01 - WiMAX

Introdução

Conceitos básicos

O padrão IEEE 802.16, completo em outubro de 2001 e publicado em 8 de abril de 2002, especifica uma interface sem fio para redes metropolitanas (WMAN). A esse padrão foi dado o nome WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Este padrão é similar ao padrão Wi-Fi (IEEE 802.11), que já é bastante difundido, porém agrega conhecimentos e recursos mais recentes, visando a um melhor desempenho de comunicação.

O WiMAX tem potencial para fazer pelo acesso à Internet de banda larga o que os telefones celulares fizeram pelo acesso telefônico. Da mesma maneira que muitas pessoas desistiram de seus telefones fixos em favor dos celulares, o WiMAX poderia substituir os serviços de cabo e DSL, fornecendo acesso universal à Internet praticamente em qualquer lugar para onde você for. O WiMAX também será tão prático quanto o WiFi - ao ligar seu computador você já estará automaticamente conectado à antena WiMAX mais próxima.

Na prática, o WiMAX funcionaria como o WiFi, mas a velocidades mais altas, em distâncias maiores e para um número bem maior de usuários. O WiMAX poderia acabar com as áreas que hoje não têm acesso à Internet de banda larga porque as empresas de telefonia e TV a cabo ainda não levaram os fios necessários até estes locais.

Fornecedores/desenvolvedores

O WiMAX é um padrão aberto de conexão sem fio, certificado pelo IEEE. Logo, não é uma tecnologia proprietária, não há donos. As diretrizes e discussões ficam à cargo do WiMAX Forum, uma organização sem fins lucrativos formada por dezenas de empresas que enxergam na tecnologia um futuro promissor. Evidentemente, elas tiram o lucro desenvolvendo chips e equipamentos certificados para WiMAX.

Algumas das empresas formadoras do WiMAX Forum e líderes nesse segmento são:

• Intel;
• Airspan Networksm
• Alvarion;
• AT&T;
• Aperto Networks;
• British Telecom;
• Fujitsu;
• KT Corp;
• Samsung;
• Sprint Nextel;
• Wi-LAN;
• ZTE Corporation;
• Cisco;
• etc...

No Brasil, a maior divulgação (e empolgação) vem da Intel, em vários eventos e congressos sobre o tema.

Cronologia

• IEEE 802.16 - Define a interface aérea para 10-66 GHz, também conhecido como Serviço de Distribuição Local Multiponto. Foi aprovado em dezembro de 2001. Permitiu um padrão para a transmissão ponto-multiponto de banda larga wireless na faixa de 10-66 GHz, operando apenas com linha de visada. Utiliza um padrão de portadora única para a camada física (PHY).
• IEEE 802.16.2 - Coexistência com outros sistemas de acesso banda larga wireless.
• IEEE 802.16a - Foi uma emenda à 802.16 e permitiu uma capacidade ponto-multiponto na faixa de 2-11 GHz. Para que isso fosse possível, também exigiu a capacidade de operação sem linha de visada e a camada física foi, portanto, estendida para suportar modulação OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) e OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). O 802.16a foi ratificado em janeiro de 2003 e se destinava a "última milha" de acesso de banda larga fixa.
• IEEE 802.16b - Foi criado para tratar aspectos relacionados à qualidade de serviço.
• IEEE 802.16c - Foi criado para padronizar protocolos, interoperabilidade e especificação de testes de confirmação.
• IEEE 802.16d - Publicado em 2004, foi criado com a intenção de substituir e consolidar os padrões 802.16a e 802.16c em um único padrão. Enfatiza-se as modificações na provisão de suporte para antenas MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), que permite o aumento de confiabilidade e do alcance com multipercurso, além de permitir instalações com uso de antenas indoor. É por vezes chamado também de "WiMAX nomádico".
• IEEE 802.16e - A partir desse padrão, o sistema passou a caminhar para uma maior mobilidade. Nele foram implementadas uma série de melhorias, incluindo melhor suporte para Qualidade de Serviço e do uso de SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access), além da capacidade das estações-base realizarem handoff e roaming, fato que contribuiu para o apelido de "WiMAX móvel" para esse padrão. Em 2007, a Assembléia de Radiocomunicações da União Internacional das Telecomunicações (ITU-R) aprovou o padrão IEEE 802.16e como satisfazendo os requisitos da "International Mobile Telecommunications 2000", que eram geralmente significavos para produtos comercializados como 3G. É comercializado na Coréia do Sul com o nome de WiBRO.

...

• IEEE 802.16m - Interface aérea avançada, com taxas de dados de pico teóricas de 100 Mb/s para sistemas móveis e 1 Gb/s para sistemas fixos. Também conhecido como WirelessMAN-Advanced ou WiMax-2. Tem o objetivo de cumprir com os requerimentos IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced), emitidos pelo ITU-R em 2008 para o que é comercializado como telefonia móvel e serviço de acesso à Internet 4G.

Pontos relevantes

• Alia a alta velocidade do serviço de banda larga, o serviço wireless do WiFi e a ampla cobertura da rede celular todos em um único padrão.
• Permite a oferta de conexão de internet banda larga em regiões onde não existe infra-estrutura de cabeamento telefónico ou de TV por Cabo, que sem a menor dúvida têm o custo mais elevado.
• Possibilita a oferta de serviços de dados, telefonia (VoIP) e televisão (IPTV), simultaneamente.
• A linha de visada não é necessária entre o usuário e a estação-base.
• Baixas latências para os serviços em tempo real (da ordem de 5 ms) e otimização de capacidade.

Funcionamento

Princípios básicos de funcionamento

Uma torre WiMAX pode se conectar diretamente à Internet usando uma conexão com fio de alta largura de banda. Pode também se conectar a outra torre WiMAX usando um link de microondas em linha de visão. Esta conexão a uma segunda torre (geralmente chamada de backhaul), junto com a capacidade de uma única torre de cobrir até 8000 km², é o que permite ao WiMAX fornecer cobertura a áreas rurais remotas.

O WiMAX pode fornecer dois tipos de serviço sem fio:

• O serviço sem linha de visada (NLoS - Non-Line-of-Sight), parecido com o WiFi, no qual uma pequena antena no seu computador se conecta à torre. Neste caso, o WiMAX usa um baixo alcance de freqüência - 2 GHz a 11 GHz (semelhante ao WiFi). Por meio desse serviço as transmissões não são interrompidas com tanta facilidade por obstruções físicas.
• O serviço de linha de visão no qual uma antena fixa aponta para a torre WiMAX a partir de um telhado ou de um poste. A conexão de linha de visão é mais forte e mais estável, e consegue enviar muitos dados com poucos erros. As transmissões de linha de visão usam freqüências mais altas, com alcance atingindo até 66 GHz. Em altas freqüências, há menos interferência e muito mais largura de banda.

O acesso parecido com o WiFi (sem linha de visada) será limitado a um raio de 6,5 a 9,7 km (talvez uma cobertura de 65 km², parecida, em termos de alcance, com uma área de cobertura de telefonia celular). Através das antenas com linha de visada, a estação transmissora de WiMAX enviaria dados a computadores habilitados para o WiMAX ou para roteadores configurados dentro do raio de 48,2 km em volta do transmissor (9300 km² de cobertura). É isto que permite que o WiMAX atinja seu alcance máximo.

Fluxo de transmissão/recepção

Similar ao OFDM, a tecnologia OFDMA emprega múltiplas subportadoras sobrepostas, contudo a sua principal diferença pode ser encontrada na subdivisão das subportadoras em grupos, onde cada grupo é denominado de subcanal, estas não precisam ser adjacentes. No fluxo de transmissão descendente (downlink), os subcanais podem ser requisitados por diferentes receptores, já no fluxo de transmissão ascendente (uplink), um transmissor pode ser associado a um ou mais subcanais.

Os subcanais, que podem ser alocados às Estações dos Assinantes (Subscriber Stations - SS's) dependem das condições dos canais e de seus requisitos de transmissão. Com a utilização da subcanalização, uma estação base WiMAX pode alocar uma maior capacidade de transmissão, em um mesmo time-slot, para os dispositivos dos usuários, mesmo que os dispositivos tenham uma menor SNR (Signal to Noise Ratio - Relação Sinal Ruído) e uma potência menor em relação aos dispositivos de usuários com grande SNR.

Com a subcanalização, também é possível às BS’s (Base Station) alocarem uma potência maior para os subcanais associados à SS’s (Subscribers Stations).

A subcanalização do tráfego ascendente (uplink) conserva a capacidade de transmissão dos dispositivos dos usuários, com a concentração de potência somente para os subcanais alocados. Esta é uma característica útil, pois a conservação de energia é uma preocupação crítica em sistemas wireless.

Topologia/arquitetura

Elementos

Para a arquitetura de rede são definidos os seguintes elementos: BS (Base Station) e SS (Subscriber Station) que podem ser encontrados com o nome de CPE (Customer Premise Equipment).

A BS realiza a interface entre a rede sem fio e uma rede-núcleo (Core Network), suportando interfaces IP, ATM, Ethernet ou E1/T1. A SS permite ao usuário acessar a rede, por intermédio do estabelecimento de enlace com a BS, em uma topologia Ponto-Multiponto.

Outra topologia especificada pelo padrão é a topologia Mesh, ou malha, na qual uma SS pode se conectar a uma ou mais SS intermediárias, até atingir a BS.

Protocolos e tipos de acesso

O WiMAX é uma tecnologia padronizada de rede sem fio que permite substituir as tecnologias de acesso de banda larga por cabo e aDSL. Assim sendo, os protocolos utilizados no WiMAX são os mesmos protocolos utilizados nas redes Ethernet, ATM, Frame Relay, etc. Alguns desses protocolos são:

• IP;
• IPsec
• ICMP;
• PPP;
• etc.

Estágio atual

Estado da arte

Atualmente, os dois padrões do WiMAX em uso no mundo são o 802.16d (WiMAX nomádico) e o 802.16e (WiMAX móvel).

Entretanto o padrão 208.16m, também conhecido como WiMAX 2, já foi aprovado pelo IEEE no início do ano, e os primeiros equipamentos baseados nele deverão chegar ao mercado em 2012. Durante a CEATAC, em outubro de 2010 no Japão, a Samsung demonstrou uma versão provisória da WiMAX 2 e alcançou velocidade de 330 Mbps. Para o usuário final, contudo, a velocidade máxima de download deve chegar a 100 Mbps.

Problemas

O maior problema do WiMAX é o fato do sinal não oferecer um desempenho linear durante a sua transmissão dentro de um canal de rádio. Em vez de o desempenho de transmissão ser uma linha reta, o desempenho varia bastante de acordo com a posição do sinal dentro do canal. A solução proposta pela Intel para este problema chama-se Modulação Adaptativa. Funciona da seguinte forma: em vez de o sinal usar um único tipo de modulação para a sua transmissão, como é o normal, a transmissão passa a usar vários tipos de modulação, dependendo da posição do sinal dentro do canal. Dessa forma, nos pontos que um determinado tipo de modulação apresenta baixo desempenho (curvas para baixo) o sistema passa a usar naquela porção do canal um outro tipo de modulação que ofereça melhor desempenho. As áreas que oferecem menor desempenho, usam um tipo de modulação diferente do resto do sinal. Com esta técnica é possível dobrar a taxa de transferência da transmissão.

Existe um outro problema que não afeta realmente as redes WiMAX, mas as redes de televisão, principalmente. O grande problema está na potência que a Anatel permite que os sistemas WiMAX operem na faixa de 3,5 GHz, a mesma frequência utilizada na banda C de satélites. Até 2005 a potência máxima que poderia ser utilizada na faixa era de 2 W. Mas em 2010 a Anatel alterou esse limite para 4 W até 2015 e depois disso até 30 W. Segundo a Abert (Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão), a interferência afeta tanto os consumidores residenciais que utilizam antenas parabólicas menores quanto as antenas de grande porte utilizadas pelas emissoras, uma vez que o sinal da rede WiMAX possui um nível muito mais elevado (cerca de 33 dBm) do que o sinal que chega de uma transmissão via satélite (menor que -120 dBm).

Exemplos

WiMAX: Next Generation Internet Revolution

Características técnicas

Espectro de frequência

O WiMax opera em três diferentes freqüências: a de 3,5 GHz, que exige licitação e suporta o padrão fixo; a de 2,5 GHz (também licitada), que concentra principalmente os provedores de MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service - tecnologia de telecomunicações sem fio, usado para redes de banda larga de uso geral, ou, mais comumente, como um método alternativo de recepção de programação de televisão a cabo) e suporta o padrão móvel; e a de 5,8 GHz, também utilizada pelo padrão fixo, porém não-licitada.

Modulação

Os tipos de modulação utilizados no WiMAX são o OFDMA para o WiMAX nomádico e SOFDMA para o WiMAX móvel.

Potência (W)

Os limites de potência do WiMAX são definidos de acordo com as faixas de frequência utilizadas. Tais limites são:

• Para a faixa de 2,5 GHz o limite de potência é de 100 W;
• Para a faixa de 3,5 GHz o limite de potência é de 4 W, porém em 2015 esse limite deverá aumentar para 30 W;
• Para a faixa de 5,8 GHz o limite de potência é de 1 W.

Alcance (m)

O WiMAX possui um raio de alcance de 50 km.

Consumo (Autonomia)

Os chips para WiMAX apresentam um consumo baixíssimo, da ordem de 300 mW, tornando uma ótima alternativa para dispositivos móveis, onde o consumo de bateria é um fator crucial.

Protocolos

Detalhes sobre protocolos

Conforme já foi dito, o WiMAX é uma tecnologia que promove comunicação por meio da Internet. Assim sendo os protocolos usados no WiMAX são os mesmos usados nas redes usuais de acesso à Internet. Como são vários esses protocolos, apenas serão detalhados alguns dos mais importantes.

• IP - Sigla para Internet Protocol. É um protocolo da camada de rede do Modelo OSI e é definido pela RFC791. É usado entre duas ou mais máquinas em rede para encaminhamento dos dados. A versão mais usada atualmente é o IPv4, porém a versão IPv6 já foi desenvolvida e alguns endereços na web já o utilizam.

• IPsec - É uma extensão do protocolo IP que visa a ser o método padrão para o fornecimento de privacidade do usuário (aumentando a confiabilidade das informações fornecidas pelo usuário para uma localidade da internet, como bancos), integridade dos dados (garantindo que o mesmo conteúdo que chegou ao seu destino seja a mesma da origem) e autenticidade das informações ou identity spoofing (garantia de que uma pessoa é quem diz ser), quando se transferem informações através de redes IP pela Internet. É definido pela RFC6071.

• PPP - Sigla para Point-to-Point Protocol. Foi desenvolvido e padronizado através da RFC1661 com o objetivo de transportar todo o tráfego entre dois dispositivos de rede através de uma única conexão física.

Normas

• Internet Protocol (IP)

• IP Security (IPsec) and Internet Key Exchange (IKE) Document Roadmap

• Point-to-Point Protocol (PPP)

• WiMAX Forum / 3GPP2 Proxy Mobile IPv4

• IPv6 Deployment Scenarios in 802.16 Networks

• Transmission of IPv6 via the IPv6 Convergence Sublayer over IEEE 802.16 Networks

Órgão Normatizador

Apesar de o WiMAX ser padronizado pelo IEEE, seus protocolos, por serem protocolos da Internet, são padronizados pela IETF (Internet Engineering Task Force).

Endereços de consulta à norma

Internet Engineering Task Force

Serviços

Serviços básicos

O principal serviço oferecido pelo WiMAX é entregar um serviço de Internet wireless de alta velocidade a grandes áreas geográficas.

Serviços avançados

A camada MAC do WiMAX tem a função de controle de acesso ao meio e de garantia de controle de QoS na interface aérea, por meio de mecanismos dinâmicos de reserva de banda e priorização de tráfego, assim como é feito nas redes ATM. No WiMAX, diferentemente do WiFi que usa contenção de acesso (todas as estações que desejam transmitir para um ponto de acesso competem entre si em base randômica), a camada MAC é alocada para a estação e só compete com as outras uma vez (na entrada inicial na rede). Depois disso, é alocado um time slot na estação base para a estação cliente. Esse time slot pode aumentar ou diminuir, porém sempre estará alocado para a estação. Esse algoritmo de alocação oferece mais eficiência na banda e permite que a estação base controle a qualidade de serviço (QoS).

Aplicações futuras

Um padrão futuro do WiMAX que já está em desenvolvimento (possivelmente o padrão 802.16p) trará melhorias na tecnologia para suportar aplicações M2M (Machine-to-Machine).

Referências

Livro

[1] Kamran Etemad, Ming-Yee Lai. WiMAX Technology and Network Evolution. John Wiley & Sons, 2011

Artigo

[1] Fundamentos da tecnologia WiMAX. Acessado em 06/12/11.

[2] Uma Proposta de Algoritmo de Escalonamento Baseado na Disciplina Priority Queuing (PQ) para Redes IEEE 802.16. Acessado em 07/12/11.

Internet

[1] WiMAX - Wikipedia (PT). Acessado em 06/12/11.

[2] WiMAX - Wikipedia (EN). Acessado em 06/12/11.

[3] IEEE 802.16 - Wikipedia (EN). Acessado em 06/12/11.

[4] WiMAX Forum. Acessado em 06/12/11.

[5] Wi-Fi e WiMAX II: As Tecnologias de Rede Sem Fio. Acessado em 06/12/11.

[6] Entenda como funciona a tecnologia do WiMAX. Acessado em 06/12/11.

[7] IEEE aprova padrão 802.16m para o WiMax. Acessado em 06/12/11.

[8] WiMAX vs. LTE vs. HSPA+: who cares who wins?. Acessado em 06/12/11.

[9] IEEE 802.16m Technology Introduction, White Paper. Acessado em 06/12/11.

[10] WiMAX – A nova tecnologia de redes sem fio. Acessado em 06/12/11.

[11] WiMAX. Acessado em 06/12/11.

[12] WiMAX: O caminho para a banda larga pessoal. Acessado em 06/12/11.

[13] Estudo de redes sem fio WiMAX. Acessado em 06/12/11.

[14] Equipamentos de WiMAX. Acessado em 06/12/11.

[15] Interferência do WiMAX na banda C pode prejudicar transmissão de eventos esportivos, diz Rede Globo. Acessado em 06/12/11.

[16] IEEE 802.16m to the Rescue: Meeting the Exploding Mobile Internet Data Demand. Acessado em 06/12/11.