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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL
FACULDADE DE ENGENHARIA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA DE TRABALHO DE INTEGRAÇÃO
PROJETO DE ANTENAS PARA SISTEMAS WIMAX
AUTOR: LUIZ ARTHUR CARLIN
ORIENTADOR: EDGAR BORTOLINI
Porto Alegre, novembro de 2005.
2
Dedicatória
Dedico este trabalho às pessoas que de uma forma ou
outra contribuíram para minha formação pessoal e acadêmica
até o momento.
3
Agradecimentos
Agradeço à Deus, por ter me iluminado nesta jornada, à minha família, por todo o suporte
e apoio, meus amigos e colegas, que muito me ajudaram para ter chegado até aqui.
Cito em especial, o professor engenheiro Edgar Bortolini, orientador deste trabalho, cito
também Michelle Pozzati, Ricardo Becker, Noara Foiatto, Fabiana Yanaka Schafer e João Miguel
La Roehe pelo apoio dado ao desenvolvimento deste trabalho.
4
Resumo
Este trabalho tem por objetivo apresentar, detalhar e exemplificar uma nova tecnologia. O
WIMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access), padrão 802.16 do IEEE (Institute of
Electrical and Electronics Engineers).
A necessidade de redes sem fio já é sentida há muito tempo em vista das limitações
impostas pelas redes cabeadas, principalmente quanto à crescente necessidade de flexibilidade
que tem atingido os atuais projetos de rede. Aliada a essa necessidade de flexibilidade, observa-se
também uma crescente demanda por transmissões que atendam os requisitos das atuais aplicações
em multimídia, tais como maior largura de banda, restrições de atraso e atendimento de um
grande número de usuários a longas distâncias. Neste contexto, as redes sem fio metropolitanas,
são uma solução que aliam a flexibilidade, comum nas redes sem fio, com a possibilidade de
atendimento de um grande número de usuários.
Este trabalho apresenta um padrão emergente em redes sem fio, o Padrão IEEE 802.16
para redes sem fio metropolitanas. Segundo este padrão, as redes sem fio metropolitanas
atenderão a todas as expectativas dos atuais projetos de redes, aliado as garantias de qualidade de
serviço. Será apresentado neste trabalho as características deste padrão, um estudo sobre as
especificações da antena e algumas simulações desta e por algumas considerações para instalação
de acesso WIMAX, simulando redes metropolitanas hipotéticas, avaliando os custos para a
implantação da rede, permitindo a comparação de implementação desse tipo de rede com
alternativas em relação às especificações e também alternativas referentes aos usuários, inclusive
para o mercado brasileiro.
5
Sumário
1. Introdução..............................................................................................................................12 2. Revisão bibliogáfica ..............................................................................................................15 2.1. Histórico do padrão IEEE 802.16.......................................................................................16
2.1.1. Norma IEEE 802.16-2004 .........................................................................................18 2.2. . Caracteríticas técnicas do padrão 802.16 .........................................................................18
2.2.1. Arquitetura do protocolo. ..........................................................................................19 2.2.2. A camada física. ........................................................................................................20 2.2.3. A camada MAC. ........................................................................................................22 2.2.4. Qualidade de serviço (QoS).......................................................................................22 2.2.5. Multiplexação ............................................................................................................24 2.2.6. Modulação .................................................................................................................31
2.3. Fatores de interferência .....................................................................................................34 2.3.1. Interferênca................................................................................................................34 2.3.2. Interferêncas causadas pelo meio de propagação......................................................34 2.3.3. Análise do efeito das microondas..............................................................................35 2.3.4. Efeitos da falta de linha de visada .............................................................................36 2.3.5. Zona Fresnel ..............................................................................................................38
3. Antena WIMAX .......................................................................................................................42 3.1. Antena de microfita ...........................................................................................................42
3.1.1. Tipos de excitação das antenas de microfita .............................................................43 3.1.2. Antena de microfita retangular ..................................................................................45 3.1.3. Arranjo planar de N Elementos .................................................................................53
3.2. Simulações, fabricantes e equipamentos existentes .........................................................58 3.2.1. Fabricantes e antenas disponíveis no mercado...........................................................58 3.2.2. Simulações...................................................................................................................63 4. Considerações para instalação de acesso fixo WIMAX...........................................................66 4.1. Considerações para as faixas de 2,5 e 3,5 GHZ ...............................................................66 5. Mercado para a tecnologia WIMAX .......................................................................................86 6. Conclusão ................................................................................................................................98 7. Referências Bibliográficas......................................................................................................100
6
Lista de figuras
Figura 1: Figura 1: Padrões de acesso wireless, IEEE e ETSI (European
Telecommunications Standards Institute)..............................................................13
Figura 2: Pilha de protocolos do padrão 802.16.....................................................19
Figura 3: Modulação FDM e OFDM......................................................................25
Figura 4: Modulação OFDM implementada por meio de banco de filtros…….....26
Figura 5: Sinais recebidos em sistemas de banda larga com portadora única e
multiportadora....……………………................................………....………….....27
Figura 6: Esquema OFDM na tecnologia WIMAX……………………………....28
Figura 7: Esquema de subcanalização na tecnologia WIMAX…………………..29
Figura 8: Exemplo de Distribuição de 3 subportadoras utilizando OFDM……....29
Figura 9: Exemplo do espectro FDMA………......................................................30
Figura 10: Esquema da modulação adaptiva na tecnologia WIMAX....................31
Figura 11: Variação de fase em função da transição de bit do sinal......................32
Figura 12: Diagrama de fase e quadratura (IQ) os 4 possíveis símbolos
gerados pela modulação QPSK usando 2 bits por símbolo……...............…….....33
Figura 13: Constelações geradas pelos dois modos QAM……………………......33
Figura 14: Exemplo de trajeto direto e trajeto indireto ………………………......38
Figura 15: Zona Fresnel..........................................................................................39
Figura 16: Propagação LOS E NLOS.....................................................................41
Figura 17: Antena de microfita retangular…..…………………………………....43
Figura 18: Alimentação por linha de microfita…………………………………...44
Figura 19: Alimentação por cabo coaxial...............................................................44
Figura 20: Sistema de coordenadas para antena de microfita retangular………....46
7
Figura 21: Geometria para um arranjo planar com M x N elementos ao longo
dos eixos x e y, respectivamente………………………............................................54
Figura 22: Exemplo de ligação da antena..................................................................59
Figura 23: Especificações do modelo HG2616P da Hyperlink Technologies...........60
Figura 24: Especificações do modelo de CPE da família Horizon da NEX-G..........61
Figura 25: Especificações do modelo de CPE da Pro-Cell........................................62
Figura 26: Exemplo de linha de visada, analisando o campus da PUCRS.................64
Figura 27: Simulação realizada para as características de uma antena para
CPE outdoor, numa freqüência de 3,5GHZ...............................................................65
Figura 28: Diagrama de irradiação da antena obtida para a simulação realizada para
as características de uma antena para CPE outdoor, numa freqüência de 3,5 GHZ....65
Figura 29: Densidade típica de assinante para um sistema 3,5 GHz com
instalação rural………………....................................................................................71
Figura 30: Capacidade de downlink de um canal único e para os 6 canais
da Estação Base na faixa de 3,5GHz.........................................................................71
Figura 31: Capacidade de downlink de um canal único e para os 6 canais
da Estação Base na faixa de 2,5GHz………………….............................................72
Figura 32: Faixa e variação de capacidade com ganho do sistema na faixa
de 3,5GHz……………………………………….......................................................72
Figura 33: Determinação dos requisitos de mercado..................................................73
Figura 34: Densidade de dados de downlink da Estação Base para 4 e 8
canais numa configuração de Estação Base para um ambiente urbano………..........75
Figura 35: Densidade de dados de downlink da Estação Base num
ambiente suburbano e rural. Supondo 4 e 3 canais na configuração da Estação
Base respectivamente.................................................................................................75
Figura 36: Exemplos de distribuição urbano…………………………………….....77
Figura 37: Exemplos de instalação numa área suburbana……………………….....78
Figura 38: Exemplo de distribuição na área rural……………………………..........78
Figura 39: Distribuição numa área rural com CPEs indoor para 3,5GHz. …….......79
Figura 40: Capacidade de canal de downlink da Estação Base com CPEs
indoor na Faixa de 3,5GHz........................................................................................80
Figura 41: Densidade de dados de downlink da Estação Base com CPEs
indoor na Faixa de 3,5GHz…………………………………………………….......81
8
Figura 42: Cenários de instalação em 3,5GHz com CPEs indoor………………...83
Figura 43: Exemplo de uma instalação urbana…………………………………....84
Figura 44: Capacidade para adicionar canais numa expansão futura……………..85
Figura 45: Espectro de freqüências utilizadas para a tecnologia WIMAX……….91
Figura 46: Tipos de aplicações de interesse dos vários setores do mercado……...92
Figura 47: Topologia e arquitetura de rede na tecnologia WIMAX………………93
Figura 48: Empresas e aplicações de interesse do mercado………………………93
Figura 49: Taxa de penetração da tecnologia WIMAX pela previsão da
Maravedis Inc………………………………………………….…………………..94
Figura 50: Taxa de penetração da tecnologia WIMAX pela previsão da
Pyramid Research………………………………………………………………….94
Figura 51: Estimativa do mercado brasileiro de CPEs WIMAX, baseado na
Visant Strategies Inc................................................................................................96
Figura 52: Estimativa do mercado brasileiro de ERBs (Estações base)
WIMAX, baseado na Visant Strategies Inc..............................................................96
Figura 53: Estimativa do mercado brasileiro de CPEs e ERBs WIMAX,
baseado em informações nacionais………………………………………………...97
Figura 54: Estimativa para o mercado de acesso de rádio com banda larga……….97
9
Lista de tabelas
Tabela 1: Propriedades dos materiais dos substratos...............................................45
Tabela 2: Parâmetros relevantes do rádio................................................................69
Tabela 3: Requisitos de dados típicos para uma área metropolitana média……....74
Tabela 4: Exemplos demográficos de distribuição………………………………..76
Tabela 5: Impacto das CPEs indoor na capacidade do canal...................................80
Tabela 6: Dados demográficos para distribuição com CPEs indoor........................81
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Lista de siglas
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ATM – Asynchronous Transfer Mode
BWA – Broadband Wireless Access
BS – Base Station
CAPEX – Capital Expenditure
CPE – Customer Premises Equipament
DAMA-TDMA – Demand Assignment Multiple Access - Time Division
MultipleAccess
DES – Data Encrypion Standart
DSL – Digital Subscriber Line
EHF – Extra High Frequency
ETSI – European Telecommunications Standards Institute
FDMA – Frequency Division Multiple Access
FEC – Forward Error Corrector
FDD – Frequency Division Duplexing
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP – Internet Protocol
IPv4 – Internet Protocol version 4
ISM – Industrial, Scientific, and Medical
ISP – Internet Service Provider
ITU-T – International Telecommunications Union Telecommunication
Standardization
LOS – Line of Sight
MAC – Media Access control
MAN – Metropolitan Area Network
MIMO – Multiple-Input Multiple-Output
N-WEST – National Wireless Electronics Systems Testbed
NIST – United States National Institute of Standarts and Techonoly
11
NLOS – Non Line of Sight
OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OPEX – Operative Expenditure
PMP – Point to Multipoint
QAM – Quadrature Amplitude Modulation
QoS – Qualidade de Serviço
QPSK – Quadrature Phase Shift Keying
SHF – Super High Frequency
SME – Small to Medium Enterprise
SS – Subscriber Station
TDD – Time Division Duplexing
WI-FI – Wireless Fidelity
WIMAX – Worldwide Interoperability of Microwave Access
WILAN – Wireless Local Area Network
UHF – Ultra High Frequency
VoIP – Voz sobre IP
VSWR – Voltage Standing Wave Ratio
X.509 – ITU-T Standart for Public Key Infraestruture
12
1. Introdução
Recentemente novas tecnologias de redes sem fio têm sido desenvolvidas pelo IEEE, em
conjunto com a indústria, com foco em interoperabilidade, suporte ao protocolo IP (Internet
Protocol) e a altas taxas de transmissão.
Um exemplo é a tecnologia WI-FI (Wireless Fidelity), baseada no padrão IEEE 802.11
[1], que consiste em uma solução já amplamente difundida de redes locais sem fio, WLAN
(Wireless Local Area Network). WI-FI suporta operação em bandas não licenciadas (2,4 e 5,8
GHz, no Brasil) com taxas de transmissão de até 54Mbps em uma área de centenas de metros
quadrados [1].
Na mesma linha do WI-FI o IEEE está especificando as bases da tecnologia WIMAX,
através do padrão IEEE 802.16 [2]. Trata-se de uma tecnologia de rede metropolitana sem fio,
com suporte a cobertura na ordem de Kms e taxas de transmissão de até 75Mbps, que possui
qualidade de serviço (QoS) e interfaces para redes IP, ATM (Asynchronous Transfer Mode ),
E1/T1 e Ethernet [2].
O termo WIMAX (Word Interoperability for Microwave Access) refere-se ao WIMAX
Fórum, que tem como missão garantir a interoperabilidade entre os equipamentos baseados no
padrão IEEE 802.16.
O WIMAX Fórum é uma organização sem fins lucrativos formada por empresas
fabricantes de equipamentos e componentes de comunicação, criada para impedir que os
problemas de compatibilidade e interoperabilidade entre equipamentos encontrados no padrão
IEEE 802.11 não aconteçam novamente no IEEE 802.16.
Esta padronização visa aumentar a competitividade em acesso à banda larga através do
aumento da produção de componentes, diminuição do custo de produção de equipamentos e
acessos à banda larga mais velozes e baratos para os usuários finais.
O WIMAX Fórum 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 Broadband Wireless [3].
13
Entre as mais de 220 empresas que fazem parte desta organização encontram-se a Intel,
Analog Devices, Ericsson, Motorola, Nokia, Samsung, Siemens, AT&T, British Telecom,
Deutsche Telekom, France Telecom, Fujitsu e Microsoft.
Por meio das funcionalidades suportadas pela tecnologia WIMAX, uma grande variedade
de serviços de banda larga sem fio será viabilizada, como exemplo, VoIP (Voz sobre IP) [3].
O WIMAX pretende motivar um mercado de Acesso Broadband mais competitivo,
através de um conjunto mínimo de especificações de desempenho da interface aérea entre os
produtos dos diversos fabricantes, certificando os produtos que atendem a estas especificações.
Para os operadores de rede, esta interoperabilidade entre equipamentos significa a não
dependência de um fornecedor para o desenvolvimento de sua rede [3].
Para os fabricantes de equipamentos significa menos tipos diferentes de produtos a
desenvolver e a produzir.
Para os Fabricantes de componentes, significa uma escala de produção muito maior.
Para o usuário final significa acessos Broadband mais velozes e mais baratos [3].
Figura 1: Padrões de acesso wireless, IEEE e ETSI (European Telecommunications
Standards Institute) [29].
14
No segundo capítulo, é apresentada uma revisão teórica que engloba as características do
padrão. Fazem-se uma revisão dos conceitos técnicos presentes na tecnologia para transmissão e
recepção da informação e especialmente revisando o conceito da antena utilizada no padrão.
No terceiro capítulo, é demonstrado o projeto da antena além de mostrar o mercado de
antenas WIMAX, fabricantes, produtos disponíveis até o momento e simulações.
No quarto capítulo, é apresentado um estudo sobre de como deverá ser uma rede WIMAX,
seu custo, cobertura e eficiência, supondo um exemplo hipotético, comparando uma série de
variações em que a rede pode ser baseada.
No quinto capítulo, é feita uma análise de mercado, demonstrando as vantagens da
tecnologia e as previsões para um futuro muito próximo da mesma, inclusive no Brasil.
No sexto capítulo é feita uma conclusão do que se tem implementado até o momento e o
que se pode esperar para o futuro na visão do autor.
No sétimo capítulo estão listadas todas as bibliografias referenciadas ao longo do texto.
15
2. Revisão bibliográfica
Muitos sistemas de comunicação fazem à transmissão dos dados utilizando fios de cobre,
como par trançado, cabo coaxial, ou fibra ótica. Outros, entretanto, transmitem os dados pelo ar,
como é o caso da transmissão por raios infravermelhos, laser, microondas e rádio. As redes que
usam estas técnicas se chamam redes Wireless [32].
A rede sem fio é um sistema de transmissão de dados flexível que pode ser utilizada como
alternativa para as redes cabeadas tradicionais, baseadas em par trançado, cabo coaxial e fibra
ótica. As redes sem fio têm o mesmo propósito da rede cabeada: dispor informações a todos os
dispositivos ligados à rede. Contudo, sem o cabeamento físico para amarrar a localização de um
nodo (equipamento ligado à rede), a rede torna-se muito mais flexível: é fácil mover um nodo sem
fio. As redes locais sem fio também são uma boa opção quando a arquitetura de um prédio torna
difícil (ou impossível) a passagem de cabos de rede [32].
Este tipo de redes de computadores permite a separação do usuário dos ambientes
computacionais, isso é, a possibilidade do usuário poder acessar os recursos do sistema (serviços,
servidores, impressoras, etc.) a qualquer tempo, bastando estar localizado dentro dos limites de
uma infra-estrutura de comunicações sem fio [32].
O princípio de funcionamento se baseia na transmissão de dados através da camada
atmosférica utilizando a propagação das ondas eletromagnéticas, entretanto o wireless engloba o
uso de raios de luz infravermelha, apesar das ondas de rádio ser o meio mais difundido. Nos
últimos anos, esse tipo de rede tem crescido e tem ganhado popularidade nos diversos setores,
principalmente no que diz respeito às redes locais sem fio WLANs [32].
As redes sem fio são soluções normalmente aplicadas onde uma infra-estrutura de
cabeamento convencional não pode ser utilizada. Elas viabilizam, dessa forma, o atendimento de
pontos de rede com a mesma eficiência e até mesmo uma melhor relação custo / benefício em
relação ao sistema de cabeamento convencional, nesses casos [36].
16
2.1. Histórico do padrão IEEE 802.16
Historicamente as atividades do padrão foram iniciadas em agosto de 1988 em uma
reunião chamada N-WEST (National Wireless Electronics Systems Testbed) da equivalente
americana da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), o NIST (United States
National Institute of Standarts and Techonoly). O encontro teve uma boa receptividade no Grupo
802 do IEEE que inaugurou um grupo de estudos para tratar do assunto. O Grupo de trabalho do
802.16 teve reuniões semanais com periodicidade bimestral a partir de julho de 1999 [32].
Cinco anos depois, envolvido nessa missão, o Grupo de Trabalho do Padrão IEEE 802.16
em Broadband Wireless tinha desenvolvido toda a base dos padrões subseqüentes, a saber:
IEEE 802.16 (“Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems”) foi a
primeira versão do 802.16, aprovada em dezembro de 2001. Esse padrão é para WMAN operando
na banda de freqüências de 10,0 – 66,0 GHz em linha de visada direta, o que significa que o
receptor precisa ser visível para o emissor do sinal [32];
IEEE 802.16.2, publicado em 2001, (“Recommended Practice for Coexistence of Fixed
Broadband Wireless Access Systems”) especifica uma prática recomendada para endereçar a
operação de múltiplos sistemas de BWA no range de freqüência de 10,0 – 66,0 GHz [32];
A necessidade de operar em linha de visada representaria em uma limitação para a adoção
da tecnologia, pois dificultaria sua implantação, principalmente em áreas urbanas. Com a
finalidade de superar esta limitação, em janeiro de 2003, o IEEE aprovou um aditivo ao padrão
802.16, chamado IEEE 802.16a, que adiciona a possibilidade de operação do padrão original nas
bandas de freqüência licenciada e não licenciada de 2,0 – 11,0 GHz, sem a necessidade de linha
de visada [32].
O padrão IEEE 802.16a publicado em março de 2003, estende o padrão LOS (Line of
Sight) IEEE 802.16 focado nas freqüências licenciadas da faixa de 10,0 - 66,0 GHz. Essa
extensão proporciona um acesso NLOS (Non Line of Sight) em bandas de freqüência mais baixas
de 2,0 - 11,0 GHz, algumas das quais não licenciadas e possibilitando a utilização de modulação
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Um grande avanço em relação ao padrão
anterior, que, devido aos comprimentos de onda envolvidos, podia usar apenas portadora única
(single carrier). Nesta nova faixa de freqüência são utilizadas também freqüências ISM
(Industrial, Scientific, and Medical). O WIMAX baseia-se no IEEE 802.16 a partir deste padrão.
17
O IEEE 802.16c, que foi aprovado em dezembro de 2002 e publicado em 2003, que
especifica um conjunto de perfis para a operação do sistema na faixa de 10,0 – 66,0 GHz veio
ajudar na interoperabilidade entre os fabricantes.
O padrão 802.16d opera em faixa de freqüências de 2 a 11GHz [opera em bandas de
freqüências não licenciadas (2,4 e 5,8GHZ) e em bandas licenciadas (3,5 e 10,5GHZ)].
O padrão 802.16d é uma evolução do padrão anterior 802.16a homologado em janeiro de
2003 e já permite um menor consumo de energia e menores CPEs (Customer Premises
Equipament) como também inova na incorporação do conceito de Antena MIMO (Multiple-Input
Multiple-Output), pode atingir um alcance de até 50Kms, com taxas de dados compartilhadas
aproximando-se de 75Mbps. A performance NLOS é assegurada mais fortemente quando se está
mais próximo da Estação Base. No alcance máximo de 50 Kms espera-se apenas uma
performance LOS. Um raio típico de BWA (Broadband Wireless Access) em NLOS varia de 5 a 8
Kms. O WIMAX é uma solução de BWA completa para voz, dados e vídeo com QoS (Quality of
Service) e segurança intrínsicas. A segurança do WIMAX suporta a autenticação com certificados
X.509 (ITU-T Standart for Public Key Infraestruture) e criptografia de dados utilizando DES
(Data Encrypion Standart) [36].
A versão 802.16e é a versão móvel do WIMAX, que passa a suportar mobilidade entre
células e deverá viabilizar o desenvolvimento dos primeiros processadores para PC’s com
WIMAX embutido, estabelecendo taxa de 15Mbps em canalização de 5MHz, com alcance de 1,5
a 4,5 Km com espectro de 2 a 6GHz. A previsão é que a padronização desta versão ocorra em
2006 e a previsão para chegar ao mercado no início de 2007.
O padrão atual é o IEEE 802.16-2004, que reúne os padrões 802.16, 802.16a e 802.16c,
revisando-os, especifica as regras de interoperabilidade nas freqüências até 66 GHz (com foco nas
freqüências até 11 GHz) e que está sendo adotada para o desenvolvimento dos equipamentos
WIMAX. O padrão IEEE 802.16e irá permitir deslocamento entre áreas de serviço WIMAX,
aumentando a mobilidade e permitindo novas aplicações [32].
18
2.1.1. Norma IEEE 802.16-2004
Como foi citado anteriormente, a Norma IEEE 802.16-2004 (Air Interface for Fixed
Broadband Wirelles Access) é a norma padrão para o sistema WIMAX fixo.
Esta norma especifica os sistemas BWA fixos que suportam múltiplos serviços. A camada
MAC (Media Access control) suporta primeiramente uma arquitetura PMP (Point to Multipoint),
com uma topologia MESH opcional. O MAC é estruturado para suportar múltiplas especificações
da camada física (PHY), cada uma destinada a um ambiente operacional particular. Para
freqüências de 10-66 GHz, a camada física é baseada numa modulação de portadora única (single
carrier). Para freqüências abaixo de 11 GHz, onde a propagação NLOS pode ser usada, três
alternativas são consideradas: OFDM, OFDMA e Single Carrier.
Esta norma revisa e consolida as normas IEEE 802.16-2001, IEEE 802.16a-2003 e IEEE
802.16c-2002 [2].
2.2. Características técnicas do padrão 802.16
O padrão 802.16 da IEEE é caracterizado por suas altas taxas de transferência de dados,
transmitindo no máximo a 75Mbps com canalização de 20MHz em NLOS [3].
Suporta uma topologia ponto-multiponto em que cada estação base comunica-se com até
centenas de estações estacionárias de usuários [3].
A camada MAC do padrão 802.16 suporta uma variedade de exigências de tráfego,
incluindo a tecnologia ATM e os protocolos baseados em pacotes, transmitindo de forma eficiente
qualquer tipo do tráfego [3].
Um ponto diferencial do padrão IEEE 802.16 é que a interface aérea foi projetada para
transmitir dados ou tráfego multimídia que necessitam de alto suporte de qualidade de serviço
(QoS). O padrão 802.16 é completamente orientado a conexões a fim de garantir qualidade de
serviço para a comunicação de telefonia e de multimídia, as quais não admitem atrasos.
Ao contrário do 802.11b (padrão para redes sem fio locais) o padrão 802.16 utiliza um
espectro variável, utilizando as faixas de freqüências entre 10 e 60 GHz, com um padrão
alternativo que utiliza freqüências entre 2 e 11 GHz. Isto permite atingir altas taxas de
transferência a distâncias de vários kms [3].
19
O mecanismo de requisição e de concessão de largura de banda do padrão é projetado para
ser escalonável, eficiente e autocorretivo. Mesmo quando submetido a uma situação de múltiplas
conexões por terminal, múltiplos níveis de QoS por terminal e um grande número de usuários, o
padrão 802.16 não perde a eficiência [3] [4].
Devido a todas essas características resumidas aqui, o padrão 802.16 tem grande
possibilidade de aceitação e de expansão, devido principalmente a necessidade cada vez maior de
transmissões em banda larga e a necessidade de suporte a transmissões multimídia [3] [4].
2.2.1. Arquitetura do protocolo
A pilha de protocolos do padrão IEEE 802.16 é semelhante à das outras redes 802, com a
característica de possuir um número maior de subcamadas. A Figura 2 mostra a pilha de
protocolos do padrão IEEE 802.16 formada pela camada física e pela camada de acesso ao meio
(MAC).
Figura 2: Pilha de protocolos do padrão 802.16 [3].
A camada física especifica o espectro de freqüência, o esquema de modulação, as técnicas
de correção de erros, a sincronização entre transmissor e receptor, a taxa de dados e a estrutura de
multiplexação. A camada física define vários esquemas de modulação, dependendo das distâncias
envolvidas e conseqüente relação sinal/ruído [3].
20
Acima da camada física estão as funções associadas aos serviços oferecidos aos usuários.
Estas funções incluem a transmissão de dados em frames e o controle do acesso no meio sem fio
compartilhado, sendo estes agrupados dentro da camada de acesso ao meio (MAC). A camada
MAC define como e quando a estação base ou os assinantes podem iniciar a transmissão no canal.
Como algumas camadas acima da MAC, como a ATM, precisam de qualidade de serviço, o
protocolo MAC é capaz de alocar uma capacidade suficientemente grande do canal de radio para
satisfazer as necessidades do serviço [3].
Na transmissão da estação base para o usuário (downlink), só existe um transmissor, e o
protocolo MAC é relativamente simples. Já no caminho inverso, do usuário para a estação bases
(uplink), existem múltiplos assinantes competindo pelo aceso, resultando num protocolo mais
complexo. De acordo com este modelo, a estação base controla o sistema [3].
A camada MAC possui três subcamadas, a subcamada de segurança, a subcamada da parte
comum e a subcamada de convergência específica ao serviço. A subcamada de segurança lida
com privacidade e segurança. Na parte comum da subcamada MAC estão localizados os
principais protocolos como o de gerenciamento de canais. A subcamada de convergência de
serviços específicos provê funções especificas para o serviço a ser oferecido, sua função é definir
a interface para a camada de rede. Para o padrão IEEE 802.16, os serviços a serem oferecidos
incluem multicast de áudio/vídeo digitais, telefonia digital, suporte à ATM, ao TCP/IP e Frame
Relay [3].
2.2.2. A camada física
A primeira versão do padrão 802.16 foi destinada para ambientes com visada direta,
operando em bandas de freqüência elevadas abrangendo a faixa de 10-66Ghz. Já a variação
802.16-2004 NLOS foi projetada para sistemas operando em bandas entre 2Ghz e 11Ghz. A
principal diferença entre essas duas bandas de freqüência está na capacidade de suportar a falta de
visada direta nas freqüências mais baixas (2-10Ghz), algo que não é possível nas bandas de
freqüências mais elevadas (10-66Ghz) [6].
O projeto da especificação da camada física para a faixa de 10-66GHz utiliza modulação
de portadora única (Single Carrier) com uma taxa de transmissão de até 134,4Mbps. Para permitir
o uso flexível do espectro são suportadas tanto configurações TDD (duplexação por divisão de
tempo), onde o uplink e o downlink dividem o canal, mas não transmitem simultaneamente,
quanto configurações FDD (duplexação por divisão de freqüência), onde o uplink e o downlink
21
estão em canais separados e podem operar concorrentemente. Ambas as configurações suportam
um perfil adaptável de tráfego, no qual parâmetros de transmissão, incluindo os esquemas de
modulação e codificação, podem ser ajustados individualmente para cada estação assinante. Essa
característica é adequada para os diversos tipos de tráfegos que o padrão suporta. No caso de voz,
o tráfego provavelmente é simétrico em sua maior parte, porém, para acesso à Internet, em geral
existe maior tráfego no downlink do que no uplink [3].
O FDD suporta estações assinantes full-duplex, que podem receber e transmitir
simultaneamente, assim como estações subscritoras half-duplex, as quais podem receber e
transmitir dados, mas não simultaneamente.
O tráfego de downlink é mapeado em slots de tempo pela estação base. A estação base tem
o controle completo para esse sentido. O tráfego uplink é mais complexo e depende da qualidade
de serviço exigida. Para transmissões da estação base para o assinante, o padrão especifica dois
modos de operação, um buscando suportar a transmissão de um fluxo contínuo de dados, como
áudio e vídeo, e outro buscando suportar a transmissão em rajadas, como tráfego baseado em IP.
Em ambos os esquemas os dados para os assinantes são multiplexados através de TDM [6].
Para a transmissão no sentido do assinante para a estação base, o padrão utiliza a técnica
DAMA-TDMA (Demand Assignment Multiple Access - Time Division MultipleAccess). DAMA é
uma técnica de atribuição da capacidade do link, que se adapta quando necessário para responder
a mudanças na demanda entre múltiplas estações. O TDMA opera com divisão da banda em
vários intervalos de tempo, denominados de slots, cada um dos quais corresponde a um canal de
comunicação [5]. O número de slots associados para vários usos é controlado pela camada MAC
na estação base e varia dinamicamente no tempo para uma melhor performance.
O padrão utiliza um recurso para correção de erros conhecido como FEC (Forward Error
Corrector), que é destinada à correção de erros sem retroação, ou seja, sem a necessidade de
retransmissão da mensagem. O FEC utiliza códigos que contêm redundância suficiente para
permitir a detecção e correção de erros no receptor, sem requerer a retransmissão da mensagem. A
técnica de correção de erros utilizada é o Reed-Solomon GF (256). O Reed-Solomon adiciona bits
extras a um bloco de dados antes da transmissão com o objetivo de recuperar o sinal de possíveis
erros introduzidos na transmissão. Após a transmissão o Reed-Solomon processa o bloco de dados
e restaura os dados originais [6].
22
2.2.3. A camada MAC
A camada de controle de acesso ao meio ou media access control (MAC) corresponde à
camada imediatamente acima da camada física. A esta camada estão associadas às funções de
fornecimento de serviços para os usuários da rede.
A MAC é composta de três subcamadas: subcamada de convergência, subcamada da parte
comum e subcamada de privacidade. A subcamada de convergência realiza a interface com as
camadas superiores. Tal subcamada está localizada acima da camada da parte comum, que realiza
as funções-chave da MAC. Abaixo da subcamada da parte comum, está localiza a subcamada de
privacidade [7].
A camada de acesso, como o nome sugere, determina o caminho na qual as estações
assinantes acessam a rede e como os recursos da rede serão atribuídos a elas. A MAC é
responsável por exercer funções relacionadas ao controle de acesso e transmissão dos dados.
O protocolo MAC IEEE 802.16 foi projetado primeiramente para suportar arquiteturas de
rede ponto-multiponto, apesar dele também suportar arquiteturas ponto a ponto. As bandas de
freqüências mais baixas também suportam topologias em malha (Mesh). O protocolo MAC lida
com a necessidade de altas taxas de bits, tanto no uplink, como no downlink. Algoritmos de acesso
e de alocação de banda devem acomodar centenas de terminais por canal, sendo que cada terminal
pode ser compartilhado por múltiplos usuários finais. Os serviços que tais usuários finais exigem
são diferentes em sua natureza, e incluem dados e voz, conectividade IP e Voz sobre IP (VoIP).
Para dar suporte a esta ampla gama de serviços, o MAC 802.16 acomoda tanto o tráfego contínuo
quanto o tráfego em rajadas [3].
2.2.4. Qualidade de serviço (QoS)
Uma característica importante que difere o padrão 802.16 de outros padrões para redes
sem fio, é que ele inclui mecanismos para oferecer QoS diferenciado para suportar as
necessidades de diferentes aplicações. Por exemplo, aplicações de voz e vídeo requerem latência
baixa, mas toleram alguma taxa de erro [12]. Em contrapartida, as aplicações genéricas de dados
não podem tolerar erros, mas a latência não é algo crítico [12]. Dessa forma, o padrão acomoda a
voz, vídeo, e outras transmissões de dados usando características apropriadas no MAC.
23
O padrão IEEE 802.16 possui quatro classes de serviços:
1. Serviço de taxa de bits constante.
2. Serviço de taxa de bits variável de tempo real.
3. Serviço de taxa de bits variável não de tempo real.
4. Serviço de melhor esforço.
Cada conexão no sentido do uplink é mapeada para um desses serviços. O serviço é
associado a cada conexão no tempo de setup da conexão.
Serviço de taxa de bits constante
O serviço de taxa de bits constante (Unsolicited Grant Service - UGS) foi definido para
suportar serviços que geram unidades fixas de dados periodicamente, tal como E1/T1 ou o serviço
de taxa de bits constante (CBR) do ATM. Conexões estabelecidas com o serviço de taxa de bits
constante não emitem pedidos de largura de banda para dados, em vez disso, a estação base
concederá certos slots de tempo para transmitir uma quantidade predeterminada de dados em
intervalos regulares. Uma vez que a largura de banda é alocada, os slots de tempo ficam
disponíveis automaticamente, sem que seja necessário solicitá-los. Isso elimina o overhead e a
latência de pedidos de largura de banda, de forma a atender o atraso e o jitter de atraso pedidos
pelos serviços essenciais. Se for necessário atender a restrições ainda mais severas de jitter, um
esquema de buferização na saída é utilizado [12].
Serviço de taxa de bits variável de tempo real
O serviço de taxa de bits variável de tempo real (Real-Time Polling Service - rtPS) se
destina a aplicações de multimídia compactada (MPEG vídeo) e a outras aplicações de software
de tempo real em que a quantidade de largura de banda necessária em cada instante pode variar,
tais como voz sobre IP. Neste tipo de serviço a estação base consulta os assinantes, a intervalos
fixos, sobre a quantidade de largura de banda necessária em cada momento. Tendo em vista que
os assinantes emitem pedidos explícitos, o overhead e a latência do protocolo são aumentados
[12].
Este serviço se destina a atender as necessidades dos serviços que são dinâmicos por
natureza, mas oferece oportunidades dedicadas de requisição para atender necessidades de tempo
real.
24
Serviço de taxa de bits variável não de tempo real
O serviço de taxa de bits variável não de tempo real (Non-Real-Time Polling Service -
nrtPS) se destina a transmissões pesadas que não são de tempo real, como aquelas relacionadas a
transferência de grandes arquivos. Este serviço é praticamente idêntico ao serviço de tempo real,
exceto pelo fato de que as conexões devem utilizar oportunidades de acesso randômico para
enviar pedidos de largura de banda. Tipicamente, serviços carregados sobre essas conexões
conseguem tolerar atrasos mais longos e são mais sensíveis ao jitter de atraso. O serviço de taxa
de bits variável não de tempo real é aplicável para acesso a Internet com taxas de garantias
mínimas e para conexões ATM GFR [12].
Serviço de melhor esforço
O serviço de melhor esforço (Best Effort - BE) não fornece nenhuma garantia que uma
conexão consiga o acesso ao link. O assinante deve disputar a largura de banda com outros
assinantes do serviço de melhor esforço. As solicitações de largura de banda são feitas em slots de
tempo marcados no mapa do uplink como disponíveis para disputa. Se uma solicitação for bem
sucedida, seu sucesso será notado no próximo mapa do downlink. Se ela tiver sucesso, os
assinantes mal sucedidos terão de tentar de novo mais tarde. Nem garantias de vazão nem de
atraso são prometidas. Os assinantes enviam pedidos por largura de banda nos slots de acesso
randômico ou pelas oportunidades dedicadas de transmissão. A ocorrência de oportunidades
dedicadas está sujeita à carga da rede e os assinantes não podem se basear na presença da mesma
[12].
2.2.5. Multiplexação
O processo que possibilita que vários sinais possam ser enviados ao mesmo tempo em um
mesmo canal é chamado de multiplexação. Existem diferentes técnicas de multiplexação sendo as
mais importantes a multiplexação por divisão em freqüência, por divisão no tempo e por divisão
em códigos [15].
Na divisão por freqüência, se cada um dos sinais a serem transmitidos tem uma largura de
banda B, eles serão transmitidos em "envelopes" de freqüências que diferem entre si por uma
quantidade maior ou igual a 2B. Este tipo de multiplexação é chamado de FDM (Frequency
Division Multiplexing). Neste caso, o número de sinais que podem ser transmitidos
25
simultaneamente usando FDM depende da freqüência, da portadora e da largura de banda do
canal [15].
Com a evolução das tecnologias, a demanda por bandas de transmissão cresceu bastante e
a largura dos canais disponíveis deve ser aproveitada ao máximo. Pode-se notar que com a técnica
FDM isto não ocorre, pois se tem que esperar que um sinal seja totalmente transmitido para que o
outro possa ser enviado em seguida. Foi este dilema que levou ao estudo aprofundado de meios de
modulação que permitissem superposições de sinais consecutivos sem que estes interferissem uns
com os outros [15].
OFDM
Em meados da década de 1960, foi introduzido o conceito inicial da multiplexação
ortogonal. A OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é uma variação da
multiplexação por divisão de freqüência (FDM) usada nos sistemas de telefonia e nas tecnologias
de redes de acesso como o ADSL e VDSL, e mais recentemente nas redes wireless. A idéia básica
é dividir um fluxo digital de alta taxa de bits em um esquema de baixa taxa e a transmissão
paralela usando subportadoras [13].
Em um sistema FDM normal, por exemplo, as portadoras estão suficientemente espaçadas
de modo a poderem ser recebidas utilizando filtros convencionais. Entretanto, para tornar a
filtragem possível, bandas de guarda têm que ser introduzidas entre essas portadoras, o que resulta
em uma diminuição da eficiência espectral. No OFDM, ao invés de se utilizar uma banda de
guarda entre subportadoras para poder separá-las na recepção, emprega-se uma sobreposição das
mesmas, resultando em um ganho espectral de até de 50% em relação à técnica FDM [13].
Figura 3: Modulação FDM e OFDM [13].
Em um sinal OFDM é possível organizar as portadoras de forma que as suas bandas
laterais se sobreponham sem que haja interferência entre elas. Para que isso ocorra, as portadoras
devem ser matematicamente ortogonais (linearmente independentes), ou seja, no domínio do
26
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 [13].
A OFDM representa um elemento fundamental para suportar operação sem linha de
visada na tecnologia WIMAX, em razão do alto desempenho alcançado na transfer6encia de
dados [13].
Trata-se de uma técnica de multiplexação de informações em um conjunto de subcanais
modulados por subportadoras de banda estreita ortogonais entre si. Esse esquema de modulação
pode ser implementado como um banco de filtros. Nesse caso, uma seqüência de bits transmitida
a uma taxa de R bits/s é multiplexada em N subcanais, resultando na transmissão de R/N bits/s
sobre cada subportadora.
Figura 4: Modulação OFDM implementada por meio de banco de filtros [13].
Essa estratégia tem como benefício imediato a possibilidade de utilização de
equalizadores simplificados nos receptores. A Figura 5a ilustra a distorção imposta pelo canal de
rádio a um sinal transmitido por um sistema de banda larga de portadora única, que requer um
equalizador de alta complexidade para a recomposição do sinal original. Já no caso da Figura 5b,
27
o canal de rádio distorce uniformemente cada subcanal, de modo que a operação de equalização
de cada subportadora se resume a uma simples amplificação [13].
Outro importante benefício é o aumento da eficácia na utilização de técnicas de
codificação e correção de erros, possibilitado pela transmissão a taxas reduzidas em cada
subportadora.
Alternativamente, é possível implementar a modulação OFDM por meio de transformadas
discretas de Fourier, viabilizando a utilização de processadores digitais de sinais (Digital Signal
Processor – DSP) de alto desempenho, resultando em um sistema mais estável, flexível e de custo
reduzido. Com a rápida evolução dos DSPs, a modulação OFDM tem sido crescentemente
adotada nas soluções modernas de redes locais sem fio de banda larga [6] [7].
Figura 5: Sinais recebidos em sistemas de banda larga com portadora única (a) e
multiportadora (b) [13].
Na tecnologia WIMAX, o esquema OFDM é o seguinte: 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. A porção final de cada símbolo é ciclicamente copiada sobre porção reservada ao
intervalo de guarda, originando um prefixo cíclico (Cyclic Prefix), que contribui para manter a
ortogonalidade entre as subportadoras. Os tipos de subportadoras são definidos na camada física
OFDM da tecnologia WIMAX. As subportadoras piloto são utilizadas nos mecanismos de
controle de potência, ao passo que as subportadoras DC podem ser utilizadas como banda de
guarda dentro de um canal de banda larga.
28
Figura 6: Esquema OFDM na tecnologia WIMAX [13].
Um problema bastante comum em redes sem fio baseadas em topologia Ponto-Multiponto
é o desbalanceamento de cobertura entre os enlaces direto (downlink) e reverso (uplink). De fato,
em vários cenários práticos, as estações clientes sofrem restrições quanto ao consumo de potência
e à potência máxima de transmissão, resultando em uma tendência natural para que a cobertura
seja limitada pelo enlace reverso.
As propriedades de transmissão do uplink ou do downlink são associadas a cada frame,
permitindo que os esquemas de modulação e codificação sejam ajustados dinamicamente para se
adaptar às mudanças nas condições do link. O método de modulação pode ser ajustado quase
instantaneamente para a melhor transferência de dados. Essa modulação adaptável permite o uso
eficiente da largura de banda [13].
Para minimizar o problema do desbalanceamento de cobertura entre os enlaces, o padrão
802.16 adota a técnica de subcanalização, que consiste em um cenário hipotético onde a potência
máxima de transmissão da SS (Subscriber Station) corresponde a 25% da potência máxima da BS
(Base Station). Para compensar este desequilíbrio, a técnica de subcanalização é adotada, de modo
29
que a informação é transmitida em apenas 25% das subportadoras disponíveis, o que permite
elevar a potência efetiva em um fator de quatro vezes nas subportadoras selecionadas. O preço a
ser pago pelo aumento de cobertura por meio da subcanalização é a redução na vazão máxima
suportada pelo enlace [13].
Figura 7: Esquema de subcanalização na tecnologia WIMAX [13].
OFDM e FDMA
A OFDM é uma técnica de transmissão multi-portadoras que divide o espectro em várias
sub-bandas. Neste tipo de modulação pode-se transmitir digitalmente, a altas taxas de bits, para
receptores móveis, portáteis e fixos, especialmente em ambientes multi-percurso [13].
Antes da transmissão a informação é dividida em um grande número de canais com baixa
taxa de bits cada um. Estes são usados para modular as portadoras ortogonais individuais de tal
maneira que a duração do símbolo correspondente se torne maior do que o atraso de propagação
dos canais de transmissão. As subportadoras são posicionadas de tal forma que os zeros de cada
uma coincida com os das outras [13].
Figura 8: Exemplo de Distribuição de 3 subportadoras utilizando OFDM [15].
30
Inserindo um intervalo de tempo de guarda entre os símbolos sucessivos, a seletividade do
canal e a propagação multi-percurso não causam interferências intersimbólicas Essa técnica se
assemelha ao FDMA (Frequency Division Multiple Access), no que diz respeito à divisão do
espectro em várias portadoras.
Figura 9: Exemplo do espectro FDMA [15].
A principal diferença entre OFDM e FDMA é que o espaçamento entre as portadoras na
OFDM é menor, devido ao fato das portadoras serem ortogonais entre si. Geralmente os sinais
OFDM têm largura de banda de cada portadora na faixa de 1KHz, enquanto que no FDMA eles
atingem 3KHz. Assim, a grande vantagem do sistema OFDM é o fato das portadoras serem
ortogonais entre si, podendo então ser transmitido uma quantidade maior de informação em uma
mesma largura de banda [15].
Vantagens e desvantagens do OFDM
A OFDM é uma técnica que apresenta vantagens frente aos problemas de interferências
entre freqüências e de ruído impulsivo. Um sistema baseado em OFDM além de proporcionar
uma maior taxa de transmissão, apresenta uma alta robustez aos ambientes com desvanecimento
seletivo em freqüência [13].
Entretanto, algumas desvantagens também existem, tais como: dificuldade de sincronismo
das portadoras, sensibilidade aos desvios de freqüência e necessidade de amplificação decorrente
do fato de o sinal transmitido não exibir uma natureza constante em sua envoltória [13].
31
2.2.6. Modulação
Na tecnologia WIMAX, além do esquema de multiplexação OFDM, adota-se um esquema
de modulação adaptativa. Trata-se da seleção da modulação a ser utilizada na camada física
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) e QAM (Quadrature Amplitude Modulation) a partir
do nível da relação sinal-ruído percebida no receptor. A partir da negociação entre as estações
base e cliente, a modulação a ser adotada é dinamicamente adaptada às condições do enlace de
rádio. Esta técnica confere maior robustez e flexibilidade ao sistema, já tendo sido adotada na
tecnologia WI-FI [1].
O padrão IEEE 802.16 emprega um sistema de modulação adaptativa, com a utilização de
três esquemas de modulação diferentes, quais sejam, QAM-64, QAM-16 e QPSK. Nesse sistema,
o esquema de modulação do sinal é ajustado dependendo da condição do link. Quando o link de
rádio é de alta qualidade, é usado o esquema de modulação mais elevado (QAM-64). Quando
ocorre a atenuação do sinal, o padrão pode alterar o esquema de modulação para QAM-16 ou
QPSK a fim de manter a qualidade da conexão e a estabilidade do link. Uma vez que a intensidade
do sinal na banda milimétrica cai com o aumento da distância da estação base, o esquema de
modulação é modificado dependendo da distância que a estação do assinante se encontra em
relação à estação base. Para assinantes próximos é usado o QAM-64, com 6 bits/baud, no caso de
assinantes situados a uma distância média é usado o QAM-16 com 4 bits/baud, e para assinantes
distantes é usado o QPSK com 2 bits/baud . Os esquemas QAM-16 e QPSK permitem um
aumento no alcance do sinal, mas trazem como conseqüência a redução da vazão [13].
Figura 10: Esquema da modulação adaptativa na tecnologia WIMAX [28].
32
Modulação em fase
PSK (Phase Shift Keying)
O PSK é uma forma de modulação em que a informação do sinal digital é embutida nos
parâmetros de fase da portadora. Neste sistema de modulação, quando há uma transição de um bit
0 para um bit 1 ou de um bit 1 para um bit 0, a onda portadora sofre uma alteração de fase de 180
graus. Esta forma de particular do PSK é chamada de BPSK (Binary Phase Shift Keying). Quando
não há nenhuma destas transições, ou seja, quando bits subseqüentes são iguais, a portadora
continua a ser transmitida com a mesma fase [14].
Figura 11: Variação de fase em função da transição de bit do sinal [14].
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
A modulação QPSK é uma técnica de modulação derivada do PSK, porém neste caso, 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. Por exemplo, se
quisermos transmitir 2 bits por símbolo, ao invés de 1 bit por símbolo como no caso PSK acima,
neste caso, como teremos 4 tipos de símbolos possíveis, a portadora pode assumir 4 valores de
fase diferentes, cada um deles correspondendo a um dibit, como por exemplo 45o, 135o, 225o e
315o [14].
33
Figura 12: Diagrama de fase e quadratura (IQ) os 4 possíveis símbolos gerados pela
modulação QPSK usando 2 bits por símbolo [14].
Modulação em amplitude
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
Nesta forma de modulação, os símbolos são mapeados em um diagrama de fase e
quadratura, sendo que cada símbolo apresenta uma distância específica da origem do diagrama
que representa a sua amplitude, diferentemente da modulação PSK, na qual todos os símbolos
estão a igual distância da origem. Isto significa que as informações são inseridas nos parâmetros
de amplitude e quadratura da onda portadora [14].
No caso do 16 QAM, a constelação apresenta 16 símbolos, sendo 4 em cada quadrante do
diagrama, o que significa que cada símbolo representa 4 bits. Podemos ter também, por exemplo,
o modo 64 QAM, cuja constelação apresenta 64 símbolos, cada um deles representando 6 bits.
Figura 13: Constelações geradas pelos dois modos QAM mencionados acima [14].
34
Pode-se notar que no modo 16 QAM alcança-se uma taxa de transmissão menor do que no
modo 64 QAM, uma vez que cada símbolo transporta um número menor de bits. No entanto, no
modo 16 QAM, a distância euclidiana entre os símbolos é maior do que no caso do modo 64
QAM. Isto permite que o modo 16 QAM possibilite um QoS, pois a maior distância entre os
símbolos dificulta erros de interpretação no receptor quando este detecta um símbolo [14].
2.3. Fatores de interferência
2.3.1. Interferência
A interferência ocorre quando dois ou mais sinais viajando em direções diferentes podem
passar um através do outro, e conseqüentemente, serem selecionados na mesma freqüência, nesse
caso o receptor não tem como distinguir um do outro. O sinal indesejado é chamado de
interferência e pode limitar seriamente a eficiência do sinal de rádio [5].
As interferências podem ser destrutivas ou construtivas dependendo de como os seus
ciclos estiverem alinhados no momento em que ocorrer a sobreposição dos sinais. A interferência
construtiva ocorre quando os sinais chegam ao mesmo tempo no ponto máximo e no mínimo,
criando um sinal mais forte. A interferência destrutiva ocorre quando os sinais cancelam
inteiramente um ao outro devido ao fato de um sinal estar no ponto máximo e o outro no mínimo
[5].
O receptor deve saber a exata freqüência do sinal para poder reconhecê-lo, caso ele não
esteja sintonizado na freqüência certa, o sinal é escutado como uma interferência. Para assegurar
que os sinais de rádio permaneçam livres de interferência, as freqüências precisam ser planejadas
e controladas cuidadosamente [5]. No Brasil o órgão que regulamenta e restringe a operação das
faixas de freqüência para que a interferência seja minimizada é a ANATEL (Agência Nacional de
Telecomunicações) [8].
2.3.2. Interferências causadas pelo meio de propagação
As redes sem fio têm como principal característica a utilização do meio aéreo para a
transmissão de dados. Portanto, é de fundamental importância para quem esteja planejando a
35
construção de uma rede sem fio, estudar todas as características próprias desse peculiar meio de
transmissão.
O padrão IEEE 802.16 utiliza ondas de rádio para a transmissão de dados. Os sinais de
rádio são um tipo de radiação eletromagnética e as suas características dependem da freqüência
em que se encontram.
A área completa de alcance da radiação eletromagnética é conhecida como espectro. O
espectro é dividido em várias regiões conhecidas como bandas ou faixas de freqüência.
O padrão 802.16 utiliza as bandas UHF (Ultra High Frequency), SHF (Super High
Frequency) e EHF (Extra High Frequency) que são conhecidas coletivamente como microondas,
por causa de seus pequenos comprimentos de onda. A alta largura de banda e a faixa curta fazem
com que as microondas sejam úteis para o uso em comunicações, entretanto, têm a desvantagem
de serem facilmente bloqueadas por obstáculos como paredes e morros e enfraquecidas pela
chuva e pelas nuvens [5].
2.3.3. Análise do efeito das microondas
Como as microondas viajam em linha reta, corre-se o risco de obstáculos atravessarem o
caminho das ondas, portanto, as antenas devem estar bem localizadas a fim de se obter uma visão
desobstruída. Devido a essa necessidade de visão desobstruída, as redes que utilizam microondas
geralmente necessitam de repetidores [9].
As microondas estão sujeitas à interferências por fenômenos atmosféricos e tempestades.
Um dos maiores problemas da transmissão de microondas é o efeito do desvanecimento por
múltiplos percursos (multipath fading), ou seja, uma onda pode ser refratada pelas camadas mais
baixas da atmosfera e pode demorar uma fração a mais para chegar ao receptor. Este sinal
atrasado pode entrar em fase com o sinal direto e anulá-lo. As microondas são também absorvidas
pela chuva. Neste caso, a única solução é desviar os sinais para uma rota alternativa, contornando
a chuva [9].
O padrão 802.16a utiliza as microondas das bandas UHF e SHF. A UHF se estende de
300MHz a 3GHz, já a SHF utiliza o espectro entre 3GHz e 30GHz [12].
As transmissões que ocorrem de 3GHz a aproximadamente 10GHz são vulneráveis ao
efeito que é conhecido como distorção por múltiplos caminhos (multipath). A distorção consiste
numa alteração da forma do sinal durante a sua propagação desde o emissor até ao receptor.
36
Distorção multipath é uma condição onde o sinal sofre interferência dele mesmo por causa de
reflexões fora da fronteira física convergindo com a direção do sinal, causando crescimento do
nível de sinal do receptor ou enfraquecimento [10]. A distorção multipath causa erros nos bits
recebidos pelo receptor.
As bandas SHF possuem como problema o bloqueio pelas paredes. Acima de 2.5GHz as
transmissões através das paredes ficam altamente dificultadas. Acima de 3GHz o problema fica
ainda mais acentuado, e as antenas internas tornam-se impraticáveis para receber transmissões
nessa freqüência [12].
2.3.4. Efeitos da falta de linha de visada
Quando uma onda de rádio encontra um objeto físico em seu percurso, ela pode
comportar-se de uma dessas três formas: pode fornecer alguma de sua energia ao objeto na forma
de calor, um processo denominado absorção; pode curvar-se em torno do objeto, um processo
denominado difração; ou pode ricochetear do objeto, um processo denominado reflexão. Estes
três processos, não são mutuamente exclusivos, ou seja, um sinal refletido pode imediatamente ser
difratado enquanto encontra um contorno diferente do objeto que o reflete, e em cada caso onde a
reflexão ou a difração ocorre, alguma energia estará sendo absorvida também [10].
Absorção
A absorção não muda o sentido da onda de rádio, mas retira sua energia. Tendo em vista
que o sinal perde energia simplesmente por ser propagado pelo espaço livre, o efeito da absorção
da energia por estruturas físicas, tais como paredes ou árvores, favorece a redução da distância
que uma conexão de confiança pode ser mantida [10].
As perdas pela absorção podem ser significativamente severas a ponto de interromper
inteiramente o sinal. Um exemplo disto é fornecido por um parque repleto de árvores elevadas
onde qualquer um que tente através das árvores, com um sinal de microondas, alcançar os
edifícios no outro lado será completamente incapaz de estabelecer um link aéreo devido ao efeito
da absorção do sinal pelas folhagens [10].
37
Reflexão
Reflexão se refere à modificação da direção de propagação de uma onda que incide sobre
uma interface que separa dois meios diferentes, e retorna para o meio inicial. A reflexão ocorre
quando as ondas eletromagnéticas se deparam com obstáculos de dimensões muito maiores do
que seus comprimentos de onda, sendo que parte da onda atravessa o objeto e a outra parte é
refletida [10].
Uma onda refletida causa um fenômeno conhecido como multipath. Multipath significa
que o sinal de rádio pode viajar através de múltiplos trajetos para alcançar o receptor [10].
A energia refletida pode alcançar o receptor em um nível suficiente para fornecer um sinal
utilizável, embora mais fraco do que seria um o sinal direto. O problema aqui, entretanto, é mais
significativo do que uma simples redução no nível do sinal porque agora o receptor está operando
inteiramente no ambiente multipath, e é provável que ele seja sujeito não a uma, mas a múltiplas
reflexões, cada uma das quais interferirá severamente com a outra, podendo causar o
cancelamento do sinal se chegarem em fases diferentes [10].
Difração
A difração ocorre quando existe um objeto obstruindo a passagem entre o transmissor e o
receptor e as ondas de rádio se dobram em torno das bordas desse objeto, resultando em uma
transmissão do feixe de luz que fica fora do eixo em relação à antena do receptor. Cabe salientar
que o sinal difratado não é necessariamente inútil, mas é certamente menos útil do que um sinal
direto [10].
Rádios que operam na região acima de 2Ghz, região que é atribuída geralmente aos
serviços sem fio de banda larga, são obstruídos facilmente. O grau a que tais transmissões de alta
freqüência são obstruídas exerce uma grande influência na capacidade do operador da rede em
registrar clientes, limitando o tamanho do mercado de assinantes.
Devido a esta limitação de assinantes causada pelas obstruções, a indústria procurou
tecnologias que contornam ou mesmo atravessam tais obstruções, sendo essa tecnologia
conhecida como NLOS [11]. NLOS refere-se a toda a técnica para diminuir os efeitos de
obstruções físicas, uma vez que nenhuma técnica ou equipamento de NLOS pode inteiramente
eliminar efeitos do bloqueio.
Em uma ligação de NLOS, um sinal alcança o receptor com reflexões, dispersões e
difrações. Os sinais que chegam ao receptor consistem em componentes do trajeto direto, dos
trajetos com múltiplas reflexões, dos trajetos difratados na propagação e da energia dispersada.
38
Estes sinais possuem diferentes atrasos de propagações e atenuação em relação ao trajeto direto
[10].
Figura 14: Exemplo de trajeto direto e trajeto indireto [15].
2.3.5. Zona Fresnel
O processo de tentar estabelecer uma linha de visada desobstruída da posição do assinante
à Estação Base é bem direto. Se for possível enxergar com os olhos ou binóculos a antena remota
a partir da antena local, então existe uma linha imaginária entre duas antenas, podendo-se então
supor que as condições prévias de visada direta foram encontradas e o operador tem boas chances
de poder estabelecer um link de rádio.
Se as obstruções cruzarem completamente essa linha imaginária, então obviamente há
uma falta linha de visada direta. Se as obstruções cruzarem essa linha sem completamente
chocarem-se em cima dela, então uma deve prosseguir à fase seguinte: o cálculo do que é
conhecido como zona Fresnel [15].
Zona Fresnel consiste em uma série infinita de anéis concêntricos que cercam o ponto
nodal da transmissão, com cada anel definido pelo relacionamento da fase entre o feixe principal
39
do transmissor e os dois lóbulos laterais dominantes. Dito de uma outra forma, a propagação das
microondas forma um campo elíptico envolvendo a linha de visada, sendo tal campo denominado
de zona Fresnel. O campo fica mais extenso com o aumento da distância entre as antenas [15].
Uma ligação com linha de visada requer que a maior parte da primeira zona de Fresnel
esteja livre de qualquer obstrução. Os primeiros seis décimos da primeira zona de Fresnel devem
estar livres das obstruções para assegurar uma ligação de rádio de confiança. Dessa forma, no
projeto de construção de redes a regra geral é que as antenas devem estar localizadas de forma a
assegurar 60% da primeira zona de Fresnel livre de qualquer obstrução [15]. Se estes critérios não
forem obedecidos então há uma redução significativa na força do sinal.
Figura 15: Zona Fresnel [15].
A operação em freqüências abaixo de 11GHz implica a transmissão em enlaces de
radiofreqüência com comprimentos de onda suficientemente longos para tornar desnecessária a
condição de visada direta para a operação. Adicionalmente, a recepção de sinais em multipercurso
é possível nessa faixa de freqüências, o que pode ser aproveitado para aumentar ainda mais o
desempenho na recepção [15].
Deve-se salientar que nem todas as obstruções são equivalentes e que diferenças
consideráveis podem existir entre obstruções do mesmo tipo. Uma única árvore pode impor em
40
torno de 15dB a 20dB de perda do sinal dependendo do tipo e do tamanho dela. Um bosque pode
elevar essa perda a 30dB. Um edifício pode representar uma perda total de 30dB enquanto um
monte baixo poderia exceder 40dB. Uma situação interessante ocorre quando as árvores balançam
no vento, as variações momentâneas na perda podem exceder 10dB [10].
As distâncias envolvidas nas zonas Fresnel dependem da freqüência na qual o sistema está
operando, da distância entre as posições do transmissor e do receptor e são também uma função
do modelo de radiação da antena utilizada. A melhor forma de determinar a Zona Fresnel é
consultar o fabricante dos equipamentos do terminal do assinante e da estação base para
determinar a extensão da área acima e abaixo da linha de visada que deve estar livre de
obstruções.
Se as obstruções estiverem entre a estação base e um local valioso de usuários, tal como
um edifício de escritórios ou uma residência com múltiplos assinantes, uma solução pode ser
simplesmente levantar a antena da estação base a uma elevação onde esteja bem acima de todas as
obstruções. Entretanto, tal tática não deve ser considerada como uma solução perfeita porque uma
antena que seja demasiado elevada não poderá alcançar assinantes na área próxima da antena [10]
[11].
A transmissão NLOS utilizada no WIMAX resolve os problemas da propagação do sinal
por utilizar características como:
• Tecnologia OFDM.
• Subcanalização.
• Antenas direcionais.
• Diversidade na transmissão e recepção.
• Modulação adaptável.
• Técnicas de correção de erros
• Controle de potência.
41
Figura 16: Propagação LOS e NLOS [15].
42
3. Antena WIMAX
Pode-se definir uma antena como um dispositivo capaz de irradiar ou receber ondas
eletromagnéticas que se propagam em um determinado meio. A distribuição dos campos elétrico e
magnético, as dimensões e suas características de irradiação são propriedades inerentes para cada
tipo de antena. O conhecimento destas características é de fundamental importância tanto para os
estudantes de Engenharia Elétrica como para profissionais projetistas destas estruturas.
A impedância característica de uma linha de transmissão é puramente real, enquanto que a
antena apresenta uma impedância complexa. A variação dessas impedâncias em função da
freqüência não são iguais. Assim, eficientes sistemas de casamento ou circuitos de acoplamento
devem ser projetados. O objetivo desses sistemas é eliminar a parte reativa da impedância de
entrada complexa da antena, igualando sua parte real com a impedância característica da linha de
transmissão para que haja maior transferência de energia possível entre o transmissor e o receptor
[16].
3.1. Antena de microfita
O conceito de microfita surgiu na década de 50 paralelamente nos EUA e na França.
Somente no início da década de 70 que foi estudada a fita irradiadora separada por um substrato
dielétrico do plano de terra. Algum tempo depois teve-se a notícia de publicações de estudo de
antenas de microfita retangulares e circulares [17] e [18].
O desenvolvimento das antenas de microfitas de baixo perfil utilizadas freqüentemente em
veículos de alta velocidade, tais como aviões, mísseis, espaçonaves entre outros, teve grande
aceitação, devido a seu baixo peso, custo e tamanho reduzidos, possuindo alta performance e
facilidade na instalação. As maiores desvantagens são quanto a eficiência, que é baixa, e a estreita
largura de banda [16].
Uma antena de microfita consiste basicamente de duas placas condutoras, paralelas,
separadas por um substrato dielétrico. Em uma das placas é implementado o elemento irradiante e
43
na outra o plano de terra, conforme mostra a figura 17. A placa irradiante pode assumir qualquer
formato, mas normalmente são utilizadas formas convencionais para simplificar a análise de suas
características de irradiação [17] e [18]. O elemento irradiante da antena de microfita consiste de
uma placa metálica patch de espessura muito menor que o comprimento de onda (t << λ ),
espaçado a uma pequena fração de um comprimento de onda (h << λ ) acima de um plano de
terra, onde a espessura (t) é muito menor que a altura (h). Os elementos de microfita e suas linhas
de alimentação são impressos monoliticamente, ou seja, tanto os elementos quanto as linhas de
alimentação são impressos na microfita com substrato dielétrico do material. Há várias formas de
se alimentar uma antena de microfita porém, as mais utilizadas são as fitas condutoras de pequena
largura e os cabos coaxiais. Os arranjos de elementos de microfitas podem ser utilizados para se
obter maior diretividade.
Os materiais condutores geralmente utilizados são o cobre e o ouro, enquanto que os
materiais mais usados como substrato dielétrico são a alumina e as fibras texturizadas com Teflon
[19].
Figura 17: Antena de microfita retangular [17].
3.1.1. Tipos de excitação das antenas de microfita
As antenas de microfita possuem seus elementos irradiantes em um dos lados do substrato
dielétrico e assim podem ser alimentadas por linhas de microfita, cabos coaxiais, ou por
acoplamento eletromagnético. O casamento entre a alimentação e o elemento irradiante, uma vez
que estes não possuem a impedância desejada para que haja a máxima transferência de potência
entre o transmissor e o receptor (antena), pode ser obtido selecionando-se a localização do ponto
de alimentação na estrutura irradiante [17] [18].
44
Figura 18: Alimentação por linha de microfita [16].
Figura 19: Alimentação por cabo coaxial [16].
A excitação das antenas de microfita por linhas de microfita apresenta como principal
vantagem o fato de poder ser impressa monoliticamente no mesmo plano da antena. A
desvantagem deste método diz respeito a alta impedância de irradiação nas bordas da antena [20].
Pode-se alimentar uma antena de microfita através de um cabo coaxial conectado a um
ponto escolhido da antena. Para se fazer o casamento do sistema, liga-se a malha condutora ao
plano de terra e o condutor central no elemento irradiante da antena. Apesar da facilidade da
conexão para um único circuito impresso, este método apresenta dificuldades na sua fabricação e
instalação quando têm-se mais de um elemento irradiador [19].
45
Material εr (Banda X) tgδ Perda (Banda X)
PTFE não reforçado 2,10 0,00040
PTFE c/ fibra de vidro 2,33 0,00150
PTFE reforçado c/ quartzo 2,47 0,00060
Teflon 2,08 0,00037
CuFlon 2,10 0,00400
RT / Duroid 5880 2,26 0,00180
RT / Duroid 6006 6,36 0,00170
Epsilam 10 10,3 0,00040
Óxido de poliolefina 2,55 0,00016
ULTRALAM 2000 2,50 0,00190
Cerâmica de alumina 9,6 - 10,1 0,00040
Sáfira 9,40 0,00010
*CuFlon-PolyflonCompany;
*RT/Duroid-RogersCompany;
*Episilam 10 - 3M Company.
Tabela 1: Propriedades dos materiais dos substratos [17].
3.1.2. Antena de microfita retangular
Uma antena de microfita consiste de dois planos condutores separados por um substrato
dielétrico fino. A placa inferior funciona como um plano de terra e a superior como um elemento
irradiante da antena de microfita de formato retangular, como mostra a figura 20, sendo impresso
sobre o material dielétrico juntamente com a alimentação. Pode-se alimentar uma antena de
microfita retangular de várias formas, neste trabalho apresenta-se as alimentações através de fitas
condutoras de pequena largura e cabos coaxiais de 50 ohms.
46
Campos irradiantes para antena de microfita retangular
Os campos nas aberturas das duas fendas formam, pode-se assim dizer, um arranjo com
dois elementos afastados de λg / 2. Tais campos adicionam-se em fase e possuem uma irradiação
máxima normal ao elemento da microfita.
Os campos nas terminações das faces da placa podem ser decompostos em componentes
normais e tangenciais ao plano de terra. Como o comprimento da placa é de aproximadamente
meio comprimento de onda, as componentes normais dos campos de borda estão fora de fase e
suas contribuições cancelam-se mutuamente na direção broadside normal à placa. Porém, as
componentes tangenciais estão em fase, fazendo com que o campo distante seja máximo na
direção normal à estrutura.
Figura 20: Sistema de coordenadas para antena de microfita retangular [19].
Desde que as linhas de alimentação excite somente no modo TM010, a componente do
campo elétrico da antena de microfita retangular pode ser assumida como:
onde, cos[(kLe)senθ senφ] é o fator do arranjo para as duas fendas.
47
Equação 1: Cálculo do campo elétrico.
Plano E (θ = 90o, 0o ≤ φ ≤ 90o e 270o ≤ φ ≤ 360o).
Equação 2: Cálculo do campo elétrico para o plano E.
Plano H (φ = 0o, 0o ≤ θ ≤ 180o)
Equação 3: Cálculo do campo elétrico para o plano H.
48
Largura e comprimento do elemento da antena de microfita retangular A largura w e o comprimento l do elemento de microfita retangular são fornecidos por [20] [21]:
Equação 4 a 8: Cálculo da largura do elemento de microfibra, comprimento do elemento
de microfibra, comprimento efetivo, constante dielétrica efetiva do substrato dielétrico e fator de
correção do comprimento respectivamente.
Sendo:
c - velocidade da luz no vácuo;
fo - Freqüência de operação;
h - Espessura do substrato dielétrico;
εr - Constante dielétrica relativa do substrato dielétrico;
εe - Constante dielétrica efetiva do substrato dielétrico;
Le - Comprimento efetivo;
∆l - Fator de correção do comprimento.
Condutância de irradiação e impedância de entrada da antena de microfita retangular
A condutância de irradiação para uma fenda simples pode ser obtida usando um
procedimento similar ao da resistência de irradiação de um elemento linear, conforme [16].
49
Equação 9: Cálculo da condutância de irradiação.
A solução da corrente pode ser feita pelo método do trapézio ou pela aproximação a
seguir:
Equação 10: Cálculo da corrente.
Onde:
Si – seno integral.
A impedância de entrada da antena de microfita retangular ressonante, para o modo TM010,
contendo duas fendas, e alimentada por uma linha de microfita é dada por:
Equação 11: Cálculo da impedância de entrada da antena.
onde G12 é dado por:
Equação 12: Cálculo da condutância mútua.
50
A impedância de ressonância da antena de microfita retangular alimentada por uma fita
condutora em um determinado ponto (y0), ao longo do comprimento da mesma é dada por [16]
[18]:
Equação 13: Cálculo da impedância de ressonância.
Caso a antena de microfita seja alimentada por um cabo coaxial de 50Ω a impedância de
entrada dependerá do comprimento elétrico da estrutura, onde o casamento será verificado a partir
da localização do alimentador até a borda do elemento de microfita retangular sendo [22].
Equação 14: Cálculo da impedância de ressonância para conector de 50Ω.
onde,
t - espessura do elemento de microfita.
Diretividade
A diretividade para cada fenda da microfita é dada por [16]:
Equação 15: Cálculo da diretividade para cada fenda da antena.
51
A diretividade das duas fendas da antena de microfita retangular é dada por:
Equação 16: Cálculo da diretividade para duas fendas na antena.
onde:
DAF - diretividade do fator do arranjo;
g12 – condutância mútua normalizada = G12/G1;
Largura de banda
Uma das maiores limitações de uma antena de microfita é a estreita largura de banda.
Usualmente ela varia de 1% a 4%. Porém, há alguns métodos que podem ser utilizados para
aumentar essa largura de banda tais como:
* Aumentar a espessura (h) entre as placas paralelas, fazendo com que a impedância
característica da estrutura aumente;
* Usar uma alta constante dielétrica (εr) no substrato, diminuindo as dimensões físicas das
placas paralelas [18];
* Adicionar componentes reativos para reduzir o VSWR(Voltage Standing Wave Ratio).
Para W/h > 1, a impedância característica é dada por:
Equação 17: Cálculo da impedância característica para W/h > 1.
Para W/h < 1, a impedância característica é dada por:
52
Equação 18: Cálculo da impedância característica para W/h < 1
Considerando-se as perdas no condutor, no dielétrico e devido a energia irradiada, têm-se que os respectivos fatores de qualidade são dados por:
Fator de qualidade do condutor:
Equação 19: Cálculo do fator de qualidade do condutor.
Fator de qualidade para o substrato dielétrico, devido a tangente de perda do material:
Equação 20: Cálculo do fator de qualidade para o dielétrico.
Fator de qualidade devido a energia irradiada:
Equação 21: Cálculo do fator de qualidade devido a energia irradiada.
onde:
Equação 22: Cálculo do fator atenuação.
53
O fator de qualidade total Qt é dado por:
Equação 23: Cálculo do fator de qualidade total.
A largura de banda da antena de microfita retangular ou circular é dada por:
Equação 24: Cálculo da largura de banda.
Eficiência
A eficiência da antena de microfita retangular ou circular é dada por [20]:
Equação 25: Cálculo da eficiência da antena.
3.1.3. Arranjo planar de N elementos
Irradiadores individuais podem ser posicionados ao longo de uma grade retangular para
formar um arranjo planar. Os arranjos planares fornecem variáveis adicionais as quais podem ser
usadas para controlar e formar o diagrama de irradiação do arranjo. Eles são muito versáteis e
podem fornecer diagramas mais simétricos e com menores lóbulos secundários [22].
54
Figura 21: Geometria para um arranjo planar com M x N elementos ao longo dos eixos x e
y, respectivamente [22].
onde:
dx e dy – espaçamentos entre os elementos ao longo dos eixos x e y;
β x – deslocamentos de fase progressiva entre um elemento e outro ao longo dos eixos x e y.
O fator do arranjo para a geometria é dado por:
Equação 26: Cálculo do fator de arranjo.
Para uma amplitude de excitação constante (I1n = Im1 = Io) na entrada do arranjo planar
uniforme , tem-se, que o fator do arranjo na forma normalizada pode ser escrito como:
onde:
55
Equação 27: Cálculo do fator de arranjo normalizado.
O lóbulo principal e o grating lobe são localizados em:
Equação 28: Cálculo do lóbulo principal.
Se for desejado ter somente um feixe principal que esteja orientado ao longo de q = q0 e f
= f0 a mudança de fase progressiva entre os elementos nos eixos x e y devem ser iguais a:
Equação 29: Cálculo do feixe principal.
onde:
O máximo do lóbulo principal é encontrado, a partir das equações (28) e (29) fazendo-se
(n = m = 0). Portanto os ângulos de direção do máximo são dados por:
Equação 30 e 31: Cálculo dos ângulos para o lóbolo principal máximo.
56
O máximo do feixe principal do arranjo está orientado ao longo de q0 e f0. Para definir a
largura de feixe são escolhidos dois planos: um é o plano de elevação definido pelo ângulo
f = f0 e o outro é o plano perpendicular a ele. As larguras de feixe de meia potência
correspondentes de cada um são designadas, respectivamente, por Qh e Yh.
Para um arranjo largo, o máximo está próximo do broadside, o plano de elevação da
largura de feixe de meia potência Qh é dada aproximadamente por:
Equação 32: Cálculo do plano de elevação da largura do feixe.
onde:
Θxo - representa a largura de feixe total de meia potência de um arranjo broadside com M
elementos dispostos ao longo do eixo x;
Θyo - representa a largura de feixe total de ½ potência de um arranjo broadside com N
elementos dispostos ao longo do eixo y;
A largura de feixe de meia potência Yh, ao plano que é perpendicular a elevação f =f0, é
dada por:
Equação 33: Cálculo da largura do feixe.
O ângulo sólido WA é dado por:
Equação 34: Cálculo do ângulo sólido.
57
Equação 35: Cálculo do ângulo sólido de acordo com as equações 32 e 33.
A diretividade do fator do arranjo FA(q ,q ) para os ângulos de orientação do feixe
principal q = q0 e f = f0 é dada por:
Equação 36: Cálculo diretividade do fator de arranjo.
A diretividade para um arranjo planar largo, onde as diretividades para os eixos x e y estão
próximos a um arranjo broadside, reduz-se para:
Equação 37: Cálculo diretividade do fator para um arranjo planar largo.
Para amplitudes com distribuições mais usuais a diretividade da equação (37) é definida
pela equação (35), temos:
Equação 38: Cálculo da diretividade para distribuições mais usuais.
58
3.2. Simulações,fabricantes e equipamentos existentes
Neste capítulo, serão apresentadas algumas simulações baseadas na revisão bibliográfica
contida neste capítulo e também os fabricantes de antenas, seus produtos baseados na tecnologia
WIMAX e suas características.
3.2.1. Fabricantes e as antenas disponíveis no mercado
O que se tem até o momento são fabricantes de antenas que anunciam alguns produtos
PRÉ-WIMAX, visto que a homologação dos mesmos ainda não ocorreu.
Alguns destes são descritos abaixo:
Wilan A Wilan é uma empresa canadense e está no mercado com as CPEs outdoor com a família Libra 5800, veja algumas características descritas pelo fabricante:
A família de produtos Libra 5800 utiliza a moderna tecnologia de modulação OFDM e é a
primeira solução do mercado pronta para a tecnologia 802.16, mais conhecida como WIMAX. Na
verdade a família Libra 5800 já implementa o draft WIMAX (no entanto esse documento,ainda
em processo de discussão pelo IEEE, deve sofrer modificações o que será acompanhado por uma
futura atualização de software do equipamento).
Vantagens
A primeira característica importante da linha de produtos Libra 5800 é a facilidade de sua
instalação: cada equipamento é composto de uma unidade externa (a prova de intempéries) e uma
unidade interna (que nada mais é que um injetor de alimentação por Ethernet). Dessa maneira o
cabo que deve ser levado da unidade interna para a externa é um cabo Ethernet comum o que
facilita a sua instalação quando comparada aos equipamentos que necessitam de cabos coaxiais.
59
Figura 22: Exemplo de ligação da antena [30].
Por utilizar tecnologia WIMAX o Libra 5800 trabalha tanto com visada direta como sem
visada também conhecidas como NLOS. Para aplicações ponto-a-ponto com visada a distância
alcançada é de até 60Km, para aplicações NLOS é de até 3 Km. Esse produto abre assim novas
oportunidades de negócios e apresenta soluções para problemas que antes requeriam opções muito
custosas.
Trabalhando na freqüência de 5,8GHz (que dispensa a necessidade de licenciamento para
sua instalação) todos os equipamentos Libra 5800 possuem uma porta Ethernet 10/100 BaseT,
suportam VLAN Tagging (802.1q). Com uma banda de 32 Mbps (24Mbps efetivos) e capacitade
de controle de banda. Os equipamento Libra 5800 permitem a criação de uma rede de alta
performance. Para segurança dos dados trafegados e controle de acesso os rádios Libra 5800
embaralham os dados através de um protocolo proprietário [30].
Modelos
Libra 5800 MP CPE e LCPE
Nas aplicações ponto-multiponto o Libra 5800 MP CPE compõe os pontos remotos,
juntamente com o Libra 5800 MP LCPE. Ambos podem coexistir apontados para o mesmo Libra
5800 MP AP. A diferença entre o MP CPE e o LCPE está na antena: o MP CPE já vem com
antena de 23dBi integrada enquanto que o LCPE possui conector para antena externa.
60
Hyperlink Technologies.
A Hyperlink Technologies é uma empresa norte americana e seu CPE é para 2,5 GHz.
Figura 23: Especificações do modelo HG2616P da Hyperlink Technologies [37].
61
NEX-G
A NEX-G é uma empresa de Cingapura, está no mercado com CPEs e também
equipamentos para a Estação Base, o nome da família de produtos é HORIZON [34].
Segue algumas especificações da CPE.
Figura 24: Especificações do modelo de CPE da família Horizon da NEX-G [34].
62
Pro-Cell
A Pro-Cell é uma empresa de Taiwan, está no mercado com CPEs.
Segue algumas especificações da mesma.
Figura 25: Especificações do modelo de CPE da Pro-Cell [38].
63
Com estes exemplos podemos analisar algumas características das CPEs outdoor
destinadas à tecnologia WIMAX até o momento por estes e outros fabricantes.
O ganho das antenas deve variar entre 15 dBi E 25 dBi aproximadamente.
Os canais devem ter uma largura de banda múltipla de 1,75MHz, até 10,5MHz,
geralmente 3,5MHz ou 7MHz;
MTBF (Mean Time Between Failures) de 100.000 horas;
Polarização: Vertical ou horizontal;
Relação Frente/Costas: Maior que 30dBi;
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio): Menor que 1,5;
Impedância: 50 ohms
Outras informações adicionais. As antenas são totalmente imunes à intempérie, suportam
ventos de até 200 Km/h e suportam umidade relativa entre 95% e 100%. O cabo da antena deve
ter no máximo entre 70m e 100m, dependendo do fabricante e devem ser usados conectores
especiais definidos pelos mesmos.
3.2.2. Simulações
Aqui serão apresentadas algumas simulações feitas com a intenção de melhor entender
algumas características de propagação LOS e NLOS, de acordo com o que foi apresentado no
capítulo 2.
A simulação abaixo feita em 2005/02 com o apoio do LTIG (Laboratório de Tratamento
de Imagens e Geoprocessamento) da PUCRS, que simula a linha de visada de uma antena
transmissora colocada no topo do prédio 50 da PUCRS, aproximadamente a uma altura de 50m e
os receptores variam entre 5 e 10 metros de altura.
64
Figura 26: Exemplo de linha de visada, analisando o campus da PUCRS.
Outra simulação realizada, foi baseada nas equações apresentadas anteriormente que em
forma de um software [27], calcula os coeficientes de um arranjo retangular de antenas de
mirofita, base para antenas dos CPEs outdoor WIMAX, que utilizam este processo.
Cabe dizer que esta é uma simulação hipotética baseada em informações obtidas com
diversos fabricantes de antenas, supondo alumínio como material para o substrato e uma altura de
0,013 cm.
65
Figura 27: Simulação realizada para as características de uma antena para CPE outdoor, numa
freqüência de 3,5 GHZ [27].
Figura 28: Diagrama de irradiação da antena obtida para a simulação realizada para as
características de uma antena para CPE outdoor, numa freqüência de 3,5 GHZ [27].
66
4. Considerações para instalação de acesso fixo WIMAX
4.1. Considerações para as faixas de 2,5GHz e 3,5GHz
Serão feitas aqui algumas considerações de instalação para uma rede de rádio de área
metropolitana baseada no Padrão Air Interface da norma IEEE 802.16-2004, a tecnologia
WIMAX. O foco serão as instalações usando o espectro licenciado na faixa de freqüência 2,5
GHz e 3,5 GHz. Instalações nestas faixas são especialmente interessantes no mercado de acesso
de rádio, pois oferecem o potencial para alcançar cobertura para acesso com alta velocidade sobre
uma área metropolitana inteira com alcance adequado e capacidade para uma rede de acesso
rentável. Além de apresentar um detalhado ponto de vista de capacidade de canal da estação base
contra o alcance da mesma, exemplos específicos de instalação serão analisados ao
relacionamento entre custos de infra-estrutura da estação base e para espectro disponível em
ambas as faixas de freqüência.
O impacto na capacidade de canal e alcance utilizando CPE`s Indoor também será
discutido. Bandas licenciadas para MAN`s em 3,5GHz e 2,5GHz não estão mundialmente
disponíveis para acesso fixo de rádio, mas ao menos uma das duas faixas está disponível na
maioria dos países.
Faixa de 3,5GHz: A faixa de 3,5GHz está disponível como uma faixa para o acesso de
rádio fixo em banda larga em muitos países fora dos Estados Unidos. Embora os regulamentos
para instalação e atribuições específicas variam consideravelmente de país para país, esta é
indiscutivelmente a faixa do espectro mais usado para transmissão via rádio em MAN`s hoje em
dia.
67
As características típicas para a faixa de 3,5GHz de um país são baseadas em:
-Total espectro disponível: Varia de país para país, mas geralmente é de 200MHz, entre
3,4GHz e 3,8GHz.
-Serviços alocados: Acesso fixo normalmente é especificado.
-TDD ou FDD: Em alguns países é especificado somente FDD e em outros, pode-se
utilizar FDD ou TDD.
-Espectro por licença: Varia de 2 x 5MHz até 2 x 56MHz.
-Agregação de licença: Alguns países permitem operadoras a ganhar acesso a mais
espectros, outros não permitem agregação.
Faixa de 2,5GHz: Esta faixa é atribuída para serviços fixos de microondas em muitos
países incluindo os Estados Unidos. Embora muitos destes países tenham regras que não apóiam
serviços two-way, é esperado que isto mude quando os equipamentos WIMAX venham a tornar-
se uma realidade concreta e os operadores mundiais obtenham mais licenças do espectro para
serviços de banda larga tanto fixos quanto móveis.
Nos Estados Unidos o FCC (Federal Communications Commission) modificou as regras
para esta faixa em 1998, permitindo serviços bilaterais e em 2004, anunciaram uma reorganização
do plano de canal [35]. Com estas modificações das regras, esta faixa agora bem está servida a
uma instalação baseada na tecnologia WIMAX.
Também, há o fato que a faixa de 3,5GHz não está disponível para acesso de rádio nos
Estados Unidos. Os seguintes detalhes para a faixa de 2,5 GHz são baseados em regras bem
recentes de FCC.
As características típicas para a faixa de 3,5GHz nos Estados Unidos:
-Total espectro disponível: O total de 195 MHz, incluindo guarda-faixas e canais de MDS,
entre 2,495 GHz e 2,690 GHz.
-Serviços alocados: Fixo bilateral ou broadcast.
-TDD ou FDD: - Tanto TDD como FDD são permitidos.
-Espectro por licença: 22,5 MHz por licença, um bloco de 16,5MHz emparelharam com
um bloco de 6 MHz, um total de 8 licenças.
-Agregação de Licença: As operadoras podem adquirir múltiplas licenças em uma área
geográfica para aumentar as faixas de espectro.
68
Características do rádio
Duas soluções de equipamento WIMAX foram selecionadas para análise. Na faixa de
2,5GHz, uma solução é TDD com 5MHz de largura de banda do canal será usada e na faixa de
3,5GHz uma FDD com dois canais com largura de banda 3.5MHz será usado. Estes não são as
únicas soluções de equipamento para o WIMAX, que se espera estar disponível nestas duas faixas
de freqüências, mas são exemplos representativos e servem para os propósitos deste trabalho.
Outras soluções esperadas incluem uma solução de TDD para a faixa de 3,5GHz com uma largura
de banda de canal de 7MHz e em um futuro não distante, larguras de banda diferentes de canal
estarão disponíveis em ambas as faixas para fornecer aos operadores mais opções de instalação.
Equipamentos WIMAX também estarão disponíveis em outras faixas de freqüência. Até o
momento, os equipamentos lançados no mercado são para 5,8GHz, 3,5 GHz e 2,5 GHz [29].
A tabela 2 fornece um resumo das características do rádio para downlink que são usados
para o alcance e estimativas de capacidade do canal. O ganho do sistema na tabela 2 é típico de
médio desempenho para soluções de equipamentos WIMAX. Para a 2,5GHz em TDD, uma
separação de tráfego de downlink/uplink de 60/40 é suposta, visto que é uma configuração típica
para serviços de transmissão de dados. Isto faz o downlink (DL) efetivo da largura de banda do
canal de 3 MHz e o uplink (UL) efetivo para a largura de banda do canal de 3MHz e o uplink
para a largura de banda do canal de 2MHz. Com a mesma divisão assimétrica de tráfego no caso
de FDD, o canal de uplink de 3,5MHz não será utilizado plenamente.
O ganho do sistema para DL para CPE indoor é aproximadamente 6 dB abaixo que o
ganho do sistema para CPE outdoor, principalmente devido à diferença em ganho da antena.
Também há perda adicional de caminho (path loss) com CPEs indoor devido a penetrações nas
paredes e situações não ideais de instalação que tipicamente estarão teoricamente abaixo de um
nível NLOS existente nas CPEs outdoor em relação à estação base. Esta perda de caminho
excessivo é calculada ser aproximadamente 15 dB. O modelo de propagação que é usado para
predizer o alcance é baseado em contribuições ao IEEE do Grupo de Trabalho 802.16 para Acesso
de Banda Larga (Erceg et al). Os modelos propostos de propagação cobrem três categorias de
terreno; “A”, “B”, e “C” [29].
“Categoria A”, é a categoria com alta perda de caminho (path loss), é usada como
características de propagação em ambientes urbanos e a “Categoria C”, é a categoria com baixa
perda de caminho (path loss), é usada na propagação em ambientes rurais.
A condição intermediária de perda de caminho é a categoria com alta de perda de
caminho (path loss), “Categoria B”, é suposta para propagação em ambiente suburbano. Tratar
69
estas categorias de terreno como suburbano, urbano, e rural respectivamente é uma suposição
conveniente para os propósitos deste trabalho, mas em prática cada ambiente deve ser avaliado em
suas características específicas. Não seria raro, por exemplo, encontrar-se uma área rural com um
terreno montanhoso, árvores com copas densas e variadas fazendo-o um candidato para uma
condição de propagação de alta perda; “Categoria A”, em vez de ”Categoria C”.
Adicionalmente, algumas áreas urbanas em cidades menores com alturas de edifícios
relativamente baixos podem qualificar-se para uma condição intermediária de perda, “Categoria
B”.
Attribute 2.5 GHz Band 3.5 GHz Band Duplexação TDD FDD Largura do canal 5 MHz 2 x 3.5 MHz Modulação adaptativa BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM Ganho nominal do sistema utilizando CPEs outdoor
163 dB at BPSK 164 dB at BPSK
Ganho nominal do sistema utilizando CPEs outdoor e indoor
157 dB at BPSK 158 dB at BPSK
Path Loss para CPEs indoor 15 dB
Tráfego TDD DL/UL 60/40 n/a
Condições de propagação
Urbano, Suburbano e Rural 100% dos usuários com terminais NLOS
Tabela 2: Parâmetros relevantes do rádio [29].
O uso de modulação adaptável capacita o link com usuário final adaptar-se dinamicamente
às condições de caminho de propagação para link em particular. Quando os níveis recebidos de
sinal são baixos, como seria o caso para usuários mais distante da estação de base, o link
automaticamente “baixa” a um esquema de modulação mais robusto, porém menos eficiente em
modulação. Desde que cada esquema de modulação tenha uma eficiência diferente de modulação,
a capacidade efetiva do canal só pode ser determinada sabendo qual esquema de modulação e
codificação está sendo usado para o link do usuário final compartilhado no canal particular.
Isto prontamente está feito se suposto que os assinantes ativos em qualquer canal dado
uniformemente são distribuídos sobre a área de cobertura para esse canal e adicionalmente cada
usuário final está sob as mesmas condições. Exemplo: Todos CPEs outdoor e NLOS. Também
será analisado o impacto de uma instalação “misturada” abrangindo CPEs outdoor e indoor. As
70
instalações podem ser de alcance limitado ou capacidade limitada. Num caso de alcance limitado,
se uma distribuição uniforme de assinantes ativos com CPEs outdoor é suposto, mais de 60% dos
usuários ativos operará em QPSK ou BPSK e só 15% irá operar em 64QAM [15].
Isto é ilustrado na figura 29. O alcance calculado mostrado na figura 29 aplicado a uma
instalação de 3,5GHz num ambiente Rural com CPEs outdoor NLOS. Com a distribuição de
usuários como mostrado, a capacidade efetiva do canal de downlink (dados líquidos) para uma
instalação de alcance limitado é 3,8Mbps em comparação com 9,7Mbps para um caso capacidade
limitado com todos os usuários finais operando em 64 QAM. Supor que todos os usuários finais
são NLOS, em muitos respeitos, uma pior situação de caso. De um ponto de vista prático, é
razoável esperar que algumas instalações serão LOS ou “quase” LOS em relação à antena da
estação base. Desde que o alcance 64 QAM para LOS ou “quase” LOS exceder BPSK para
NLOS, em prática, algum usuário final distante real operar em 64 QAM em vez de BPSK e assim
levantar o capacidade efetiva do canal de downlink acima de 3,8Mbps . Outro fator não levado em
conta na figura 29 é uma concessão para interferência de co-canal (CCI) de células adjacentes. Na
qual, numa rede multi celular, é uma consideração adicional. Interferência excessiva também
causará ao link afetado, mover para uma modulação mais robusta, mas assim reduzindo a
capacidade efetiva do canal.
Contudo desde que estes dois efeitos tendem a compensar se, a aproximação usada na
figura 29 para calcular capacidade de canal representa uma primeira estimativa muito adequada de
ordem para capacidade efetiva do canal de downlink. Para serviços fixos, a obrigação de usar
bandas licenciadas, causa designações com espectro limitado, a maioria das instalações será de
capacidade limitada antes que alcance limitado. As exceções seriam áreas rurais com densidade
muito baixa, particularmente áreas que podiam ser classificados como terrenos com alta de perda
propagação.
71
Figura 29: Densidade típica de assinante para um sistema 3,5 GHz com instalação rural
[29].
Os gráficos das figuras 30 e 31 fornecem uma visualização mais quantitativa da
capacidade média de downlink do canal e a capacidade de downlink da Estação Base WIMAX
para 3,5GHz e 2,5GHz respectivamente.
As Estações Base são configuradas com seis canais e, como foi mostrada na figura 29,
uma distribuição uniforme de assinantes ativos NLOS é suposta.
Figura 30: Capacidade de downlink de um canal único e para os 6 canais da Estação Base
na faixa de 3,5GHz [29].
72
Figura 31: Capacidade de downlink de um canal único e para os 6 canais da Estação Base
na faixa de 2,5GHz [29].
Desde que os produtos WIMAX certificados estarão disponíveis num range de
configurações com múltiplos fabricantes, parâmetros variados de desempenho podem ser
esperados. As variações no ganho do sistema afetarão o range e finalmente, a capacidade do canal
numa instalação típica. A figura 32 mostra a sensibilidade do alcance e a capacidade efetiva do
canal a uma variação + /- 6 de dB em um ganho do sistema na faixa de 3,5 GHz.
Figura 32: Faixa e variação da capacidade com ganho do sistema na faixa de 3,5GHz [29].
73
Requisitos combinados de densidade de dados para a capacidade da Estação Base
Para cenários de instalação de capacidade limitada é necessário instalar Estações Base
espaçadas geograficamente e em número suficiente para atender a densidade esperada de usuários
finais. A densidade de dados é um excelente parâmetro para medir a capacidade da Estação Base e
para analisar os requisitos de mercado. Informações demográficas, incluindo a população, lares, e
negócios por km quadrado, estão disponíveis como uma fonte para detectar as melhores áreas
metropolitanas. Com esta informação, os serviços oferecidos junto com a penetração esperada de
mercado, requisitos de densidade de dados facilmente são calculados. Este processo de 6 passos é
resumido na figura 33.
Figura 33: Determinação dos requisitos de mercado [11].
Numa rede de rádio fixa é também importante analisar os requisitos de mercado vários
anos no futuro e instalar as Estações Base de acordo ao que essas projeções ditam. Não como nas
redes móveis, em que usuários finais são equipados com aparelhos de telefone tendo antenas omni
direcionais, as redes fixas são projetadas com uma combinação de CPEs indoor e outdoor. No
caso de CPEs outdoor, que são montadas ao ar livre e cuidadosamente alinhadas para obter o
melhor sinal. A necessidade de inserir estações base adicionais mais tarde, dentro da área de
cobertura, para aumentar a capacidade da rede, na maioria de casos, resulta em desprover recursos
valiosos para reorganizar as CPEs outdoor dos assinantes.
Se outros serviços segmentos de mercado vão ser incluídos tal como demanda de vídeo,
backhaul hot spots, serviços nômades, etc..., estes teriam que ser incluídos na composição de
serviços do assinante. Adicionar um link backhaul hot spot, é aproximadamente comparável a um
usuário adicional ao negócio. Para aplicações nômades uma estimativa pode ser feita como ao
74
número de operadores que serão possíveis estarem na mesma área geográfica ocupados durante
horários de pico e a densidade de dados necessária para este pico.
Uma análise mais completa é feita quando estes serviços adicionais são incluídos em uma
estimativa de tendência de tráfego. Por exemplo, o período de pique para usuários nômades é
durante horas diurnas de negócio e o período de pique para operadores residenciais é de manhã
cedo e à noite. Em algumas áreas, pode ser bem possível satisfazer múltiplos segmentos de
mercado e aplicações sem significativamente aumentar a capacidade da estação de base [29].
A tabela 3 representa um alcance típico de requisitos de densidade de dados para um
ambiente urbano, suburbano e rural para uma área metropolitana.
Tabela 3: Requisitos de dados típicos para uma área metropolitana média [29].
A densidade resultante de dados para várias configurações da estação base nas faixas de
2,5 e 3,5 GHz como uma função de espaçamento entre as estações base é mostrada a seguir. A
figura 34 é para uma especificação de área urbana e uma configuração da estação base de 4 canais
ou de 8 canais.
A figura 35 mostra a densidade de dados para uma área Suburbana e Rural com uma
configuração da Estação Base de 4 canais ou 3 canais respectivamente. Em 2,5 GHz TDD as
figuras a seguir supõe uma separação de tráfego de downlink e uplink de 60/40. Na prática, com
TDD, esta separação freqüentemente será ajustada para combinar condições médias de tráfego,
que geralmente favorecerão o downlink. As linhas pontilhadas verticais nos gráficos das figuras
34 e 35 representam os requisitos de espaçamento necessário entre Estações Base para maximizar
os requisitos de densidade de dados mostrada na tabela 3. O ganho em ter mais espectro é
evidente na figura 34, que com 8 canais, os espaçamentos entre as Estações Base é
aproximadamente 40% maior que uma instalação com 4 canais para alcançar a mesma densidade
de dados de 40Mbps por km quadrado.
75
Os requisitos de espectro que são mostrados nas tabelas incluídas nas figuras 34 e 35,
supõem um fator de reuso de freqüência da célula de “1”. Se a propagação e as condições de
instalação são tais que um alto potencial de interferência de co-canal for detectado, um fator de
reuso mais conservador de “2” pode ser usado. Isto dobraria as estimativas de requisitos de
espectro mostrado nas tabelas. Isto pode ser um cenário possível quando, num caso de
capacidade-limitada, a capacidade de Estação Base é tal que todos os assinantes operem em 64
QAM ou 16 QAM.
Figura 34: Densidade de dados de downlink da Estação Base para 4 e 8 canais numa
configuração da Estação Base para um ambiente urbano [29].
Figura 35: Densidade de dados de downlink da Estação Base num ambiente suburbano e
rural. Supondo 4 e 3 canais na configuração da Estação Base respectivamente.
76
Exemplos de distribuição de CPEs Outdoor
Nesta seção serão analisados alguns exemplos hipotéticos de distribuição de Estações
Base WIMAX em ambas as bandas supondo somente CPEs outdoor em cada uma das três áreas
demográficas: Urbana, Suburbana e Rural.
Os dados demográficos e o número de possíveis assinantes residenciais e SME (Small to
Medium Enterprise) para estes exemplos são resumidos na tabela 4 junto com a densidade de
dados que serão exigidos para atender este possível número de assinantes. O fator de reuso de
freqüência na célula é “1” e é suposto para todos os exemplos seguintes para determinar a quantia
de espectro necessário [29].
Tabela 4: Exemplos demográficos de distribuição [29].
O custo da infra-estrutura da estação base por usuário é um bom parâmetro para fornecer
uma comparação quantitativa entre as várias opções de distribuição usadas e a densidade de dados
requerida. O capital de investimento para Estação Base, CAPEX (Capital Expenditure) tem dois
componentes importantes, um componente “fixo” e um componente “variável”. A porção fixa
inclui todos os elementos necessários para adquirir e preparar a estação base antes da instalação
de qualquer equipamento WIMAX. Isto inclui aquisição de local, obras civis, equipamento de
interface de backhaul, mastros de antena, etc... Há uma grande variação nos custos fixos
dependendo da região e da instalação. Os custos podem ser bastante baixos quando o equipamento
WIMAX é instalado em torres existentes, localizadas perto ou em um nó existente de fibra para
uma conexão backhaul e bastante alto em outros casos. Para estes exemplos, o componente fixo
de CAPEX da estação base é suposto variar entre $15.000,00 e $75.000,00 por estação base. O
77
componente variável do CAPEX é o equipamento point-to-multipoint WIMAX que é relacionado
à capacidade da Estação Base. O custo do equipamento WIMAX irá variar de vendedor para
vendedor e também de acordo com as características específicas do mesmo. É esperado que este
custo diminua com o passar do tempo,em razão do amadurecimento da tecnologia e com um
volume maior de fabricantes. Nos exemplos a seguir o custo variável de Estação Base é suposto
variar entre $5000,00 e $10.000,00 por canal, para cobrir o custo do equipamento e o custo da
instalação [11].
Exemplo em um ambiente urbano: A figura 36 resume os resultados para uma área
Urbana mostrando o número de Estações Base WIMAX e os canais requeridos por Estação Base
para cumprir os requisitos de densidade de dados em cada uma das duas faixas de freqüência.
Como já era esperado, há custo em ter mais espectro disponível desde que, em geral, devido aos
altos custos fixos da Estação Base, relativamente é mais econômico instalar menos Estações Base
com alta capacidade ao contrário de um número maior de Estações Base com baixa capacidade.
Se o espectro adicional tem que ser adquirido por um processo de leilão, no entanto, alguns destes
benefícios de custo em relação à infra-estrutura não serão compensados pelas altas taxas de
licença do espectro e isso deve ser levado em conta para uma comparação mais exata de custo.
Figura 36: Exemplos de distribuição urbana [29].
78
Exemplo num ambiente suburbano: Os exemplos na área Suburbana são resumidos na
figura 37 e mostram as mesmas tendências gerais como no exemplo Urbano. O CAPEX por
assinante é mais baixo que no caso Urbano devido à mistura relativa de assinantes residenciais e
empresas. Em ambos os exemplos, Urbano ou Suburbano, quando o custo fixo da Estação Base é
baixo, há pouco ou nenhum custo para distribuir um número maior de Estações Base.
Figura 37: Exemplos de instalação numa área suburbana [29].
Exemplo num ambiente rural: A figura 38 inclui um resumo das alternativas de
distribuição analisadas para uma instalação típica na área Rural. Como esperado, com menos
usuários por Estação Base, o CAPEX por assinante é consideravelmente mais alto que em
qualquer outro exemplo, Suburbano ou Urbano.
Figura 38: Exemplo de distribuição na área rural [29].
79
O exemplo de distribuição com CPEs Indoor
A meta ao longo do tempo na maioria das operadoras para o acesso fixo de rádio é que
todos usuários utilizem CPEs indoor plug`n`play. A capacidade de auto instalação elimina a
necessidade de um técnico e as unidades interiores plenamente integradas serão mais baratas que
os CPEs outdoor. O custo mais baixo do CPE indoor também aumenta a probabilidade que os
usuários comprarão o próprio CPE. Isto não apenas diminui o CAPEX para a operadora, mas tem
uma tendência a reduzir rotatividade também. Um ganho, num entendimento mais quantitativo
dos benefícios, no entanto, a capacidade de alcance e o impacto dos CPEs indoor no custo da
infra-estrutura da Estação Base também devem ser levados em conta [29] [26].
Em 3,5 GHz, aproximadamente 7% dos usuários podem ser apoiados em CPEs indoor
num ambiente Rural, como é mostrado na figura 39 [29] [26]. Esta porcentagem é
aproximadamente 10% e 12% em um ambiente de propagação suburbano e urbano
respectivamente. Desde que aproximadamente 60% dos CPEs indoor irão operar numa eficiência
mais baixa de modulação que 64 QAM, a eficiência do canal em alcance máximo é reduzida de
3,8Mbps a 3,4Mbps. Estas comparações são resumidas para todos três ambientes de propagação
na tabela 5.
Figura 39: Distribuição numa área rural com CPEs indoor para 3,5GHz [29].
80
Tabela 5: Impacto das CPEs indoor na capacidade do canal [29].
O gráfico do lado esquerdo da figura 40 fornece uma visão mais detalhada da capacidade
de canal de downlink em função do alcance para os três ambientes. O gráfico do lado direito
mostra uma comparação em uma área Urbana para um canal único da Estação Base, abrangendo
ambos os modelos de CPEs, indoor e outdoor, e um canal único abrangendo inteiramente com
CPEs outdoor.
Figura 40: Capacidade de canal de downlink da Estação Base com CPEs indoor na faixa
de 3,5GHz [29].
A tabela 6 fornece um resumo demográfico dos dados usados nos próximos exemplos para
melhor quantificar as trocas e o impacto da distribuição com CPEs indoor na faixa de 3,5GHz. As
áreas de cobertura e o número previsto de usuários residenciais são idênticos aos usados nos
exemplos anteriores. Os usuários empresariais, que geralmente usarão CPEs outdoor, são
ignorados neste caso para simplificar a análise.
81
Tabela 6: Dados demográficos para distribuição com CPEs indoor [29].
A figura 41 mostra gráficos da densidade de dados para distribuições utilizando somente
CPEs outdoor em comparação com uma instalação misturada com ambos os modelos de CPEs,
indoor e outdoor. As linhas verticais mostram o espaçamento entre as Estações Base entre as duas
aproximações combinando os requisitos de densidade de dados indicados na tabela 6.
Figura 41: Densidade de dados de downlink da Estação Base com CPEs indoor na faixa de
3,5GHz [29].
82
As trade-offs, usando o mesmo método que foi usado nos exemplos anteriores, são
resumidas na figura 42 para os três diferentes cenários de instalação. Para cada ambiente de
instalação, o caso 1 supõe somente CPEs outdoor. O caso 2 é para uma instalação mesclando
CPEs indoor e outdoor em que o espaçamento entre as Estações Base é ajustado para recuperar a
capacidade de dados necessária para alcançar a densidade de dados desejada para um ambiente
em particular e o caso 4 mostra a infra-estrutura exigida para a estação base suportar 100% de
CPEs indoor em cada ambiente. O caso 3 é um nível intermediário para suporte de CPEs indoor.
Em ambos os exemplos, Urbano e Suburbano, o custo adicional da infra-estrutura da
Estação Base é mais do que compensado pelo esperado de $200,00 a $300,00 por CPE que serão
compreendidos quando se levar em conta ambos os custos, de equipamento e despesa de
instalação para CPEs outdoor. Um benefício adicional nos casos 3 e 4 é a densidade resultante de
dados que é mais alta que o mínimo exigido para o mercado suposto. Este excesso da capacidade
da Estação Base pode ser usado para oferecer outros serviços ou endereçar segmentos adicionais
de mercado.
Na instalação na área Rural, com uma estação base de 3 canais o CAPEX fixo da Estação
Base desempenha um papel maior. Se o custo fixo da Estação Base está no baixo fim do alcance,
uma instalação para apoiar todo CPEs indoor ainda pode ser rentável, particularmente tendo em
vista a densidade adicional de dados que potencialmente pode ser usado para gerar meios
adicionais de renda. Se os custos fixados pela Estação Base estão no fim mais alto do alcance, no
entanto, pode ser difícil economicamente justificar uma infra-estrutura de Estação de Base que
apóie mais de 40-50% CPEs indoor plug’n’play [29] [26].
.
83
Figura 42: Cenários de instalação em 3,5GHz com CPEs indoor [29].
A distribuição de cobertura
Todos os exemplos de instalação até aqui foram feitos com a capacidade desejada da
Estação Base determinado por requisitos de mercado baseados em serviços de penetração
demográfica projetada. Outro cenário de instalação é instalar o número mínimo de Estações Base
necessárias para ficar onipresente à cobertura sobre uma área particular no começo e só adicionar
capacidade adicional com a necessidade de servir um número crescente de usuários. A capacidade
adicional pode ser alcançada adicionando canais na Estação Base, às Estações Base já instalada
supondo que o espectro suficiente está disponível, ou por inserir estações adicionais de base se o
espectro não está disponível [11].
84
Instalar equipamentos para uma cobertura sem considerar os requisitos de capacidade
projetados é uma estratégia viável de instalação onde os requisitos de mercado são incertos e
difíceis de quantificar. Por exemplo, isto certamente seria uma aproximação razoável de
instalação para operadoras que querem fornecer acesso à internet onipresente ao ar livre para
usuários nômades sobre uma área geográfica larga. Quando a rede inicial é operacional, o
operador estará numa melhor posição para acessar e predizer distribuições da circulação,
aceitação de usuários, e expectativas de penetração no mercado.
Para este exemplo de instalação um ambiente urbano de 60 kms quadrados é suposta a
meta de fornecer no mínimo 128 kbps a cada usuário nômade que é ligado à rede em qualquer
tempo dado. Também é suposto que os usuários conectados uniformemente estão distribuídos
sobre a área de cobertura. Os 60 kms quadrados de área urbana podem ser coberta por três
Estações Base na faixa de 2,5GHz. Na figura 36, o método usado para comparações neste
exemplo de instalação é o CAPEX da Estação Base por Mbps por kms quadrados. Os casos 1, 2, e
3 na figura 43 mostram o resultado de adicionar canais às três Estações Base ao passo que, o caso
4 supõe essas Estações Base adicionais serão inseridas para dobrar a capacidade do sistema,
crescendo assim o número de usuários nômades suportáveis simultaneamente de 360 a 720. Como
esperado, com um custo fixo por Estação base, a aproximação mais econômica é adicionar mais
canais ao sistema existente do que novas Estações Base.
Isso é, naturalmente, se o espectro adicional necessário pode ser adquirido num custo
razoável.
Figura 43: Exemplo de uma instalação urbana [29].
85
Quando canais adicionais são instalados para aumentar a capacidade da Estação Base eles
simultaneamente não têm que ser adicionados para toda a área de cobertura, mas podem ser
adicionados a Estações Base dependendo da necessidade para suprir o crescimento do tráfego na
área de cobertura. Este conceito é retratado na figura 44, que mostra uma migração de instalação
de três Estações Base de 3 canais (num total de 9 canais) para três Estações Base de 6 canais (18
canais somados) sobre N anos com uma instalação de 13 canais totais.
Figura 44: Capacidade para adicionar canais numa expansão futura [13].
Equipamentos WIMAX baseados no Padrão Air Interface do IEEE 802.16-2004
fornecerão às operadoras a tecnologia necessária para instalar redes rentáveis de área por metro de
rádio com cobertura onipresente oferecendo serviços de banda larga a múltiplos tipos de usuários.
Os exemplos descritos neste estudo apontam para algumas considerações que devem ser levadas
em conta quando se planejar uma rede WIMAX na faixa de freqüência de 2,5GHz ou 3,5GHz.
Para redes de acesso de rádio, exatamente projetadas para requisitos futuros de capacidade é
importante assegurar uma instalação da infra-estrutura bem rentável da Estação Base,
particularmente em áreas onde os custos fixos da Estação Base podem ser altos. A quantia mínima
de espectro para uma instalação rentável varia com o aspecto demográfico, o segmento alvo de
mercado, os serviços a serem oferecidos e o fator de reuso da freqüência. Está claro, pelos
exemplos analisados neste estudo, que de um ponto de vista econômico, ter mais espectro é
geralmente melhor que ter menos espectro.
86
5. Mercado para a tecnologia WIMAX
Motivadores para o uso da tecnologia WIMAX.
A tecnologia WIMAX chega com algumas características diferenciais intrínsecas ao
padrão 802.16-2004, as quais certamente alavancarão a sua penetração no mercado mundial.
a) Padronização e modularidade
A padronização dos equipamentos e suas funcionalidades facilitarão a modularidade dos
sistemas sem fio de banda larga com tecnologia WIMAX. Isso possibilitará a interoperabilidade
das ERBs (Estação Rádio Base) com as CPEs de diversos fornecedores, fazendo com que as
operadoras se interessem ainda mais por essa tecnologia [26].
b) Mecanismos de segurança e autenticação
O nascimento dessa tecnologia com protocolos de segurança do tipo AES (Advanced
Encryption System) e DES para a troca de chaves e transmissão das informações garante a
robustez necessária para viabilizar aplicações que requerem alto grau de privacidade, integridade
e autenticidade das informações, como, por exemplo, a implementação de uma rede para o setor
financeiro. Nesse ponto, a tecnologia WIMAX não deve de forma alguma ser comparada com o
WI-FI, o qual tem buscado inúmeras formas de se fortalecer do ponto de vista de segurança [26].
c) QoS (multiserviço) e convergência de serviços
A característica de possibilitar a implementação de mecanismos de reserva de banda para
serviços específicos, garantindo QoS fim a fim desses serviços é certamente uma das grandes
vantagens dessa tecnologia, a qual possibilita a convergência de serviços de voz, dados e imagem,
tão importantes para os provedores de serviços. Essa característica possibilitará a provisão de
múltiplos serviços para o cliente final com a qualidade por este desejada [26].
d) Flexibilidade e atendimento de múltiplos clientes
As redes WIMAX podem prover diversos tipos de serviços para múltiplos clientes, sejam
residenciais ou até mesmo grandes empresas.
87
e) Desempenho a distância versus taxa de transmissão
Uma das vantagens muito divulgada pelos estudiosos sobre sistemas WIMAX é o grande
desempenho em relação à distância de cobertura de RF e de sua enorme capacidade de tráfego na
interface aérea, o que certamente é visto como um enorme diferencial dessa tecnologia [26].
Adicionalmente, esses sistemas também possuem uma enorme eficiência espectral,
quando comparados com sistemas concorrentes sem fio de banda larga.
f) Múltiplas faixas de freqüência (com e sem licença) – Múltiplos provedores
Do ponto de vista do espectro de freqüência, os fornecedores estão desenvolvendo
equipamentos para aplicações em várias faixas de freqüências, regulamentadas em cada país como
faixa não licenciada, que não necessitam de licença dos órgãos reguladores, e em faixas
licenciadas por esses órgãos. Com isso, vários tipos de provedores de redes e serviços, bem como
corporações, poderão criar as suas redes, as quais, dependendo do tipo de negócio, poderão optar
por faixas licenciadas ou não [26].
Desafios para o uso da tecnologia WIMAX.
Em contrapartida, ainda há muito a se fazer no sentido de convencer o mercado a utilizar
essa tecnologia emergente.
a) Redução de preços e custos CAPEX e OPEX (Operative Expenditure)
Com a padronização dos equipamentos e com uma provável concorrência crescente, o
mercado espera que seus custos caiam drasticamente viabilizando vários tipos de negócios, os
quais certamente já estão mapeados em diversos “business cases”. Essa redução dos preços
impactará num baixo investimento (CAPEX), o qual aumentará a penetração da tecnologia
WIMAX em vários mercados. Em contrapartida, por tratar-se de uma tecnologia sem fio, seus
custos operacionais são baixos quando comparados com a tecnologia com fio (por exemplo, o
DSL) [26].
b) Gerenciamento da rede à confiabilidade operacional
Por tratar-se de uma tecnologia nova no mercado, é essencial que esses sistemas possuam
um sistema de gerência capaz de detectar eventuais falhas e problemas de desempenho, bem como
de possibilitar a configuração da rede e dos serviços. Isso é um dos fatores que garantirão a
confiabilidade e a credibilidade operacional dessas redes e possibilitará a sua implementação com
maior tranqüilidade de seu funcionamento [26].
88
c) Confiabilidade nos prazos previstos
Atualmente os equipamentos WIMAX certificados pelo WIMAX Forum já estão com um
atraso previsto de quase 18 meses, considerando que a previsão para pôr à disposição esses
equipamentos para comercialização é dezembro de 2005. Atrasos adicionais poderão implicar
uma descrença na tecnologia WIMAX, o que certamente seria prejudicial para esta [26].
d) Flexibilidade para integração com outras redes existentes (3G)
A expectativa é 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 sistemas nos próximos anos. Essa integração é essencial para a
evolução das redes e facilitará e potencializará a comercialização da tecnologia WIMAX [26].
e) Fácil instalação e operação (CPE Plug’n’Play)
Um dos grandes mercados dessa tecnologia é o residencial, o qual é normalmente leigo do
ponto de vista tecnológico e com baixo conhecimento para realizar procedimentos de instalação
de alta ou média complexidade. Sendo assim, o terminal do usuário final deve requerer
procedimentos de instalação de baixíssimo grau de complexidade [26].
f) Provar ser tecnologia de ruptura para crescer
Além de tudo isso, a tecnologia WIMAX, considerada uma tecnologia de ruptura pelos
motivos anteriormente destacados, dentre eles, o acesso wireless banda larga, deverá ainda
viabilizar várias de suas promessas para se sedimentar no mercado, tais como prover Wireless
VoIP com QoS, migrar para o Padrão 802.16e que garantirá mobilidade, etc.
Sendo assim, espera-se com essa tecnologia uma quebra de paradigma com relação à
comunicação, em especial a comunicação pessoal, possibilitando a migração do
“anytime’n’anywhere” para o “easy to use”.
Regulamentação de faixas de freqüências
Nada funcionaria a contento com o WIMAX se não fosse assegurado o espectro de
freqüência para ele operar. Todos os países hoje enfrentam problemas de alocação de espectro
com serviços não nobres ocupando muita banda. É necessária uma reengenharia de espectro e ela
já está sendo feita em todos os países paulatinamente.
No caso de WIMAX temos duas situações distintas em relação às freqüências: banda
licenciada e não licenciada.
89
No caso de bandas não licenciadas existe uma tendência mundial de se utilizar as faixas de
2,4GHz e 5,8GHz.
Faixas de 2,4 GHz e 5GHz: Cenário para uso do espectro por equipamentos de radiação
restrita (Resolução no. 365,10/05/2004) [8]. Não necessitam autorização uso radiofreqüências,
operam em caráter secundário. Devem ter certificado homologado pela ANATEL para uso na
prestação de serviço aplica-se a Resolução nº 73, de 25/11/1998 [8].
Faixa de 2,4 GHz: Tem algumas alterações em estudo. Tem uma proposta de
regulamentação sobre uso da faixa por sistemas utilizando potências superiores às utilizadas pelos
equipamentos de radiação restrita, WI-FI (localidades acima de 500 mil habitantes), operação em
caráter secundário para evitar contenções com equipamentos de radiodifusão utilizados nos
caminhões móveis de estações de TV e Rádio para transmissões de eventos. Estações devem ser
licenciadas, localidades com População acima 500 mil habitantes e potência acima de 400 mW
EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power). A limitação de potência é para evitar contenções
com equipamentos de radiodifusão. Aqui existe um problema, pois os equipamentos de
radiodifusão são analógicos e consomem muita banda (20Mhz). No futuro deverá acontecer uma
reengenharia desta faixa e/ou estímulo para a utilização de equipamentos de radiodifusão digitais
que consomem menos banda. (Resolução nº 305/2002) [8];
Faixa de 2,6 GHz: Faixa destinada para serviço de distribuição de sinais
multiponto multicanal (MMDS). Resolução original no. 236, 6/10/2000 da ANATEL [8]. A nova
Resolução no. 371 (17/05/2004) [8] revoga a Resolução no. 236 e altera valores de potência da
estação terminal e elimina a necessidade de autorização da ANATEL para canal de retorno. Com
vistas a proporcionar um uso mais otimizado da faixa 2,6GHz e também novas perspectivas para
prestação de serviço pelas atuais prestadoras de MMDS, vislumbra-se a oportunidade de
implementar alteração na regulamentação vigente (Resolução no. 371) [8]. A ANATEL está
estudando a alteração desta resolução e buscando o estabelecimento de regras claras mantendo o
alinhamento com UIT-R e alinhamento com FCC (sempre que possível). Depois do resultado da
reengenharia que a ANATEL está realizando nesta faixa, ela poderá ser utilizada também para o
WIMAX.
Faixa de 5,0 GHZ: A atualização da regulamentação permitiu o uso por equipamentos
Rádio LAN. Esta faixa otimiza a transmissão pois incorpora facilidades DFS (Dynamic
Frequency Shifting) e TPC (Transmit Power Control);
Como o WIMAX é uma tecnologia de transmissão em outdoor não aconselhamos que a
banda de 2,4GHz seja utilizada pois é uma freqüência muito poluída. A tendência mundial aponta
para a banda de 5,8GHZ.
90
Estas faixas não devem ser utilizadas para transmissão em grandes centros urbanos pois
vão operar em caráter secundário e não contam com proteção oficial da ANATEL de não
interferência nos sinais transmitidos.
Existe um movimento da FCC americana de buscar mais espectro de freqüência a partir da
reengenharia de espectro na banda da tecnologia MMDS/ITFS em 2,5 GHz buscando espaço de
freqüência para novos serviços incluindo o WIMAX. Este movimento poderia também ser
seguido no Brasil pela ANATEL.
No caso de bandas licenciadas existe uma tendência mundial fora dos EUA de se utilizar
as faixas de 3,5 GHz e 10,5 GHZ. Nos EUA, até agora, a faixa de WIMAX está entre 2,5 - 2,7
GHz.
Faixa de 3,5 GHz: [Resolução no. 309 (13/09/2002) da ANATEL] Abrangendo a faixa de
3400-3600MHz. Estabelece condições uso da faixa para sistemas digitais serviço fixo (aplicações
ponto-multiponto). A autorização de uso dos blocos poderá ocorrer de forma individual ou
agregada. Admite o uso tecnologia FDD e TDD. Esta faixa pode ser utilizada pelo WIMAX.
Faixa de 10,5 GHz: [Resolução no. 307 (14/08/2002)] [8] Abrange as faixas 10,15-
10,30/10,50-10,65MHz. Estabelece condições uso da faixa para sistemas do serviço fixo
(aplicações ponto-a-ponto e ponto-multiponto).
No Brasil a ANATEL está fazendo um trabalho árduo em relação as tecnologias modernas
sem fio como WI-FI e WIMAX [8].
Em 2003 a ANATEL fez um leilão de PMP (Ponto-Multiponto) e as bandas de 3,5 GHz e
10,5 GHz foram adquiridas por algumas empresas, entre as quais:
- EMBRATEL: 3,5 GHz no Brasil inteiro;
- Vant (19,9% da Brasil Telecom): 3,5 GHz (13 áreas) e 10,5 GHz (04 áreas) nos Estados
de São Paulo, Rio de Janeiro, Minas Gerais, Paraná, Rio Grande do Sul, Bahia, Pernambuco e
Ceará [31];
- DirectNet (Grupo British Gás): 3,5 GHz, Estado de São Paulo [31].
91
Figura 45: Espectro de freqüências utilizadas para a tecnologia WIMAX [24].
Tipos de aplicações
As aplicações que se beneficiarão com a entrada da tecnologia WIMAX são basicamente
de três tipos:
• Backhaul Urbano – rede de dados urbana para interligar pontos que necessitam de altas
taxas de transmissão (por exemplo 15 a 75 Mbits/s).
• Banda larga Rural – prover acesso de banda larga para regiões rurais próximas das
cidades (até 50 km).
• Last Mile – prover acesso de banda larga para assinantes urbanos, hoje atendidos ou não
por DSL e “cable modem”. Em cada um desses tipos de aplicações pode haver vários clientes
necessitando de diversos serviços.
92
Figura 46: Tipos de aplicações de interesse dos vários setores do mercado [23].
Cada um desses clientes citados na figura 46 tem interesses específicos, os quais esperam
ser atendidos pela tecnologia WIMAX, tais como:
• Operadoras de Telecomunicações:
– Levar serviços de banda larga para clientes não atendidos: voz, Internet e video
broadcast
– Reduzir OPEX dos clientes já atendidos
– Atender as metas de universalização
• Corporativos (bancos, comércios, etc.) e governo:
– Reduzir custos com a rede de dados terceirizada
• Residenciais:
– Reduzir custos
– Ter serviços de voz, dados e vídeo de um único provedor, preferencialmente com um
terminal fixo/móvel.
• Rural:
– Telefonia com baixo custo, mas a banda larga é bem-vinda.
93
A topologia e a arquitetura da rede de banda larga sem fio WIMAX estão apresentadas na
Figura 47. Nela é possível identificar a capacidade e a potencialidade para se trafegar diversas
serviços para vários clientes, como os apresentados na Figura 48.
Figura 47: Topologia e arquitetura de rede na tecnologia WIMAX [28].
Vale ressaltar que os principais serviços que alavancarão a tecnologia WIMAX serão os
serviços de voz (VoIP), Internet e video broadcast [23].
Figura 48: Empresas e aplicações de interesse do mercado [23].
94
Taxa de Penetração
Toda nova tecnologia possui uma curva de penetração de mercado, a qual pode variar com
inúmeros fatores, sendo que vários deles já foram referidos nos itens anteriores. No caso da
tecnologia WIMAX não será diferente. Seu mercado deverá sobrepor-se ao mercado de sistemas
BWA num primeiro momento e, após, deverá ocupar quase a totalidade do mercado de redes de
banda larga sem fio nos próximos anos.
A previsão da Maravedis Inc. [23] e da Pyramid Research [24] é de que a tecnologia
WIMAX alcance quase 60% do mercado de sistemas de rádio com banda larga por volta de 2008,
conforme Figura 49 e Figura 50. Com o atraso do lançamento da tecnologia, esse ponto deverá
ocorrer em 2009 [23] [24].
Figura 49: Taxa de penetração da tecnologia WIMAX pela previsão da Maravedis
Inc.[23].
Figura 50: Taxa de penetração da tecnologia WIMAX pela previsão da Pyramid Research
[24].
95
Mercado mundial de rádios BWA e WIMAX
A estimativa do mercado mundial de rádios com banda larga BWA para 2008 varia de
US$ 1,1 bilhão a 2,57 bilhões, de acordo com as estimativas mercadológicas.
Como visto anteriormente, estima-se uma taxa de penetração da tecnologia WIMAX de
aproximadamente 60%. Com isso, o mercado WIMAX para 2008 deve variar de US$ 660 milhões
a US$ 1,54 bilhão. Considerando a média, o valor mais provável desse mercado seria em torno de
US$ 1,1 bilhão em 2008.
Mercado de CPEs WIMAX
A previsão do mercado mundial de CPEs WIMAX mais otimista é a da Intel, com 11,2
milhões de unidades para 2008. A previsão da Pyramid Research varia de 2,2 a 3,9 milhões para o
mesmo ano. A Visant Strategies Inc. prevê uma quantidade para 2008 entre 3,1 e 5,6 milhões. A
Maravedis Inc. estima um mercado de 3,9 milhões de CPEs WIMAX para 2008 [23] [24].
A diferença do valor estimado pela Intel em relação às outras entidades mencionadas pode
estar ligada às CPEs do Padrão 802.16e, que eventualmente pode ter seu lançamento antecipado e
seu volume ser adicionado ao padrão 802.16-2004. Os outros valores apresentados estão bem
próximos e devem também estar mais próximos da realidade de 2008 [23] [24].
Considerando o preço de uma CPE WIMAX igual a US$ 350, estimamos que o mercado
de CPEs para 2008 deve variar de US$ 1,05 bilhão (3 milhões de CPEs) a US$ 1,4 bilhão (4
milhões de CPEs). Há muitos que acreditam na redução do preço de uma CPE WIMAX, podendo
este alcançar US$ 200. Nesse caso, o mercado de CPEs WIMAX pode variar de US$ 600 milhões
(3 milhões de CPEs) a US$ 800 milhões (4 milhões de CPEs); na média, aproximadamente US$
700 milhões. Estes números parecem ser os mais prováveis, quando é analisado o cenário geral do
WIMAX [23] [24].
Mercado WIMAX no Brasil
A previsão do mercado latino-americano de rádio BWA varia de 8% a 13% do mercado
mundial, segundo informações mercadológicas. A partir das diversas fontes analisadas, acredita-
se que a faixa superior (13%) seja a mais provável.
Acredita-se ainda que o mercado brasileiro corresponda a 15% do mercado latino
americano.
96
Isso se deve, em especial, à grande demanda de serviços de banda larga no Brasil, que
atualmente é atendida em sua grande maioria pela tecnologia DSL. Sabe-se que a tecnologia DSL
é limitada em distância e os seus custos, tanto CAPEX como OPEX, são maiores que os da
tecnologia WIMAX. Isso faz da tecnologia WIMAX uma boa alternativa para a solução DSL, em
especial em locais suburbanos, aonde o DSL não chega, e em locais urbanos com falta de acessos
DSL disponíveis.
Aplicando estes índices (13% e 15%) às previsões mundiais apresentadas pela Visant
Strategies Inc. [25], foi obtida a seguinte previsão para CPEs e ERBs para o Brasil, conforme
Figura 51 e Figura 52, respectivamente.
Figura 51: Estimativa do mercado brasileiro de CPEs WIMAX, baseado na Visant
Strategies Inc [25].
Figura 52: Estimativa do mercado brasileiro de ERBs (Estações base) WIMAX, baseado
na Visant Strategies Inc [25] .
Analisando-se os fatores e as demandas internas das empresas operadoras nacionais,
WISPs (Wireless Internet Service Provider) e do cenário atual de telecomunicações no Brasil,
estima-se, numa outra visão mais realista, as seguintes demandas e receitas para a tecnologia
WIMAX, conforme Figura 53.
97
Figura 53: Estimativa do mercado brasileiro de CPEs e ERBs WIMAX, baseado em
informações nacionais [26].
Mercado atual de acesso de rádio com banda larga
O Brasil, segundo a Associação Brasileira dos Provedores de Acesso, Serviço e
Informações da Rede Internet (Abranet), possuía 960 mil usuários de banda larga em dezembro de
2003. Desse total, 755 mil usavam conexão ADSL, representando 79%; 170 mil eram usuários de
Internet via cabo, correspondendo a 18%; e 35 mil usavam o rádio, que representava 4%.
Para o final de 2004, esta entidade projetou um cenário mais otimista para as soluções de
rádio com banda larga, com crescimento de 629%, ou seja, 220 mil novos usuários de rádio com
banda larga, conforme Figura 54.
Figura 54: Estimativa para o mercado de acesso de rádio com banda larga [25].
98
6. Conclusão
Chegado o fim deste trabalho de conclusão de curso, olha-se para o resultado do
desenvolvimento deste trabalho, a documentação gerada, ao longo de um ano, que inclui o
trabalho de estágio e este trabalho de integração, percebe-se o quanto de conhecimento e
experiência foi agregado. Seja pelo estudo da tecnologia em si, ou por todas as outras tecnologias
agregadas, as quais requerem uma série de conhecimentos mínimos, entre estes e outros vários
fatores, bem com as questões referentes ao mercado de sistemas de comunicação.
Tão importante quanto à análise técnica, deve-se levar em conta de como fazer para que
esta tecnologia atenda aos requisitos básicos de baixo custo para a operadora, refletindo em um
custo baixo para os usuários, tanto de equipamentos tanto para os serviços agregados.
O mercado WIMAX ainda nem começou e está prometendo várias oportunidades de
negócios, como citado neste trabalho. Embora suas características técnicas demonstrem que o
WIMAX é uma tecnologia de ruptura e que certamente irá quebrar vários paradigmas atuais do
setor de telecomunicações, ainda existem vários desafios a serem vencidos para que seu sucesso
seja alcançado.
A eficiência com que a tecnologia WIMAX irá superar todos os desafios apresentados
nesse trabalho, bem como o empenho dos fornecedores em colocar seus produtos WIMAX no
mercado e, em especial, a redução dos custos das CPEs, certamente impactará na velocidade de
sua penetração no mercado.
Com uma visão otimista, acredita-se que o mercado mundial de rádios WIMAX alcançará
aproximadamente US$ 1,1 bilhão em 2008, sendo que o mercado de CPEs será responsável por
uma fatia de aproximadamente US$ 700 milhões deste montante [23] [24] [25] [26].
No Brasil, estima-se que o mercado de rádios WIMAX chegue a US$ 76,5 milhões em
2008 [26].
Espera-se que no Brasil as freqüências de trabalho do WIMAX sejam 3,5GHz ou 5,8GHz.
Também se faz ressurgir o princípio básico das Telecomunicações, que é o de prover a
comunicação entre as pessoas onde quer que elas estejam. É por isso que pessoas trabalham
99
arduamente todo dia com o intuito de implementar novas soluções para as barreira encontradas
pela humanidade. Não podemos nos deixar admitir que todo o desenvolvimento que aconteceu e
está acontecendo com as Telecomunicações nas últimas décadas seja em objetivo do lucro ou
simplesmente pelo sistema capitalista que nos impulsiona.
O maior fator para todos estes avanços esteja baseado no instinto humano de se
comunicar.
A tecnologia WIMAX é uma realidade, apesar de não termos notícia de nenhuma rede
comercial até o momento. Isto deverá ocorrer num futuro muito próximo, pois há uma “corrida”
na pesquisa e aprimoramento desta tecnologia, inclusive no Brasil.
O que se tem até o momento são estudos hipotéticos e previsões baseadas apenas em
teorias, como mostra este trabalho e algumas simulações práticas muito vagas. Na realidade há
uma enorme especulação, mas nada que indique como funcionará ou como será sua aceitação na
prática.
A idéia básica ainda persiste: Será um padrão de baixo custo com alta qualidade nos
serviços oferecidos, quanto a isto não há dúvida. Um padrão wireless com altas taxas de
transmissão de voz, dados e vídeo que alcança áreas impossíveis de se imaginar com um sistema
DSL, por exemplo.
Este trabalho teve o intuito de apresentar esta tecnologia, dando um enfoque especial à
antena (no caso, a CPE outdoor), apresentar dados estatísticos do que podemos esperar desta
tecnologia, inclusive no Brasil. Sendo que está se observando uma movimentação em massa na
busca de informações e pesquisa sobre a mesma, também aqui no Brasil, e porque não dizer no sul
do Brasil ou Porto Alegre.
O quer dizer que estamos no limiar de um grande avanço da tecnologia de acesso banda
larga e não seria presunção dizer que poderemos resolver definitivamente o problema de acesso à
última milha.
Para trabalhos futuros, será possível analisar e realmente descobrir se tudo o que está
descrito neste trabalho e se toda esta expectativa irá se concretizar, e também analisar quais serão
os avanços implementados na tecnologia a partir do está descrito aqui.
100
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