Wimax
INTRODUÇÃO
Este trabalho tem por objetivo descrever os fundamentos da tecnologia WIMAX, enfocando os padrões adotados, características técnicas e tendências de mercado.
O uso da internet tem sido ao longo dos anos uma importante ferramenta de conexão mundial, sendo que hoje é praticamente impossível imaginar um mundo sem ela. A última variante deste serviço é a internet sem fio, que possibilitam ao usuário maior liberdade, o imediatismo e a mobilidade que a comunicação móvel oferece.
Contudo, este mercado ainda está dando os primeiros passos, pois a disponibilidade deste serviço ainda é limitada e com custo alto para a maioria da população. Mas a perspectiva de mercado é que a rede wireless torne-se mais acessível, permitindo uma maior inclusão social e uma banda larga de maior velocidade. Com o advento de equipamentos nesta área, espera-se num futuro próximo que os usuários móveis sejam capazes de acessar a rede de qualquer lugar do mundo, tendo a mesma qualidade de serviço da internet fixa, somado com o diferencial da mobilidade. Uma destas tecnologias sem fio é o Wimax, que veremos a seguir.
O QUE É WIMAX: BWA
WIMAX (Worldwide Interoperability for microwave access), interoperabilidade mundial para acesso sem fio é uma tecnologia de acesso BWA (broadband Wireless Access), ou seja, banda larga sem fio em alta velocidade. É uma evolução do WI - FI, mas ao contrário deste permite taxas maiores de transmissão de dados, aumento na área de cobertura, sendo uma alternativa mais econômica e viável.
O WiMAX é sustentado pelo WiMAX Forum (www.wimaxforum.org), que tem como missão principal garantir a compatibilidade e interoperabilidade entre os equipamentos baseados no padrão IEEE 802.16, e é composto predominantemente por fabricantes de equipamentos de chipsets. O WiMAX Forum é o equivalente ao WI-FI Alliance, responsável pelo grande desenvolvimento e sucesso do WI-FI (wireless fidelity) em todo o mundo.
Por meio das funcionalidades suportadas pelo WIMAX, uma grande variedade de serviços de banda larga sem fio será viabilizada, incluindo voz sobre IP (Voip) e vídeo sob demanda.
PADRÕES UTILIZADOS NO WIMAX
O padrão utilizado no WIMAX é o IEEE 802.16 (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Instituto de engenheiros elétricos e eletrônicos) para redes metropolitanas sem fio, também conhecido como IEEE WirelessMAN. O grande diferencial do WIMAX através do padrão IEEE 802.16 é disponibilizar o acesso banda larga sem fio para novas localizações cobrindo distâncias maiores, sem a necessidade de investimento em uma infra-estrutura de alto custo (como ocorre com uma rede de acesso banda larga cabeada) e sem as limitações de distância das tecnologias DSL. O padrão visa também resolver o problema da última milha, que é o ponto de acesso da central até o assinante final, através da redução do custo de implantação e do tempo necessário para se conectar residências e escritórios aos troncos das linhas de comunicação.
O padrão especifica duas faixas no espectro de freqüência: 2 a 11 GHz (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 freqüências utilizadas.
Desde sua versão inicial publicada em abril de 2002, o padrão IEEE 802.16 sofreu diversas modificações e incrementos que permitiram maior QoS, interoperabilidade, acesso ao meio sem visada direta e testes de conformidade. WIMAX utiliza atualmente duas arquiteturas para o padrão IEEE 802.16, fixa (“nomádico”) e móvel, que serão descritas a seguir:
Rede Fixa: IEEE 802.16 REVd
O padrão IEEE 802.16-REVd: é a atualização do padrão 802.16 que consolida as revisões dos padrões 802.16a (faixa de freqüência de 2 a 11GHz) e 802.16c (interoperabilidade, protocolos e especificação de testes de conformidade) em um único padrão, substituindo o 802.16a como o padrão base. Entre as alterações pode-se destacar a provisão de suporte para antenas MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), o que aumenta a confiabilidade do alcance com multipercurso. Facilita instalações com o uso de antenas indoor.
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 BSs; e rede de última milha, quando um sinal WiMAX chega no ponto de acesso do assinante final.
A figura abaixo mostra uma rede WIMAX, onde é utilizada como backhaul para uma rede Wi-Fi (IEEE 802.11). O WiMAX neste caso é utilizado para interligar os Hot-Spots da rede Wi-Fi e esta fornece acesso aos clientes finais, e possivelmente esta será uma das primeiras aplicações da rede. A figura apresenta também o WiMAX sendo utilizado diretamente no acesso dos clientes finais utilizando as topologias, ponto a ponto, ponto multiponto (PMP) e mesh.
WiMAX Chegando aos Clientes Finais
Neste caso é necessário se instalar uma antena WiMAX no assinante. Tipicamente, esta antena é montada no telhado, sendo a instalação semelhante a uma antena de TV por satélite. Nesta arquitetura não é necessário que o cliente possua visada direta com a Base-Station, com a comunicação ocorrendo através de múltiplos-percursos. Neste caso o WiMAX é utilizado como uma alternativa para o cliente ter acesso aos serviços de voz e dados sem depender da disponibilidade da operadora local possuir infra-estrutura fixa no local.
Rede móvel: IEE 802.16 REVe
O padrão IEEE 802.16e adiciona especificações de mobilidade e portabilidade (WMANs móveis). A mobilidade veicular (até 150 Km/h) é suportada neste padrão através da largura de banda limitada (um máximo de 5 MHz), velocidade mais lenta e antenas menores. Em freqüências inferiores a 3.5 GHz pode oferecer concorrência à tecnologia celular com alcance de 2 a 5 Km (nas cidades). Provavelmente, as estações do assinante serão bastante semelhantes as estações Wi-Fi podendo chegar até a telefonia móvel.
Panorama entre as topologias ponto multiponto e mesh (multiponto - a - multiponto)
- Ponto multiponto:
A primeira topologia desenvolvida para as redes WIMAX foi a ponto-multiponto, que permite apenas a comunicação entre a estação base e as estações assinantes, ou seja, toda comunicação de uma estação de assinante passa sempre pela estação base.
A topologia ponto-multiponto é mais barata, pois reduz-se a complexidade e a necessidade de equipamentos mais sofisticados (roteadores e comutadores) nas estações dos assinantes. Em resumo, a topologia PMP é bastante semelhante a uma rede de telefonia celular, com a exceção de que por enquanto os assinantes são fixos.
- Multiponto a multiponto:
Na topologia mesh (malha), o tráfego pode ser roteado através das estações assinantes, passando diretamente entre elas sem passar pela estação base, ou seja, cada estação funciona como um “nó repetidor”, distribuindo tráfego para as estações vizinhas. Uma SS pode se conectar a uma ou mais SS intermediárias, até atingir a BS. Neste caso, trata-se de uma rede multihop, que permite uma variedade de rotas entre o núcleo da rede e qualquer estação assinante.
Devido às limitações de linha de visada, em grandes cidades, torna-se difícil atender a todos os clientes de forma abrangente. Para aumentar a quantidade de usuários, sem acrescentar novas BSs (de custo elevado), a topologia mesh surge como uma alternativa para este problema.
Comparativo entre os padrões REVd e REVe:
A tabela abaixo mostra as diferenças entre os dois padrões:
COMO É FEITA A COMUNICAÇÃO NO WIMAX
De acordo com o padrão IEEE 802.16d, a provisão de acesso banda larga sem fio nas redes metropolitanas será inicialmente através do acesso “fixo sem fio”. Nesta topologia, uma estação base funciona como backbone e conectada a rede publica. Esta estação comunica-se com as demais, fornecendo acesso a centenas de estações assinantes fixas, que podem ser tanto hot spots Wi – Fi públicos quanto redes empresariais protegidas por firewalls.
A camada MAC (camada de controle de acesso ao meio) é usada pelas estações base para alocar largura de banda nos canais de uplink e downlink para os assinantes de acordo com suas demandas, utilizando a camada física que se adeque a faixa de freqüência em uso. A figura abaixo apresenta a camada física e de controle de acesso ao meio (MAC) definidas no padrão 802.16:
Definição da camada de controle de acesso ao meio: MAC
O protocolo MAC IEEE 802.16 foi projetado para aplicações de acesso banda larga sem fio ponto-a-multiponto. Ele atende à necessidade de altas taxas de transmissão, tanto para uplink quanto para downlink. Através de algoritmos para alocação de largura de banda e controle de acesso centenas de terminais são alocados por canal, onde estes terminais podem ser compartilhados por vários usuários. Os serviços solicitados pelos usuários são variados e incluem transmissão de voz e dados, conectividade IP, voz sobre IP (VoIP), entre outros.
Para oferecer suporte a essa variedade de serviços, o MAC 802.16 deve acomodar tráfego contínuo e de rajada. Adicionalmente, esses serviços irão associar níveis de QoS de acordo com o tipo de tráfego. O MAC 802.16 provê uma larga escala de tipos de serviço, análogos às categorias de serviço mais clássicas como as do ATM (Asynchronous Transfer Mode) até categorias mais recentes tais como o GFR (Guaranteed Frame Rate). Além disso, oferece suporte às várias especificações da camada física, personalizadas para a faixa de freqüência em uso, e às regulamentações associadas a mesma.
A tabela abaixo apresenta as principais funções desempenhadas pela camada MAC:
Sub-camada de Convergência Específica:
Esta subcamada inclui as funcionalidades específicas de adaptação necessárias aos possíveis clientes da rede WiMAX. Estas funcionalidades são ditas específicas porque diferem para cada tecnologia cliente. Atualmente, apenas 2 especificações da subcamada de convergência (CS) estão disponíveis: a ATM CS e a Packet CS:
ATM CS: Interface lógica que associa diferentes serviços ATM com a subcamada de convergência comum da MAC.
Packet CS: É usada para o transporte de todos os protocolos baseados em pacotes tais como: IP, PPP e Ethernet.
Sub-camada de Convergência Comum:
Esta subcamada inclui as funcionalidades comuns de adaptação necessárias aos possíveis clientes da rede WiMAX. Estas funcionalidades são comuns porque são as mesmas para todas as tecnologias cliente. Dentre as principais funções desempenhadas pela sub-camada CPS estão:
- Escalonamento e alocação dinâmica de recursos de transmissão.
- Estabelecimento e manutenção de conexões.
- Suporte à topologia da rede.
- Controle de acesso e resolução de contenções.
- Construção e transmissão do MAC PDU.
- Suporte à retransmissão.
- Suporte à camada física.
- Suporte ao ajuste adaptativo das técnicas de transmissão digital em função do meio de transmissão (Ranging).
- Inicialização das estações.
- Suporte ao multicast.
- Suporte à qualidade de serviço.
Sub-camada de Segurança:
Dentre as principais funções desempenhadas pela sub-camada de segurança estão:
- Sigilo de informações.
- Autenticação e autorização.
- Troca de chaves.
- Certificação digital.
Essa sub-camada fornece privacidade aos assinantes da rede wireless através da encriptação das conexões entre a SS (suscriber station) e a BS (base station). Ela provê também uma forte proteção contra roubo de serviços. A BS protege contra acessos não autorizados aos serviços de transporte de dados forçando a encriptação dos serviços de fluxo através da rede.
Alguns aspectos importantes na camada MAC:
Endereçamento MAC:
Cada estação de usuário tem um endereço MAC de 48 bits único na rede de acordo com o padrão IEEE 802-2001, utilizado para estabelecer conexões e autenticar SSs e BSs. Na topologia em malha, além do endereço de 48 bits existem ainda dois outros identificadores usados para estabelecer as conexões: Node ID (16 bits) e Link ID (8 bits). O Node ID é a base para identificar os nós da rede e o Link ID é usado para identificar os seus nós vizinhos através dos enlaces físicos existentes entre cada nó. Estes endereços são usados apenas para estabelecer as conexões, já que o WiMAX é uma tecnologia orientada a conexão.
Estabelecimento e Manutenção de Conexões MAC:
As conexões WiMAX são identificadas por identificadores de 16 bits chamados CID (Connection ID). Assim, podem existir no máximo 64000 conexões dentro de cada canal de uplink e downlink. Na topologia PMP, durante o processo de inicialização de uma SS, dois pares de conexões de gerência (uplink e downlink) devem ser estabelecidos entre a SS e BS: conexão básica e conexão primária de gerência. A conexão básica é usada para enviar pequenas mensagens de gerência urgentes entre a SS e a BS. A conexão primária é usada para enviar mensagens de gerência não tão urgentes e maiores, tolerantes a atrasos.
Camada Física - Modulação empregada:
A intensidade do sinal e a relação sinal/ruído diminuem em função distância relativa à estação base. Por essa razão, o padrão IEEE 802.16 emprega três esquemas de modulação diferentes, dependendo da distância que a estação do assinante se encontre em relação à estação base, como representado na figura abaixo. Para assinantes próximos, é usado o 64 QAM, com 6 bits/símbolo. No caso de assinantes situados a uma distância média, é usado o 16 QAM, com 4 bits/símbolo. Para assinantes distantes, é usado o QPSK, com 2 bits/símbolo. Por exemplo, para um valor típico de 25 Mhz de espectro, o 64 QAM oferece 150 Mbps, o 16 QAM oferece 100 Mbps, e o QPSK oferece 50 Mbps, ou seja, quanto mais distante o assinante estiver em relação à estação base, mais baixa será a taxa de transmissão de dados. A figura abaixo mostra os tipos de modulação empregados dependendo da distância do usuário:
Dentre as principais funções desempenhadas pela camada física estão:
- Transmissão dos MAC PDUs.
- Definição das técnicas de transmissão digital: modulação e codificação.
- Definição de espectro.
- Correção de erro direta.
- Definição da técnica de duplexing.
- Construção dos frames e sub-frames de transmissão.
O projeto do IEEE 802.16a (2 – 11GHz) cobre as bandas licenciadas e não licenciadas descritas a seguir:
- As bandas licenciadas compreendem as freqüências de 3,5 GHz e 10,5 GHz (com algumas variações). Nos EUA por exemplo cobrem a faixa de 2,5 - 2,7 GHz (a Nextel e a Sprint são proprietárias de quase 2/3 desta banda). No Brasil, a EMBRATEL possui a banda de 3,5 GHz e a Brasil Telecom as bandas de 3,5 GHz e 10,5 GHz. Alguns WISPs (Wireless ISP) brasileiros também possuem a banda de 3,5 GHZ.
- As bandas não licenciadas compreendem as freqüências de 2,4 GHz e 5,8 GHz. Como o Wi-Fi também utiliza a banda de 2,4GHz, seria ideal para o mercado que o WIMAX, projetado para transmissões outdoor em longas distâncias, utiliza-se a banda de 5,8 GHz, permitindo portanto a operação em uma faixa não poluída.
O projeto da camada física do padrão IEEE 802.16a foi muito influenciado pela necessidade de operação NLOS, ou seja, sem visada direta. Isto pode ser observado no contexto das aplicações residenciais. A operação em visada direta neste cenário seria inviável, pois os telhados das residências podem ser tão baixos que não obtenham uma linha de visada direta com as antenas posicionadas nas estações base, possivelmente devido à obstrução provocada por árvores, torres ou ainda outros prédios. Isto justifica o uso da propagação multipercurso (NLOS).
Dentre os diferentes formatos de sinalização, o OFDM foi o escolhido por oferecer suporte NLOS com bom desempenho ao mesmo tempo em que mantém um alto nível de eficiência espectral, maximizando o uso das freqüências disponíveis. Através do OFDM é possível a transmissão de múltiplos sinais simultaneamente, em diferentes freqüências, com o espaçamento ortogonal destas freqüências para evitar interferências.
INICIALIZAÇÃO DA ESTAÇÃO BASE
A figura abaixo mostra o processo que uma estação assinante deve estabelecer com a BS correspondente, a fim de se autenticar na rede. O processo de inicialização da SS pode ser descrito nas seguintes etapas:
- Fazer uma busca (scan) por um canal de downlink e estabelecer sincronização com a BS: A SS pode fazer uma chamada para um canal de downlink que esteja armazenado em sua memória ou rastrear continuamente por novos possíveis canais na banda de freqüência de downlink até encontrar um sinal válido. Depois que um canal é encontrado são efetuadas a sincronização e a tentativa de adquirir um canal para parâmetros de controle para o downlink através de uma busca por mensagens DLMAP enviadas pela BS.
- Obter os parâmetros de transmissão: A SS busca por uma mensagem de descrição do canal de uplink da BS de modo a recuperar os parâmetros de transmissão para um possível canal de uplink.
- Ajuste de parâmetros locais (ranging): O processo é iniciado com a SS enviando uma mensagem de requisição de ranging MAC. Caso a SS não receba uma resposta ela envia novamente um pedido de ranging usando uma potência de transmissão mais alta. Eventualmente a SS recebe uma resposta. A resposta pode indicar sucesso ou que correções na potência e no indicador de tempo (dia, hora) devem ser efetuadas pela SS. Se a resposta indica sucesso a SS está pronta para enviar dados no canal de uplink, caso contrário a SS deve efetuar as correções e enviar um novo pedido de ranging.
- Negociação de capacidades básicas: A SS envia para a BS uma mensagem de requisição de capacidades descrevendo-as em termos dos níveis de modulação suportados, esquemas e taxas de codificação e métodos de duplexação. A BS aceita ou nega a admissão de uma SS com base nas suas capacidades.
- Autenticação e troca de chaves: A BS conduz um processo de autorização da SS para que ela possa entrar na rede, o que inclui a troca chaves de segurança entre a BS e a SS.
- Processo de registro: A SS envia uma mensagem de requisição de registro para a BS e a BS envia uma resposta à solicitação de registro da SS. A troca de mensagens de registro inclui suporte a parâmetros como versão do protocolo IP, gerenciamento de SS, parâmetros ARQ, opção de classificação, CRC e controle de fluxo.
- Estabelecimento de conectividade IP: A SS inicializa o DHCP para obter um endereço IP e outros parâmetros os quais viabilizam o estabelecimento de conectividade IP com a BS. A SS usa o protocolo TFTP (Trivial File Transfer Protocol) para obter os parâmetros operacionais.
- Sincronização temporal: A SS e a BS precisam ter a mesma informação sobre a data e a hora atuais, utilizando para esse fim o protocolo especificado pela RFC 868.
- Transferência de parâmetros opcionais: A BS envia informação adicional de configuração para a SS.
- Criação da Conexão de Transporte: As conexões de transporte são criadas depois que as etapas de registro e de transferência de parâmetros operacionais são finalizadas.
A entrada na rede pode ser sintetizada em 5 fases como mostra o quadro abaixo:
Favor passar o quadro para texto.
REFERÊNCIAS
- http://www.wirelessbrasil.org
- http://www.teleco.com.br
- http://bib-di.inf.puc-rio.br/techreports
- http://www.vervut.com.br
- http://www.wikipedia.org.br
- http://www.si.uniminas.br/TFC/monografias
- http://www.youtube.com/watch?v=y-Ujkr-4Ff4
- Tendências do mercado para WiMAX, desafios e parte técnica http://www.revistadewimax.com.br