutura de cabeamento telefônico ou de TV à cabo, que sem a menor dúvida são muito mais custosos. Este benefício econômico do padrão sem fio para redes MAN proporciona a difusão dos serviços de banda larga em países em desenvolvimento, influenciando diretamente na melhoria das telecomunicações do país e conseqüentemente no seu desenvolvimento. Segundo o relatório do CPqD - Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações, do ano de 2006, sobre o Sistema Brasileiro de Televisão Digital Terrestre, um dos requisitos para a implantação do SBTVD é a criação de um sistema WiMAX para todo o Território brasileiro. Segundo os dados que estão na página 88 deste relatório, para se estabelecer uma cobertura nacional (rural e urbana) são necessárias 2511 estações WiMAX (compostas de equipamentos de rádio, torre e antena) com um investimento total de apenas R$ 350 milhões de reais. O padrão IEEE 802.16 veio para consolidar o conceito de WMAN (wireless metropolitan area network). Para tal é necessário ter altas taxas de transmissão numa grande área para um grande número de usuários. Essa tecnologia foi batizada de WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Hoje já existe um padrão wireless chamado Wi-Fi (Wireless Fidelity, IEEE 802.11) mas este fora projetado para pequenas redes locais. Mesmo tendo algumas soluções engenhosas para estender sua área coberta, ainda existia diversos problemas, tais como: conexão entre Access Points (AP’s) de diferentes fabricantes; segurança (embora tenha melhorado); oferecer QoS; custos elevados de backhaul; serviços limitados, pois não tendo QoS, fica difícil distinguir tráfego dentre outros problemas. A QoS existente nos equipamentos de hoje é proprietária, firmando ainda mais a incompatibilidade entre fabricantes diferentes. É neste contexto em que o WiMAX entra, para suprir uma necessidade percebida pelas WISPs (Wireless Internet Service Providers) com custos menores e qualidade superior em praticamente todos aspectos, quando relacionado a solução de última milha ou longos enlaces. Ele promete concretizar o velho sonho de uma plataforma comum padronizada para o transporte de vídeo, voz, imagens e dados com segurança e QoS num ambiente wireless.

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O padrão especifica duas faixas no espectro de freqüência: 2 a 11GHz (Ou sub-11 como é chamado em algumas publicações) para condição NLOS (Non line of sight, sem visada direta) com alcance de até 8 quilômetros, e 10 a 66 GHz para condição LOS (Line of sight, com visada direta) com alcance de até 50 quilômetros, cabendo aos fabricantes e órgãos regulamentadores (Ex. Anatel) decidir quais serão as frequências utilizadas. O padrão possui a camada física (PHY) adaptativa, ou seja, ele altera a modulação (Ex: 16 QAM, QPSK, 64 QAM) e codificação (Reed Solomon) do equipamento de acordo com as condições do canal. Permite correção de erro (FEC), com tamanhos de blocos variáveis. Oferece suporte para antenas inteligentes adaptativas. Pode operar com TDD ou FDD no uplink e no downlink. Características Técnicas: Prós: • Diminui custos de infra-estrutura de banda larga para conexão com o usuário final (last mile); • Deverá ter uma aceitação grande por usuários, seguindo a tecnologia Wifi (802.11) e diminuindo ainda mais os custos da tecnologia; • Possibilitará, segundo a especificação, altas taxas de transmissão de dados; • Possibilitará a criação de uma rede de cobertura de conexão de Internet similar à de cobertura celular, permitindo acesso à Internet mesmo em movimento; • Existe amplo suporte do desenvolvimento e aprimoramento desta tecnologia por parte da indústria. Contras: • • • •

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Nos testes atualmente realizados mostrou-se como grande frustração quanto à taxa de transmissão; Apesar das muitas iniciativas e pesquisas, essa tecnologia ainda tem um período de maturação a ser atingido; Pode, em alguns paises, haver sobreposição de utilização de freqüência com algum serviço já existente; Em alguns países a tecnologia já foi inviabilizada devido a uma política específica para proteção do investimento de capital (CAPEX), já realizado com licenças da tecnologia de telefonia móvel UMTS. Nas faixas de freqüência mais altas existem limitações quanto a interferências pela chuva, causando diminuição de taxas de transferências e dos raios de cobertura.

Arquitetura: Para Redes Fixas: A arquitetura fixa é voltada para o acesso em redes metropolitanas. Ela possui duas possibilidades de implantação, dependendo do local onde a rede WiMAX termina: backhaul quando constitui várias ligações ponto-a-ponto entre

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BSs; e rede de última milha, quando um sinal WiMAX chega no ponto de acesso do assinante final.

WiMax com backhaul para redes Wi-fi:

Figura 1. Topologia de rede fixa com backhaul ponto-a-ponto WiMAX e clientes finais Wi-Fi.

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Figura 2. Topologia de rede fixa com backhaul mesh WiMAX e clientes finais Wi-Fi.

Figura 3. Topologia de rede fixa chegando aos clientes finais com WiMAX

Objetivos: •

O WIMAX pretende motivar um mercado de Acesso Broadband mais competitivo, através de um conjunto mínimo de especificações de performance da interface aérea entre os produtos dos diversos fabricantes, certificando os produtos que atendem a estas especificações.

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• • • •

Para os operadores de rede, esta interoperabilidade entre equipamentos significa a não dependência de um fornecedor para o desenvolvimento de sua rede. Para os fabricantes de equipamentos significa menos tipos diferentes de produtos a desenvolver e a produzir. Para os Fabricantes de componentes, significa uma escala de produção muito maior. Para o usuário final significa acessos Broadband mais velozes e mais baratos.

Aplicações: • •

Fornecimento de link de dados de NxE1 (com garantia de banda). Fornecimento de link de dados de fração de E1 (com garantia de banda). • Fornecimento de link de dados em um padrão equivalente ao ADSL/Cable Modem. • Portabilidade, isto é, o usuário pode transportar sua CPE (customer premise equipment) e utilizar o serviço em local diferente do usual. • Instalação da CPE no modo plug and play. • Cobertura sem linha de visada. Modulação: O WIMAX apresenta três modos de operação, todos os três PHY, quais sejam: single carrier, OFDM 256, ou OFDMA 2K. O modo mais comumente utilizado é o OFDM 256. A modulação por divisão ortogonal de freqüência, em inglês Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), também chamada modulação por multitom discreto, em inglês Discreet Multitone Modulation, DMT, é uma modulação que consiste em enviar a informação modulando em QAM ou em PSK um conjunto de portadoras de diferentes freqüências. Normalmente realiza-se a modulação OFDM para passar o sinal por um codificador de canle com objetivo de corrigir os erros produzidos na transmissão, então esta modulação denomina-se COFDM, do inglês Coded OFDM. Devido o problema técnico que supom a geração e a detecção em tempo contínuo dos centos, o incluso milheiros, de portadoras equiespaçadas que formam uma modulação OFDM, os processos de modulação e demodulação realizam-se em tempo discreto mediante a IDFT e a DFT respectivamente. Throughput: Com o esquema de modulação robusto, o WIMAX entrega elevadas taxas de throughput com longo alcance e uma grande eficiência espectral e que é também tolerante às reflexões de sinais. A velocidade de transmissão dos dados varia entre 1Mbps e 75Mbps, dependendo das condições de propagação, sendo que raio típico de uma célula WIMAX é de 6 Km a 9 Km. Uma modulação dinâmica adaptativa permite que uma estação radio base negocie o throughput e o alcance do sinal. Por exemplo, se a estação radio base não pode estabelecer um link robusto com um assinante localizado

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a uma grande distância, utilizando o esquema de modulação de maior ordem, 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), a modulação é reduzida para 16 QAM ou QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), o que reduz o throughput, porém aumenta o alcance do sinal. Escalabilidade: Para acomodar com facilidade o planejamento da célula WIMAX, tanto nas faixas licenciadas quanto nas não licenciadas, o 802.16a/d suporta diversas larguras de banda. Por exemplo, se um operador tem disponível 20 MHz de espectro, ele pode dividi-lo em dois setores de 10 MHz ou 4 setores de 5 MHz cada. O operador pode crescer a quantidade de usuários mantendo um bom alcance do sinal e um bom throughput. O operador pode reusar o mesmo espectro em dois ou mais setores, criando uma isolação entre as antenas da estação radio base. Cobertura: O padrão 802.16 também suporta tecnologias que permitem a expansão de cobertura, incluindo as tecnologias de smart antenna assim como as tecnologias mesh. Qualidade de Serviço: O padrão 802.16 apresenta qualidade de serviço que permite a transmissão de voz e vídeo, que requerem redes de baixa latência. O MAC (Media Access Control) do 802.16 provê níveis de serviço "Premium" para clientes corporativos, assim como um alto volume de serviços em um padrão equivalente aos serviços hoje oferecidos pelos serviços de ADSL e de Cable Modem, tudo dentro da mesma estação radio base. Segurança: Características de privacidade e criptografia estão previstas no padrão 802.16 permitindo transmissões seguras incluindo os procedimentos de autenticação. Espectro Previsto: Oficialmente o padrão 802.16a/d está sendo estabelecido para faixa de freqüências entre 2GHz e 11GHz, porém existe interesse de utilizá-lo também em bandas inferiores a 2GHz. Abaixo são relacionadas algumas das bandas, conforme definido pelo FCC dos Estados Unidos, que poderão ser utilizadas pelo padrão 802.16a/d.

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Figura 4. Esquema de uma rede WiMax

2- Estado da arte: Em 2005 foram feitos testes nos Estados Unidos por uma grande operadora de telefonia celular, esses testes obtiveram resultados animadores. Apesar disso, foram relatados problemas para atingir os níveis esperados de transferência de dados, chegando apenas a um pequeno percentual dos níveis laboratoriais alcançados, o que indica a falta de maturação da tecnologia. No mesmo ano a prefeitura da cidade de Mangaratiba, no Rio de Janeiro, fechou uma parceria com o governo do estado do Rio de Janeiro e com a empresa de chips Intel. Esta parceria resultou numa rede web banda larga de alta velocidade e sem fio para a área metropolitana do município utilizando a tecnologia WiMAX. O governo do estado do Rio de Janeiro tem planos para utilizar esse tipo de rede para levar a Internet a todo o estado. A Intel executou em Minas Gerais, nas cidades de Belo Horizonte e Ouro Preto, vários testes muitos satisfatórios, sendo que em Ouro Preto o teste foi considerado como "Prova de Fogo" devido ao relevo montanhoso da cidade. Foram instaladas torres em várias partes da cidade, e foi utilizado um veículo com três microcomputadores conectados a rede criada no local para testar a qualidade do serviço com o usuário em movimento, o teste foi um sucesso. Está previsto que no início do segundo semestre de 2007 Belo Horizonte esteja toda interconectada pela nova tecnologia. Em diversos países o direito sobre o espectro de frequências(Ou parte dele) já é propriedade de grandes empresas, a WiMAX Telecom, por exemplo, é proprietária dos direitos sob o uso das faixas de freqüência de 3,5GHz na Áustria, na Eslováquia e em algumas regiões da Croácia.

3- Normas: 10

As redes WiMAX são normalizadas pelo padrão IEEE 802.16, a primeira versão do 802.16 foi estabelecida em 2001, após dois anos do início do desenvolvimento da norma. O WiMAX cobriria apenas a faixa de freqüências de 10GHz a 66GHz 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 10GHz a 66GHz 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 a sua implantação, principalmente em áreas urbanas. Com o objetivo de superar essa limitação, o IEEE publicou, ainda em 2003, a versão 802.16ª, que especifica a operação em faixas de freqüências entre 2 e 11GHZ, incluindo bandas licenciadas e não licenciadas, sem necessidade de linha de visada. 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 66GHz (Com foco nas faixas até 11GHz) 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 PC’s com WiMAX e Wi-Fi embutidos, com previsão de chegada ao mercado no início de 2007.

4- Comentários: A tecnologia WiMAX representa um importante avanço tecnológico na área de redes sem fio, em virtude das promessas em termos de desempenho e cobertura, fundamentadas no conjunto de funcionalidades suportadas. Adicionalmente, o processo de padronização e regulamentação vem sendo patrocinado pela indústria e deve conduzir a um crescimento acelerado do volume de chipsets e equipamentos WiMAX sendo comercializados em todo o mundo. Atualmente, a tecnologia WiMAX está voltada para redes metropolitanas fixas, de modo que deverá ser complementar às redes celulares 3G, pelo menos em um primeiro momento. Algum nível de competição deverá ocorrer para aplicações e serviços de banda larga, principalmente com a finalização do padrão 802.16e. Adicionalmente, o padrão IEEE 802.20, que não tem nenhuma relação com o WiMAX, deverá suportar mobilidade em velocidades de até 300km/h, e também poderá ser um concorrente em potencial em alguns nichos de mercado.

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Bibliografia: http://www.cpqd.com.br/file.upload/sas1437_tecnologia_wimax_port_v02.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/WiMAX http://pt.wikipedia.org/wiki/WiMAX http://www.wimaxforum.org/technology/faq http://www.vervut.com.br/antonioalberti/papers/ http://www.influxtelecom.com.br/tutoriais/Tutorial%20WIMAX.zip

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