UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA – CENTRO POLITÉCNICO
DEPARTAMENTO DE ELETRICIDADE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
VALDORI BELMIRO CHAVES
CONTRIBUIÇÃO AOS ASPECTOS CIENTÍFICOS PARA O SISTEMA
IEEE 802.16 - WiMAX
CURITIBA
MARÇO – 2006
VALDORI BELMIRO CHAVES GRR20003728
CONTRIBUIÇÃO AOS ASPECTOS CIENTÍFICOS PARA O SISTEMA
IEEE 802.16 - WiMAX
CURITIBA
MARÇO – 2006
Projeto de conclusão de curso apresentado à disciplina de Projeto Final de Curso como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia Elétrica, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Doutorando Alexandre Augusto
Shirakawa. Co-orientador: Prof. Dr. Horácio Tertuliano dos
Santos Filho.
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente, aos meus pais e familiares que foram, sem
dúvida, fonte de inspiração e apoio para que eu atingisse meus objetivos.
Sou honrado pela oportunidade de ter conquistado grandes amigos nos anos
de faculdade pelos quais passei. Anos de estudo, compartilhamento, de luta e apoio.
Fico grato ao Doutorando Alexandre Augusto Shirakawa, pelo
acompanhamento e revisão do estudo, por incentivar a pesquisa e pelo auxílio e
compreensão em meio às dificuldades.
Quero também agradecer ao Professor Dr. Horácio Tertuliano dos Santos
Filho, que me acompanhou na maior parte da graduação como coordenador do
curso de engenharia elétrica. Sempre tendo paciência e não medindo esforços em
sua dedicação aos acadêmicos.
iv
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO .....................................................................................................................11 2. MODELO DE CAMADAS ..................................................................................................13 3. PADRÕES DE REDES DE COMUNICAÇÃO................................................................15 3.1 CONTROLE DO ENLACE LÓGICO (LLC) .....................................................................16 3.2 CONTROLE DE ACESSO AO MEIO (MAC) E CAMADA FÍSICA ...............................17 3.3 AS GRANDES REDES SEM FIO......................................................................................18 3.3.1 WPAN - Wireless Personal Area Network.......................................................................19 3.3.2 WLAN - Wireless Local Area Network...........................................................................21 3.3.3 WWAN - Wireless Wide Area Network ..........................................................................21 3.3.4 WMAN - Wireless Metropolitan Area Network ..............................................................22 4. WIMAX .................................................................................................................................24 4.1 SUB-PADRÕES WIMAX...................................................................................................26 4.1.1 Padrão IEEE 802.16..........................................................................................................26 4.1.2 IEEE 802.16a e IEEE 802.16d .........................................................................................27 4.2 TÉCNICAS DE CORREÇÃO DE ERRO...........................................................................29 4.3 MODULAÇÃO ...................................................................................................................29 4.3.1 Modulação Adaptativa ......................................................................................................29 4.3.2 Tipos de Modulação .........................................................................................................32 4.4. TAXA DE TRANSMISSÃO..............................................................................................37 4.5. ESCALABILIDADE ..........................................................................................................38 4.6. COBERTURA .................................................................................................................... 38 4.7 ARQUITETURA E TOPOLOGIA DE REDE .................................................................... 38 4.7.1 A Arquitetura e Topologia de Rede do WiMAX..............................................................39 4.8. QUALIDADE DE SERVIÇO ............................................................................................ 40 4.9 SUBCANALIZAÇÃO.........................................................................................................40 5. APLICAÇÕES DO WIMAX................................................................................................41 5.1 BANDA LARGA SOB DEMANDA..................................................................................44 5.2 BANDA LARGA RESIDENCIAL .....................................................................................44 5.3 WIMAX HOTSPOT BACKHAUL.....................................................................................45 5.4 WIMAX PARA INTERNET PORTÁTIL ..........................................................................45 6. INTEGRAÇÃO E INTEROPERABILIDADE COM O UTRAS TECNOLOGIAS .........46 7. ASPECTOS TÉCNICOS PARA O SISTEMA WIMAX..................................................47 7.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DOS EQUIPAMENTOS DE RÁDIO.....................47 7.2 BANDA DE FREQÜÊNCIA ..............................................................................................48 7.3 DUPLEXAÇÃO ..................................................................................................................48 7.3.1 Tecnologia TDD...............................................................................................................49 7.3.2 Tecnologia FDD ...............................................................................................................49 7.3.3 Tecnologia HFDD ............................................................................................................ 50 7.3.4 Contrastes entre TDD, FDD e HFDD...............................................................................51 7.4 LARGURA DO CANAL .................................................................................................... 52 7.5 MODULAÇÃO ...................................................................................................................52 7.6 PARÂMETROS OFDM PARA O WIMAX.......................................................................53 7.6.1 Parâmetros Primitivos .......................................................................................................53 7.6.2 Parâmetros Derivados .......................................................................................................53 7.6.3 Parâmetros do sinal Transmitido ......................................................................................53 7.7 CONTROLE DE POTÊNCIA.............................................................................................54 7.8 DIVERSIDADE DE TRANSMISSÃO...............................................................................55 8. ESPECIFICAÇÃO DOS PARÂMETROS DO TRANSCEPTOR WIMAX .................56
v
8.1 BANDA DE FREQÜÊNCIA ..............................................................................................56 8.2 RECEPTOR.........................................................................................................................56 8.2.1 Nível de interferência de canal adjacente .........................................................................58 8.2.2 Demais Dados do Receptor ..............................................................................................58 8.3 TRANSMISSOR .................................................................................................................58 8.3.1 Potência de Saída. .............................................................................................................58 8.3.2 Linearidade da Potência de Saída .....................................................................................59 8.3.3 Nível de Ruído de Saída ...................................................................................................59 8.3.4 Erro de Constelação..........................................................................................................59 9. CONCLUSÃO......................................................................................................................60 10. GLOSSÁRIO .....................................................................................................................62 11. REFERÊNCIAS ................................................................................................................64
vi
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 01 – Arquitetura OSI..............................................................................................13 FIGURA 02 - Relação entre IEEE 802 e Modelo OSI da ISO ........................................16 FIGURA 03 – Padrões de redes e normas.......................................................................18 FIGURA 04 – Tecnologias sem fios ....................................................................................19 FIGURA 05 – Logo do WiMAX Forum ................................................................................25 FIGURA 06 – Enlace com visada e sem visada direta....................................................27 FIGURA 07 – Modulação Adaptativa..................................................................................30 FIGURA 08 – Constelação QPSK.......................................................................................33 FIGURA 09 – Ortogonalidade entre as portadoras ..........................................................34 FIGURA 10 – Portadoras OFDM.........................................................................................36 FIGURA 11 - Estrutura do Símbolo OFDM........................................................................37 FIGURA 12 – Distribuição das sub-portadoras em OFDM.............................................37 FIGURA 13 – Topologia Mesh.............................................................................................39 FIGURA 14 – Distribuição da rede WiMAX .......................................................................40 FIGURA 15 – Subcanalização .............................................................................................41 FIGURA 16 – Aplicações para o WiMAX..........................................................................42 FIGURA 17 – Interesses de mercado para a tecnologia.................................................43 FIGURA 18 – Empresas e aplicações de mercado..........................................................44 FIGURA 19 – Rádio TDD .....................................................................................................49 FIGURA 20 – Rádio WiMAX FDD .......................................................................................50 FIGURA 21 – Arquitetura HFDD.........................................................................................51 FIGURA 22 – Transmissão em TDD, FDD e HFDD (FDD/TDD)...................................52 FIGURA 23 – Ilustração do STC .........................................................................................55
vii
LISTA DE TABELAS
TABELA 01- Comparação entre IEEE 802.6e e IEEE 802.20 .......................................23 TABELA 02 - Codificação do canal por modulação para o WiMAX ..............................31 TABELA 03 – Modulação QPSK .........................................................................................33 TABELA 04 – Freqüências alocadas para WiMAX ..........................................................48 TABELA 05 – Modulação x SNR .........................................................................................53 TABELA 06 – Parâmetros do Símbolo OFDM..................................................................54 TABELA 07- Valores de SNR no Receptor [22]................................................................57 TABELA 08 – Sensibilidade do Receptor ..........................................................................57 TABELA 09 – Sensibilidade do Receptor ..........................................................................57 TABELA 10 - Mínima Interferência de canal adjacente e alternado..............................58 TABELA 11 – Potência de Saída ........................................................................................58 TABELA 12 – Erro de Constelação.....................................................................................59
viii
LISTA DE QUADROS
QUADRO 01 – Características do WiMAX........................................................................28 QUADRO 02 – Características principais de antenas e equipamentos de rádio ........47 QUADRO 03 – Nivelamento Espectral da portadora OFDM..........................................60
ix
RESUMO
Pesquisa e embasamento sobre a nova tecnologia sem fio para grandes
distâncias, o WiMAX, que é regida pela norma do IEEE - Institute of Electrical and
Electronics Engineers (Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica) a IEEE 802.16.
Visa para contribuir com os aspectos científicos dessa tecnologia, e discorre sobre
pontos fundamentais da parte técnic a como modulação, duplexação e freqüência.
Aborda, também, os aspectos econômicos e de mercado para, no fim, tratar das
especificações que a norma IEEE exige para a construção de um transceptor que
utilize a tecnologia WiMAX. Apóia-se em informações e estudos recentes que estão
sendo difundidos ao redor do mundo por empresas e grandes corporações como
Intel, HP, Cisco, dentre outras, e na norma vigente já mencionada.
x
ABSTRACT
Research and basement on the new technology wireless for large distances,
the WiMAX, that is conducted by the standard of the IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers), the IEEE 802.16. It aims at to contribute with the scientific
aspects of this technology, and discourses on basic points of the technical part as
modulation, duplexing and frequency. It approaches, also, the economical and
business aspects for, finally, to approach the specifications that the IEEE standards
demands for the construction of a transceiver that uses the WiMAX technology. It is
based on recent data and studies that are being spread out in worldwide for
companies and great corporations as Intel, HP, Cisco, amongst others, and in the
mentioned present standard.
11
1.INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, o acesso em banda larga tem se tornado um artigo
requisitado por uma alta porcentagem da população. O crescimento da quantidade
de linhas instaladas tem sido muito rápido e é esperado que se atinja o número de
200 milhões de linhas instaladas em 2006.
A wireless DSL1 (WDSL2) oferece uma solução complementar ao DSL,
possibilitando que as operadoras disponibilizem acesso em banda larga para regiões
que estão fora do alcance da banda larga com fio.
As empresas líderes mundiais em tecnologia, tais como Intel, Cisco,
Samsung e HP estão apostando firmemente na tecnologia sem fio. A Intel colaborou
no desenvolvimento do Wi-Fi3, que é a abreviatura de Wireless Fidelity, que
atualmente é a tecnologia sem fio dominante no mundo. Agora, a Intel está
investindo no lançamento de uma outra tecnologia, que permite um acesso de alta
velocidade à Internet similar ao do Wi-Fi porém, com um alcance muito maior, em
torno de 50 quilômetros ao invés de 100 metros para o Wi-Fi. Para indústrias que
preconizam a mobilidade, a adoção da tecnologia sem fio é indispensável para seu
crescimento. As indústrias vão esperar no mínimo acessibilidade, confiabilidade,
segurança e ac esso a aplicações corporativas da rede sem fio. Porém, existem
algumas barreiras para a adoção da tecnologia sem fio, sendo a principal delas a
segurança.
O WiMAX começou a ser desenvolvido em 2001. Tido como padrão IEEE4
802.16 é uma tecnologia projetada para prover acesso de banda larga nos últimos
quilômetros de uma rede metropolitana (MAN – Metropolitan Area Network).
1A capacidade de sobrepor limitações físicas impostas nas redes a cabo é
uma das principais vantagens deste padrão As freqüências abaixo de 11 GHz
1 DSL (digital subscriber line - linha digital assimétrica de assinante) é uma tecnologia que
disponibiliza acesso à internet em banda larga usando a mesma infra-estrutura linhas telefônicas usadas para voz. 2 WDSL é uma tecnologia de DSL (digital subscriber line ) a altas taxas de transmissão sem a
necessidade da infra-estrutura telefônica. Provê velocidades maiores do que o T-1 (padrão americano de tecnologia que divide o canal de comunicação em 24 canais de 64 kbps). 3 O Wi -Fi (Wireless Fidelity) foi criado em 1997 pel o Instituto de Engenheiros Elétricos e Electrônicos
(IEEE) dos Estados Unidos. Termo usado para referir-se genericamente a redes sem fio que utilizam qualquer um dos padrões 802.11. O Wi-Fi permite a conexão de até 10 microcomputadores em uma velocidade de 11Mbps a um alcance de até 100 metros.
12
possibilitam a performance sem linha de visada (NLOS)5, fazendo com que o padrão
802.16a seja a tecnologia ideal para as aplicações de última milha.
No começo do desenvolvimento do padrão IEEE 802.16, o foco inicial era
cobrir freqüências de 10 a 66 GHz mas, ratificações foram feitas, dando origem a
três novos documentos: “IEEE 802.16a” ,” IEEE 802.16d/802.16REVd” e “IEEE
802.16e” que regulamentam o uso do WiMAX para fins sem linha de visada (NLOS -
Non Line of Sight) e com linha de visada (LOS - Line of Sight)6 e em freqüências
abaixo de 11 GHz. [01]
A proposta desse projeto é apresentar o sistema WiMAX de um ponto de
vista técnico a partir da normatizaçao IEEE 802.16. Este estudo dar -se-á,
primeiramente, sobre o aspecto sistêmico da tecnologia WiMAX. Em seguida, com
base na especificação da interface de comunicação WiMAX, será apresentado para
o sistema uma especificação preliminar de um transceptor (transmissor-receptor).
4 O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) é uma associação técnica sem fins
lucrativos, cuja missão é colaborar para o desenvolvimento e difusão do conhecimento técnico-científico a nível mundial. Fundado em 1884, atualmente é a maior organização de classe do mundo. 5 NLOS (Non Line of Sight), ou linha sem visada, é o tipo de transmissão na qual as antenas não estão diretamente voltadas uma para a outra. O sinal é enviado em todas as direções cobri ndo um raio de 5 a 8 km. 6 LOS (Line of Sight), ou linha com visada, é o tipo de transmissão na qual duas antenas estão
diretamente voltadas uma para a outra. O sinal é enviado somente através dessa visada que vem a se chamar enlace.
13
2. MODELO DE CAMADAS
Os sistemas de comunicação são subdivididos em camadas. Cada camada
oferece um conjunto de serviços ao nível superior, usando funções realizadas no
próprio nível. Um modelo bastante conhecido é o modelo de sete camadas OSI
(Open Systems Interconnection).
O modelo de referência OSI foi desenvolvido pela ISO (International
Standards Organization) e denominado Modelo de Referência para a Interconexão
de Sistemas Abertos (OSI) condensa a experiência de diversos fabricantes e
administradores de redes de comunicação de dados e visa a compatibilidade entre
sistemas de processamento heterogêneos, isto é, de fabricantes e concepções
distintas, através do uso de um conjunto de padrões que permitam a estes sistemas
funcionar entre si independentemente da natureza dos sistemas envolvidos .[02]
O modelo de camadas OSI subdivide-se em 7 camadas (vide figura 01)
sendo que os níveis começam de baixo para cima.
FIGURA 01 – Arquitetura OSI
As camadas do modelo OSI são descritas a seguir:
Camada Física: define as características mecânicas, elétricas, funcionais e
os procedimentos para ativar, manter e desativar conexões físicas para a
transmissão de bits. [03]
Camada de Enlace de Dados: O principal objetivo dessa camada é receber
ou transmitir uma seqüência de bits do, ou para, o nível físico e transformá-los em
14
uma linha que esteja livre de erros de transmissão, a fim de que essa informação
seja utilizada pela camada de rede. Essa camada envolve tipicamente as seguintes
funções [03].
a) ativação e desativação do enlace de dados;
b) sincronização;
c) segmentação e delimitação das unidades de dados;
d) Controle de erros e seqüência das unidades de dados;
e) controle de f luxo.
Camada de Rede: tem por objetivo fornecer um suporte de comunicação fim
a fim para as camadas superiores. Isto inclui a escolha do modo de transferência e
da qualidade de serviço, endereçamento da unidade de dados ao seu destino final
na rede ou na sub-rede (segmento de rede) externa, operação mútua com
elementos de rede externos se necessário, notificação de eventuais deficiências de
segmentos externos, controle de fluxo fim a fim, etc. [04]
Camada de Transporte: é a camada responsável pelo controle da
transferência de dados, incluindo a qualidade do serviço e a correção de erros fim a
fim. Exemplos bem sucedidos dessa camada são os padrões associados a redes
IP7, TCP8 e UDP9. O protocolo TCP é orientado à conexão, permite a entrega sem
erros de um fluxo de dados e realiza controle de fluxo. O protocolo UDP, por outro
lado é não orientado à conexão, sem controle de fluxos e sem garantia de entrega.
2
7
IP (Internet Protocol - Protocolo da Internet), é um protocolo usado entre duas máquinas em rede para encaminhamento dos dados. 8 TCP (Transmission Control Protocol – Protocolo de Controle de Transmissão) é um protocolo de transporte e executa importantes funções para garantir que os dados sejam entregues de uma maneira confiável, ou seja, sem que os dados sejam corrompidos. 9 UDP (User Datagram Protocol - Protocolo de Datagramas de Usuário), é um protocolo de transporte
que, ao contrário do TCP, não garante segurança e nem estabelece conexões, ao invés disso ele usa um fluxo de datagramas para transportar as informações. 10
Permite as aplicações solicitar e transferir a primazia da comunicação ou de exercício de determinadas funções.
15
Camada de Sessão: permite que duas aplicações em computadores
diferentes estabeleçam uma sessão de comunicação. Nesta sessão, essas
aplicações definem como será feita a transmissão de dados e coloca marcações nos
dados que estão sendo transmitidos. Se por ventura a rede falhar, os computadores
reiniciam a transmissão dos dados a partir da última marcação recebida pelo
computador receptor. [03] Nessa camada estão inclusas as seguintes funções : [04]
a) transferência de dados em ambas direções, normal ou expressa;
b) gerência de Token10, permitindo às aplicações solicitar e transferir a
primazia da comunicação ou de exercício de determinadas funções;
c) controle de diálogo, permitindo às aplicações definir a forma de diálogo,
se half duplex ou duplex;
d) sincronização e gerência de atividades, permitindo estratificar o
diálogo, colocando títulos, subtítulos e marcas de delimitação.
Camada de Apresentação: provê independência nas representações de
dados ao traduzir os dados do formato do aplicativo para o formato da rede e vice
versa. A camada de apresentação trabalha transformando os dados num formato em
que a camada de aplicação possa aceitar. Esta camada formata e encripta os dados
para serem transmitidos através da rede, evitando problemas de compatibilidade.
[03].
Camada de Aplicação: é o nível que possui o maior número de protocolos
existentes, devido ao fato de estar mais perto do usuário e de os usuários possuírem
necessidades diferentes. Essa camada fornece ao usuário uma interface que
permite acesso a diversos serviços de aplicação, convertendo as diferenças entre
diferentes fabricantes para um mesmo fim. [04]
3. PADRÕES DE REDES DE COMUNICAÇÃO
Os sistemas de comunicação sem fio são subdivididos segundo suas
aplicações e homologados por entidades mundialmente reconhecidas como é o caso
do IEEE [05] que é um instituto que regulamenta os padrões de redes sem fio
baseado nos padrões americanos. Outra instituto de regulamentação, também
mundialmente reconhecido, é a ETSI (European Telecommunications Standards
Institute ) [06], que regulamenta o padrão europeu.
16
Cada padrão representa uma tecnologia otimizada para determinado tipo de
mercado e são projetadas de modo a serem complementares entre si.
O Comitê 802 do IEEE, dos Estados Unidos, desenvolveu e publicou uma
série de normas para redes locais (LANs ) e Metropolitanas (MANs) que foram
adotadas mundialmente inclusive pela ISO (International Standards Organization).
[07]
FIGURA 02 - Relação entre IEEE 802 e Modelo OSI da ISO
Como pode ser visto na Figura 02, o Controle do Enlace Lógico e Controle
de Acesso ao Meio estão no mesmo nível da camada de Enlace de dados do padrão
OSI.
3.1 CONTROLE DO ENLACE LÓGICO (LLC)
A LLC especifica os mecanismos para endereçamento de estações
conectadas ao meio e para controlar a troca de dados entre usuários da rede. A
operação e formato deste padrão são baseados no protocolo HDLC11. Estabelece
três tipos de serviços:
a) sem conexão e sem reconhecimento;
17
b) com conexão;
c) com reconhecimento e sem conexão.
A IEEE 802.2 define a camada LLC para toda família de redes IEEE 802.
3.2 CONTROLE DE ACESSO AO MEIO (MAC) E CAMADA FÍSICA
A função do MAC é permitir que dispositivos compartilhem a capacidade de
transmissão de uma rede. Ele controla o acesso ao meio de transmissão de modo a
se ter um uso ordenado e eficiente deste meio.
A relação das normas do IEEE 802 é apresentada a seguir [ 08]: 3
a) IEEE 802.1 Protocolos das camadas mais elevadas de LAN;
b) IEEE 802.2 Controle Lógico de link ;
c) IEEE 802.3 Ethernet;
d) IEEE 802.4 Token bus (licenciado);
e) IEEE 802.5 Token Ring;
f) IEEE 802.6 Área de Redes Metropolitanas (licenciado);
g) IEEE 802.7 Banda Larga de LAN usando Cabo Coaxial (licenciado);
h) IEEE 802.8 Fibra Ótica TAG (licenciado);
i) IEEE 802.9 Serviços Integrados de LAN (licenciado);
j) IEEE 802.10 Segurança Interoperável de LAN (licenciado);
k) IEEE 802.11 LAN sem fio;
l) IEEE 802.12 Prioridade de demanda;
m) IEEE 802.13 (não usado);
n) IEEE 802.14 Cable modems (licenciado);
o) IEEE 802.15 PAN sem fio;
p) IEEE 802.16 Acesso à Banda Larga sem fio;
q) IEEE 802.17 Anel de pacote Flexível;
r) IEEE 802.18 Regulação de Rádio TAG;
s) IEEE 802.19 Coexistência TAG;
18
t) IEEE 802.20 Acesso sem fio de Banda Larga Móvel;4
u) IEEE 802.21 Handoff Independente;
v) IEEE 802.22 Área de Rede Regional sem fio.
3.3 AS GRANDES REDES SEM FIO
Como já visto no item anterior, os sistemas de telecomunicações são sub-
divididos em padrões e a cada padrão é atribuída uma norma que o regulamenta. A
Figura 04 apresenta o posicionamento de cada um dos padrões de acesso sem fio,
mostrando do lado esquerdo o padrão IEEE (americano) e do lado direito o padrão
ETSI equivalente.
FIGURA 03 – Padrões de redes e normas
A Figura 04 exemplifica os padrões existentes e coloca em evidência os
padrões de estudo tanto do IEEE quanto do ETSI.
11
O HDLC ou High-level Data Control é uma especificação do nível da camada de enlace do modelo OSI com grande utilização e que i nclui diversas variantes, utiliza a transmissão síncrona e é orientada por bit.
19
FIGURA 04 – Tecnologias sem fios
3.3.1 WPAN - Wireless Personal Area Network (Área Pessoal de Rede sem fio)
Neste grupo abrigam-se as tecnologias sem fio com transmissão de
pequeno alcance. Algumas delas podem chegar a dezenas de metros, mas quase
sempre estaremos falando de algo ao redor das pessoas, por isso a designação
Personal . Há três padrões adotados nesse grupo: Bluetooth, Zigbee e o UWB.
O princ ipal padrão deste Grupo é o Bluetooth [09], atualmente muito utilizado
em dispositivos portáteis e móveis, e que é o padrão IEEE 802.15.1 [10]. O
Bluetooth é uma tecnologia de baixo custo para a comunicação sem fio entre
dispositivos móveis. Começou a ser desenvolvida em 1994 pela Ericsson, e a partir
de 1998 pelo Bluetooth Special Interest Group (SIG), consórcio inicialmente
estabelecido pela Sony, Ericsson, IBM, Intel, Toshiba e Nokia, hoje este consórcio
inclui mais de 2000 empresas.
É usado para comunicação entre pequenos dispositivos de uso pessoal,
como PDAs12, telefones celulares de nova geração, computadores portáteis, mas
20
também é utilizado para a comunicação de periféricos, como impressoras, scanners,
e qualquer dispositivo dotado de um chip Bluetooth. Opera dentro da banda dos 2,4
Ghz com alcance máximo de aproximadamente 10 metros cuja velocidade pode
chegar a 721 Kbps e possui três canais de voz. As desvantagens desta tecnologia
são o seu raio de alcance, 10 metros, e o número máximo de dispositivos que
podem se conectar ao mesmo tempo, 10 dispositivos.[11]
O ZigBee - da ZigBee Alliance [12]cujo padrão é o IEEE 802.15.4 [13] - é
uma tecnologia sem fio de baixa velocidade com cobertura típica de 30 metros para
utilização em controle residencial, automação predial e automação industrial. Opera
em faixas de freqüências não licenciadas de 2.4Ghz (Global), 915Mhz (América) e
868Mhz (Europa), com uma taxa de transferência de dados de até 250kbps em
2.4Ghz (16 canais), 40kbps em 915Mhz (10 canais) e 20kbps em 868Mhz (1 canal),
visando possibilitar a melhor integração e operabilidade entre os diversos
dispositivos [14]. Sua taxa de transferência média (250Kbps) é menor que a do
Bluetooth, assim como seu consumo de energia: aproximadamente mil vezes menor
que o de um dispositivo Bluetooth [15].
O outro padrão é conhecido como UWB (Ultrawideband) cujo padrão é o
IEEE 802.15.3 [16]. O UWB ainda não foi completamente homologado pelo IEEE por
causa de disputas políticas entre fornecedores.
Sendo inventado na década de 60 para uso militar, seu consumo de energia
é cem vezes menor que o do Bluetooth e sua freqüência de operação pode variar
entre 3,1 e 10,6 GHz. 5O ponto forte do UWB é a sua velocidade de transmissão (100 a 500 Mbps) ,
mais rápida que a maioria dos tipos de transmissão sem fio convencionais. Em
contra partida, sua área de cobertura é bastante reduzida, no máximo dez metros.
O UWB opera de forma diferente das demais tecnologias sem fio. Além de ter um
espectro de atuaç ão amplo (3,1 - 10,6 GHz), o UWB transmite através de “rajadas"
12
Personal digital assistants (PDAs ou Handhelds), ou Assistente Pessoal Digital, é um computador de dimensões reduzidas, dotado de grande capacidade computacional, cumprindo as funções de agenda e programas comuns para escritório, com possibilidade de interconexão com um computador pessoal ou uma rede sem fios - wi -fi - para acesso a correio eletrônico e internet.
21
de sinal (centenas por segundo). [15]. Segundo analistas o UWB deve substituir o
Bluetooth. [17]
3.3.2 WLAN - Wireless Local Area Network (Área Local de Rede Sem Fio)
O padrão mais difundido desse grupo é o Wi-Fi (Wireless Fidelity) [18] que
vem a ser o padrão IEEE 802.11b operando em 2,4 GHz com taxa de transmissão
de dados a 11 Mbps, modulação DSSS13 com alcance de 100 a 300 metros.
Como tempo e novas ratificações da norma, vieram o padrão IEEE 802.11a
(opera em 5 GHZ, taxa de transmissão de 54 Mbps e modulação OFDM) e o padrão
IEEE 802.11g (opera em 2,4 GHz, taxa de transmissão de 54 Mbps e modulação
OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing ).
O aumento da taxa de transmissão observado entre o padrão 802.11b e os
padrões 802.11a e 802.11g é basicamente devido à mudança da modulação do
canal de comunicação utilizada. A modulação OFD M é mais eficiente que a DSSS
pois , tem maior imunidade para os efeitos de reflexão dos sinais de multicaminhos 14.
Entretanto, a modulação OFDM necessita de uma melhor relação sinal-ruído
da transmissão e elevada linearidade dos circuitos de rádio-comunicação. [19]
3.3.3 WWAN - Wireless Wide Area Network (Área Larga de Rede Sem Fio)
Nesse grupo estão as tradicionais tecnologias do telefone celular de voz e
alguns serviços de dados (Wireless Data Services ), desde os TDMA15 (9,6
Kbps)[ 20] e CDMA16 (14,4 Kbps) [21] até as modernas tecnologias EDGE17 [22] e
UMTS18 [23] passando por GSM19 [24]/GPRS20 [22] e também o CDMA 2000 -1xRtt21
e CDMA 2000 -1xEV-DO [25] e o WAP22 [26]. 6
13
DSSS (Direct Sequence Spread-Spectrum – Espalhamento Espectral por Seqüência Direta) é um esquema de modulação por espalhamento espectral que gera um padrão redundante de bits para cada bit transmitido. 14
Os Multicaminhos são formados pela reflexão e/ou difração e/ou espalhamento do sinal em estruturas próximas ao receptor, tais como edifícios, árvores, morros, superfície do mar, lagos etc.
15 TDMA (Time Division Multiple Access), ou Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo, que funciona
dividindo um canal de freqüência em até seis intervalos de tempo distintos. 16
CDMA (Code Division Multiple Access), ou Acesso Múltiplo por Divisão de Código, é um padrão de acesso múltiplo que funciona transformando a voz ou dados em um sinal da rádio codificado. 17
EDGE (Enhanced Data Rate s for Global Evolution), ou Aumento da Taxa de Dados para a Evolução Global, é uma tecnologia móvel compatível com 3G que permite transmissão de alta velocidade (384 kilobits por segundo) de grandes quantidades de dados. 18
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), ou Sistema Móvel Universal de Telcomunicações, é um padrão de 3ª Geração de sistemas celulares para evolução de redes GSM.
22
3.3.4 WMAN - Wireless Metropolitan Area Network (Área Metropolitana de Rede sem fio)
Dentro desta família abrigam-se o padrão 4G Proprietário23 , o WiMAX (IEEE
802.16) e o Mobile-FI (IEEE 802.20) [27].
O padrão 4G Proprietário está ligado aos fornecedores IP Wireless, Flarion,
Navini Networks , ArrayComm, Broadcomm, BeamReach Networks, Soma Networks
e Tantivy Communications [28].
O padrão mais difundido desse grupo é o WiMAX - IEEE 802.16 mas, outro
padrão em homologação é o padrão IEEE 802.20, Mobile-Fi, já mencionado. 1
A grande contribuição do Mobile-Fi é que ele é o primeiro padrão a ser
especificamente projetado para carregar o tráfego IP para acesso em banda larga de
forma completamente móvel. Ele proporcionará taxas de transmissão simétricas de 1
Mbps a 4 Mbps em espectros licenciados abaixo de 3,5 GHZ em distâncias de 15 km
aproximadamente. Isto faz com que ele tenha menos potência que o WiMAX mas
seja intrinsecamente móvel (mobile) oferecendo uma latência de 10 ms - até mesmo
para um veículo movimentando-se muito rapidamente - comparado aos 500 ms do
3G.
O padrão 802.20 parece ser altamente posicionado contra a versão móvel
do WiMax - o 802.16e - que tem um forte interesse da Nokia e da Intel. Embora os
dois padrões tenham começado baseados em aspectos técnicos diferentes e
endereçarem problemas suavemente diferentes, o WiMax ameaça tornar o 802.20
redundante. Por trás do 802.20 temos a Motorola e a Cisco que parecem estar bem
determinadas em fazer o seu padrão preferido, o padrão dominante do BWA ao
19 GSM (Global System Móbile ), ou Sistema Móvel Global é um sistema de celular digital baseado em divisão de tempo, como o TDMA, e é considerado a evolução deste sistema, pois permite, entre outras coisas, a troca dos dados do usuário entre telefones através do Sim-Card e acesso mais rápido a seviços WAP e Internet, através do sistema GPRS. 20
GPRS (General Packet Rádio Service) é um serviço de transmissão de informação por pacotes para comunicações móveis nas redes GSM. 21
O CDMA2000 é o padrão de 3ª Geração de sistemas celulares baseados no IS-95. O IS-95 é baseado na técnica de acesso múltiplo e é um sistema proprietário pertencente à empresa QUALCOMM. 22
WAP (Wireless Application Protocol), ou Protocolo para Aplicações sem Fio, um conjunto de especificações que caracteriza um ambiente similar à Web , voltado para redes de aparelhos sem fio e em velocidades mais baixas, basicamente os telefones celulares. 23
O "4G Proprietário" não tem definição formal pois, não é aderente a um padrão qualquer. A similaridade que as diversas tecnologias 4G guardam entre si é que têm a mesma modulação conhecida como OFDM. Todas estas tecnologias são conhecidas com redes IP/OFDM.
23
invés de buscar uma aproximação com o padrão comandado pela Intel, o WiMax.
Aparentemente essa determinação pode ser desastrosa. O WiMax está bem mais
adiantado que o Mobile-Fi - e até mesmo a sua versão mais recente (a móvel
802.16e) está há um ano na frente do seu rival - e dessa forma apoiar o 802.20 é
retornar ao passado. Além do mais, o padrão 802.16 é uma tecnologia que pode ser
acomodada de forma relativamente simples pelas operadoras de telefonia móvel
[29].
O 802.16e é o padrão de acesso sem fio de banda larga móvel (WiMAX
Móvel), assegurando conectividade em velocidades de até 100 km/h, cujos
equipamentos estarão disponíveis em meados de 2006. [30]
Na tabela 01 é possível comparar melhor os padrões IEEE 802.16e e IEEE
802.20.
TABELA 01- Comparação entre IEEE 802.6e e IEEE 802.20
Especificação 802.20 802.16e
Taxa de Transmissão (Mbps) 1 a 4 15 máx.
Velocidade de Deslocamento
(Km/h) 250 150
Freqüência (GHz) < 3,5 2 a 6
Raio médio da Célula (Km) 15 1 a 5
Ambiente de operação NLOS NLOS
A emenda IEEE 802.16e corrigirá a especificação base para habilitar não
apenas a operação fixa mas, também, a portátil e a móvel. Esse é o principal
concorrente do IEEE 802.20 Mobile-Fi. Os grupos de trabalho das IEEE 802.16f e
IEEE 802.16g se encarregam das interfaces de administração da operação fixa e
móvel.
Quando em movimento, os usuários poderão se deslocar enquanto têm
acesso a dados em banda larga ou a uma sessão de transmissão multimídia em
tempo real. Todas essas características ajudarão a fazer com que WiMax seja uma
solução ainda melhor para o acesso à Internet nos países em desenvolvimento.
[32]
24
4. WIMAX
O WiMAX é regulado segundo o padrão IEEE 802.16 [32] e é uma
tecnologia projetada para prover acesso de banda larga nos últimos quilômetros (last
mile) de uma rede metropolitana (MAN). A capacidade de sobrepor limitações físicas
impostas nas redes a cabo é uma das principais vantagens deste padrão.
O WiMAX pode operar tanto em freqüências licenciadas quanto não
licenciadas. A freqüências licenciadas, são aquelas que são reguladas e controladas
por um órgão regulador dentro de um país. Para a utilização destas freqüências, faz -
se necessário registro do equipamento no órgão regulador, bem como o
atendimento a regras de irradiação como, máxima potência, ruído, etc.
As freqüências não licenciadas são aquelas de uso livre, isto é, não
necessitam de prévia autorização para o seu uso. Alguns países restringem o uso
desta faixa para equipamentos que operem acima de um certo limiar de potência, e
caso ultrapassem este limite, o uso da mesma passa a ser licenciado.
WiMAX é a abreviatura de Worldwide Interoperability for Microwave Access
e é também conhecido como a interface aérea da IEEE para Wireless MAN, sendo
um padrão de BWA (Broadband Wireless Access) para ser utilizado na última
milha. [33]
O WiMAX atualmente é coordenado pelo WiMAX Forum [34] (Figura 05) que
é uma organização sem fins lucrativos, formada por empresas fabricantes de
equipamentos e de componentes, tendo por objetivo promover, em larga escala, a
utilização de redes ponto-multiponto, operando em freqüências entre 2GHz e
11GHz, alavancando a padronização IEEE 802.16, garantindo a compatibilidade e
interoperabilidade dos equipamentos que adotarem esse padrão.
O WiMAX Forum é o equivalente, ao Wi-Fi Alliance, responsável pelo
grande desenvolvimento e sucesso do Wi-Fi em todo o mundo.
25
FIGURA 05 – Logo do WiMAX Forum
O WiMAX é constituído pelas indústrias líderes do setor, que estão
comprometidas com as interfaces abertas e com a interoperabilidade entre os
diversos produtos utilizados no acesso a banda larga sem fio.
O WiMAX atualmente trabalha com os padrões IEEE 802.16d e IEEE
802.16e.
O 802.16d (ratificado em JUN.2004) é o padrão de acesso sem fio de banda
larga fixa (WiMAX Fixo) e é uma evolução do padrão anterior (802.16a homologado
em JAN.2003) e já permite um menor consumo de energia e menores CPEs24 como
também inova na incorporação do conceito de Antenas MIMO 25.
O 802.16e é o padrão de acesso sem fio de banda larga móvel (WiMAX
Móvel), assegurando conectividade em velocidades de até 100 km/h, cujos
equipamentos estarão disponíveis em meados de 2006. [30]
O padrão 802.16d opera em faixa de freqüências de 2 a 11 GHz e o 802.16e
de 2 a 6 GHz. 7
O WiMAX suporta topologias ponto-multiponto e malha ( mesh ). Um lado
também bastante inovador nesta tecnologia é que ela opera em bandas de
24
CPE (Customer Premises Equipment) é o equipamento de banda larga que vai nas instalações do cliente. No padrão 802.16a é uma caixa externa ( external box ) conectada a um PC com uma antena externa. No padrão 802.16d uma caixa externa ( external box ) conectada a um PC com uma antena built-in . No padrão 802.16e é um cartão PCMCIA ou buil t in no chip da CPU como é o caso hoje da tecnologia Centrino de Wi-Fi da Intel. 25
MIMO (Multiple Input and Multiple Output), ou sistemas de antenas inteligentes. A tecnologia MIMO explora o uso de múltiplos sinais transmitidos para o meio físico sem fio e múltiplos sinais recebidos desse meio, para aumentar o desempenho dos dispositivos sem fio. 26 MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service - Serviço de Distribuição de Sinais Multiponto Multicanais ) utiliza-se da faixa de microondas para transmiti r sinais a serem recebidos em pontos determinados dentro da área de prestação do serviço. 27
ITFS (Instructional Television Fixed Service – Serviço de Televisão Educativa), televisão de alta freqüência, baseada em microondas, utilizada no oferecimento de p rogramas educacionais.
26
freqüências não licenciadas (2,4 e 5,8 GHz) e em bandas licenciadas (3,5 e 10,5
GHz).
Atualmente, existe um movimento da FCC (Federal Communications
Commission) [35] americana de buscar mais espectro de freqüência a partir da
reengenharia de espectro na banda da tecnologia MMDS26/ITFS27 em 2,5 GHz
buscando espaço de freqüência para novos serviços incluindo o WiMAX.
A modulação OFDM utilizada no WiMAX pode ser utilizada para
proporcionar a conexão sem linha de visada (NLOS - Non-Line of Sight ) entre
estações base e os equipamentos dos clientes. O WiMAX pode atingir um alcance
de até 50 km, com taxas de dados compartilhadas aproximando-se de 75 Mbp/s em
canaliz ação de 20 MHz.
A performance NLOS é assegurada mais fortemente quando se está mais
próximo da estação base. No alcance máximo de 50 km, espera-se apenas uma
performance LOS ( Line of Sight ). Um raio típico de BWA em NLOS varia entre 5 a 8
km.
O WiMAX é uma solução de BWA completa para voz, dados e vídeo
(streaming) com qualidade de serviço (QoS - Quality of Service ) e segurança
intrínsecas.
A Segurança do WiMAX suporta a autenticação com certificados x.50928 [36]
e criptografia de dados utilizando DES29 ( Data Encryption Standard )[37].
O WiMAX pode transportar IPv4, IPv6 e Ethernet ou todos simultaneamente
garantindo QoS.
Um detalhe bastante pertinente é de que os projetos que estão sendo
desenvolvidos no mundo atualmente são de Pré-WiMAX. Isso significa que são
equipamentos que não foram testados para saber se atendem ao padrão WiMAX
Fixo e se também atendem aos requisitos de interoperabilidade.
4.1 SUB-PADRÕES WIMAX
4.1.1 Padrão IEEE 802.16
Durante o projeto para a especificação da camada física, a propagação em
linha de visada era tida como necessária e, portanto, foi escolhida uma modulação
mono-portadora, ou seja, com uma única portadora.
27
A linha de visada (Vide figura 06) é muito utilizada em enlaces de
microondas nos quais utilizam-se altas freqüências.
Algumas das aplicações bastante comuns atualmente para a visada direta
são os enlaces de satélite (TV via satélite, internet, etc) e backhaul, que são enlaces
transferindo voz e dados de sites remotos para as centrais de comutação.
FIGURA 06 – Enlace com visada e sem visada direta
Devido à configuração ponto-multiponto, a estação base transmite em TDM
(Time Division Multiplexing) e recebe sinais em TDMA (Time Division Multiple
Access). Depois de alguns estudos, foi escolhido um projeto que permite tanto o
TDD (Time Division Duplexing), que possibilita que o uplink e o downlink
compartilhem o mesmo canal, sem que ambos transmitam simultaneamente, e o
FDD (Frequency Division Duplexing), em que o uplink e o downlink operam em
canais separados, porém podendo operar ao mesmo tempo [38].
4.1.2 IEEE 802.16a e IEEE 802.16d
O projeto do IEEE 802.16a não prevê a operação sem linha de visada
(NLOS). Como se espera utilizar esta faixa de freqüências para transmissão
residencial, as antenas possivelmente estarão colocadas sobre as casas e prédios,
podendo impossibilitar uma linha de visada adequada com a antena da estação
base. Desta forma, uma propagação com múltiplos caminhos é esperada. Para
alcançar este tipo de operação sem linha de visada, foram necessárias mudanças na
camada física nessa faixa de freqüência, com a introdução de três novas
especificações (monoportadora (single carrier), FFT30 de 256 pontos OFDM e FFT
de 2048 pontos OFDMA). Sendo ratificada e emitida a norma IEEE 802.16d.
28
8O formato OFDM (Orthogonal Frequency Divison Multiplexing) foi escolhido,
em detrimento de outras tecnologias, pois possibilita uma melhor performance sem
linha de visada mantendo um alto nível de eficiência espectral maximizando o uso do
espectro disponível. A tecnologia CDMA (Code Division Multiple Access) requer que
a banda de rádio freqüência seja muito maior que a taxa de transmissão de dados
para poder sobrepor as interferências, o que é impraticável pois, para freqüências
abaixo de 11GHz, uma taxa de dados de aproximadamente 70Mbps precisaria de
uma banda de rádio freqüência superior a 200MHz se a modulação considerada for
limitada em relação ao número de bits / símbolo [38].
Algumas outras características da camada física que possibilitam que o
WiMAX seja robusto são: largura de canais flexível, perfis de rajada adaptativos,
corretor de erro com Reed-Solomon e codificação convolucional , sistema de
antenas avançadas opcional e seleção de freqüência dinâmica. O Quadro 01
fornece uma visão geral de algumas das características mencionadas acima.
QUADRO 01 – Características do WiMAX
Característica Benefício
FFT de 256 pontos OFDM Suporte para multicaminhos em ambientes sem linha
de visada
Modulação adaptativa
Possibilita um link de rádio freqüência robusta
enquanto maximiza o número de bits por segundo
que cada assinante recebe
Tamanho variável de canais
Possibilita a flexibilidade necessária para operar em
diferentes bandas de freqüência com variação dos
requisitos de canal ao redor do mundo
Projetado para suportar
antenas inteligentes
Habilidade para diminuir interferência e aumentar o
ganho do sistema
30
FFT (Fast Fourier Transform – Transformada rápida de Fourier) algoritmo computacional criado por Cooley e Tukey
1 em 1965 e é uma aplicação matemática melhorada derivada da TF (Transformada
de Fourier - inventada por Jean-Baptiste Fourier em 1807). Este algoritmo reduz consideravelmente a quantidade necessária de operações matemáticas. A TF decompõe uma função F(r� em componentes do número de onda k ou da freqüência f. A decomposição chama-se espectro da função.
29
4.2 TÉCNICAS DE CORREÇÃO DE ERRO
Técnicas de correção de erro FEC (Forward Error Correction) [39] -
foram incorporadas ao WiMAX para reduzir os requisitos de relação sinal ruído do
sistema. Algoritmos avançados como Reed-Solomon [40] e codificação
convolucional são, utilizados para detectar e corrigir erros para melhorar a eficiência
do sistema. Estas técnicas robustas de correção de erro ajudam a recuperar quadros
corrompidos que podem ter sido perdidos devido a problemas de transmissão.
Requisições automáticas de repetição (Automatic Repeat Request – ARQ) [41] são
usadas para corrigir erros que não podem ser recuperados pelos algoritmos de
verificação, através do reenvio da informação corrompida. Isto significativamente
melhora a taxa de erro por bit do sistema.
O FEC é uma técnica de correção de erros por prevenção, utilizada em
sistemas digitais. Consiste na inserção de bits de redundância na informação
transmitida e codificação apropriada do sinal, ou seja, bits de excesso são incluídos
no fluxo de dados despachados, de tal forma que um algoritmo de correção de erro
possa ser aplicado após a recepção para reduzir os erros. [42]
4.3 MODULAÇÃO
O padrão WiMAX disponibiliza três tipos de modulação básicas na
transmissão do sinal: QPSK, QAM-16 e QAM-64. Todas podem ser usadas sendo
que a modulação será adaptada e modificada de um modo para outro , segundo a
qualidade da comunicação, em conseqüência da distância do assinante à estação
base. É o que chamamos de modulação adaptativa.
4.3.1 Modulação Adaptativa
A modulação muda em função da distância do assinante à CPE, (vide figura
07). A curtas distâncias a modulação utilizada é mais complexa (QAM-64) e
conseqüentemente a taxa de bits é maior. Com o aumento da distância entre o
assinante e a estação base, redução da complexidade da modulação é exigida,
passando para QAM-16 e, finalmente, QPSK.
30
FIGURA 07 – Modulação Adaptativa
A modulação adaptativa confere grande robustez ao sistema. Tanto a
estação base quanto a CPE ficam em constante monitoramento do sinal. Uma vez
que o equipamento detecte que o sinal degradou mais do que o permitido para uma
determinada modulação o sistema automaticamente muda de uma modulação para
outra sempre visando QoS e alta taxa de transmissão.
O caminho inverso também é permitido, ou seja, quando um equipamento
percebe que o sinal está aumentando de qualidade e que é possível passar de uma
modulação mais simples para outra mais complexa, sempre visando uma alta taxa
de bits, ele o faz.
Na tabela 02 [43] pode-se perceber que quanto mais complexa for a
modulação (64-QAM) maior será a taxa de transmissão e sua eficiência. Fica
evidente ao de olhar a eficiência (bits/Hz). Isso pode ser observado a partir da
comparação entre as modulações.
31
TABELA 02 - Codificação do canal por modulação para o WiMAX
Modulação Tamanho do Bloco de Dados
Tamanho do Bloco
Codificado
Taxa Total de Código
Eficiência [bits/Hertz]
QPSK 23 48 ~ 1/2 1.0 QPSK 35 48 ~ 3/5 1.5
16-QAM 58 96 ~ 3/5 2.4 16-QAM 77 96 ~ 4/5 3.3 64-QAM 96 144 ~ 2/3 3.8 64-QAM 120 144 ~ 5/6 5.0
Nas modulações digitais, os bits do sinal de informação são codificados
através de símbolos. A modulação é responsável por mapear cada possível
seqüência de bits de um comprimento preestabelecido em um símbolo determinado.
O conjunto de símbolos gerado por uma modulação é chamado de constelação,
sendo que cada tipo de modulação gera uma constelação de símbolos diferentes.
Os símbolos nos quais as seqüências de bits de um sinal de informação são
transformadas é que serão modulados e transmitidos pela onda portadora.
A taxa de transmissão de dados disponibilizada por uma modulação é
diretamente determinada pela largura de banda do canal de transmissão e do tipo de
codificação dos bits (símbolos). Taxas elevadas de transmissão por largura de
banda ( bits/Hz ) são obtidas em modulações que apresentam um maior número de
símbolos para codificação dos bits (em ordem decrescente QAM64, QAM16, QPSK,
BPSK). Entretanto, as modulações com elevadas taxas de transmissão de dados
necessitam de uma boa qualidade da transmissão, o que reflete em um SNR (nível
de sinal-ruído) mais elevado.
O padrão IEEE 802.16 busca através de uma modulação adaptativa explorar
de forma otimizada, a melhor modulação para a qualidade da conexão possível.
Desta forma, entrega altas taxas de transmissão a grandes distâncias com eficiência
espectral relativamente imune às possíveis reflexões do sinal. A transmissão dos
dados se dá em entre taxas de transmissão de 1 a 75Mbps.
Basicamente, a distância entre a estação rádio base e o aparelho de
transmissão e as condições de propagação determinam a relação sinal-ruído da
transmissão. Desta forma, a estação base monitora o nível de sinal-ruído da
transmissão em relação a cada aparelho móvel. Assim, à medida que a qualidade do
sinal se deteriora, a estação base determina que a modulação da transmissão seja
32
modificada de forma a maximizar a taxa de transmissão de dados. Um procedimento
análogo é realizado quando a qualidade da relação sinal-ruído melhora, aumentando
a complexidade da modulação de fo rma a maximizar a taxa de transmissão de
dados. Assim, a estação base consegue realizar um compromisso entre alcance e
taxa de transmissão realizando uma modulação adaptativa dinâmica.[44]
4.3.2 Tipos de Modulação
A norma IEEE 802.16 [43] permite utilizar tanto a modulação QPSK
(Quadrature Phase Shift Keying) ou QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
4.3.2.1 Modulação QPSK
Na modulação QPSK (Quadrature Phase Shift Keying – Modulação por
Mudança de Fase em Quadratura ), que é derivada da modulação PSK31 são
utilizados parâmetros de fase e quadratura da onda portadora para modular o sinal
de informação. Como agora são utilizados dois parâmetros, existem mais tipos
possíveis de símbolos nesta constelação, o que permite que sejam transmitidos mais
bits por símbolo. 9
A Figura 08 ilustra em um diagrama de fase e quadratura (IQ) os 4
possíveis símbolos gerados pela modulação QPSK usando 2 bits por símbolo. Na
QPSK são utilizadas as fases de 0°, 90°, 180° e 270° para carregar informação a
fase da portadora carrega a informação relativa a qual bit está sendo transmitido.
(Ver Tabela 03). [44]
31 PSK (Phase Shift Modulation - Modulação por desvio de fase) consiste em variar a fase da portadora de acordo com os dados a serem transmitidos. “0" - realiza um deslocamento de fase igual a 0 grau e “ 1" - realiza um deslocamento de fase igual a 180 graus.
33
FIGURA 08 – Constelação QPSK
TABELA 03 – Modulação QPSK
Símbolo Mudança de Fase
00 0 graus 01 90 graus 10 180 graus 11 270 graus
4.3.2.2 Modulação QAM
Na modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation – Modulação de
Amplitude em Quadratura) tanto a fase como a amplitude da portadora variam e o
receptor tem que receber este sinal modulado, detectar a modulação e transformá-lo
de volta no sinal original.
A modulação 64-QAM permite mandar ainda mais bits por símbolo do que a
modulação 16-QAM, porém é necessária uma melhor relação sinal ruído para ser
possível sobrepor as interferências e manter uma determinada taxa de erro de bits.
[44]
4.3.2.3 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
A modulação OFDM também conhecida como discrete multitone modulation
(DMT), é uma técnica de transmissão baseada na idéia de multiplexação por divisão
de frequência (FDM) onde as portadoras estão suficientemente espaçadas de modo
a poderem ser recebidas utilizando filtros convencionais. Entretanto, para tornar a
34
filtragem possível, bandas de guarda têm que ser introduzidas entre essas
portadoras, o que resulta em uma diminuição da eficiência espectral .
Em um sinal OFDM é possível organizar as portadoras de forma que as suas
bandas laterais se sobreponham sem que haja interferência entre elas, resultando
em um ganho espectral de até de 50% em relação à técnica FDM. Para que isso
ocorra, as portadoras devem ser matematicamente ortogonais (vide figura 12),
linearmente independentes, ou seja, no domínio do tempo, o sinal em cada
portadora precisa ter um número inteiro de ciclos no período de símbolo, resultando
em zero o processo de integração do produto de todos os sinais no tempo. [45]
FIGURA 09 – Ortogonalidade entre as portadoras
Um sinal OFDM em banda base32 é a soma de várias sub-portadoras
ortogonais, com os dados de cada sub-portadora sendo independentemente
modulados usando alguma forma de QAM ou PSK. Este sinal em banda base é
usado para modular uma portadora principal usada para transmissão via rádio
freqüência. 10
As vantagens da utilização do OFDM são várias, incluindo elevada eficiência
espectral, imunidade contra multicaminhos e filtragem de ruído simples.
A modulação e demodulação OFDM são tipicamente feitas usando a
transformada rápida de Fourier (FFT) mas, antes de ser modulado na portadora,
32 Banda base é freqüentemente utilizada para a transmissão digital de dados, um único canal utiliza a largura de banda total disponível. Muito utilizada na transmissão de dados nas redes locais.
35
este sinal passa por diversas etapas de processamento que melhoram ainda mais a
performance alcançada pelo OFDM.
Primeiro, os dados são submetidos a sistemas de proteção de erro (FEC –
Forward Error Corrector) que são a inserção de um código corretor de erros como
por exemplo o Reed-Solomon33 e embaralhamento (scrambling), em que os bits de
um mesmo byte são todos misturados. Em seguida, os bits passam por um processo
de entrelaçamento ou interleaving , no qual eles são reorganizados de modo que bits
subseqüentes passam a ser separados no tempo. Desta forma, a informação torna-
se mais imune a erros do tipo rajada, que atingem bits subseqüentes, pois após este
processamento, estes erros passam a atingir bits pertencentes a diversos bytes
diferentes, que estão muito distantes na informação original. Isto torna mais fácil a
recuperação do sinal original no receptor.
No processo de modulação OFDM, diversas portadoras em freqüências
diferentes são utilizadas para modular o sinal digital, sendo que cada portadora
transporta apenas alguns bits do sinal original após passar pelos processos de
interleaving, embaralhamento, e incluir códigos de correção de erro.
Estas portadoras são ortogonais entre si, para evitar que haja interferência
entre elas. Isso significa que o espaçamento entre as portadoras é igual ao inverso
da duração de um símbolo. A Figura 10 mostra como as portadoras são separadas
no tempo e na freqüência. As portadoras são ilustradas com cores diferentes
mostrando que pedaços de um mesmo bit são transmitidos por portadoras distantes
entre si tanto no tempo como na freqüência.
36
FIGURA 10 – Portadoras OFDM
Estas portadoras podem ser moduladas utilizando, por exemplo, QPSK, 16-
QAM ou 64-QAM. Desta forma, cada portadora pode transportar uma taxa
relativamente alta de bits. Além disso, como cada parte do sinal é transportada por
uma portadora em uma freqüência diferente, isso permite também imunidade ao
sinal quanto à interferência em freqüências específicas, uma vez que somente uma
pequena quantidade de bits serão atingidos, os quais estão bem distantes no sinal
original.
Os símbolos modulados em QAM ou QPSK são apenas representações das
suas posições espaciais na constelação de símbolos no domínio da freqüência.
Fazendo-se a transformada inversa de Fourier (IDFT - Inverse Discrete Fourier
Transform ) [46] destes símbolos, eles são colocados no domínio do tempo em
portadoras ortogonais. Ao receber o sinal, o receptor deve apenas fazer a DFT
(Discrete Fourier Transform ) dos blocos de sinal recebidos, para obter o sinal
enviado [44].
A Figura 11 ilustra o esquema de modulação OFDM para o WiMAX segundo
a norma vigente. A informação é mapeada em um símbolo de duração Ts, que
compreende um intervalo de guarda Tg e o símbolo efetivo, de duração Tb. O tempo
de guarda Tg tem a função de aumentar a robustez ao desvanecimento por
multipercurso.
37
FIGURA 11 - Estrutura do Símbolo OFDM
A porção final de cada símbolo é ciclicamente copiada sobre porção
reservada ao intervalo de guarda originando um prefixo cíclico (CP - Cyclic Prefix),
que contribui para manter a ortogonalidade entre as sub-portadoras. Na Figura 12
pode-se observar os tipos de sub-portadoras da camada física.
FIGURA 12 – Distribuição das sub-portadoras em OFDM
As sub-portadoras piloto são utilizadas nos mecanismos de controle de
potência, ao passo que as sub-portadoras DC podem ser utilizadas como banda de
guarda dentro de um canal de banda larga.
4.4. TAXA DE TRANSMISSÃO
Com um esquema de modulação robusto, o WiMAX entrega elevadas taxas
de transmissão com longo alcance e uma grande eficiência espectral e que é
também tolerante às reflexões de sinais. A velocidade de transmissão dos dados
38
varia entre 1 Mbps e 75 Mbps, dependendo das condições de propagação, sendo
que o raio típico de uma célula WiMAX é de 6 Km a 9 Km.
Uma modulação dinâmica adaptativa permite que uma estação base negocie
a taxa de transmissão e o alcance do sinal. Por exemplo, se a estação base não
pode estabelecer um link robusto com um assinante localizado a uma grande
distância, utilizando o esquema de modulação de maior ordem, 64-QAM, a
modulação é reduzida para 16-QAM ou QPSK, o que reduz a taxa de transmissão,
porém aumenta o alcance do sinal.
4.5. 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. Isso permite
um melhor aproveitamento do espectro sem que se tenham faixas de freqüência não
utilizadas.
O operador pode aumentar a quantidade de usuários mantendo um bom
alcance do sinal e uma boa taxa de transmissão. O operador pode, também,
reutilizar o mesmo espectro em dois ou mais setores, criando uma isolação entre as
antenas da estação base.[47]
4.6. COBERTURA
O padrão 802.16 também suporta tecnologias que permitem a expansão de
cobertura, incluindo as tecnologias de smart antennas (antenas inteligentes) assim
como as tecnologias de topologia de rede mesh. [43]
4.7 ARQUITETURA E TOPOLOGIA DE REDE
O padrão IEEE 802.16d suporta duas topologias de rede: a ponto-multiponto
e opcionalmente a topologia mesh (malha). A topologia Mesh permite a comunicação
39
assinante-para-assinante em ambiente NLOS. O suporte a topologia foi também
estendido recentemente para as bandas licenciadas.
A topologia Mesh (vide figura 13) permite que a rede se ajuste
automaticamente em sua inicialização na entrada de novos dispositivos ou na perda
de dispositivos. Nesta situação existem múltiplos caminhos entre os diferentes nós e
a rede é auto-suficiente para otimizar o tráfego de dados. Usando esta configuração
podemos ter redes muito extensas, cobrindo largas áreas geográficas. [48]
FIGURA 13 – Topologia Mesh
4.7.1 A Arquitetura e Topologia de Rede do WiMAX
Para o WiMAX são definidos dois importantes elementos de rede:
• Base Station (BS – Estação Base)
• Subscriber Station (SS – Estação do assinante).
A BS realiza a interface entre a rede sem fio e uma rede núcleo (Core
Network), suportando interfaces IP, ATM, Ethe rnet ou E1/T1. A SS permite ao
40
usuário acessar a rede, por intermédio do estabelecimento de enlaces com a BS, em
uma topologia ponto-multiponto.
A topologia e a arquitetura de rede especificada pelo IEEE 802.16ª estão
ilustradas na Figura 14.
FIGURA 14 – Distribuição da rede WiMAX
4.8. 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 (pequenos atrasos) .
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 base. [47].
4.9 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, os aparelhos dos
assinantes (CPE´S) sofrem restrições quanto ao consumo de potência e à potência
41
máxima de transmissão, resultando em uma tendência natural para que a cobertura
seja limitada pelo enlace reverso.
Para minimizar o problema do desdobramento de cobertura entre os
enlaces, o padrão 802.16 adota a técnica de subcanalização, representada na
Figura 15 que consiste em um cenário hipotético onde a potência máxima de
transmissão da estação repetidora corresponde a 25% da potência máxima da
estação. Para compensar este desequilíbrio, a técnica de sub-canalização é
adotada, de modo que a informação é transmitida em apenas 25% das sub-
portadoras disponíveis, o que permite elevar a potência efetiva em um fator de
quatro vezes nas sub-portadoras selecionadas. O preço a ser pago pelo aumento de
cobertura por meio da subcanalização é a redução na vazão suportada pelo enlace
[49] .
FIGURA 15 – Subcanalização
5. APLICAÇÕES DO WIM AX
O WIMAX irá facilitar o desenvolvimento de uma série de aplicações de
Wireless Broadband (Figura 16) [50]. Ele pode cobrir vastas distâncias
complementando Wi-Fi e interligando essas redes através de links NLOS e LOS.
42
FIGURA 16 – Aplicações para o WiMAX
Abaixo algumas das possíveis aplicações para o sistema WiMAX:
Telefonia Móvel
• Serviço internet de banda larga móvel;
• Conexão ponto-a-ponto (backhaul )33;
• Comunicação móvel (em médio prazo): a Nokia está prometendo o
aparelho móvel em dois anos.
• Backhaul de rede Wi-Fi: a operadora de telefonia móvel agora tem a
opção de conectar redes Wi-Fi a custos bem competitivos e mais
baratos que ADSL;
Telefonia Fixa
• Serviço de internet de banda larga móvel mais barato que o tradicional
serviço com ADSL;11
• Conexão ponto-a-ponto e ponto-multiponto.
43
• Busca de clientes de renda mais elevada (classes A, B e até C), em
nichos não alcançados pela tradicional banda larga com ADSL;
• Comunicação Móvel (em médio prazo): a fixa vai competir com a
telefonia móvel a médio/longo prazo;
• Oferta de serviço de telefonia de VoIP34;
• Telefonia Rural.
• Aplicações corporativas privadas (campus networking) (por exemplo,
sistem a de multipagamentos bancários).
Outras Aplicações
• Projetos sociais de inclusão digital;
• Segurança Pública;
• Aplicações públicas comunitárias.
A Figura 17 demonstra os interesses de mercado e a Figura 18 ratifica
mostrando os clientes que essa tecnologia pode vir a abranger.
FIGURA 17 – Interesses de mercado para a tecnologia
12
33
Tecnologia para transmitir o tráfego de voz e dados de uma estação remota para uma estação central. 34
VOIP (Voice over IP – Voz sobre IP) é um conjunto de tecnologias que usa a Internet ou as redes IP privadas para a comunicação de Voz, substituindo ou complementando os sistemas de telefonia convencionais.
44
FIGURA 18 – Empresas e aplicações de mercado
5.1 BANDA LARGA SOB DEMANDA
A conexão com a internet em banda larga tem se tornado crítica para várias
empresas, que tendem a se deslocar para regiões onde o serviço esteja disponível.
Atualmente, quando é solicitada a instalação de uma rede banda larga em um local
que ainda não a possui, é comum que isso leve um tempo maior que um mês.
Prédios antigos podem apresentar dificuldades na passagem do cabeamento devido
a não terem sido projetados para esta finalidade. A tecnologia sem fio 802.16
permite que seja oferecido um serviço em poucos dias e com velocidade comparável
a das redes com fio, porém com um custo reduzido.
Esta tecnologia também possibilita que sejam disponibilizadas conexões em
alta-velocidade sob demanda para eventos temporários.[44]
5.2 BANDA LARGA RESIDENCIAL
Limitações práticas impossibilitam que as tecnologias a cabo e DSL
cheguem a muitos consumidores de banda larga em potencial. Sendo assim áreas
não servidas podem vir a aproveitar da tecnologia sem fio, sendo uma escolha
natural para áreas rurais e áreas com pouca densidade populacional. Nestas áreas,
o custo para implementação de redes cabeadas não compensa o retorno do
investimento. Como a tecnologia sem fio possibilita um custo mais baixo, é viável
que seja oferecido acesso em banda larga para áreas rurais antes não atendidas.
Estas aplicações são possíveis pelas seguintes características do WiMAX:
45
• Fornecimento de link de dados de NxE135 (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 e utilizar o
serviço em local diferente do usual.
• Instalação da CPE no modo plug and play36.
• Cobertura sem linha de visada. [44]
5.3 WIMAX HOTSPOT BACKHAUL
Hotspots37 Wi-Fi estão instalados em escala mundial de maneira cada
vez mais acelerada. Um dos obstáculos para o crescimento dos hotspots, no
entanto, é a disponibilidade de soluções backhaul de alta capacidade e que
ofereçam custo beneficio.
Estes problemas podem ser solucionados com o uso do WIMAX. [49]
5.4 WIMAX PARA INTERNET PORTÁTIL
As WLAN´s públicas, enquanto oferecem vários benefícios, são
limitadas em cobertura e capacidade de mobilidade. WIMAX contorna essas
limitações e oferece conectividade banda larga em áreas maiores (hotzones). Wi-Fi
e WiMAX são soluções complementares onde o Wi-Fi é mais adaptado para maiores
áreas de cobertura e conexões internas, e o WiMAX sendo mais adaptado para
maiores áreas de cobertura e conexões externas.[49] 13
35
A Interface para um Tronco E1 é um conjunto de dois cabos coaxiais (metálicos ou ópticos), um para transmissão [TX] e outro para recepção [RX], por onde passam 30 canais de voz digitalizados [01 a 15 e 17 a 31] e 1 canal de sinalização telefônica [16]. 36
Plug and Play, conecte e use, tem como principal característica a facilitação e automatização do reconhecimento de um novo dispositivo conectado a um equipamento. 37
Hotspot é o nome dado ao local onde a tecnologia Wi -Fi está disponível. São locais públicos como cafés, restaurantes, hotéis e aeroportos onde você pode se conectar à internet utilizando um notebook ou PDA.
46
6. INTEGRAÇÃO E INTEROPERABILIDADE COM OUTRAS TECNOLOGIAS
A expectativa é de que haja uma convivência padronizada em breve entre as
tecnologias Wi-Fi, WiMAX e a das redes 3G, uma vez que os grupos de
padronização têm buscado a interoperabilidade das redes e dos dispositivos,
objetivando orientar os fabricantes de equipamentos, de dispositivos e de sistema
nos próximos anos. Essa integração é essencial par a evolução das redes e
facilitará, potencializando a comercialização da tecnologia WiMAX.
O WiMAX pretende motivar um mercado de acesso banda larga 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.
a) Para os operadores de rede, esta interoperabilidade entre
equipamentos significa a não dependência de um fornecedor para o
desenvolvimento de sua rede.
b) Para os fabricantes de equipamentos significa menos tipos diferentes
de produtos a desenvolver e a produzir.
c) Para os Fabricantes de componentes, significa uma escala de
produção muito maior.
d) Para o usuário final significa acessos banda larga mais velozes e mais
baratos.
O estabelecimento de um padrão é essencial para a adoção em massa de
uma tecnologia, porém o padrão por si só não é suficiente para possibilitar a
interoperabilidade. Com o intuito de alcançar a interoperabilidade, o Forum WiMAX
se empenha para obter um conjunto único de parâmetros para o qual todos os
equipamentos devem obedecer. Estes parâmetros e uma série de protocolos de
testes visam estabe lecer um protocolo interoperável, possibilitando que
equipamentos de fabricantes diferentes se comuniquem, permitindo que os
compradores de equipamentos escolham qual o fabricante a ser utilizado [47].
47
7. ASPECTOS TÉCNICOS PARA O SISTEMA WIMAX
Após um embasamento do sistema WiMAX, o presente trabalho pretende
apresentar uma pré -especificação da cadeia de rádio baseado na norma IEEE
802.16 [43].
Um equipamento de rádio é utilizado com a finalidade de transmitir ou
receber mensagens e outras espécies de informações por intermédio de ondas
eletromagnéticas, incluindo-se nesta categoria os equipamentos destinados à
transmissão e recepção de imagens. Os equipamentos de rádio mais comuns são os
transmissores, os receptores e os transceptores, sendo este último uma combinação
dos dois primeiros.
A presente especificação baseia-se no padrão WirelessMAN – OFDM que se
restringe a camada física (PHY), sem linha de visada (NLOS) e na banda de 2 GHz
a 11 GHz.
7.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DOS EQUIPAMENTOS DE RÁDIO
O desempenho de um sistema de comunicação depende das características
dos equipamentos que o compõe. No Quadro 02 estão citadas as principais
características dos transmissores e receptores de rádio, estando incluída a antena,
por ser ela parte integrante de uma estação. A qualidade da comunicação e a
distância alcançada pelo sistema são proporcionais à potência do transmissor, ao
ganho das antenas e à sensibilidade do receptor, mantido constante as outras
características.[51]
QUADRO 02 – Características principais de antenas e equipamentos de rádio
ANTENAS
Freqüência
Ganho
Diretividade
Impedância característica
Tipo de polarização
TRANMISSORES
Freqüência de operação
Potência de saída
Tipo de modulação
RECEPTORES
Freqüência de operação
Sensibilidade
Seletividade
Tipo de modulação
48
7.2 BANDA DE FREQÜÊNCIA
Em todo o mundo o estudo deste padrão de comunicações tem sido
bastante difundido e os governos e órgãos que regulamentam os sistemas de
telecomunicações de cada país, já estão por liberar faixas de freqüência para
WiMAX. No entanto, as faixas para esse sistema não são as mesmas em todos os
países. A Tabela 04 mostra as faixas que podem ser utilizadas para WiMAX e as
que são liberadas em breve [52].
TABELA 04 – Freqüências alocadas para WiMAX
Banda Freqüência Licença Requerida
Disponibilidade
2.5 GHz 2.5 a 2.69 GHz Sim
Brasil, México, alguns países do sul da Ásia e U.S. (o WiMAX fórum inclui 2.3 GHz para U.S. nessa categoria de banda porque espera cobrir 2.3 GHz com 2.5 GHz) propriedade varia com o país.
3.5 GHz
3.3 a 3.8 GHz, mas preferencialmente 3.4 a 3.6 GHz
Sim, em alguns países
Na maioria dos países. (exceto U.S.) 3.4 GHz a 3.6 GHz está alocado para banda larga sem fio.
5 GHz 5.25 a 5.85 GHz
Não
Na faixa de 5.725 GHz a 5.85 GHz, muitos países permitem alta potência de saída (4 Watts) a qual pode melhorar a cobertura.
7.3 DUPLEXAÇÃO
O padrão de duplexagem pode ser escolhido em função do valor do
equipamento ou e de uma maior eficiência e é outro fator de grande importante do
sinal. Os sistemas de duplexagem são divididos em TDD, FDD e HFDD.
49
7.3.1 Tecnologia TDD
O padrão TDD (time division dupplexing) utiliza uma mesma banda de
freqüência para o transmissor e o receptor mas os canais de recepção e transmissão
são separados no domínio do tempo.
Assim essa tecnologia requer apenas um oscilador local (LO) para o rádio.
Além do mais, apenas um filtro é necessário e esse filtro é dividido entre a
transmissão (Tx) e a recepção (Rx). O sintetizador é um dos componentes mais
caros de um rádio. Como o TDD requer apenas um sintetizador, o circuito torna-se
menos caro. Outro ponto positivo dessa tecnologia é de que ela só necessita de
apenas um filtro de RF reduzindo o custo e espaço da placa. A Figura 19 mostra um
rádio TDD.
FIGURA 19 – Rádio TDD
Embora o TDD tenha todas as vantagens já citadas, há uma redução da taxa
de transmissão pois não há transmissão de dados enquanto o Rx estiver acionado.
O que já não ocorre nos sistemas FDD.
Sistemas TDD são mais utilizados em bandas não licenciadas porque
nessas bandas, as regulamentações de potência de saída são mais leves do que
nas bandas licenciadas [ 53].
7.3.2 Tecnologia FDD
Nos sistemas FDD (frequency division duplexing) os dados de transmissão
(Tx) e recepção (Rx) são transmitidos ao mesmo tempo mas em freqüências
diferentes.
50
Isso confere uma maior robustez ao sistema demandando também um maior
consumo de potência. Esse é um dos fatores que fazem dessa tecnologia uma
implementação mais cara que a TDD. Assim, FDD não é ideal para plataformas
portáteis ou rádios móveis.
Sistemas FDD são tipicamente utilizados em bandas licenciadas (5,8GHz,
2,5 GHz e 3,5 GHz), na qual o espectro torna-se caro porque é preciso pagar pelo
seu uso. O custo do uso do espectro força as concessionárias a servir tantos
usuários quanto possível. No entanto, para WiMAX, é apreciável que a estação base
trabalhe em FDD, mas para reduzir custos a estação repetidora deve operar em uma
estrutura HFDD. A Figura 20 demonstra como é um rádio FDD. [53]
FIGURA 20 - Rádio WiMAX FDD
7.3.3 Tecnologia HFDD
A tecnologia HFDD proporciona que o transceptor opere tanto em TDD
quanto em FDD. O HFDD (half frequency division duplexing) agrega as vantagens
do TDD e do FDD.
A estação base pode operar em FDD e reter a vantagem de maior
capacidade frente a sistemas TDD. Isso diminui o custo do rádio significativamente
na estação repetidora, na qual o custo da unidade deve ser reduzido.
Em HFDD, o custo reduzido aparece no filtro Rx/Tx, sendo que há apenas
um sintetizador na placa. Outro ponto a favor dessa tecnologia é de que ela pode
operar tanto em bandas licenciadas como não licenciadas. Logo, ela vem a se
adequar perfeitamente as necessidades do WiMAX .[53].
51
A Figura 21 mostra a arquitetura HFDD. Como existe uma separação de
freqüência entre o Rx e o Tx então um filtro de separação é necessário na entrada e
na saída.
FIGURA 21 – Arquitetura HFDD
7.3.4 Contrastes entre TDD, FDD e HFDD
O FDD usa o Tx/Rx simultaneamente mas , separados por canais,
freqüências, diferentes, H-FDD transmite em canais diferentes em tempos diferentes
enquanto que o TDD utiliza-se de tempos diferentes pra a transmissão e recepção.
A escolha da duplexação, afeta o custo e o tempo de projeto. Por exemplo,
um sistema FDD custará mais porque o Tx/Rx requer dois rádios completos e
transmitindo simultaneamente. Entretanto, FDD permitirá uma taxa de transmissão
maior, como a largura de banda é dedicada para o receptor e transmissor, e essa
largura de banda é usada simultaneamente. A figura 22 demonstra as três
tecnologias, onde DL é download (entrega de dados pela BS) e UL é uplod
(recebimento de dados pela BS).
Muitas indústrias líderes de mercado acreditam que a BS usará
o modo FDD devido a sua alta taxa de transmissão, enquanto que a SS usará
duplexagens de custo menor como TDD ou o H-FDD.
52
FIGURA 22 – Transmissão em TDD, FDD e HFDD (FDD/TDD)
O HFDD pode ser uma alternativa bastante atrativa porque tem um único
rádio, um único sintetizador e custo similar ao TDD. A chave está em fazer com que
o sintetizador do H-FDD seja capaz de trocar entre Tx e Rx em um tempo entre 100
ms. Isso porque o não transmite e recebe o sinal ao mesmo tempo, a filtragem é
menos requisitada comparada ao FDD [54].
7.4 LARGURA DO CANAL
O WiMAX possibilita canalização desde 1.75 MHz a 20 MHz para o espectro
licenciado. Quanto maior a largura do canal, maior será a taxa de transmissão. A
canalização é variável em função da modulação e da distância da CPE a estação
base.
Por exemplo, se um fornecedor de serviço, Europeu, que opera na faixa de
3,5 GHz, e tem alocado 14 MHZ de espectro, é provável que ele deseje que o
equipamento suporte canais com largura de banda de 3,5 e/ou 7 MHz e,
dependendo das exigências regulatórias, opere em TDD ou de FDD. Similarmente,
um WISP (Wireless Internet Service Provider) nos Estados Unidos que usa o
espectro licenciado-isento na faixa de 5.8GHz pode desejar que o equipamento
suporte TDD e uma largura de banda de 10 MHz.
7.5 MODULAÇÃO
A norma IEEE 802.16 [43] estipula valores de SNR (Signal Noise Ratio –
Relação Sinal Ruído) que devem ser atingidos. (Vide tabela 05).
53
TABELA 05 – Modulação x SNR
Modulação Ruído SNR [dB]
BPSK 6
QPSK 9
16-QAM 16
64-QAM 22
7.6 PARÂMETROS OFDM PARA O WIMAX
7.6.1 Parâmetros Primitivos
Quatro parâmetros primitivos caracterizam os símbolos OFDM:
• BW: Largura de banda do canal
• Nused: Número de sub-portadoras
• N: Fator de amostragem. Esse parâmetro junto com o BW e o Nused
determinam o espaçamento das sub-portadoras.
• G: Taxa de tempo útil do CP.
7.6.2 Parâmetros Derivados
• NFFT : Menor potência de 2 e maior do que Nused
• Freqüência de amostragem Fx: fundo(n*BW/8000)*8000
• Espaçamento entre portadoras ∆f=Fx/NFFT
• Símbolo de tempo efetivo Tb=1/∆f
• Tempo de CP : Tx = G*Tb
• Símbolo de OFDM: Tx=Tb + Tg
• Tempo de amostragem: Tb /NFFT
7.6.3 Parâmetros do sinal Transmitido
Os parâmetros do sinal transmitido são dados No tabela 06 a seguir.
54
TABELA 06 – Parâmetros do Símbolo OFDM
PARÂMETRO VALOR
NFFT 256
NUSED 200
Largura do Canal
Múltiplo de:
n
1,75 MHz 8/7
1,50 MHz 86/75
1,25 MHz 144/125
2,75 MHz 316/275
2,00 MHz 57/50
N
OUTROS 8/7
G 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
Nº de portadoras de baixa
freqüência
28
Nº de portadoras de alta freqüência 27
7.7 CONTROLE DE POTÊNCIA
Algoritmos de controle de potência são usados para melhorar a performance
geral do sistema, sendo implementados através do envio de informação de controle
de potência pela estação base a cada CPE, para que estas regulem o nível de
potência de transmissão de forma que o nível de potência recebido pela estação
base se encontre em um valor pré -determinado. Em um ambiente onde a atenuação
provocada pelo ambiente muda constantemente com a distância as CPE s irão
transmitir apenas potência suficiente para satisfazer os valores pré -determinados
pela estação base.
O controle de potência reduz o consumo de potência total do CPE e a
interferência potencial com outra estação base. [49]
55
7.8 DIVERSIDADE DE TRANSMISSÃO
Há um modo de transmissão opcional que possibilita que a estação base
tenha duas antenas de transmissão e a estação repetidora apenas uma. É a
codificação espaço-tempo (STC) (ou espaço-freqüência) que é onde os sinais são
transformados e delegados à antenas, freqüências ou símbolos específicos no
tempo. Este é um mecanismo para diminuir os efeitos do enfraquecimento do sinal
de multicaminhos, que pode oferecer um ganho maior do que a diversidade
comutada dependendo da implementação e do ambiente. Para os dispositivos
WiMAX o código espaço-tempo conhecido como código Alamouti é o que se
pretende usar.[55]
Esse esquema requer uma estimação de canal em MISO (Multiple Input
Silge Output) [56]. A Figura 23 mostra a inserção do STC na cadeia OFDM. Cada
antena Tx tem sua cadeia OFDM, mas elas possuem o mesmo oscilador local para
propósitos de sincronização.
Ambas as antenas transmitem ao mesmo tempo símbolos diferentes de
OFDM, mas como mesmo oscilador local. Assim, o receptor tem exatamente as
mesmas propriedades de auto-correlação para a antenas comum. [43]
FIGURA 23 – Ilustração do STC
56
8. ESPECIFICAÇÃO DOS PARÂMETROS DO TRANSCEPTOR WIMAX
O transceptor possui um transmissor (Tx) e um receptor (Rx). Baseando-se
no padrão IEEE 802.16 [43], a seguir será mostrado os parâmetros que o
transceptor deverá atender e sobre que aspectos deverá funcionar.
8.1 BANDA DE FREQÜÊNCIA
O dispositivo deverá operar entre 2 e 11 GHz cobrindo a faixa de
WirelessMAN-OFDM do sistema WiMAX e tem por objetivo sistemas NLOS.
8.2 RECEPTOR
Dois aspectos são de grande importância para um receptor: seletividade e
sensibilidade.
A seletividade é a capacidade de selecionar o sinal desejado dentre os
demais sinais a que o receptor está recebendo. Enquanto que a sensibilidade é a
capacidade de detectar sinais de baixa intensidade [51].
A norma IEEE 802.16 especifica que o NF (noise figure – figura de ruído)
deve ser de no máximo 7dB. [43]
A sensibilidade do rádio é calculada com base nas informações descritas
nos tópicos 7.5.1, 7.5.2 e 7.5.3., através da fórmula que segue:
Rss=-102+SNRRX + 10 log (FS (Nusado/NFFT*Nsubcanal/16)
Os valores de SNRRx são dados pelo tabela 07.
BER medido depois do FEC menor do que 10-6
Nsubcanal: igual a 16 sem subcanalização
57
TABELA 07- Valores de SNR no Receptor [22]
Modulação Taxa de
Código
RECEPTOR SNR
[dB]
BPSK 1/2 6.4
1/2 9.4 QPSK
3/4 11.2
1/2 16.4 16-QAM
3/4 18.2
64-QAM 2/3 22.7
3/4 24.4
Substituindo-se os dados da equação, obtêm-se os seguintes valores de
sensibilidade para cada taxa de código das modulações: (tabelas 08 e 09).
TABELA 08 – Sensibilidade do Receptor
BPSK QPSK BW
1/2 ½ ¾
1,75E+06 6,4 -72,69 9,4 -69,69 11,2 -67,89
1,50E+06 7,4 -72,35 10,4 -69,35 12,2 -67,55
1,25E+06 8,4 -72,12 11,4 -69,12 13,2 -67,32
2,75E+06 9,4 -67,71 12,4 -64,71 14,2 -62,91
2,00E+06 10,4 -68,12 13,4 -65,12 15,2 -63,32
TABELA 09 – Sensibilidade do Receptor
16-QAM 64-QAM BW
½ 3/4 1/2 3/4
1,75E+06 16,4 -62,69 18,2 -60,89 22,7 -56,39 24,4 -54,69
1,50E+06 17,4 -62,35 19,2 -60,55 23,7 -56,05 25,4 -54,35
1,25E+06 18,4 -62,12 20,2 -60,32 24,7 -55,82 26,4 -54,12
2,75E+06 19,4 -57,71 21,2 -55,91 25,7 -51,41 27,4 -49,71
2,00E+06 20,4 -58,12 22,2 -56,32 26,7 -51,82 28,4 -50,12
58
8.2.1 Nível de interferência de canal adjacente
O sistema deve alcançar o mínimo de interferência de canal adjacente e
alternado como mostrado na tabela 10.
TABELA 10 - Mínima Interferência de canal adjacente e alternado
BER 10-3 para 3dB
de degradação BER 10-3 para 1dB
de degradação
BPSK -12 BPSK -8 QPSK -9 QPSK -5
16-QAM -2 16-QAM 2 64-QAM 5 64-QAM 9
Interferência do 1º Canal Adjacente
256-QAM 12 256-QAM 16 BPSK -37 BPSK -33 QPSK -34 QPSK -30
16-QAM -27 16-QAM -22 64-QAM -20 64-QAM -16
Interferência do 2º Canal Adjacente
256-QAM -13 256-QAM -9
8.2.2 Demais Dados do Receptor
• Máxima potência de entrada: -40dBm
• Máximo sinal tolerado: máximo de 0dBm sem danos.
• Rejeição de Imagem: 60dB.[22]
8.3 TRANSMISSOR
8.3.1 Potência de Saída.
A potência de saída para o transmissor é dada pela tabela 11 [58].
TABELA 11 – Potência de Saída
BPSK 23 dBm
QPSK 23 dBm
16-QAM 20 dBm
64-QAM 17 dBm
59
8.3.2 Linearidade da Potência de Saída
No caso do WiMAX, a linearidade da potência de saída pode ser
determinada através do EVM (Error Vector Magnitude) [59] que corresponde ao
máximo erro de magnitude observado para o vetor da modulação em quadratura
(vetor é dado a partir da origem até o ponto). É uma diferença de medição entre a
forma de onda ideal e a forma de onda medida. Não deve ser maior do que 3,10%,
assumindo para o pior caso, QAM-64.
8.3.3 Nível de Ruído de Saída
O sinal transmitido não deve ter um SNR38 menor do que 40 dB no ponto de
alimentação da antena de transmissão.
8.3.4 Erro de Constelação
O sinal de erro de constelação é o erro entre o símbolo da constelação
recebida (ruído) e o mais perto do ideal [60].
O erro de constelação permitido é dado pela tabela 12 a seguir: 14
TABELA 12 – Erro de Constelação
Modulação
Erro Relativo de Constelação
[dB]
BPSK-1/2 -13.0
QPSK-1/2 -16.0
QPSK-3/4 -18.5
16-QAM-1/2 -21.5
16-QAM-3,/4 -25.0
64-QAM-2/3 -28.5
64-QAM-3/4 -31.0
60
8.3.5 Demais especificações
Controle de Potência: 0,5dB de degrau. De -64 dBm a 63.5 dBm.
Nivelamento Espectral: Diferença entre sub-portadoras não deve exceder
0,1dB. (Quadro 03)
QUADRO 03 – Nivelamento Espectral da portadora OFDM
Linha Espectral Nivelamento Espectral
Linha Espectral de -50 a -1 e +1 a
+50
± 2dB de energia medida média sobre
todos os 200 tons ativos
9. CONCLUSÃO
38 SNR (Signal to noise ratio – Relação Sinal Ruído) é a relação entre a potência do sinal e o ruído de
61
O padrão WiMAX vem cada vez mais se despontando no mercado mundial e
promete revolucionar as redes atuais tanto fixas como móveis , provendo links
rápidos e maior largura de banda ao usuário.
Há previsões de que o WiMAX venha preceder a 4G (telefonia de quarta
geração). Ainda é possível concluir que os provedores dos serviços de
telecomunicações estarão livres dos altos custos de cabeamento para construir uma
nova rede, permitindo a eles prover um serviço mais barato e amplo de banda larga
em áreas antes inexploradas.
Um outro fator importante é a interoperabilidade e a variedade de serviços
suportados pelo 802.16, o que deve garantir a sua rápida adoção, justificando a
expectativa de ser a próxima revolução sem fio.
Visando a interoperabilidade e a breve inserção do padrão WiMAX no
mercado mundial, no presente trabalho foi proposto apresentar uma visão geral do
sistema. Mostrando as grandes qualidades e as contribuições que esse padrão
poderá trazer ao mercado corporativo, residencial e rural.
No entanto o que o trabalho procurou focar foram os aspectos técnicos do
sistema, para contribuir aos aspectos científicos, no desenvolvimento de futuros
equipamentos baseados nessa tecnologia sem fio.
Aspectos já conhecidos do mundo das telecomunicações como
multiplexação, modulação e modelo de camadas foram expostos para que com base
nesses já conhecidos assuntos e outros mais recentes como códigos corretores de
erros, modulação ortogonal, HFDD, etc; fosse de mais claro entendimento o modo
de operação do sistema WiMAX.
A norma IEEE 802.16 permite que o WiMAX possa despontar no mercado
mundial como uma tecnologia que devido às suas carac terísticas técnicas se molda
ao ambiente em que será implantado.
A modulação adaptativa e o uso de antenas MIMO farão do WiMAX uma
tecnologia robusta e de rápida aceitação.
Após todo o estudo e embasamento proposto, espera-se que as informações
aqui contidas venham colaborar para futuros estudos e desenvolvimentos sobre
essa tecnologia.
fundo, medida em decibéis (db). Quanto maior o número, mais pura é comunicação de dados.
62
10. GLOSSÁRIO
3G Third-generation Mobile Telephone Technology
AAS Advanced Antenna Design
ARQ Automatic Repeat Request
ASK Amplitude Shift Keying
ATM Asynchronous Transfer Mode
BER Bit Error Rate
BPSK Binary Phase Shift Keying
BW Bandwidth
CDMA Code Division Multiple Access
CPE Customer Premise Equipment
DES Data Encryption Standard
DFT Discrete Fourier transformer
DSL Digital Subscriber Line
DSS Direct Sequence Spread Spectrum
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
ETSI European Telecommunications Standards Institute
EV-DO Evolution Data Optimized
FCC Federal Communications Commission
FDD Frequency Division Duplex
FEC Forward Error Correction
FFT Fast Fourier Transform
FSK Frequency Shift Keying
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global system for Mobile Communications
HDLC High-level Data Link Control
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP Internet Protocol
ISO International Standards Organization
LLC Logical Link Control
LOS Line of Sight
MAC Media Access Control
MIMO Multiple Input Multiple Output
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NLOS Non Line of Sight
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access
OSI Open Systems Interconnection Reference Model
PHY Physical Layer
PSK Phase Shift Keying
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QoS Quality of Service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
RF Radio Frequency
SIG Special Interest Group
SNR Signal Noise Ratio
TCP Transfer Control Protocol
TDD Time Division Duplexing
TDM Time Division Multiplexing
TDMA Time Division Multiplexing Access
UDP User Datagram Protocol
UMTS Universal Mobile Telecommunications Systems
UWB Ultra Wide Band
WCDMA Wide Band Code Division Multiplex Access
WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
WISP Wireless Internet Service Provider
WLAN Wireless local Area Network
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
WPAN Wireless Personal Area Network
64
11. REFERÊNCIAS
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